高分子聚合物相對分子質量控制裝置的設計與應用

1大慶油田工程有限公司 2天津大學 3大慶油田采油一廠

高分子聚合物相對分子質量控制裝置的設計與應用

董燕1張呂鴻2王梓棟1王秋艷3

1大慶油田工程有限公司 2天津大學 3大慶油田采油一廠

在聚合物分層注入技術取得顯著效果的同時，驅油過程中聚合物相對分子質量匹配問題也日益尖銳。基于聚合物機械降解原理，設計了一種新型多孔材料聚合物相對分子質量調節裝置，可以實現井間聚合物溶液分質注入的目的，在實現相對分子質量有目的性調控前提下，流體流經該裝置時受到的剪切力是均勻的，得到的相對分子質量也是相同的，解決了注入聚合物相對分子質量均勻匹配的問題。

聚合物驅；多孔介質；相對分子質量控制裝置；分質注入

隨著聚合物驅開發對象從主力油層轉向二類油層，注入井及其注入過程中需要注入不同相對分子質量的聚合物，驅油過程中對聚合物相對分子質量匹配要求越來越迫切。如何實現油藏高滲透層注入高相對分子質量聚合物溶液，油藏低滲透層注入低相對分子質量聚合物溶液，是分層分段注聚技術發展的主要趨勢[1-2]。

1剪切機理及相對分子質量控制裝置設計

1.1 設計原理

聚合物在化學降解或者微生物降解的過程中不容易控制，且降解產物不穩定，因此該相對分子質量控制裝置是基于聚合物機械降解機理設計的[3]。聚丙烯酰胺是一種非牛頓流體，兼具黏性和彈性的特點，其高分子鏈具有柔性鏈的結構特性。當聚合物溶液流動時，因流動速度的急劇變化，體系中聚合物分子會沿流動方向被拉長。當聚合物分子被拉伸到一定程度，超過聚合物分子鏈的承受強度時，作用在聚合物分子鏈上的力能夠導致分子鏈分解、斷裂，使分子形態和尺寸發生變化，從而造成聚驅相對分子質量的減小，黏度降低，發生機械降解；當聚合物流經多孔介質的時候，受到均勻的剪切力從而使得高相對分子質量的聚合物發生不同程度的降解，得到相對低的相對分子質量以滿足分質注入的目的。該相對分子質量調節裝置可以實現相對分子質量調節范圍在20%～50%的要求。

1.2 裝置結構

圖1是聚合物相對分子質量控制裝置結構示意圖。通過閥桿將裝置的不同部件和基座相連接，該設備主要的結構是剪切聚合物流體的多孔介質調節元件和調節流體流過介質面積的閥瓣。縱剖面圓形的閥瓣是兩半結構，兩半閥瓣合在一起后通過螺栓固定，且兩半閥瓣之間固定有多孔介質調節元件，因此通過調節閥瓣的關閉可以實現剪切調控，操作簡單方便，且易安裝拆卸。

圖1 新型高分子聚合物相對分子質量控制裝置結構

影響剪切效果的關鍵部分是調節元件，本實驗使用的是不同孔徑多孔金屬材料。根據相對分子質量大小及降解要求，調節多孔金屬元件的體積空隙分率、孔徑及高分子聚合物溶液的流量，從而改變聚合物溶液流經調節裝置的剪切速率，實現相對分子質量的改變。

該聚合物相對分子質量控制裝置可以固定在聚合物注入站的注入泵出口處，配置適宜的多孔介質調節元件的孔徑和長度，可使來自配制站的各種相對分子質量的聚合物溶液經過個性化調節裝置后，聚合物溶液的相對分子質量及黏度趨于一致，并得到所需相對分子質量和黏度的聚合物溶液，實現1座注入站可同時注入多種相對分子質量的聚合物。

2實驗結果與分析

2.1 室內實驗測試結果與分析

大量的測試實驗表明，聚丙烯酰胺溶液的相對分子質量、濃度、多孔介質的孔徑以及流量對剪切效果有顯著影響。因為這些因素能夠影響黏彈性流體在多孔介質中流動的剪切速率大小。根據Littmanm的剪切力以及相關公式可知，影響剪切力大小主要有孔徑、流量和孔隙度，實驗中用的孔隙率是95%。

實驗主要研究了聚合物相對分子質量和孔徑對聚合物剪切效果的影響，如圖2和圖3所示。

圖2 相對分子質量對HPAM溶液黏度損失率的影響

圖3 孔徑對HPAM溶液黏度損失率影響

通過試驗測試可知，相對分子質量越大，流速越大，相對分子質量損失越大；孔徑越小，剪切效果越明顯，黏度損失越大。實驗表明，多孔介質可以滿足聚合物相對分子質量的降低要求，根據實際油田環境不同的巖層結構可以選用不同的參數。

2.2 現場應用測試結果與分析

將該相對分子質量控制裝置在大慶油田ZD22—5E47和ZD22—E53兩處不同地層結構的井田進行測試。通過0.3～0.8 m3/h之間不同的流速測試，以及不同大小相對分子質量的聚合物溶液作為初始進口流體，在油田基地做了相關測試，結果見圖4。

圖4 在ZD22—5E47井田相對分子質量隨流量的變化關系

從現場測的數據可以得出：流速越大，相對分子質量降低的程度越大，表明聚合物被機械降解的程度越大，同時進入設備的聚合物流體初始相對分子質量越大，經過該設備后相對分子質量的損失程度越大。而且，在不同的兩個井田之間，相同條件下的相對分子質量損失基本相同，這說明該相對分子質量控制裝置受不同地質的影響非常小。整個過程設備兩端的壓降相對很低，最大的壓差在0.37 MPa，符合設備的工作要求。

3實驗結果

（1）通過改變多孔介質的孔徑和開孔率、元件的長度以及流速等變量，可以實現聚合物溶液不同程度的降解，獲得所需要的相對分子質量大小。

（2）基于機械剪切原理研制的新型相對分子質量控制裝置，可以將相對分子質量降低20%～50%，最大壓降0.37 MPa，能夠滿足油田對于聚合物相對分子質量的要求。

（3）新型相對分子質量控制裝置一次性投入比較低，且具有可拆卸、安裝及操作方便的特點。

[1]段宏，梁福民，劉興君，等．三元復合驅偏心分注技術[J]．石油鉆采工藝，2006，28（2）：62-65.

[2]單晶，馬宏偉，袁云，等．聚合物驅井下單管多層分注工藝[J]．石油鉆采工藝，2005，27（3）：36-37.

[3]王梓棟，董燕，邢均．聚合物分子量調節裝置：ZL2012 2

0625323.6 [P]．2013-04-17.

（欄目主持 李艷秋）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.8.005

2015-02-03