部分水解聚丙烯酰胺水動(dòng)力學(xué)尺寸測(cè)定的影響因素分析及其應(yīng)用

關(guān) 丹，婁清香，王興華，帕提古麗·麥麥提，李宜強(qiáng)

（1. 中國(guó)石油 新疆油田分公司實(shí)驗(yàn)檢測(cè)研究院，新疆 克拉瑪依 834000；2. 中國(guó)石油大學(xué)（北京）提高采收率研究院，北京 102617）

化學(xué)驅(qū)中作為增稠劑的聚合物水溶液在通過(guò)多孔介質(zhì)時(shí)，會(huì)經(jīng)受地層孔喉尺寸的選擇，如果聚合物水化分子的尺寸過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致聚合物體系在多孔介質(zhì)中發(fā)生堵塞［1-2］。但若尺寸過(guò)小，則弱化或完全起不到驅(qū)替殘余油滴的效果。所以在礦場(chǎng)驅(qū)油時(shí)，選擇合適的聚合物顯得相當(dāng)重要。

一般認(rèn)為在配制水質(zhì)一定的條件下，聚合物體系的水動(dòng)力學(xué)尺寸是由聚合物相對(duì)分子質(zhì)量決定的，而與聚合物溶液的濃度無(wú)關(guān)。但當(dāng)聚合物溶液的濃度增加到一定程度后，聚合物分子鏈將發(fā)生明顯的纏結(jié)作用，雖然沒(méi)有發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng)，但聚合物溶液的表觀黏度隨聚合物溶液濃度的增加而呈指數(shù)增大，表明聚合物的分子尺寸增大，但不是單個(gè)聚合物的尺寸，而是纏結(jié)在一起的幾個(gè)聚合物分子鏈的尺寸［3-4］。因此，采用微孔濾膜法測(cè)量過(guò)濾壓力、聚合物相對(duì)分子質(zhì)量、配液用水、機(jī)械剪切等因素的影響，能更真實(shí)地反映聚合物的分子尺寸，為進(jìn)一步研究聚合物體系與孔喉匹配性提供依據(jù)，同時(shí)可以更好的將聚合物應(yīng)用于采油現(xiàn)場(chǎng)。

本工作采用微孔濾膜裝置測(cè)試部分水解聚丙烯酰胺（HPAM）的水動(dòng)力學(xué)尺寸， 考察過(guò)濾壓力、配液用水、HPAM的相對(duì)分子質(zhì)量及質(zhì)量濃度等因素對(duì)測(cè)試HPAM水動(dòng)力學(xué)尺寸的影響，在聚合物驅(qū)工業(yè)試驗(yàn)中，以HPAM水動(dòng)力學(xué)尺寸為依據(jù)選擇適當(dāng)?shù)南鄬?duì)分子質(zhì)量的HPAM。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑

HPAM：工業(yè)級(jí)，北京恒聚化工集團(tuán)有限責(zé)任公司，其性能見(jiàn)表1。配液用水為注入清水或回注污水（克拉瑪依油田七東1區(qū)水），其水質(zhì)分析結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 實(shí)驗(yàn)用HPAM的性能Table 1 Properties of partially hydrolyzed polyacrylamide(HPAM)

表2 實(shí)驗(yàn)用水的水質(zhì)分析結(jié)果Table 2 Analysis of water quality

1.2 水動(dòng)力學(xué)尺寸的測(cè)試方法

HPAM溶液配制：稱取一定質(zhì)量的HPAM，加入注入清水或回注污水，先攪拌2 h，再熟化12 h，經(jīng)200目鋼絲網(wǎng)過(guò)濾，配制設(shè)定質(zhì)量濃度的HPAM溶液備用［5］。

采用微孔濾膜法測(cè)定HPAM水動(dòng)力學(xué)尺寸，微孔濾膜實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1。主要由恒壓泵、容器、微孔濾膜、電子天平、數(shù)據(jù)處理等部分組成。在室溫下，取50 mL HPAM溶液置于容器中。通過(guò)空氣壓縮機(jī)給容器施加一恒定的壓力，使HPAM溶液分別依次通過(guò)5.00，3.00，2.00，1.60，1.20，1.00，0.80，0.65，0.45，0.30，0.22，0.150 μm孔徑的微孔濾膜，測(cè)試通過(guò)微孔濾膜前后的溶液黏度和濃度。分析通過(guò)不同孔徑微孔濾膜后HPAM溶液黏度和濃度的變化，根據(jù)HPAM濃度和黏度隨微孔濾膜孔徑的變化曲線的拐點(diǎn)確定HPAM水動(dòng)力學(xué)尺寸［6］。

圖1 微孔濾膜實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental apparatus with microporous membrane.

2 結(jié)果與討論

2.1 過(guò)濾壓力對(duì)水動(dòng)力學(xué)尺寸的影響

過(guò)濾壓力對(duì)HPAM水動(dòng)力學(xué)尺寸的影響見(jiàn)圖2。由圖2可知，隨過(guò)濾壓力的降低，HPAM水動(dòng)力學(xué)尺寸增大，在過(guò)濾壓力降至0.08 MPa時(shí)，進(jìn)一步降低壓力，HPAM水動(dòng)力學(xué)尺寸變化不明顯；不同相對(duì)分子質(zhì)量的HPAM也遵循同樣規(guī)律。對(duì)應(yīng)實(shí)際的聚合物驅(qū)過(guò)程，可以認(rèn)為近井地帶HPAM水動(dòng)力學(xué)尺寸小，到達(dá)地層深度時(shí)，HPAM水動(dòng)力學(xué)尺寸變大，有可能堵塞地層。因此，選擇過(guò)濾壓力為0.08 MPa。

圖2 過(guò)濾壓力對(duì)HPAM水動(dòng)力學(xué)尺寸的影響Fig.2 Effects of fi ltration pressure on the hydrodynamic size of HPAM.

2.2. HPAM質(zhì)量濃度和相對(duì)分子質(zhì)量的影響

HPAM質(zhì)量濃度和相對(duì)分子質(zhì)量對(duì)HPAM水動(dòng)力學(xué)尺寸的影響見(jiàn)圖3。由圖3可知，HPAM質(zhì)量濃度越大、HPAM相對(duì)分子質(zhì)量越高，HPAM水動(dòng)力學(xué)尺寸越大。這是由于當(dāng)HPAM溶液中的HPAM含量較低時(shí)，溶液中的HPAM分子線團(tuán)相互分離，溶液中的HPAM分子鏈分布不均一，此時(shí)HPAM水動(dòng)力學(xué)尺寸僅與HPAM相對(duì)分子質(zhì)量相關(guān)；而當(dāng)溶液中的HPAM含量增大到某種程度后［7-8］，HPAM分子線團(tuán)相互穿插交疊，導(dǎo)致HPAM水動(dòng)力學(xué)尺寸隨溶液中的HPAM含量的增加而增大。

圖3 HPAM質(zhì)量濃度和相對(duì)分子質(zhì)量對(duì)HPAM水動(dòng)力學(xué)尺寸的影響Fig.3 Effects of mass concentration of HPAM solution and Mr on the hydrodynamic size of HPAM.

2.3 配液用水的影響

配液用水對(duì)HPAM水動(dòng)力學(xué)尺寸的影響結(jié)果見(jiàn)圖4。由圖4可知，與配液用水為注入清水相比，配液用水為回注污水時(shí)，HPAM水動(dòng)力學(xué)尺寸明顯減小。這是由于回注污水中的金屬陽(yáng)離子含量較高，能中和羧酸基負(fù)電荷及產(chǎn)生靜電屏蔽，使保持分子鏈伸展的斥力減小，分子線團(tuán)卷縮［9-10］。因此，HPAM水動(dòng)力學(xué)尺寸需考慮現(xiàn)場(chǎng)用水，以及HPAM體系進(jìn)入地層后受地層水稀釋的影響。

圖4 配液用水對(duì)HPAM水動(dòng)力學(xué)尺寸的影響Fig.4 Effects of the injected water and reinjected wastewater on the hydrodynamic size of HPAM.

2.4 HPAM溶液黏度的影響

HPAM溶液黏度與水動(dòng)力學(xué)尺寸的關(guān)系見(jiàn)圖5。由圖5可知，隨HPAM溶液黏度的增加，HPAM水動(dòng)力學(xué)尺寸增大。由于溶液黏度是評(píng)價(jià)HPAM的一項(xiàng)參數(shù)，而HPAM黏度與HPAM水動(dòng)力學(xué)尺寸呈一定線性關(guān)系，因此同樣可以將HPAM水動(dòng)力學(xué)尺寸也作為評(píng)價(jià)HPAM性能的一項(xiàng)參數(shù)。實(shí)際上，HPAM水動(dòng)力學(xué)尺寸可用來(lái)反映HPAM在特定條件下通過(guò)特定尺寸孔喉的能力，進(jìn)而作為判斷驅(qū)油體系與孔喉匹配的基礎(chǔ)［11-12］。

圖5 HPAM溶液黏度與水動(dòng)力學(xué)尺寸的關(guān)系Fig.5 Relationship between the HPAM solution viscosity and the hydrodynamic size of HPAM.

2.5 機(jī)械剪切的影響

聚合物驅(qū)在注入及采出過(guò)程中，HPAM會(huì)受到不同程度的剪切作用［13-15］。剪切強(qiáng)度對(duì)HPAM水動(dòng)力學(xué)尺寸的影響結(jié)果見(jiàn)表3。由表3知，隨剪切強(qiáng)度增大，HPAM水動(dòng)力學(xué)尺寸減小，尤其當(dāng)溶液中HPAM含量較低時(shí)更為明顯。機(jī)械剪切使得聚合物分子長(zhǎng)鏈斷裂，分子之間的相互纏繞作用減弱，黏度降低，分子尺寸減小。由此可見(jiàn)，HPAM水動(dòng)力學(xué)尺寸的測(cè)試還應(yīng)考慮現(xiàn)場(chǎng)注入過(guò)程中的機(jī)械剪切作用對(duì)其造成的影響，進(jìn)而對(duì)其損失進(jìn)行補(bǔ)償。

表3 剪切強(qiáng)度對(duì)HPAM水動(dòng)力學(xué)尺寸的影響Table 3 Effect of shearing strength on the hydrodynamic size of HPAM

3 克拉瑪依油田聚合物驅(qū)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用

克拉瑪依油田七東Ⅰ區(qū)克下組油藏聚合物驅(qū)300 kt工業(yè)試驗(yàn)中，基于整個(gè)油藏的地質(zhì)狀況對(duì)試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行分區(qū)。其中，試驗(yàn)區(qū)Ⅱ區(qū)地層滲透率457.1 mD，孔隙度17.3%，在配液用水為清水的條件下，試驗(yàn)區(qū)Ⅱ區(qū)選擇HPAM 相對(duì)分子質(zhì)量為1.5×107。試驗(yàn)區(qū)Ⅱ區(qū)地層水礦化度在10 000 mg/L左右，考慮注入清水配制溶液進(jìn)入地層后受地層水礦化度的影響，導(dǎo)致HPAM黏度降低，分子尺寸減小，因此需要對(duì)注入HPAM相對(duì)分子質(zhì)量進(jìn)行補(bǔ)償。

HPAM水動(dòng)力學(xué)尺寸與HPAM溶液質(zhì)量濃度、HPAM相對(duì)分子質(zhì)量和配液用水的關(guān)系見(jiàn)表4。

表4 HPAM水動(dòng)力學(xué)尺寸與HPAM溶液質(zhì)量濃度、HPAM相對(duì)分子質(zhì)量和配液用水的關(guān)系Table 4 Relationship between the hydrodynamic size of HPAM，and mass concentration of HPAM，Mr and the injected water or the reinjected wastewater

由表4可知，與配液用水為注入清水HPAM相對(duì)分子質(zhì)量為1.5×107時(shí)的HPAM水動(dòng)力學(xué)尺寸相對(duì)應(yīng)，當(dāng)配液用水采用礦化度為10 000 mg/L地層水時(shí)，應(yīng)選擇相對(duì)分子質(zhì)量為2.0×107的HPAM。依據(jù)HPAM水動(dòng)力學(xué)尺寸的測(cè)定結(jié)果，現(xiàn)場(chǎng)注入相對(duì)分子質(zhì)量為2.0×107的HPAM，目前該區(qū)塊運(yùn)行正常。

4 結(jié)論

1）采用微孔濾膜法測(cè)定HPAM水動(dòng)力學(xué)尺寸時(shí)，過(guò)濾壓力應(yīng)為0.08 MPa。

2）HPAM相對(duì)分子質(zhì)量、HPAM溶液質(zhì)量濃度、配液用水的礦化度、機(jī)械剪切作用對(duì)HPAM水動(dòng)力學(xué)尺寸均有一定的影響。隨HPAM相對(duì)分子質(zhì)量的增大、HPAM溶液質(zhì)量濃度的增加，HPAM水動(dòng)力學(xué)尺寸增大；隨配液用水礦化度的增大、機(jī)械剪切強(qiáng)度的增大，HPAM水動(dòng)力學(xué)尺寸減小。當(dāng)HPAM質(zhì)量濃度較低時(shí)，機(jī)械剪切作用對(duì)HPAM水動(dòng)力學(xué)尺寸降低的影響尤為明顯。

3）HPAM水動(dòng)力學(xué)尺寸，反映HPAM在特定條件下的通過(guò)特定尺寸孔喉的能力，HPAM水動(dòng)力學(xué)尺寸可作為判斷驅(qū)油體系與孔喉的匹配性，指導(dǎo)油田聚合物驅(qū)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4）在克拉瑪依油田七東1區(qū)克下組油藏聚合物驅(qū)試驗(yàn)中，HPAM水動(dòng)力學(xué)尺寸的測(cè)定結(jié)果可用于確定適宜的HPAM相對(duì)分子質(zhì)量。

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