近井地帶剪切強度對疏水締合聚合物相對分子質量的影響

舒 政，楊雅蘭，王同旺，劉舒羽，陳佳鈺，李 剛

（1.西南石油大學，四川成都 610500；2.油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，西南石油大學，四川成都 610500；3.陜西延長石油（集團）有限責任公司研究院，陜西西安 710000；4.四川省博仁達石油科技有限公司，四川成都 610500）

聚合物驅是通過向注入水中加入少量水溶性高分子，從而增加水相黏度，達到降低地層水有效滲透率的作用，其簡單的機理作用使得聚合物驅的應用越來越廣泛。因此，聚合物驅對于我國油田開發應用有著非常重要的意義[1-4]。聚合物驅油技術已逐漸在陸上油田三次采油工業化成熟推廣，并獲得了很好的經濟效益和社會效益。從“十一五”開始我國首次在渤海油田開展聚合物驅，從“十一五”到“十三五”期間，海上聚合物驅已經取得了明顯的成效[5-10]。但因海上油藏具有原油黏度和礦化度高的特點，所以常規聚合物很難滿足其油藏條件，渤海油田針對不同區塊采用了兩種聚合物，一種是引入特殊官能團的線性聚合物，另外一種是普通聚合物末鏈引入疏水締合基團[11-17]。渤海油田因油藏的特殊性，其完井方式是防砂加礫石充填完井，在近井地帶的注入端聚合物溶液由井筒流向地層，先后經過防砂管段、礫石充填層和射孔孔眼和近井地層多孔介質后，將會對聚合物溶液的性能產生影響[18-24]，本文探討聚合物溶液在注入地層前，不同的注入強度對聚合物溶液相對分子質量的影響，通過實驗測定聚合物溶液相對分子質量的變化，為現場提高聚合物驅效率改進完井方式提供重要的意義。

1 實驗部分

1.1 實驗藥品及儀器

實驗儀器：數顯懸吊臂攪拌器（江蘇江陰保利科研器材有限公司）、恒溫水浴鍋（上海光地儀器設備有限公司）、電子天平（上海精科公司）、ISCO 泵（美國）、巖心夾持器、地層多孔介質剪切裝置（自主研發）、HBS-2000C 高壓恒速恒壓泵（揚州華寶石油儀器有限公司）、恒溫箱（成都特思特儀器有限公司）、烏氏黏度計（浙江臺州市椒江玻璃儀器廠）、計時器、燒杯、針筒（去針頭）。

化學試劑：疏水締合聚合物AP-P4（四川光亞聚合物化工有限公司）；NaCl、KCl、CaCl2、MgCl、Na2CO3、NaHCO3、Na2SO3均為分析純。AP-P4 配制地層水礦化度（見表1），FP3640C 配制地層水礦化度（見表2）。APP4 濃度：1 750 mg/L，FP3640C 濃度為1 500 mg/L。實驗溫度：45 ℃。

表1 AP-P4 地層水離子組成 單位：mg/L

表2 FP3640C 地層水離子組成 單位：mg/L

1.2 實驗步驟

1.2.1 近井地帶裝置填制 本文近井地帶剪切裝置采用模擬渤海某油田注聚井完井方式，根據其采用大孔徑射孔技術，射孔密度39 孔/米，孔徑=0.021 m，孔徑取0.021 m，射孔深度=0.170 m，射孔深度取0.180 m，孔眼內充填礫石，孔隙度為37%。設計室內剪切模擬裝置填制參數：射孔孔眼及礫石充填層用40～60 目石英砂填制，孔隙度控制在37%；壓實帶用100～120 目石英砂填制；采用40～80 目、80～120 目石英砂混合填制（見圖1）。由油田資料得實際注聚合物溶液過程中87.3%的聚合物溶液的吸水強度范圍為5～20 m3/（m·d），通過選取吸水強度為5 m3/（m·d）、10 m3/（m·d）、15 m3/（m·d）、20 m3/（m·d）和25 m3/（m·d）。

圖1 套管射孔礫石充填完井近井地帶剪切模擬實驗裝置示意圖[19，21]

通過公式（1）將注入強度換算成不同的注入速度，分別為89 mL/min、178 mL/min、267 mL/min、356 mL/min和445 mL/min。

1.2.2 相對分子質量測定

（1）將5 000 mg/L 聚合物溶液用油田模擬地層水進行稀釋，每個樣品稀釋成150 mg/L、250 mg/L、350 mg/L和450 mg/L。

（2）在30 ℃恒溫水浴中，用0.55 mm 非稀釋型烏氏黏度計分別測量聚合物稀釋液和模擬地層水在兩刻度之間的流動時間ti和t0，每個樣重復測定3 次，取3次測量的算術平均值t平均。

（3）根據相對黏度公式（2）、（3）計算出溶液的相對黏度ηr和比濃黏度ηSP，擬合相對黏度和比濃黏度與濃度曲線，通過外推法可得聚合物的特性黏數[η]。

（4）AP-P4 聚合物溶液相對分子質量根據公式M=（[η]/0.037 3）1.515計算其相對分子質量。

FP3640C 聚合物溶液相對分子質量根據公式M=（[η]/0.037 3）1.457計算其相對分子質量。

2 實驗結果與討論

2.1 FP3640C

根據FP3640C 聚合物溶液相對分子質量測試方法，FP3640C 聚合物溶液所測得的實驗數據（見表3）。

由表3 數據可得1 500 mg/L 的FP3640C 聚合物溶液ηSP/Cr與濃度Cr及lnηr/Cr與濃度Cr的關系曲線圖（見圖2）。

表3 FP3640C 聚合物溶液流經烏式黏度計時間

圖2 FP3640C 聚合物溶液ηSP/Cr，lnηr/Cr與Cr的關系曲線

由圖2 可得，η1=4 000.89、η2=3 857.75，故特性黏數[η]=3 929.32，由聚合物相對分子質量計算公式M=（[η]/0.037 3）1.457計算可得1 500 mg/L 的FP3640C 聚合物溶液的黏均相對分子質量約為2 079.4×104。

由圖3 可得FP3640C 聚合物溶液在不同注入強度下經防砂管段剪切后其相對分子質量（見表4）。由表4 可得，FP3640C 聚合物溶液在不同注入強度剪切后的相對分子質量與注入強度的關系曲線（見圖4）。

圖3 不同注入強度FP3640C 聚合物溶液ηSP/Cr，lnηr/Cr與Cr的關系曲線

由圖4 可知：隨著注入強度的增大，FP3640C 聚合物溶液經剪切后聚合物溶液的相對分子質量逐漸減小，未剪切時的相對分子質量為2 079.4×104，在經過5 m3/（m·d）、10 m3/（m·d）、15 m3/（m·d）、20 m3/（m·d）和25 m3/（m·d）強度剪切后相對分子質量分別減少了20.2×104、36.3×104、55.7×104、81.3×104和109.9×104，相對分子質量最低保留率為94.7%，FP3640C 因含有特殊官能團，使其具有一定增黏性和抗剪切性，所以在注入強度最大時其相對分子質量僅降低5.3%。

2.2 AP-P4

由圖5 可得，η1=1 831.11、η2=1 659.41，故特性黏數[η]=1 745.26，由聚合物相對分子質量計算公式M=（[η]/0.037 3）1.515計算可得AP-P4 聚合物溶液的黏均相對分子質量約為1 189.3×104。

圖5 AP-P4 聚合物溶液ηSP/Cr，lnηr/Cr與Cr的關系曲線

由圖6 可得AP-P4 聚合物溶液在不同注入強度下經不同注入強度剪切后聚合物溶液的相對分子質量（見表5）。

圖6 不同注入強度后AP-P4 聚合物溶液ηSP/Cr，lnηr/Cr與Cr的關系曲線

表5 AP-P4 聚合物溶液在不同注入強度下剪切后的相對分子質量

由表5 可知，AP-P4 聚合物溶液在不同注入強度下經防砂管段+礫石充填層+射孔孔眼+多孔介質剪切后的相對分子質量與注入強度的關系曲線（見圖7）。

由圖7 可知，隨著注入強度的增大，AP-P4 聚合物溶液經不同注入強度剪切后聚合物溶液相對分子質量逐漸減小，未剪切時相對分子質量為1 189.3×104，經過5 m3/（m·d）、10 m3/（m·d）、15 m3/（m·d）、20 m3/（m·d）和25 m3/（m·d）強度剪切后相對分子質量分別減少了49.9×104、124.6×104、167.3×104、217.5×104和287.5×104，相對分子質量最低保留率為75.83%，疏水締合聚合物AP-P4 因含有疏水基團，從而使其具有較強的增黏性和抗剪切性，是因聚合物溶解在疏水基相互作用下可形成一定空間網狀結構，在經過最大的注入強度剪切后其空間網狀結構遭受破壞而使大幅度降低。

圖7 AP-P4 聚合物溶液經剪切后的相對分子質量與注入強度的關系曲線

3 結論

（1）線性聚合物FP3640C 在經過5 m3/（m·d）、10 m3/（m·d）、15 m3/（m·d）、20 m3/（m·d）和25 m3/（m·d）強度剪切后相對分子質量分別減少了20.2×104、36.3×104、55.7×104、81.3×104和109.9×104，其相對分子質量的保留率大于94.7%；疏水締合聚合物AP-P4 在剪切后分別減少了49.9×104、124.6×104、167.3×104、217.5×104和287.5×104，其相對分子質量的保留率大于75.83%。

（2）FP3640C 因分子鏈間無化學鍵的結合，在高注入強度下剪切后可能是其分子內部結構的破壞，對整體的影響較小所以表現為相對分子質量的變化較小；AP-P4 因其獨特的官能團疏水基團，少量的疏水締合基團引入，使得分子間的極性增加，且聚合物的疏水締合能小于化學鍵，但大于范德華力和氫鍵，從而分子間具有較強的內聚力，聚合物溶液中分子間存在較強的締合作用，在高注入強度剪切后其空間網狀結構遭受破壞，使其分子鏈段在溶液中處于游離和半游離狀態，則溶液的流動性增強，最后表現為相對分子質量的大幅度減小。

（3）近井地帶的剪切使聚合物相對分子質量出現急劇減小，對于AP-P4 而言可能是其空間網狀結構短時間破壞，但是疏水締合聚合物具有較強的黏彈性，在剪切后是否在滲流過程中可恢復，后續可以考慮進行多孔介質驅替或用表征其他聚合物溶液性能。