利用玻璃型微模型在均质和非均质多孔介质中注聚合物提高采收率的实验研究

焦卫华 李艳 吴利超 罗莹

摘 要：利用玻璃型微模型进行了一系列聚合物驱运行。制作的微模型具有均匀和非均匀的流型，在开始注入之前，他们被水平放置，并用从油田采集的重质原油样品饱和。研究使用了3种聚合物，整个过程用高分辨率摄像机连续拍摄，以监测微模型中聚合物溶液的位移。研究了聚合物溶液浓度、注入流量和非均质性等不同参数对聚合物驱动态的影响。在使用的规则均质和非均质流型的基础上，根据砂岩薄片（露头）的图像创建了模拟砂岩储层的非均质流型，并在注入过程中观察到聚合物前缘的移动。

關键词：聚合物注入;非均质性;玻璃型微模型;扫掠效率;采收率;聚合物驱

中图分类号：TE357.9;TQ171    文献标识码：A

文章编号：1001-5922（2022）02-0079-05

聚合物是通过添加小重复单元（单体）而形成的大分子。一般来说，提高采收率过程中使用的聚合物分为合成聚合物和生物聚合物两类。这些聚合物每一类的独特特性都有优势和劣势。合成聚合物价格合理，在淡水中具有适当的黏度，在岩石表面具有可接受的吸附性。这种聚合物的缺点可归因于对流速和剪切降解的敏感性;在高盐度水中的效率较低。生物聚合物对高盐度水和剪切降解表现出优异的性能，但它们对低温储层中的细菌降解非常敏感。生物聚合物不会吸附在岩石表面。

当聚合物添加到水（盐水）中时，其黏度将增加。因此，聚合物注入可导致分流比和流度比的变化，并具有流体分流效应。因此，聚合物有助于减少粘性指进，改善注水剖面，从而提高扫掠效率。然而，聚合物的稳定性是一个问题。许多研究人员关注的是影响聚合物在不同条件下稳定性的参数。化学、机械和生物降解因素导致聚合物的不稳定性。氧化和铁离子是影响化学降解的因素。减少与聚合物接触的水中的氧气量可防止Fe3+、Fe2+和自由基O2-离子的生成使聚合物溶液更稳定，防止化学降解发生。当聚合物分子由于剪切应力而分解时，就会发生机械降解。使用一些添加剂可以解决这些问题。

储层水矿化度、储层温度、地层类型和储层渗透率是影响聚合物注入动态的因素。例如，在聚合物与储层流体盐度和其中所含离子不相容的情况下，聚合物溶液的黏度没有充分达到，其有效性大大降低。储层的高温会破坏聚合物的分子链，使其变成单体。如果发生这些现象，水和聚合物溶液的黏度将降低。在大多数报告中，两种聚合物（合成聚合物和生物聚合物）的温度耐受性均为93 ℃。值得注意的是，93 ℃的温度不能保证聚合物在长时间内的稳定性。

实验研究是聚合物注入研究的重要步骤。岩心驱油常用于实验研究。岩芯是地表储层的最佳代表之一，但要获得天然储层岩芯并不容易。此外，由于在需要流动行为的情况下缺乏岩心驱油的可视化，这种多孔介质不可能是一个很好的候选者。为了克服这些问题，使用了可视化微模型。玻璃微模型是研究聚合物注入过程中的主动采油机制和采油过程中的有效参数的非常有用的工具。由于透明性，可以直接观察和拍摄整个过程，并使用数字图像分析（DIA）对过程中拍摄的照片进行分析，以了解任何孔隙水平机理，并估算采收率。可以推断，聚合物驱的性能取决于储层类型和特征，可以使用微模型装置对其进行研究。因此，在本研究中，已经制作了许多具有不同孔隙模式非均质性的微模型装置，以研究油田中3种不同聚合物的性能。

1 实验部分

开展的一系列实验的主要目的是研究不同参数（如聚合物溶液浓度、聚合物类型和注入流量）对原油采收率的影响。因此，使用3种不同类型的商用聚合物制备具有不同质量浓度的聚合物溶液，并以不同流速注入。这些聚合物在钻井工业中用作水基泥浆的添加剂，主要用于控制流体损失。

第一步是制作一个相对耗时的玻璃微模型。制造过程中涉及的步骤是首先使用一块尺寸合适的镜子，然后去除背面的油漆，直到露出汞涂层。然后，我们在水银涂层上覆盖一层塑料拉米奈特，并将黑白图案打印在纸上，覆盖在层压板表面上。使用紫外线（UV）照射使非聚合（耐酸）图案区域聚合，然后使用硝酸去除（溶解）非聚合（图案）区域，然后使用氢氟酸蚀刻图案区域。在氢氟酸中循环浸泡一定时间可导致一定深度的蚀刻。应该提到的是，所有这些步骤都是在完全谨慎的情况下采取的。建立了一系列具有同基因、非均质和非均质流型的微模型装置，并用于聚合物注入的实验研究。图1显示了用于微模型制造的均质流型。

下一步是用原油饱和微模型装置，而不具有任何共生水饱和度。本研究中使用的原油取自油田，其API为19.8（相对较重）。饱和过程非常小心，以避免原油穿透非多孔介质;而不是腐蚀多孔介质; 流型饱和后开始实验。本研究中使用Quizix泵将聚合物溶液以接近储层中流体真实速度的非常精确的速率注入微模型。

1.1 微模型的物理性质

作为实验的重要阶段之一，确定了生成的玻璃微模型的属性。其中一些性质，即孔隙体积和孔隙度，是通过使用数字图像分析（DIA）过程的计算机软件确定的。在整个装置的压差（ΔP）稳定后，通过稳态流动试验对渗透性等其他特性进行了实验测量。应注意的是，此处使用的微模型是由玻璃制成的水湿模型，未进行老化处理以改变其原始润湿性。

1.1.1 多孔性

使用DIA工艺，确定了面积孔隙率，并根据蚀刻深度的均匀分布，计算孔隙率并将其作为总孔隙率报告。用油将图案饱和，然后拍摄照片并进行分析，以确定孔隙度。通过图像分析，估计的总孔隙度为0.36（36%）。

1.1.2 孔隙体积

用测微计工具测量在微模型中形成的蚀刻玻璃（孔）的深度。因此，通过将深度乘以孔隙面积，确定孔隙体积为0.068 mL。蚀刻玻璃的放大图如图2所示。

1.1.3 渗透性

玻璃微模型的另一个重要特性是绝对渗透率。这可以通过收集流量数据和相关注射压力来实现。因此，设定流量，使系统达到恒定（稳定）压差。通过了解压差（出口压力为大气压力），可根据达西定律计算绝对渗透率。同质模式的渗透率约为20 D。

2 结果和讨论

2.1 均匀流型

2.1.1 聚合物溶液质量浓度对原油采收率的影响

制备了3种不同质量浓度（1 000、1 500和2 250 mg/L）的1型聚合物溶液，并以0.000 2 mL/min的速率注入饱和均质微观模型，以研究聚合物质量浓度对原油采收率的影响。图3显示了聚合物溶液质量浓度对1型聚合物采油的影响。

如图3所示，溶液中聚合物质量浓度增加150%（从1 500 mg/L增加到2 250 mg/L），回收率增加了约7%。聚合物质量浓度的增加，溶液黏度增大，提高了前缘稳定性，并最大限度地减少了指进和窜流问题，从而提高了采收率。低质量浓度（1 000 mg/L）溶液在注入0.54孔隙体积（PV）时的穿透速度最快，而其他溶液在分别注入1 500和2 250 mg/L时的穿透速度分别为0.58和0.62PV。较低的质量浓度意味着较低的黏度和较低的采收效率。值得一提的是，在我们所有的实验中，一旦不再采油，注入很快就会停止。

2.1.2 注入流量对原油采收率的影响

在这一系列实验中，测试了3种不同的流速：1型聚合物的流速分别为0.000 2、0.000 5和0.000 8 mL/min，2型和3型聚合物的流速分别为0.000 2和0.000 5 mL/min，其均为1 500 mg/L的固定质量浓度。可以观察到，在每个步骤中，流速增加了2.5倍。图4显示了2类聚合物的注入流速的影响。

如图4所示，在较低的流速下，模型中的聚合物驱替更像活塞，而在较高的注入速率下，它具有不稳定的前缘，具有较少的活塞式驱替。对于聚合物类型1和3，也观察到类似的结果。这是因为，在低喷射率下，流体有时间在区域上分布，以获得更像活塞的流動。应注意的是，聚合物驱替期间，与注水相比，聚合物溶液的低注入能力也会影响原油采收率对聚合物注入速率的敏感性。在聚合物驱项目中，注入能力损失是一个严重的问题，尤其是在低渗透地层中，由于聚合物溶液的大分子尺寸和高黏度，这一问题可能会发生。在实际储层中，高注入速率会导致井底压力升高，如果不加以控制，则会超过裂缝压力并造成地层损害。

2.1.3 注水与注聚合物的对比

进行注水与聚合物注入，比较其性能。水驱是最受欢迎的2次采油方法之一，因为与其他提高采收率方法相比，水的可用性（尤其是在海上作业中）以及相对较低的成本和复杂性。然而，需要控制水的流动性，尤其是在层状和非均质储层中，以便进行良好的一致性控制。如前所述，向水中添加聚合物将增加黏度，并将提高石油采收效率。图5（棕色：油;白蓝色：聚合物;蓝色：水）比较了3种不同孔隙体积下微模型中水和聚合物的位移。水驱和聚合物驱注入相同孔隙体积时的水淹模式，如图5所示。

如图5所示，清楚地说明了与注水相比，聚合物驱产生的更好的面积波及效率和更少的残留油滞留在孔隙和喉道中，从而导致更高的石油采收率。

2.1.4 3种聚合物的性能比较

图6比较了在相同注入孔隙体积下微模型中1、2和3类聚合物的排量。它们都具有1 500 mg/L的固定质量浓度。可以观察到，与其他两种聚合物相比，2型聚合物的排量更像活塞（即稳定排量）。接下来，聚合物类型3像活塞一样移动。聚合物类型2的溶液黏度最大，之后聚合物类型3的黏度高于聚合物类型1。这些黏度值导致2型聚合物具有更好的流动性比，从而产生更稳定的驱替。

2.2 非均匀流型

实际油藏是由不同非均质性组成的复杂集合。但是，在大多数常规油藏工程计算中，没有考虑这种非均质性。在常规岩心驱油实验中，由于岩心堵塞的规模较小，也不能考虑非均质性的影响。因此，在玻璃微模型中包含异质性使我们能够创建不同类型的异质性，并可视化从实验开始到结束的聚合物前缘运动和行为。在下一节中，将讨论人工创建的非均质模式中聚合物驱的结果。应该提到的是，非均质性类型是从一些真实的大规模非均质性继承而来的，这些非均质性通常存在于地下储层中。

2.2.1 双层流型

该流型包括两个渗透率不同的层（层之间用红色虚线分隔）。与渗透率较高的上侧层相比，下侧层的渗透率较低。通过控制各层孔隙和喉道的大小，可获得不同的渗透率。这是分层和隔离储层中可以发现的非均质性之一。

如图7所示，聚合物从左侧注入，主要在底部推进，渗透率较高。尽管与下层相比，上层的渗透率较低，但其面积较大，导致聚合物也通过它。应注意的是，微模型的渗透率通常较大，使得上层也具有较大的渗透率（按几达西的顺序），但小于下侧层的渗透率。这意味着，各层之间的渗透率差异可能不会导致通过不同层的流动行为有太大差异。值得一提的是，由于微模型模式的水平定位，没有任何重力影响。

2.2.2 倾斜区非均匀流型

在这种非均质流动模式中，倾斜带以低渗透性和高渗透性彼此相邻，高渗透层和低渗透层相互交替（从右侧注入;虚线为区域边界），如图8所示。由于倾斜带之间的渗透性对比，该流动模式中的聚合物前缘运动为之字形。在这种流动模式中，当聚合物前缘到达低渗透区时，它试图纵向向前移动（1-D），而在高渗透区，其移动是纵向和横向的（2-D）。

2.2.3 使用砂岩薄片制作的流型

利用露出地表的砂石薄片照片，制作了这种流型，主要目的是模拟更真实的多孔介质来研究流体流动。应注意的是，该薄片是岩石的一小部分，其非均质性在这种规模下无法捕获。然而，在一定程度上仍然可以观察到弯曲、死端孔效应和不规则孔喉形状。图9显示了具有饱和油的砂岩流型的微模型。

如图9所示，与注水相比，聚合物溶液的黏度较高。因此，孔隙角落，特别是喉道中的残余油较少，从而在注水过程中以最少的油旁通提高了驱油效率。图9显示了具有更真实的流型的系统中聚合物驱的效率。

3 結语

在具有1 - D或2 - D流动方向的水平定位的手动制造的玻璃均质和异质微模型中进行了一组聚合物驱实验，微模型装置被相对较重的原油饱和。在相同初始条件下，将采油结果与水驱采油结果进行了比较。本实验研究中使用了3种不同的聚合物类型，改变聚合物溶液质量浓度和注入速率，以考虑其对采油的影响。结果表明：2型聚合物具有更好的性能。还观察到，在较高的聚合物质量浓度和较低的注入速率下，聚合物可以实现更好的采收效率。微模型中聚合物前缘的可视化显示，与纯水注入中的前缘相比，溶液的运动更像活塞。非均质性作为本研究中的另一个研究参数，在石油开采中起着重要作用。为了模拟储层中的真实非均质性，在玻璃微模型中引入了几种人工制造的非均质性。因此，扫掠面积受到非均匀性的显著影响，因为它影响了锋面运动。因此，在任何聚合物注入项目之前，必须考虑宏观非均质性，如层状或断层储层，以及任何高渗透或低渗透层的存在，以实现最佳的EOR性能。

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