高分子量締合聚合物與聚丙烯酰胺巖心剪切穩(wěn)定性對比

楊 濤，郭擁軍，胡 俊，莊永濤，梁 嚴

（1. 西南石油大學 石油與天然氣工程學院，四川 成都 610500；2. 西南石油大學 油氣藏地質及開發(fā)工程國家重點實驗室，四川 成都 610500；3. 四川光亞聚合物化工有限公司，四川 成都 610500；4.中國石油大港油田公司工程技術處，天津 300280；5. 西南石油大學 化學化工學院，四川 成都 610500）

聚合物驅技術作為油田提高采收率、增加整體開發(fā)經濟效益的主要方法得到了廣泛應用并已取得了巨大成功［1-5］。理論上講，聚合物分子量越高，黏度越高，在地層中的流度控制能力越強，驅油效果越好［6-8］。但在實際應用過程中，受地層滲透率及其分布的限制，并不是所有尺寸的聚合物分子均能有效進入多孔介質的孔隙和喉道中。當聚合物分子尺寸選擇過大時，體系不能有效進入地層，大量聚合物分子在炮眼處被截留并堆積，最終造成注聚井堵塞［9-10］；當聚合物分子尺寸選擇過小時，體系黏度偏低，不能達到方案設計的流度控制能力，礦場試驗效果不能得到保證。目前關于聚合物分子量與地層孔喉尺寸的匹配關系的研究大多基于物理模擬剪切的方式，且主要基于聚丙烯酰胺（HPAM）開展，對締合聚合物（HAWSP）這類新型分子結構聚合物研究較少，此外現(xiàn)有研究大多基于低速滲流和單次剪切的方式，很難與現(xiàn)場應用有效銜接［11-15］。

本工作研究了HAWSP 和HPAM 經不同滲透率巖心多次剪切后黏度及分子量的變化規(guī)律，得到了兩種聚合物在不同剪切流速、剪切次數(shù)和滲透率下的巖心剪切穩(wěn)定性差異，為今后聚合物驅礦場試驗的聚合物選擇提供參考和借鑒。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

HAWSP、HPAM:四川光亞聚合物化工有限公司，聚合物參數(shù)見表1；NaCl:AR，成都科龍化工試劑廠；純水:自制；柱狀人造巖心:自制，基本性質見表2。

表1 聚合物的基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of two tested polymers

表2 實驗用巖心的基本參數(shù)Table 2 Basic parameters of core for experiment

1.2 實驗儀器

DV-Ⅱ型布氏黏度計:美國Brook-Field 公司；D-250L 型多功能巖心驅替裝置:江蘇海安石油科研儀器廠；4-0.55 型稀釋型烏氏黏度計:北京恒普德威儀器儀表有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 聚合物溶液的配制

5 000 mg/L 母液的配制:1）依據聚合物的固含量準確稱取一定量的聚合物試樣；2）稱取一定量的5 000 mg/L 的NaCl 鹽水于1 000 mL 燒杯中，45 ℃水浴中恒溫10 min；3）開起頂置攪拌器，使恒速攪拌器的攪拌葉片位于液面以下的三分之二處，調節(jié)轉速進行強攪拌，使漩渦體延展至溶液體積的75%處，在30 s 內把稱好的聚合物干粉撒在渦旋體的肩部，觀察溶液，如果出現(xiàn)大塊或“魚眼”，則重新配制；4）加完聚合物干粉后繼續(xù)強攪拌10 min，然后調節(jié)頂置攪拌器轉速為400 r/min，在恒溫下攪拌溶液2 h；5）攪拌結束后，將聚合物母液靜置于干燥避光處 12 h，檢查無未溶解顆粒，備用。

目標液的配制:常溫下，按一定比例稱取5 000 mg/L 母液、5 000 mg/L NaCl 鹽水于500 mL 燒杯中，在攪拌轉速250 r/min 下攪拌30 min，得到特定濃度的目標液體系。

1.3.2 巖心剪切

首先按圖1 所示流程連接好管路，然后稱量飽和水前后巖心的質量，計算孔隙度和PV 體積，再將巖心裝入巖心夾持器，測定水相滲透率，并將配制好的目標液經500 目濾網過濾后裝入中間容器內，最后以對應的流速將目標液注入巖心，收集尾端流出液進行分析。

1.3.3 黏度測定

在65 ℃、剪切速率為7.34 s-1條件下，測試溶液在3，5，8 min 下的黏度，取平均值為最終黏度結果。測試前試樣先在65 ℃下預熱5 min。

1.4 分子量的測定

按驅油用聚合物技術要求中特性黏數(shù)及分子量的標準［16］進行測試和計算。

圖 1 巖心剪切流程Fig.1 Core shear flow diagram.

2 結果與討論

2.1 聚合物分子結構差異對表觀黏度的影響

對兩種不同分子結構的聚合物溶液的表觀黏度進行測定，考察了聚合物分子結構差異對聚合物體系黏度的影響，結果見圖2。從圖2 可看出，在聚合物質量濃度低于1 750 mg/L 時，HAWSP 與HPAM 表觀黏度均隨體系質量濃度的增加而增加，而當體系質量濃度大于1 750 mg/L 時，HAWSP 表觀黏度急劇上升，HPAM 表觀黏度則繼續(xù)表現(xiàn)出隨聚合物質量濃度的增大呈線性緩慢增加的趨勢。分子量確定的條件下，HPAM 表觀黏度主要與聚合物濃度相關，HAWSP 在HPAM 的基礎上引入了疏水基團，水溶液中聚合物分子由于疏水作用而發(fā)生聚集，從而使大分子鏈產生分子內和分子間締合效應。當HAWSP 濃度低于臨界濃度（CAC）時，聚合物分子締合效應主要以分子內締合為主，而當HAWSP 濃度高于CAC 時，大分子鏈分子締合效應以分子間締合為主，最終形成超分子結構-動態(tài)物理交聯(lián)網絡，流體力學體積大幅增加，最終表現(xiàn)為表觀黏度的大幅度升高［17-18］。實驗結果顯示，本研究所選的HAWSP 質量濃度拐點在1 750 mg/L左右，因此后續(xù)對以分子間締合為主的2 000 mg/L溶液的巖心剪切穩(wěn)定性進行研究。

圖2 聚合物質量濃度與黏度的關系Fig.2 Relationship between viscosity and concentration of polymer.

2.2 注入速度對聚合物巖心剪切穩(wěn)定性的影響

將2 000 mg/L 的HAWSP 和HPAM 以不同注入速度（0.5 ～400 m/d）注入滲透率為2.5 μm2的人造巖心，對比巖心剪切前后聚合物黏度變化，得到不同注入速度下不同類型聚合物的巖心剪切特征，結果見圖3。

圖3 單次巖心剪切后聚合物黏度和分子量保留率與注入速度的關系Fig.3 Relationship between polymer viscosity，molecular weight retention after single-core shear and injection speed.

從圖3 可看出，不同注入速度下兩種不同類型聚合物表現(xiàn)出不同的巖心剪切特征，隨巖心注入速度的增加，HAWSP 剪切后黏度呈“先平穩(wěn)后下降”的兩段式特征，而HPAM 黏度整體呈單調下降趨勢。這與HAWSP 和HPAM 分子結構的差異性有關，HAWSP 在注入速度為0 ～60 m/d 時，分子受巖心剪切破壞較小，被巖心剪切破壞的分子結構由于分子間締合效應的存在快速重組，黏度快速恢復，HAWSP 抗巖心剪切性能良好；當注入速度大于60 m/d 時，巖心剪切帶來的分子結構破壞速度比黏度恢復速度更快，因此剪切后黏度隨注入速度的增加而降低。HPAM黏度主要由分子鏈長度決定，隨注入速度的增加，HPAM 受巖心孔隙結構的破壞增大，流出液分子量逐漸降低，因此體系黏度降低。注入速度為400 m/d 時HAWSP 一次剪切黏度保留率為71.07%，而HPAM 僅為38.41%，一次剪切分子量保留率HPAM 達到82.09%，HAWSP 則為66.90%。兩種聚合物剪切黏度、分子量的差異性需要對兩種聚合物的高速巖心剪切穩(wěn)定性進行進一步研究確定。結合現(xiàn)場施工過程中聚合物體系受注入速度影響最大的情況發(fā)生在炮眼處［19-20］，為考慮現(xiàn)場施工條件下聚合物體系的抗巖心剪切性能，后續(xù)主要對400 m/d 注入速度下的多次巖心剪切穩(wěn)定性進行對比研究。

2.3 剪切次數(shù)對聚合物巖心剪切穩(wěn)定性的影響

在注入速度為400 m/d 下，將2 000 mg/L 的HAWSP 和HPAM 目標溶液以恒速通過氣測滲透率為2.5 μm2的人造巖心進行巖心剪切，剪切五次，得到兩種聚合物不同剪切次數(shù)下流出液的黏度和分子量的剪切穩(wěn)定性，結果見圖4。從圖4 可看出，高注入速度下HAWSP 一次剪切黏度及分子量保留率分別為71.07%，66.90%，五次剪切后幾乎無變化，分別為70.31%，65.55%；HPAM 一次剪切黏度及分子量保留率分別為38.41%，82.09%，五次剪切后黏度及分子量保留率均大幅下降，僅為23.18%和52.80%。兩種聚合物表現(xiàn)出不同的剪切穩(wěn)定性，HAWSP 經一次剪切后黏度及分子量即趨于穩(wěn)定，HPAM 剪切時黏度與分子量均先下降后趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定后HAWSP 的黏度遠遠大于HPAM，但兩者最終流出液的分子量卻較接近。在特定滲透率巖心條件下，孔喉尺寸的大小恒定，當聚合物分子高速通過巖心時需要不斷調整自身分子結構以適應孔喉尺寸變化，從而順利通過巖心并最終達到穩(wěn)定，因此剪切穩(wěn)定后產出聚合物分子量應主要由巖心滲透率決定。HAWSP 由于可逆的分子間締合效應在剪切過程中不斷地拆散重組從而能夠快速地適應巖心孔喉尺寸變化，一次剪切即趨于穩(wěn)定，HPAM則需要在多次剪切過程不斷調整自身的分子鏈長度以適應巖心，最終需要多次巖心剪切黏度及分子量才趨于穩(wěn)定。

圖4 巖心剪切聚合物黏度、分子量保留率與剪切次數(shù)關系Fig.4 Relationship between polymer viscosity，molecular weight retention and shear times after core shearing.

2.4 滲透率對聚合物巖心剪切穩(wěn)定性的影響

實際油藏環(huán)境中，由于地質構造的差異導致不同地區(qū)地層滲透率分布不一致［21］，考察滲透率對聚合物巖心剪切特征的影響，尋求聚合物與滲透率的最佳匹配關系，將有助于對特定油藏選擇合適的驅油體系。將2 000 mg/L 的HAWSP 和HPAM 溶液分別以400 m/d 的速度恒速通過滲透率為0.5，2.5，6.0 μm2的人造小巖心進行巖心剪切，剪切5次，得到兩種聚合物在低、中、高3 種滲透率下剪切穩(wěn)定后流出液黏度和聚合物分子量的變化特征，結果見圖5。滲透率為0.5 μm2巖心匹配的聚合物分子量約為1.0×107，滲透率為2.5 μm2巖心匹配的聚合物分子量約為1.3×107，滲透率為6.0 μm2巖心匹配的聚合物分子量約為1.9×107，不同巖心滲透率匹配不同分子量的聚合物，與聚合物自身結構關系較小。從圖5 可看出，滲透率越高，分子量的保留率越大。滲透率越大的巖心，對應的巖心孔吼半徑越大，聚合物分子鏈受巖心剪切的影響程度更低，聚合物黏度及分子量受巖心剪切的影響更小，最終的黏度及分子量保留值更高，因此，在實際應用過程中需要根據目標油田的滲透率分布來選擇與之匹配的聚合物，不同滲透率條件匹配不同分子量的聚合物體系，這樣既減少了油田工作者的工作量也保證后續(xù)聚合物驅現(xiàn)場實施的有效性。

圖5 巖心剪切后聚合物溶液黏度和分子量保留率與巖心滲透率關系Fig.5 Relationship between the viscosity of polymer solution，molecular weight retention and core permeability after core shearing.

3 結論

1）HAWSP 和HPAM 分子結構的差異性導致不同注入速度下兩種聚合物不同的巖心剪切特征: HAWSP 剪切后黏度呈“先平穩(wěn)后下降”的兩段式特征；HPAM 剪切后黏度呈單調下降趨勢，HAWSP 由于其自身分子內締合效應的影響，剪切后黏度保留值大于HPAM，具有更優(yōu)的抗巖心剪切性能。

2）聚合物分子量保留率只與巖心滲透率有關，與聚合物自身結構關系不大，不同巖心滲透率匹配不同分子量的聚合物，在實際應用中需根據目標油田的滲透率分布來選擇與之匹配的聚合物，以保證后續(xù)聚合物驅現(xiàn)場實施的有效性。