2種聚表劑溶液的黏性特征研究

王楠楠

（中石油大慶油田有限責任公司勘探開發研究院，黑龍江 大慶 163712）

自2005年以來，大慶油田先后在9個聚表劑驅礦場試驗，部分區塊取得了較好的開發效果。但現場動態反映其特征與聚合物存在較大差異，需要從溶液特性角度解釋其產生原因［1－4］。聚表劑屬于多功能單體復合型聚合物，也是一種高分子表面活性劑，兼具聚丙烯酰胺和表面活性劑性能的特點［5－7］。聚表劑是一種新型單一組份化學驅油劑，通過分子間相互作用，以柔性聚丙烯酰胺碳氫鏈為骨架，根據功能基團在分子內及分子間的非鍵合作用規律，用特定功能基團在碳氫鏈上接枝共聚而形成多元接枝共聚物［8，9］。由于目前對聚表劑溶液的增黏性能的研究較少，筆者對AⅢ型和BⅢ型聚表劑與普通中分聚合物 （簡稱聚合物）的溶液的增黏性能及影響因素進行了詳細分析，以便為聚表劑產品在大慶油田的應用提供理論依據。

1 試驗部分

1.1 試驗藥品及儀器

1）試驗藥品 AⅢ型、BⅢ型聚表劑 （上海海博公司）；聚合物 （分子量1600萬，大慶煉化公司）；去離子水 （實驗室自制）；重烷基苯磺酸鹽 （東昊公司）；氯化鈉 （天津晶山化工公司）。

2）試驗儀器 黏度計Brookfield－Ⅱ （美國BROOKFIELD公司）；RS600旋轉流變儀 （德國HAAKE公司）。

1.2 試驗方法

1）黏度測量 在45℃條件下，用Brookfield－Ⅱ黏度計測量待測液黏度 （使用零號轉子，轉速6r／min）。

2）流變性測量 在45℃條件下，用RS600旋轉流變儀測試待測液流變性。

2 結果與分析

2.1 聚表劑的黏度

AⅢ型、BⅢ型聚表劑及聚合物的濃度與黏度關系圖如圖1所示。由圖1可知，聚表劑和聚合物均隨質量濃度增加而升高，當質量濃度大于1000mg／L時，AⅢ型聚表劑的黏度升高明顯大于其余2種，BⅢ型聚表劑的黏度大于聚合物的。在質量濃度為2000mg／L時，AⅢ型聚表劑的黏度為聚合物的5倍以上，BⅢ型聚表劑的黏度為聚合物的1.5倍以上。因此，AⅢ型聚表劑的增黏性能顯著，明顯好于BⅢ型聚表劑和聚合物的。這是由于聚表劑以聚丙烯酰胺骨架為基礎，引入不同的功能單體，這些單體引入使得聚合物分子能通過增加分子間相互作用，形成超分子結構的形式，大幅度增加聚表劑溶液的黏度性質。此外，AⅢ型、BⅢ型聚表劑黏度差別主要是由于引入的功能單體及數量不同導致的［10］。

2.2 聚表劑的流變性

流變性是指在外力場作用下，流體發生流動或形變的一種特性。AⅢ型、BⅢ型聚表劑及聚合物的流變曲線圖如圖2所示 （聚表劑和聚合物的質量濃度均為1000mg／L）。由圖2可知，在足夠小的剪切速率下，AⅢ型和BⅢ型聚表劑黏度略有升高，而后隨剪切速率增加，AⅢ型和BⅢ型聚表劑的黏度逐漸降低；當剪切速率非常高時，AⅢ型和BⅢ型聚表劑黏度較低，且變化趨于平穩；聚合物的黏度隨剪切速率增加呈緩慢下降的趨勢。總體而言，AⅢ型和BⅢ型聚表劑的流變性強于聚合物，這是由于聚表劑分子中引入不同功能單體，使得分子間相互作用增強所致。AⅢ型和BⅢ型聚表劑的流變性差別主要是引入的功能單體結構和數量不同，AⅢ型聚表劑的剛性單體和帶電荷單體的數量相對BⅢ型較多，使得分子相互作用較強，具有較好的抗剪切作用，因而AⅢ型聚表劑的流變性最強。

圖1 聚表劑、聚合物濃度與黏度關系圖

圖2 聚表劑、聚合物流變曲線圖

2.3 鹽對聚表劑黏度的影響

聚表劑在油田三次采油中應用，需要與油藏流體具有很好的配伍性，因此考察聚表劑的抗鹽性能是非常必要的。不同氯化鈉質量分數下AⅢ型、BⅢ型聚表劑及聚合物的黏度曲線圖如圖3所示 （聚表劑及聚合物的質量濃度均為1000mg／L）。由圖3可知，AⅢ型聚表劑的抗鹽性能明顯好于BⅢ型聚表劑和聚合物的，且AⅢ型聚表劑的黏度隨氯化鈉質量分數增加而升高，這表明AⅢ型聚表劑抗鹽能力較強。BⅢ型聚表劑和聚合物的黏度隨氯化鈉質量分數增加而降低，但BⅢ型聚表劑的黏度略大于聚合物。具體解釋原因如下:聚合物在去離子水中，由于分子內羧酸基的靜電排斥作用，使聚合物分子呈伸展狀態，溶液黏度很強。當氯化鈉質量分數增加時，分子內羧鈉基的電性被屏蔽，聚合物分子呈卷曲狀態，導致其黏度降低。聚表劑分子中的功能單體具有正、負電荷基團和剛性疏水型單體，因此聚表劑具有非常好的抗鹽性能。而AⅢ型、BⅢ型聚表劑溶液黏度的差異主要是由于其功能單體的結構和數量不同所致。AⅢ型聚表劑含有相對較多剛性疏水型單體，且其陰、陽離子數量相近。當氯化鈉質量分數增加時，AⅢ型聚表劑的靜電引力被屏蔽，分子鏈舒展，流體力學體積增大，因此，AⅢ型聚表劑抗鹽性能最好。BⅢ型聚表劑的剛性疏水型單體相對AⅢ型的較少，同時功能單體引入的陰、陽離子數量相差較大，隨著氯化鈉質量分數增加，電解質屏蔽了靜電斥力，分子鏈蜷縮，流體力學體積減小，導致其黏度降低，因此BⅢ型聚表劑的抗鹽性較差，但由于其具有剛性疏水型單體，其抗鹽性能仍好于聚合物。

2.4 表面活性劑對聚表劑黏度的影響

聚表劑在三次采油應用中，根據不同需求，需要在體系中加入表面活性劑來改善溶液的界面性能，因而考察聚表劑與表面活性劑的配伍性是非常必要的。AⅢ型、BⅢ型聚表劑及聚合物溶液中加入不同質量分數的烷基苯磺酸鹽，其二元體系的黏度曲線圖如圖4所示 （聚表劑及聚合物的質量濃度為1000mg／L，氯化鈉質量分數為0.4%）。由圖4可知，聚合物的黏度不受烷基苯磺酸鹽的影響，這是由于其與烷基苯磺酸鹽分子間以范德華力相互作用，這對聚合物分子在溶液中的聚集狀態影響較小，因此，聚合物的黏度基本保持恒定。隨著烷基苯磺酸鹽質量分數的增加，AⅢ型、BⅢ型聚表劑的黏度明顯降低，而后趨于平穩，且AⅢ型比BⅢ型聚表劑的黏度變化更加顯著。這是因為在聚表劑的疏水基團周圍，烷基苯磺酸鹽與聚表劑分子自組裝形成混合膠束，這種混合聚劑可以交聯多個聚表劑分子鏈的疏水基形成物理網架結構，同時烷基苯磺酸鹽改變了聚表劑功能單體的正負電荷分布。由于改變了聚表劑分子鏈的形態及流體力學體積，從而使聚表劑溶液宏觀黏性發生變化。

圖3 鹽對聚表劑、聚合物黏度影響曲線圖

圖4 表面活性劑對聚表劑、聚合物黏度的影響曲線圖

圖5 老化時間對聚表劑黏度的影響

2.5 老化時間對聚表劑黏度的影響

聚表劑在注入地下油層中需要具有長時間的穩定性，這是聚表劑性能評價的一項重要指標。不同老化時間下，AⅢ型、BⅢ型聚表劑及聚合物的黏度曲線如圖5所示（聚表劑及聚合物的質量濃度為1000mg／L，氯化鈉質量分數為0.4%）。由圖5可知，隨老化時間增加，AⅢ型聚表劑的黏度先快速增加，在3d時達到極大值，然后緩慢降低，而BⅢ型聚表劑和聚合物的黏度隨老化時間增加快速降低，而后趨于平穩。其原因如下:隨著老化時間延長，由于AⅢ型聚表劑的水解度不斷增大，使得陰離子數量增加，分子鏈上正負電荷基團數目出現不相等，分子內相互作用減弱，分子間相互作用加強，形成區域性網狀分子結構。在老化一定時間后，這種結構發育達到最佳，導致Ⅲ型聚表劑黏度最大。當老化時間超過3d，AⅢ型聚表劑發生降解，黏度開始降低。同時，隨著老化時間延長，由于BⅢ型聚表劑的水解作用，使得鏈上正負電荷基團數目接近，分子內相互作用增強，但分子間相互作用減弱，主要以局部性網狀結構為主，導致BⅢ型聚表劑的黏度降低。

3 結論

1）AⅢ型聚表劑的增黏性能顯著，明顯好于BⅢ型聚表劑和聚合物的；AⅢ型聚表劑的流變性強，BAⅢ型聚表劑的流變性較強，聚合物的流變性較弱。

2）AⅢ型聚表劑的抗鹽性能明顯好于BⅢ型聚表劑和聚合物；隨著表面活性劑質量分數的增加，AⅢ型、BⅢ型聚表劑的黏度明顯降低，而后趨于平穩。隨老化時間增加，AⅢ型聚表劑的黏度先快速增加，而后緩慢降低。BⅢ型聚表劑和聚合物的黏度隨老化時間增加快速降低，而后趨于平穩。

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