耐溫抗鹽聚合物溶液的黏彈性試驗研究

余曉玲,王進濤,呂紅梅

(中國石化江蘇油田分公司石油工程技術研究院，江蘇揚州 225009)

傳統驅油理論認為，聚合物只是通過增加注入水的黏度，降低油水流度比，擴大注入水在油層中的波及體積來提高原油采收率，但聚合物驅并不能提高微觀驅油效率。郭尚平[1]等利用微觀滲流模型得出，聚合物提高驅油效率的機理是由于聚合物溶液與油的剪切應力大于水與油的剪切應力。王德民等[2]根據微觀滲流試驗,分析了聚合物溶液提高微觀驅油效率的機理。基于此，筆者對耐溫抗鹽性聚合物PAM1、PAM2黏彈性影響因素進行研究；并利用巖心流動試驗，對聚合物的黏彈性對驅油效率的影響以及聚合物的彈性與黏性對驅油效率的作用進行比較。

1　室內試驗

1.1　原料和儀器

無機鹽類為分析純；SHSA-01為陰非離子型表面活性劑；聚合物為耐溫抗鹽聚合物，參數見表1。聚合物配置用水為真35清水。

RS600流變儀，德國Haake公司；攪拌器，電子天平和巖心驅替裝置等。

表1　聚合物試樣配制

1.2　流變性測量方法

由于聚合物溶液濃度較低，若采用錐板系統，在測試溫度下，水分易揮發，導致黏彈性測試無法繼續進行,故采用德國Haake公司生產的RS600流變儀及相配的Z38同軸圓筒測量系統，測量聚合物溶液的各項流變參數。

1.3　動態振蕩剪切理論模型

在動態振蕩剪切測量中對給定黏彈性液樣施加一個小振幅的振蕩應力，以保證液樣處在線性黏彈區[3-4]。在控制應變流變儀中，用正弦時間函數的方式施加應變：

γ=γ0sin(wt)

相應輸出的依賴于時間的應力是：

τ=τ0sin(wt+δ)

式中，γ0為最大應變，τ為最大應力，角頻率w=2πf，f為振蕩頻率。黏彈性流體的損耗模量(G″)和儲能模量(G′)可表示為：

復合模量G*=G′+iG″

儲存模量G′=G*+cosδ

損耗模量G″=G*+sinδ

聚合物彈性好，結構好，其儲能模量大；結構破壞，儲能模量下降，為損耗模量，意味著初始流動所用的能量是不可逆損耗，已轉化為剪切熱，若其主要是黏性的，那么損耗模量大。

1.4　驅油效率測定

在填砂管物理模擬中使用真35注入水，原油為脫水原油，模擬油藏溫度78 ℃， 人工填兩根砂管，水測滲透率分別為500×10-3μm2，560×10-3μm2，以0.3 mL/min的流量在78 ℃烘箱中飽和真35脫水原油，至出口端沒有水流出為止。記錄飽和油的體積和含油飽和度。然后將飽和油的填砂管放入78 ℃烘箱中老化2 d。以0.5 mL/min的流量水驅油，至填砂管的出液含水率大于98%，計算水驅采收率；再以0.4 mL/min的流量注入0.5 PV一定濃度的聚合物溶液，記錄填砂管出口端的出液量及出油量，計算聚合物驅比水驅提高的采收率值。

繼續以0.5 mL/min的流量水驅，至出液含水率大于98%，計算后續水驅的采收率，并比較各個階段的驅油效率。

2　結果及討論

聚合物溶液動態剪切黏彈性測試需要選擇線性黏彈區域[4]，即聚合物溶液復合模量基本不發生變化的區域，從而確定頻率掃描試驗的應力，試驗固定頻率0.1 Hz進行應力振幅掃描以確定線性黏彈區域的應力值，再根據應力值進行頻率掃描，頻率掃描范圍為10～0.01 Hz，進行聚合物溶液黏彈性影響因素研究。

2.1　聚合物溶液的線性黏彈區

在50 ℃下，在應力為0.001～0.1 Pa，頻率為0.1 Hz下對一定濃度 的PAM1、PAM2、62210聚合物溶液進行應力掃描，結果見圖1。

圖1　聚合物溶液線性黏彈區

從圖1可以看出，在應力為0.001～0.06 Pa，復合模量|G*|曲線趨于平緩，因此0.001～0.06 Pa即為該聚合物溶液線性黏彈區。

2.2　相對分子質量對聚合物溶液黏彈性的影響

通過應力掃描，取應力值0.01 Pa，振蕩頻率10～0.01 Hz對聚合物PAM1、PAM2的水溶液進行頻率掃描，考察相對分子質量大小對聚合物溶液黏彈性的影響，其中聚合物濃度為1 000 mg/L，結果見圖2。

圖2　相對分子質量對聚合物溶液黏彈性的影響

從圖2可以看出，隨著振蕩頻率的升高，溶液的彈性模量G′和黏性模量G″都相應增大，即黏彈性具有增大特性。在一定頻率范圍，相對分子質量大的聚合物PAM2溶液的G′和G″均分別高于的PAM1的G′和G″，對兩種聚合物溶液，都存在一個特定頻率，在此頻率處兩條模量曲線相交，頻率低于此值時溶液的黏性G″大于彈性G′；高于此頻率時彈性響應G′超過黏性響應G″，即G′大于G″。在相對低的頻率區，溶液的黏性占主導，在相對高的頻率區彈性占優勢。聚合物相對分子質量越高，兩條曲線相交的頻率越低，說明高相對分子質量聚合物溶液的彈性響應在較低頻率時就超過了黏性響應。由此可知，聚合物相對分子質量大小、分子結構以及剪切速率均可改變溶液的黏彈性。

2.3　聚合物濃度的影響

考察了聚合物PAM2溶液濃度分別為1 000 mg/L， 1 500 mg/L時黏彈性的變化情況。結果見圖3。

圖3　聚合物濃度對黏彈性影響

由圖3可知，對同一種聚合物而言，濃度越大，儲能模量及損耗模量均有不同程度的增加，且儲能模量即彈性效應在頻率較低(小于1 Hz)時，表現更為明顯。聚合物濃度越大，聚合物分子纏結越嚴重，在一定的頻率范圍表現出較強的彈性效應。

2.4　溫度的影響

在應力為0.001～0.1 Pa，頻率為0.1 Hz下對濃度為1 000 mg/L聚合物PAM2溶液進行應力掃描，確定其線性黏彈區。以應力為0.02 Pa，頻率為10～0.01 Hz在30～80 ℃下進行頻率掃描，考察溫度對聚合物溶液黏彈性的影響，此時考察損耗模量和儲能模量的加和，即復合模量G*，試驗結果見圖4。

圖4　溫度對聚合物溶液黏彈性的影響

從圖4可以看出，隨著溫度的升高，聚合物溶液復合模量降低，對于同一頻率來說，溫度越低，復合模量越高。這是由于隨著溫度的升高，聚合物分子或分子鏈為維持其最小的能量狀態，水解度增大，聚合物的儲能模量、損耗模量都緩慢減小，這種變化類似于聚合物的黏溫曲線的變化。但總體來說，溫度的變化對聚合物黏彈性影響幅度不大。

2.5　礦化度對聚合物黏彈性的影響

用NaCl配制礦化度為1 500，5 000，10 000 mg/L的PAM2聚合物溶液，對其進行應力掃描，應力為0.001～0.1 Pa，試樣溶液線性黏彈區為0.004～0.03 Pa。為便于比較，均取應力為0.01 Pa對其進行頻率掃描，頻率為10～0.01 Hz。在50 ℃下考察不同礦化度下的聚合物溶液模量的變化，模擬聚合物溶液與地層水混合后溶液黏彈性的變化，試驗結果見圖5。隨著礦化度即鈉離子的增加，聚合物溶液損耗模量G”以及儲能模量G’均逐漸下降，聚合物溶液的黏性和彈性不斷減弱；礦化度較低(1 500 mg/L)時復合模量為礦化度較高(10 000 mg/L)的一個數量級。PAM2為部分水解聚丙烯酰胺，為陰離子型聚合物，隨著鈉離子濃度增高，由于電荷的屏蔽作用，聚合物內的排斥力減小，使其纏繞度降低，聚合物溶液的黏彈性也隨著降低。

圖5　礦化度對聚合物溶液黏彈性的影響

2.6　表面活性劑的影響

在化學驅中，常為聚合物與表面活性劑組成二元驅進行礦場試驗。在聚合物中加入一定量的表面活性劑，用真35清水配制聚合物PAM1、PAM2溶液濃度為1 500 mg/L，陰非離子型表面活性劑SHSA-01質量分數為0.05%、0.1%、0.15%、0.3%的混合溶液，進行黏彈性測試，測試溫度為50 ℃，考察表面活性劑的加入對聚合物溶液黏彈性的影響，試驗結果見圖6。

圖6　表面活性劑SHSA-01加入對聚合物溶液黏彈性的影響

由圖6可知，表面活性劑用量增加，聚合物溶液黏性模量和彈性模量均有不同程度的下降，但下降幅度相對較小。可見，表面活性劑對聚合物黏彈性影響不太大。

2.7　聚合物黏彈性對驅油效率的影響

為了考察聚合物黏彈性對驅油效率的影響，飽和油后先水驅，再分別對填砂管注入注入0.5 PV的1 000 mg/L及1 500 mg/L的PAM2溶液，再進行后續水驅。注入1 000 mg/L聚合物PAM2驅油試驗結果見圖7，1 500 mg/L聚合物PAM2驅油試驗結果見圖8。

圖7　注入1 000 mg/L聚合物PAM2采收率及注入壓力變化曲線

圖8　注入1 500 mg/L聚合物PAM2采收率及注入壓力變化曲線圖

試驗結果表明，原始水驅至采收率38%左右時，填砂管不再出油，含水率達到98%以上，水驅失效。注入0.5 PV聚合物溶液后，開始后續水驅，后續水驅壓力較原始水驅明顯增大，出水量減少，采收率均有提高，且隨著聚合物溶液濃度增加，即黏彈性的增加，主要是聚合物溶液彈性貢獻大，濃度大的聚合物溶液彈性模量占優勢，而濃度低的聚合物溶液黏性模量占優勢，注入1 500 mg/L時PAM2采收率提高了15.4%，而注入1 000 mg/L提高采收率為11.3%。

3　結論及建議

1)聚合物相對分子質量、試驗溫度、礦化度對聚合物溶液黏彈性具有影響；

2)在礦化度、溫度、頻率一定時，聚合物相對分子質量、濃度越高，聚合物溶液黏度越大，因而其黏彈性越大。在低黏度時，聚合物溶液的黏性大于彈性或黏彈性差異不大，高黏度時彈性比黏性大。

3)對同一種聚合物，聚合物溶液濃度越大，黏度越大，彈性也越大，聚合物溶液彈性模量在驅油過程中起主導作用，驅油效果越好。

[1]郭尚平，黃延章.物理化學滲流微觀機理[M].北京：科學出版社，1990：100-102.

[2]夏慧芬，王德民.粘彈性聚合物溶液提高微觀驅油效率的機理研究[J].石油學報，2001，22(4)：60-65.

[3]李道山，康萬利，朱洪軍.聚丙烯酰胺水溶液粘彈性研究[J].油田化學，2003，20(4)：347-350.

[4]佟曼麗.聚合物稀溶液在多孔介質中的粘彈效應[J].天然氣工業，1987，7(1)：64-71.