Ca2+和Mg2+对Cr3+聚合物凝胶性能影响实验研究

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Ca²⁺和Mg²⁺对Cr³⁺聚合物凝胶性能影响实验研究

姜维东

中海石油(中国)有限公司开发生产部

收稿日期：2015-09-14

基金项目：国家“十二五”油气重大专项子课题“海上稠油保压热采技术示范”(2011ZX05057-005-003)

作者简介：姜维东(1980-)，博士，高级工程师，现就职于中国海洋石油有限公司开发生产部，主要从事海上油田开发与开采技术研究与管理工作。E-mail:jiangwd@cnooc.com.cn.

摘要：为进一步探究Ca²⁺和Mg²⁺对弱凝胶调驱效果的作用机理，针对渤海某油藏地质特征和流体性质，以黏度、黏弹性、阻力系数、残余阻力系数以及采收率为评价指标，从增黏性、抗剪切性、耐温性、黏弹性、渗流特性和调驱效果等方面着手，开展了Ca²⁺和Mg²⁺对弱凝胶性能及其调驱效果影响研究。结果表明，与注入水相比，软化水虽然矿化度较高，但其几乎不含Ca²⁺、Mg²⁺二价阳离子，利用其所配制Cr³⁺聚合物凝胶溶液中的聚合物分子链受阳离子影响较小，聚合物分子聚集体尺寸较大，其增黏性、抗剪切性、耐温性、黏弹性、渗流特性和调驱效果均强于注入水配制Cr³⁺聚合物凝胶。对海上油田注入用水进行软化处理，即除去水中Ca²⁺和Mg²⁺，有利于改善Cr³⁺聚合物凝胶调驱效果，进一步提高原油采收率。

关键词：凝胶 Cr³⁺聚合物溶剂水类型驱油效果海上油田

Experimental study on influence of Ca²⁺ and Mg²⁺ on performance of Cr³⁺ polymer gel

Jiang Weidong

Development and Production Department, CNOOC (China) Ltd., Beijing 100010, China

Abstract: In order to explore the function mechanism of Ca²⁺ and Mg²⁺ on weak polymer gel displacement, aiming at geological characteristics and fluid property of one reservoir in Bohai Oilfield, this paper studied on the influence of Ca²⁺ and Mg²⁺ on displacement effect of Cr³⁺ polymer gel through evaluating increasing viscosity, shear resistance, temperature tolerance, viscoelasticity, seepage characteristic and displacement effect, with taking viscosity, viscoelasticity, resistance factor, residul resistance factor and oil recovery as evaluation factor. The results show that, compared with injection water, although softened water has higher salinity, it almost doesn't contain Ca²⁺ and Mg²⁺. Polymer molecular chains of Cr³⁺ polymer gel prepared by softened water suffer less influence of Ca²⁺ and Mg²⁺ divalent catio, and have bigger polymer molecular aggregation size, its increasing viscosity, shear resistance, temperature tolerance, viscoelasticity, seepage characteristic and displacement effect are all stronger than Cr³⁺ polymer gel prepared by injection water. Using softening process for offshore oilfield injection water, which means eliminating Ca²⁺ and Mg²⁺, is good for improving displacement effect of Cr³⁺ polymer gel, and furtherly enhancing oil recovery.

Key Words: gel Cr³⁺ polymer solvent water type displacement effect

近年来，以“分子内交联结构”为主的Cr³⁺聚合物凝胶体系因其注入性好、传输运移能力强和“阻力系数和残余阻力系数较大，且残余阻力系数大于阻力系数”的独特渗流特性，在渤海油田现场调驱实践中被广泛使用，并取得了良好的增油降水效果^[1-3]。相比较于陆地油田，海上油田注入水不仅总体矿化度较高，其中Ca²⁺和Mg²⁺含量也明显较高。现有研究表明，溶液中的金属阳离子会压缩聚合物分子链双电层，造成聚合物线团卷曲，其中高价金属阳离子的压缩作用尤为明显。因此，会对海上油田现场注入水所配制聚合物溶液黏度有一定程度影响^[4-6]。针对此情况，相关学者提出了通过水质处理除去水中Ca²⁺和Mg²⁺以改善调驱剂性能的观点，并进行了初步探索^[7]。在此基础上，针对LD5-2油田储层地质特征和流体性质，以“氢氧化钠-碳酸钠”加药法作为水质处理方法，在对比分析了水质软化处理前后Cr³⁺聚合物凝胶体系基础性能差异后，通过层内非均质岩心调驱实验，研究了Ca²⁺和Mg²⁺对聚合物凝胶调驱效果的影响，为海上非均质油藏化学驱提高原油采收率提供了新思路。

1 实验条件

1.1 药剂、水和油

聚合物为中国石油大庆炼化公司生产的部分水解聚丙烯酰胺，相对分子质量1 900×10⁴，简称“高分”聚合物。

交联剂为有机铬，Cr³⁺有效质量分数为2.7%。

实验用水包括注入水和软化水，注入水取自LD5-2油田，总矿化度为7 928.3 mg/L，离子组成见表 1。注入水软化处理时根据OH^-、CO₃^2-沉淀Ca²⁺、Mg²⁺的原理，通过“氢氧化钠-碳酸钠”加药法除去水中Ca²⁺和Mg²⁺ ^[7]。

表 1 水质分析 Table 1 Analysis of water

实验用LD5-2油田脱水脱气原油与煤油混合而成，50 ℃时黏度为300 mPa·s。水质分析见表 1。

1.2 岩心

实验岩心为石英砂环氧树脂胶结岩心^[8-9]，柱状岩心外观几何尺寸：ϕ2.5 cm×10 cm，气测渗透率为7 000×10^-3 μm²；调驱实验所用物理模型为层内非均质长条状岩心，包括高中低3个渗透层，气测渗透率分别为7 000×10^-3 μm²、1 500×10^-3 μm²和320×10^-3 μm²，厚度分别为1 cm、2 cm和1.5 cm，外观几何尺寸为：高×宽×长=4.5 cm×4.5 cm× 30 cm。

1.3 实验

(1) 黏度。采用DV-Ⅱ型布氏黏度仪测试黏度，转速为6 r/min，测试温度为50 ℃。

(2) 分子结构形态。采用Hitachi(日立)S-3400N扫描电镜进行聚合物分子结构形态观测。

(3) 黏弹性。采用Harke100流变仪测定调驱剂黏弹性。

(4) 渗流特性和调驱效果。渗流特性和调驱实验设备主要包括平流泵、压力传感器、岩心夹持器、手摇泵和中间容器等，除平流泵和手摇泵外，其他部分置于50 ℃恒温箱内^[10-11]。

2 结果分析

2.1 增黏性

不同聚合物浓度条件下，Cr³⁺聚合物凝胶黏度测试结果见表 2。

表 2 黏度测试结果 Table 2 Testing results of viscosity (mPa·s)

从表 2可以看出，随聚合物浓度增加，不同溶剂水型条件下的Cr³⁺聚合物凝胶黏度均呈上升趋势，但与注入水相比，软化水配制Cr³⁺聚合物凝胶黏度明显较大，且差异随聚合物浓度增加而增大。分析认为，与注入水相比，软化水虽然矿化度较高，但Ca²⁺、Mg²⁺二价阳离子较低，利用其所配制Cr³⁺聚合物凝胶溶液中的聚合物分子链受阳离子影响较小，发生卷曲收缩程度较低，聚合物分子聚集体尺寸较大，包裹水分子能力较强，增黏性较强。当聚合物浓度较低时，分散于溶液中的聚合物分子间距离较大，不同溶剂水型条件下的凝胶体系中主要发生分子内交联，所以溶液黏度差变化小^[12]。当聚合物浓度较高时，软化水配制凝胶体系中聚合物分子链舒展程度较大，此时聚合物分子与交联剂发生分子间交联反应的概率增大，形成的网状聚合物分子聚集体的空间尺寸也随之增大，包裹水分子能力增强，溶液黏度差变大。

2.2 抗剪切性

不同剪切强度条件下，Cr³⁺聚合物凝胶(ρ_p=2 000 mg/L，V(聚):V(Cr³⁺)=120:1)黏度测试结果见图 1和图 2。

图 1 黏度和黏度损失率与剪切时间的关系 Figure 1 Relationship between viscosity, loss rate of viscosity and shear time

图 2 凝胶分子结构形态(剪切25 s) Figure 2 Structure form of gel molecular(shearing for 25 s)

从图 1和图 2可知，注入水Cr³⁺聚合物凝胶中部分分子链交织在一起，形成较为疏松的空间网状结构，而软化水配制的Cr³⁺聚合物凝胶中聚合物分子相互交叉形成密集的片-网状结构，视黏度值较大。随剪切时间(剪切强度)增加，不同溶剂水类型条件下的Cr³⁺聚合物凝胶黏度均呈现下降趋势，但与注入水相比较，软化水配制Cr³⁺聚合物凝胶的分子聚集体网状结构密集程度较高，抗剪切能力较强。因此，其黏度损失率较小，保留黏度值较大。

2.3 耐温性

不同实验温度条件下，Cr³⁺聚合物凝胶(ρ_p=2 000 mg/L，V(聚):V(Cr³⁺)=120:1)黏度测试结果见表 3。

表 3 黏度测试结果 Table 3 Testing results of viscosity (mPa·s)

从表 4可以看出，随温度升高，不同溶剂水类型条件下的Cr³⁺聚合物凝胶黏度均先保持基本不变；当温度超过60 ℃后，两种水型条件下的Cr³⁺聚合物凝胶黏度均迅速增大，但软化水配制Cr³⁺聚合物凝胶的黏度增幅较大。分析认为，与注入水相比，软化水配制的聚合物凝胶溶液中聚合物分子链舒展程度较大，彼此间缠结程度较高，加之高温条件下聚合物分子链以及交联剂运动能力增强，两者发生分子间交联反应的概率较大，形成的网状聚合物分子聚集体的空间尺寸也较大，所以，两者黏度差异随温度升高而增大。

表 4 阻力系数和残余阻力系数 Table 4 Resistance coefficient and residual resistance coefficient

2.4 黏弹性

不同溶剂水类型条件下，Cr³⁺聚合物凝胶(ρ_p=2 000 mg/L，V(聚):V(Cr³⁺)=120:1)储能模量(G′)和损耗模量(G″)与振动频率关系曲线见图 3。

图 3 储能模量(G′)、损耗模量(G″)与振荡频率关系 Figure 3 Relationship between storage modulus(G′), loss modulus(G″) and oscillation frequency

从图 3可以看出，溶剂水类型对Cr³⁺聚合物凝胶储能模量(G′)和损耗模量(G″)存在较大影响。现有研究表明，在振动频率较小时，体系储能模量(G′)和损耗模量(G″)受体系滞后现象影响明显，而滞后现象与体系本身的化学结构有关，分子的刚性越强滞后现象越小^[13]。与注入水相比，软化水Cr³⁺聚合物凝胶的聚合物分子聚集体密集程度较高，刚性较强，所以在相同振动频率条件下，软化水Cr³⁺聚合物凝胶储能模量(G′)和损耗模量(G″)均大于注入水Cr³⁺聚合物凝胶的值。

2.5 渗流特性

不同溶剂水类型条件下，Cr³⁺聚合物凝胶(V(聚):V(Cr³⁺)=810:1，kg=7 000×10^-3 μm²)渗流特性测试结果见表 4和图 4(图中“注”代表注入水配制凝胶, “软”代表软化水配制凝胶)。

图 4 注入压力与PV数关系 Figure 4 Relationship between injection pressure and PV

从表 4和图 4中可以看出，溶剂水类型对Cr³⁺聚合物凝胶在多孔介质中的渗流特性存在影响。在相同岩心渗透率和Cr³⁺聚合物凝胶配方组成条件下，软化水配制Cr³⁺聚合物凝胶因聚合物分子聚集体尺寸较大，注入过程中在岩心孔隙中发生滞留的能力及后续水驱阶段耐冲刷能力较强。所以，用软化水配制凝胶注入过程中的压力始终高于注入水，相应的阻力系数和残余阻力系数也明显大于注入水的值。

2.6 调驱效果

不同溶剂水类型条件下，Cr³⁺聚合物凝胶调驱增油效果实验结果见表 5和图 5。

表 5 采收率数据 Table 5 Recovery data

图 5 注入压力、含水率和采收率与PV数关系 Figure 5 Relationship between injection pressure, water cut, recovery and PV

从表 5和图 5可以看出，溶剂水类型对Cr³⁺聚合物凝胶调驱效果存在影响。在调驱段塞尺寸相同条件下，与注入水相比，一方面软化水配制Cr³⁺聚合物凝胶的分子聚集体尺寸较大，黏度较高，可在高渗透层建立较高的渗流阻力，有效提升注入压力，增大中低渗透层的吸液压差，实现液流转向，最终达到扩大波及体积作用；另一方面，软化水黏弹性较强，在调驱过程中微观洗油效率较高。所以，软化水配制凝胶增油降水效果较好，最终原油采收率较高。

3 结论

(1) 与注入水相比，软化水虽然矿化度较高，但Ca²⁺和Mg²⁺含量较低，利用其所配制的Cr³⁺聚合物凝胶溶液中的聚合物分子链受阳离子影响较小，聚合物分子聚集体尺寸较大，聚集体网状结构密集程度较高，其增黏性、抗剪切性、耐温性均强于注入水配制Cr³⁺聚合物凝胶。

(2) 与注入水相比，除去Ca²⁺和Mg²⁺的软化水配制Cr³⁺聚合物凝胶因聚合物分子聚集体尺寸较大，注入过程中在岩心孔隙中发生滞留的能力及后续水驱阶段耐冲刷能力较强，相应的阻力系数和残余阻力系数也明显大于注入水的值。

(3) 对海上油田注入用水进行软化处理，即除去Ca²⁺和Mg²⁺，可在增强Cr³⁺聚合物凝胶扩大波及体积能力的同时，提高其微观洗油效率，最终达到改善调驱效果，提高原油采收率目的。

参考文献

[1]	邹剑, 王荣健, 薛宝庆, 等. BZ28-2S油田Cr³⁺聚合物凝胶渗流特性及其调驱效果研究[J]. 海洋石油, 2014, 34(5): 46-53.
[2]	姜维东. Cr³⁺聚合物凝胶性能及其应用效果研究[D]. 大庆: 大庆石油学院, 2009.
[3]	陈欣, 卢祥国, 鞠野, 等. 速溶聚合物及其Cr³⁺凝胶渗流特性[J]. 油田化学, 2014, 31(3): 390-394.
[4]	卢祥国, 王伟. Al³⁺聚合物分子构形及其影响因素[J]. 物理化学学报, 2006, 22(5): 631-633.
[5]	陈铁龙, 周晓俊, 唐伏平, 等. 弱凝胶调驱提高采收率技术[M]. 北京: 石油工业出版社, 2006, 54-55.
[6]	卢祥国, 胡勇, 宋吉水, 等. Al³⁺交联聚合物分子结构及其识别方法[J]. 石油学报, 2005, 26(4): 73-76. DOI:10.7623/syxb200504015
[7]	刘进祥, 卢祥国, 王荣健, 等. 海上油田水质处理及其对驱油剂性能影响研究[J]. 钻采工艺, 2011, 34(4): 72-75.
[8]	卢祥国, 宋合龙, 王景盛, 等. 石英砂环氧树脂胶结非均质模型制作方法: 中国, ZL200510063665. 8[P]. 2005-09-07.
[9]	卢祥国, 高振环, 闫文华, 等. 人造岩心制作及其影响因素实验研究[J]. 大庆石油地质与开发, 1994, 3(4): 53-55.
[10]	牛丽伟, 卢祥国, 李建冰, 等. 高浓度三元复合体系性能评价及机理分析[J]. 石油与天然气化工, 2014, 43(2): 174-178.
[11]	徐辉. 超高分子缔合聚合物溶液特性及驱油性能研究[J]. 石油与天然气化工, 2014, 43(1): 62-66.
[12]	卢祥国, 谢坤, 曹豹, 等. Cr³⁺聚合物凝胶成胶效果及其影响因素[J]. 中国石油大学学报(自然科学版), 2015, 39(3): 170-176.
[13]	刘进祥, 卢祥国, 王荣健, 等. 高矿化度下特殊黏弹性流体的性能评价及驱油机制研究[J]. 中国石油大学学报(自然科学版), 2013, 37(1): 159-166.