適用于海上S油田的速溶聚合物室內實驗研究*

高 尚，代磊陽，符揚洋，張麗平，劉長龍

（中海石油（中國）有限公司天津分公司 渤海石油研究院，天津300459）

目前，我國對石油的需求量在穩步上升，油氣供需矛盾日益突出，使得海上油田成為國家石油產量增長和接替的重要組成部分。渤海海域稠油油田眾多，提高海上稠油油藏采收率，實現穩產、高產對中國海上油田的可持續發展、實現國家能源安全具有重大意義[1]，但海上油田與陸上油田不同，必須考慮海上油田的特點[2]。

渤海海域的油田多為疏松砂巖稠油油藏，因必須考慮防砂問題，層系劃分較粗，在開發過程中出現了諸多注采矛盾，使得“穩油控水”工藝面臨很大挑戰[3,4]。近幾年，聚合物驅油技術成為了國內油氣田開發在中后期高含水時“穩油控水”工藝的重要技術，在渤海多個油田進行了礦場試驗，試驗證明，該技術能夠為海上油田大幅度提高采收率做出有效貢獻[5-8]。

依據海上油田的特殊性要求，聚合物應當具有良好的增粘性、耐鹽性、抗剪切性和長期穩定性；海上平臺空間狹小，大量配置聚合物難度較大，需要改善聚合物的溶解性[9,10]。因此，研究既具有海上要求的優良性能，又能實現快速溶解的聚合物對進一步提高采收率有著重要作用。本文針對渤海SZ36-1油田，對速溶聚合物（簡稱SR聚合物）的溶解性、增粘性、穩定性、流變性及成膠性進行了實驗研究。

1 實驗部分

1.1 材料和儀器

實驗環境 模擬渤海SZ36-1油田油藏溫度，65℃；

地層水礦化度組成 根據油藏地層水的離子組成，通過在去離子水中加入礦物質模擬SZ36-1混注水；

實驗原油SZ36-1油田脫氣脫水原油，粘度為70mPa·s（65℃）；

主要儀器ZNN-D6型六速旋轉粘度計、HAAKE-RS600流變儀、waring攪拌器、聚合物攪拌器、電子天平等。

1.2 實驗方案

（1）溶解時間測定

實驗儀器 攪拌器、電子天平、粘度計

實驗條件65℃、模擬水

配置5000mg·L-1的聚合物母液，每隔5、10、15、20、30、40、60、90、120min取出大約10mL；測定其粘度，當粘度開始趨于穩定的時間視為聚合物的溶解時間。

（2）粘濃關系測定

實驗儀器 攪拌器、電子天平、粘度計

實驗條件65℃、模擬水

將5000mg·L-1的聚合物母液分別稀釋至1000、1500、2000、2500、3000mg·L-1；測定稀釋液體系粘度，并繪制粘濃關系曲線。

（3）老化穩定性測定

溫 度 穩 定 性 將 濃 度 為1000、1500、2000、2500、3000mg·L-1的SR聚合物分別放置于常溫、65、80℃下，分別經過12、24、72、120、168、360、720h后取出測定粘度。

剪 切 穩 定 性 將 濃 度 為1000、1500、2000、2500、3000mg·L-1的SR聚合物用waring攪拌器1檔10s、1檔20s剪切，將剪切后的聚合物置于65℃下，分別經過12、24、72、120、168、360、720h后取出測定粘度。

（4）流變性測定

剪 切 稀 釋 性 將 濃 度 為1000、1500、2000、2500、3000mg·L-1的SR聚合物放置于65℃下，在30d內測定其粘度隨剪切速率的變化。

粘 彈 性 將 濃 度 為1000、1500、2000、2500、3000mg·L-1的SR聚合物放置于65℃下，在30d內測定其粘彈性。

（5）成膠性能測定 按照不同交聯比配置微凝膠，按照目測代碼法測定成膠時間及破膠時間，并測定凝膠強度。

2 結果與討論

2.1 溶解性

用模擬水配置濃度為5000mg·L-1的SR聚合物，溶解曲線見圖1。

圖1 5000mg·L-1 SR聚合物的溶解時間Fig.1 SR polymer dissolution time at 5000mg·L-1

由圖1可知，5000mg·L-1的SR聚合物在20～25min內即可達到溶解平衡，且在配置過程中沒有“魚眼”與明顯的爬桿現象發生，滿足渤海油田海上平臺運用的要求。將5000mg·L-1的聚合物母液分別稀釋至1000、1500、2000、2500、3000mg·L-1，測定不同濃度下的聚合物粘度，見圖2。

圖2 粘濃關系曲線Fig.2 Viscosity-concentration relationship curve

由圖2可知，在相同配置水條件下，隨著聚合物濃度增加，聚合物粘度增大。當濃度低于3000mg·L-1時，隨著濃度的增加，SR聚合物的粘度緩慢增加，當超過3000mg·L-1，聚合物粘度急劇增加，其原因是該聚合物分子量較低，當濃度低于3000mg·L-1時，主要是分子量在起作用，使溶液粘度緩慢上升，當濃度高于3000mg·L-1時，分子間作用增強，使得溶液粘度增加。

2.2 老化穩定性

測定濃度為1000、1500、2000、2500、3000mg·L-1的SR聚合物在不同溫度、不同剪切方式后溶液的老化穩定性。

（1）溫度穩定性

圖3 不同溫度下SR聚合物的老化穩定性Fig.3 Aging stability of SR polymer at different temperatures

由圖3可知，濃度為2000mg·L-1的SR聚合物穩定性最差，即使是常溫下也會快速降粘，然而在65與80℃下最終呈現出粘度回升現象，可能是該聚合物雖然能夠快速溶解，達到平衡，但是很難分散均勻，溫度升高導致聚合物溶解度增大，最終呈現出粘度上升的現象；粘度保留率基本隨濃度的增加而減小，2500與3000mg·L-1的聚合物體現出了高分子溶液特性，隨著老化時間的增加，溶液粘度降低，最終趨于穩定。

將不同濃度的聚合物置于不同溫度下，12h后取出測定粘度，不同濃度的溶液在不同溫度下的粘度變化見圖4。

圖4 放置12h后不同溫度不同濃度的粘度曲線Fig.4 Viscosity curve of different temperature and different concentration after 12h

由圖4可知，由于分子量低的緣故，當濃度低于2500mg·L-1時，聚合物粘度對溫度的依賴性不高，且濃度2000mg·L-1的聚合物比濃度1500mg·L-1的聚合物更不穩定。

（2）剪切穩定性 將濃度為1000、1500、2000、2500、3000mg·L-1的SR聚合物分別用waring攪拌器1擋10s、1擋20s剪切，模擬近井地帶機械剪切下聚合物的降解。剪切后聚合物的老化穩定性見圖5，剪切消泡后聚合物的降粘率見表1。

圖5 不同剪切條件后聚合物的老化穩定性Fig.5 Aging stability of polymers after different shear conditions

表1 不同剪切條件下聚合物的降粘率Tab.1 Aging stability of polymers after different shear conditions

由圖5和表1可知，經waring攪拌器剪切后，降粘率與濃度成正比，然而1擋10s剪切與1擋20s剪切的降粘率差距不是很大，剪切過后的SR聚合物在老化過程中出現了粘度上升、下降的波動，但最終趨于平衡，說明雖然剪切作用會使得粘度降低，但分子間會產生新的作用，使得溶液粘度升高。

不同條件下不同濃度的最大降粘率與最終粘度保留率見表2，各個濃度在不同條件下的老化粘度曲線見圖6。

表2 不同條件下的聚合物穩定性Tab.2 Polymer stability at different conditions

由表2可知，濃度為2500與3000mg·L-1的溶液，在老化過程中雖有粘度小幅度回升現象，但最終降粘率即是最大降粘率，且降粘曲線趨于平衡；濃度為2000mg·L-1的溶液，在各個條件下均出現粘度大幅上升的現象，且幾乎在360～720h之間發生，使得最終粘度保留率較高；濃度為1500mg·L-1的溶液，在80℃與剪切條件下有小幅度的粘度回升，但增加不大。

圖6 不同濃度不同條件下聚合物的降粘曲線Fig.6 Viscosity reduction curve of polymer at different concentration and different conditions

由圖6可知，聚合物濃度為1500mg·L-1時，溶液極其不穩定，不能夠滿足實際油田應用；聚合物濃度為2000mg·L-1時，溶液在360h后出現了大幅增粘，而濃度為2500與3000mg·L-1的溶液在老化過程中則體現出了規律的降粘、穩定，在油藏溫度下降粘不大，適應SZ36-1油藏，但在80℃下粘度損失率很大，不適合超高溫油藏。

2.3 流變性

（1）剪切稀釋性 用流變儀測定SR聚合物的剪切稀釋性，模擬聚合物在巖心剪切中的穩定性，宏觀的評價聚合物的分子結構。

由圖7可知，隨著剪切速率的增加，SR聚合物的粘度整體呈現出先降低后增加的趨勢，在很低的剪切速率下，即呈假塑性流體，分子鏈間相互纏結、范德華力相互作用形成鏈間瞬態物理交聯，這些交聯點在分子熱運動下不斷解體和重建，SR聚合物在低剪切速率下，物理交聯點被破壞的速度大于重建的速度，分子鏈段沿流場方向取向，溶液粘度下降；剪切速率繼續增加，物理交聯點被破壞完全來不及重建，分子鏈被拉伸但是沒有斷裂，粘度下降到最小值并平衡一段時間，到達第二牛頓區；在高剪切速率區間，高剪切應力引起聚合物分子鏈擴張伸展，可以使一部分的分子內作用力轉換成分子間作用力，粘度增加，表現出剪切增稠性能。將開始剪切增稠的剪切速率稱為臨界速率，聚合物濃度越高，臨界速率越大，且第二牛頓區越短，因為在高濃度下，剪切速率很高時，由于流動摩擦發熱和流動的不穩定性，通常達不到第二牛頓區。在臨界濃度以下，在老化過程中均檢測到了粘度波動現象，其原因是溶液分子量低、不穩定，在剪切作用下分子內的作用力與分子間的作用力不斷轉換導致了波動現象。

圖7 不同濃度下聚合物的剪切稀釋性Fig.7 Shear thinning of polymers at different concentrations

（2）粘彈性

圖8 1500mg·L-1 SR聚合物的粘彈性曲線Fig.8 Viscoelastic curve of SR polymer at 1500mg·L-1

圖9 3000mg·L-1 SR聚合物的粘彈性曲線Fig.9 Viscoelastic curve of SR polymer at 3000mg·L-1

由圖8、9可知，隨著濃度的增加，SR聚合物溶液的儲能模量和耗能模量均不斷增大，說明濃度越高，SR聚合物溶液的粘彈性越顯著；在老化過程中，儲能模量和耗能模量幾乎與頻率成正比，說明頻率越高，SR聚合物的粘彈性越好。然而各個濃度的耗能模量基本上均大于儲能模量，在老化過程中偶爾有曲線相交、儲能模量大于耗能模量的現象，說明該SR聚合物的分子鏈柔順，分子間相互作用力小，在較低溫度下即可發生粘性流動；在油藏溫度下老化，材料有彈性響應，意味著該聚合物不僅能夠快速配置與注入油藏，在長時間油藏環境中彈性增強，對驅替與調剖有著重要作用。

（3）成膠性 因該SR聚合物粘度較低、分子量較低，從經濟角度上更適合作為調剖劑運用，用酚醛交聯劑進行交聯，當交聯比為2∶1、8∶3、4∶3、3∶2、3∶10時均無法成膠，最終確定成膠比1∶1。

由表3可知，隨著聚合物濃度的增加，成膠時間逐漸增加，成膠強度逐漸減小，破膠時間逐漸縮短，有作為堵水調剖劑的價值。

表3 SR聚合物的成膠性能Tab.3 Gel-forming properties of SR polymer

3 結論

（1）該SR聚合物具有很好的溶解性與增粘性，在20～25min內即可達到溶解平衡，當濃度超過3000mg·L-1時，能夠快速增粘，在高溫下能夠增大聚合物的溶解度，可以實現再次增粘；

（2）因分子量較低的緣故，低濃度的聚合物溶液對溫度的依賴性不高，高濃度的聚合物溶液隨著溫度升高，粘度降低，但是在老化過程中較為穩定，耐溫性良好；

（3）濃度為1500mg·L-1的聚合物溶液極其不穩定，抗剪切性能較差，濃度為2000mg·L-1的溶液在各個條件下均出現粘度大幅上升的現象，使得最終粘度保留率較高，2500與3000mg·L-1的溶液雖然沒有增粘現象，但也體現出了良好的抗剪切性；

（4）該SR聚合物因分子量較低，在老化過程中存在粘度波動的不穩定現象，但是通過剪切速率譜圖可以看出，在較高的剪切速率下聚合物的分子鏈被拉伸，始終沒有斷裂，在高剪切速率下體現出了剪切增稠現象，在頻率譜圖中，溶液大部分時間呈現粘性，但是在老化過程中有彈性響應，意味著該聚合物在長時間油藏環境中彈性增強；

（5）聚合物在交聯比為1∶1的條件下能夠成膠，有作為堵水調剖劑的價值。