驅油用聚合物溶液黏度影響因素的研究

孫秀芝

中國石化勝利油田分公司勘探開發研究院，山東東營 257015

聚合物驅三次采油方法是提高原油采收率的重要方法，成為我國許多油田增產的主要技術。目前油田用聚丙烯酰胺(HPAM)水溶液做驅油劑已在現場上得到廣泛應用并取得成功，影響聚合物驅油效果的因素是多方面的，其中HPAM溶液的黏度穩定性是影響聚合物驅效果的主要因素。

影響HPAM溶液黏度穩定性的因素可分為：1)HPAM結構及特性：主要包括HPAM類型、結構、相對分子質量、水解度等；2)驅油HPAM環境因素：主要包括溶劑、溫度、礦化度、離子組成與含量、剪切速率、氧及細菌等；3)現場配注工藝設備及條件：主要包括攪拌時間與速度、HPAM的熟化時間、HPAM的加入方式和速度、配注用泵、管線、閥門及注入速度等。對于特定的HPAM體系而言，主要影響因素是溫度、礦化度、剪切速率以及熱、氧等[1-5]。

1 實驗儀器與藥品

流變儀，MCR301，美國Brookfield公司；JJ-1型增力電動攪拌器，江蘇金壇市大中儀器廠；ZK-82型真空烘箱，重慶實驗設備廠；填砂管，L-50，中國石油大學儀表廠。

氯化鈉、無水氯化鈣、六水合氯化鎂、鹽酸、氫氧化鈉、七水合硫酸亞鐵、氯化鐵，均為分析純；聚丙烯酰胺1，HPAM，白色顆粒粉劑，東營市寶莫有限公司；聚丙烯酰胺2，HPAM，北京恒聚化工集團有限責任公司。

2 各影響因素對HPAM黏度的影響

2.1 溫度與礦化度

采用勝利Ⅱ型鹽水配制1 500 mg/L的聚合物溶液，考察溫度對聚合物黏度的影響,結果見圖1。隨著溫度升高，聚合物水溶液黏度降低。這是由于HPAM分子熱運動加劇，溫度升高，分子間力減小；同時，使HPAM的溶劑化程度減小，而克服原子內旋轉阻力的能力增加，均使HPAM分子鏈卷曲，黏度降低。

圖1 溫度對聚合物黏度的影響

固定其他條件，75 ℃下，考察礦化度對聚合物黏度的影響，結果見圖2。隨著礦化度增加，聚合物黏度降低。這是因為礦化度升高，聚合物分子鏈卷曲，表觀尺寸減小，導致黏度降低。

圖2 礦化度對聚合物黏度的影響

2.2 鐵離子濃度

采用去離子水配制濃度為1 500 mg/L聚合物水溶液，充分熟化，分別加入Fe2+和Fe3+，考察Fe2+和Fe3+濃度對聚合物黏度的影響，結果見圖3和圖4。從圖3看出，微量Fe2+可造成聚合物黏度大幅下降。Fe2+引起的黏度下降，主要是發生在Fe2+氧化生成Fe3+過程中，由于Fe2+為還原劑，在溶解氧作用下，會氧化而產生自由基；此自由基進攻HPAM主鏈，生成過氧化物或氧化物，促使主鏈斷裂，發生降解。從圖4看出，隨著Fe3+濃度增加，聚合物黏度下降。

圖3 Fe2+濃度對聚合物黏度的影響

圖4 Fe3+濃度對聚合物黏度的影響

2.3 溶解氧與pH

溶液中氧氣的存在是HPAM氧化降解的重要因素。室內采用去離子水配制1 500 mg/L聚合物水溶液，放入75 ℃烘箱，考察溶解氧對聚合物黏度的影響，結果見圖5。隨著時間增加，聚合物黏度急劇下降。HPAM溶液氧化降解作用是自由基反應，使HPAM相對分子質量降低，在較短時間內使HPAM溶液黏度大幅降低[3]。

圖5 溶解氧對聚合物黏度的影響

室內采用去離子水配制500 mg/L聚合物水溶液，加入10%HCl和10% NaOH溶液調節體系pH，75 ℃下測其黏度，結果見圖6。在酸性條件下，隨著pH增加，聚合物水溶液的黏度增加； pH大于9后，黏度呈現下降的趨勢。pH為6～9時，聚合物水溶液具有較高的黏度。因此，現場配制時，聚合物水溶液pH控制在6～9為宜。

圖6 體系pH對聚合物黏度的影響

2.4 配注工藝

配制HPAM溶液的工藝中，母液配制的攪拌時間與攪拌速度、HPAM的熟化時間及HPAM注入流速對HPAM溶液黏度均有很大的影響。對特定的HPAM體系，在水質和濃度一定的條件下，注聚工藝設備和參數的影響也不可忽視。因此，選擇合理的配制和注入工藝十分重要。配制1 500 mg/L聚合物，考察攪拌速度、巖心實驗、炮眼實驗對聚合物黏度的影響。

巖心實驗法：將地層砂充填于填砂管中，以設定的恒定速度注入鹽水，同時測定巖心兩端壓力，并記錄通過巖心鹽水的流速，以不同流速均勻注入聚合物水溶液3～5 PV，待壓力穩定后記錄注入壓力，并量取驅替出的聚合物水溶液；將其置于30 ℃恒溫水浴鍋內，充分恒溫后測定其黏度。為考察剪切速率對聚合物分子的降解作用，應使產出聚合物水溶液恒溫足夠長時間(>2 h)以充分恢復其黏度，排除分子拉伸變形而造成的對聚合物水溶液黏度的影響。

炮眼實驗法：由于條件和時間的限制，室內僅考察HPAM流經單個炮眼的剪切穩定性。本實驗模擬裝置是HPAM溶液注入地層模擬裝置中去除多孔介質部分(即中間容器)。炮眼尺寸φ1.6 cm×20 cm，計算剪切速率。

考察攪拌速度與時間對HPAM水溶液剪切穩定性的影響，結果見圖7。HPAM水溶液在不同攪拌速度下，呈現不同的流變特性，攪拌速度為0～400 r/min時，表現出剪切增稠的流變特性；攪拌速度為500～800 r/min時，表現出剪切稀釋的流變特性；攪拌速度大于800 r/min時，HPAM剪切降解。HPAM在剪切增稠與剪切稀釋時，攪拌時間對HPAM水溶液黏度影響較小；在剪切降解時，攪拌時間對HPAM水溶液黏度影響較大。因此，攪拌速度應不高于500 r/min，攪拌時間控制在30 min以內。

圖7 轉速對聚合物黏度的影響

考察HPAM注入流速與巖心滲透率對聚合物水溶液黏度的影響，結果見圖8。隨著HAPM注入流速增加，HPAM水溶液黏度降低；巖心滲透率越小，HPAM水溶液黏度下降幅度越大；HPAM濃度和相對分子質量越大，受剪切降解程度越嚴重。流經0.10 μm2的巖心時，流速為0～2 mL/min，HPAM水溶液黏度下降幅度最大；流經0.25，0.80 μm2的巖心時，流速為0～3 mL/min，HPAM水溶液黏度下降幅度最大；流經1.00 μm2的巖心時，HPAM注入流速為0～4 mL/min，HPAM水溶液黏度下降幅度最大。

圖8 HPAM注入流速與巖心滲透率對聚合物水溶液黏度的影響

考察炮眼剪切速率對聚合物水溶液黏度的影響，結果見圖9。隨著炮眼剪切速率增加，HPAM水溶液黏度降低，濃度越大，黏度下降幅度越大。當剪切速率為100 000 s-1時，1 000mg/L HPAM水溶液黏度損失率為8.9%， 1 200 mg/L HPAM水溶液黏度損失率為14.9%，1 500 mg/L HPAM水溶液黏度損失率為25.8%。HPAM水溶液在射孔炮眼處剪切降解發生在套管孔眼、油層部位的炮眼壁和壓實帶。因此，流量一定的情況下，射孔彈直徑越大、能量越大，射孔效果(孔深、孔徑、對壓實帶的損害)越好，對減少HPAM水溶液黏度損失效果越好。

圖9 炮眼對聚合物水溶液黏度的影響

2.5 微生物

如果HPAM在地面被生物降解，因為微生物會堵塞地層，影響HPAM水溶液注入能力；如果HPAM在地層被微生物降解，可導致HPAM水溶液黏度損失，甚至喪失流動控制能力。黃峰等從中原油田取樣的污水中培養出的硫酸鹽還原菌，可在聚合物驅油中生長繁殖并使HPAM發生降解[6]。

2.5.1硫酸鹽還原菌(SRB)

近年來人們發現HPAM的降解產物可作為細菌生命活動的營養物質,反過來營養的消耗可促進聚合物的降解，使其黏度降低。分子降解產物中—COO-可作電子供給體，用硫酸鹽作末端電子接受體而繁殖；同時，—COO-的消耗促進HPAM的進一步降解，又為SRB的生長繁殖提供更多的營養物質，使SRB在其中的代謝旺盛且持久。SRB對HPAM 的厭氧降解較緩慢。硫酸鹽還原菌分解產生的H2S通過在水中溶解也對管道有腐蝕性。

2.5.2腐生菌(TGB)

TGB不僅能在不加任何培養基成分的一定濃度的HPAM 中大量生長繁殖，使溶液黏度降低較適宜的濃度為500～1 000 mg/L。TGB接種至HPAM溶液中并不立即生長繁殖，經一定的停滯期，此段時間內HPAM不發生降解，存在一定的降解誘導過程。隨著TGB的生長繁殖，HPAM開始降解，導致溶液黏度迅速下降。

3 結論

1)溶解氧對聚合物水溶液黏度穩定性的影響是一個長期而緩慢的過程，但相對于注聚周期的長期性而言，溶解氧所造成的聚合物水溶液黏度損失是較為嚴重的；聚合物的氧化降解反應過程與溫度關系較大，溫度的升高會使反應速度加快，從而造成溶液黏度損失加重； Fe3+不造成聚丙烯酰胺分子的降解， Fe2+對聚合物水溶液黏度影響較為嚴重；聚合物水溶液在偏堿性條件下黏度穩定性較高。

2)聚合物水溶液在低滲透巖心中的黏度下降幅度大于高滲透巖心，對于相同滲透率的巖心，注入聚合物水溶液速度越大黏度損失也越大，隨著滲透率的降低，聚合物水溶液黏度降低的幅度加大;在HPAM配注過程中，要盡量降低攪拌速度和時間，適當延長熟化時間，攪拌速度應不高于500 r/min,攪拌時間最好控制在30 min以內。