三元分質過程中堿和表面活性劑對聚合物分子的作用研究

(1.東北石油大學石油工程學院 黑龍江 大慶 163318)

(2.大慶油田采油工程研究院 黑龍江 大慶 163318)

三元分質過程中堿和表面活性劑對聚合物分子的作用研究

郭天悅1唐秀明1王鑫2

(1.東北石油大學石油工程學院黑龍江大慶163318)

(2.大慶油田采油工程研究院黑龍江大慶163318)

三元復合體系驅油技術是利用三元體系中的堿、表活劑和聚合物三種化學劑的協同效應驅油。為更好地適應地層配伍性，許多油田使用了三元復合驅分質注入技術，將高分子量的三元復合溶液在進入低滲透層前經過分質工具的剪切，降低其相對分子質量，從而保證在不堵塞油層的前提下又有足夠的注入速度。三元分質過程由于堿和表面活性劑的存在，導致分質工具對三元體系的作用、堿和表面活性劑對聚合物分子的作用異常復雜。為了能夠更好的應用三元復合驅油技術，本文研究了三元分質過程中堿和表活劑對聚合物分子的作用機理。

三元復合驅；分質注入；表面活性劑

三元復合驅工業應用對象以非均質性較強的二、三類油層為主，為解決其層間矛盾突出的問題，三元復合驅一般采用分質注入技術，即在低滲透油層使用分子量調節器，采用機械方法對高分子量聚合物進行一定程度的降解，降低注入低滲透層三元體系中聚合物的分子量，從而實現分質注入的目的。三元復合驅的分質主要沿用了聚合物驅的技術，但由于三元復合體系中堿和表面活性劑的存在，分質時兩者對聚合物分子的水解、分散產生一定促進或抑制作用，導致三元體系剪切程度不同于相同濃度和分子量的聚合物體系，不能達到預期的分質效果，也就喪失了三元復合驅分質注入的優勢。因此，有必要弄清分質過程中堿和表面活性劑對聚合物分子的作用機理。

一、表面活性劑、堿以及表面活性劑和堿共同作用對聚合物溶液黏度的影響

(一)表面活性劑對聚合物溶液黏度的影響

表面活性劑本身的活性是三元復合驅中影響界面張力的根本原因。表面活性劑溶液注入地下，它的雙親基團會在液/固接觸面，液/液界面及體相的溶液中發生定向分布。極性的親水基團在體相中和水分子結合，在固/液界面上和極性的礦物巖石表面結合；非極性的親油基團逃離極性的水分子和礦物、巖石顆粒表面，而與非極性的原油分子基團相結合。當極性基團與礦物、巖石的表面結合時就會破壞原油邊界層，把邊界層中束縛的原油解脫出來，成為可流動的原油，極性的水分子或親水基團就會占據顆粒表面，從而使礦物，巖石表面由油濕變為水濕，當然也會出現堿劑造成的界面張力降低、潤濕性的改變、乳化、聚并等現象，使原油采收率得以提高。通過實驗發現，非離子表面活性劑對于聚合物溶液視粘度影響不大，這是由于非離子表面活性劑與除離子水中聚合物鏈不會產生物理或者化學反應。陰離子表面活性劑對于聚合物的粘度有較大影響，主要因為陰離子表面活性劑通過電荷的屏蔽來影響聚合物粘度。使聚合物溶液粘度降低。

(二)堿對聚合物溶液黏度的影響

堿通過以下方式影響聚合物的黏度。首先，堿向聚合物溶液中提供陽離子，這些陽離子增加了溶液的離子強度，通過電荷屏蔽機理使HPAM分子水動力學體積收縮，降低聚合物的黏度。其次，堿可以水解聚合物鏈上的酰胺基，使聚合物的粘度增加。再次，堿提供的OH提高了砂巖表面的負電性能夠降低聚合物的吸附滯留損失。在堿的濃度比較低時，聚合物溶液的黏度隨堿的濃度增大而上升或趨于恒定；當堿的濃度比較高時，存在的高濃度鈉離子會通過電荷屏蔽，抵消掉水解作用對黏度的影響，聚合物的黏度降低。

二、堿和表面活性劑的加入對聚合物分子形態的影響

(一)表活劑對聚合物分子形態影響

聚合物溶液中聚合物分子呈現線性網狀結構，而“非離子表面活性劑/聚合物”二元復合體系微觀分子聚集成“片-網狀”結構，其網絡骨架主干比聚合物溶液粗很多，幾乎連成片狀，而細分枝與聚合物溶液相似。這主要是由于：在“非離子表面活性劑/聚合物”二元復合驅油體系中，由于非離子型表面活性劑本身不發生電離，不帶電荷，沒有靜電力，僅靠極性原子形成氫鍵溶于水，與水分子間作用力較弱，易形成膠束，并以膠束聚集體形式吸附(結合)在聚合物分子鏈上，形成“表面活性劑-聚合物”絡合物，使得“非離子表面活性劑/聚合物”二元復合體系微觀分子聚集成“片-網狀”結構。

(二)堿和表活劑對聚合物分子形態的影響

三元復合驅油體系微觀分子聚集體形態與二元復合驅油體系和聚合物溶液均存在差異。與聚合物溶液中聚合物分子呈現立體網狀結構和二元復合體系的“片-網狀”結構不同，三元復合體系微觀分子呈現球形質點，相互結成珠狀網絡，分形生長表現出一定的自相似性，但其網絡比較稀疏，基本無主干和分枝之別。這種結構包裹水分子的能力很差，從而增黏特性差。這主要是由于：NaOH溶于水后電離出Na+離子，對聚合物大分子的負電荷產生屏蔽作用，使得聚合物分子表面雙電層和水化層厚度變薄，分子鏈中羧基之間的斥力減弱，高分子鏈卷曲收縮，使得網絡骨架主干逐漸回縮，體系結構遭到破壞。同時，磺酸鹽溶于水后電離出的Na+和具有表面活性的磺酸根陰離子。表面活性劑分子以及其聚集后形成的膠束與聚合物分子之間的范德華力往往會克服靜電斥力，使其對聚合物分子雙電層的影響一般是特性吸附占支配地位，此時溶液中其它離子都可視為“不相干離子”。但是，強烈的靜電斥力使陰離子型表面活性劑分子在聚合物大分子表面的特性吸附相對較弱，難以形成“表面活性劑-聚合物”絡合物。因此，磺酸鹽表面活性劑對聚合物分子的作用類似于有機鹽，會使得聚合物分子鏈收縮。NaOH和磺酸鹽對聚合物分子鏈的雙重壓縮作用使得“堿/表面活性劑/聚合物”三元復合體系微觀分子聚集體形態網狀非常稀疏。