超重力因子對聚合物溶解時間及其性能的影響研究

舒政，王同旺，齊勇，王曉，廖東，程飛豹，楊雅蘭

(1.西南石油大學 油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，四川 成都 610500； 2.西南石油大學 石油與天然氣工程學院，四川 成都 610500；3.西南油氣分公司采氣二廠，四川 閬中 637400)

隨著海上油田開發的不斷進行，聚合物驅油技術在海上油田獲得大規模推廣和應用[1-3]。海上油田所用疏水締合聚合物由于疏水基團的引入使其溶解更加緩慢，這勢必會導致海上平臺配注系統占地面積增大，這與海上平臺空間和承載能力有限相矛盾[4-6]。因此，加速海上平臺聚合物的溶解成為亟待解決的問題[7-14]。針對此問題，研發了超重力速溶裝置，增大配液水和聚合物溶脹顆粒的相際界面，加快聚合物顆粒的水化速率，從而加速聚合物溶解。

超重力因子的大小與超重力速溶實驗裝置中傳質環的內外徑和轉速相關，定義為傳質環旋轉產生的離心加速度(a)與重力加速度(g)的比值[15]。可由下式表示：

(1)

(2)

式中n——轉速，r/min；

r——傳質環內徑，m；

ω——角速度，rad/s；

a——離心加速度，m/s2；

g——重力加速度，9.8 m/s2；

gr——超重力因子，無量綱。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

實驗用水為油田模擬注入水(總礦化度為 9 374.13 mg/L)，其具體組成見表1；疏水締合聚合物AP-P4(分子量1 300萬，固含量90%)，工業品；配制模擬水所需藥品NaCl、CaCl2、MgCl2、KCl、Na2CO3、NaHCO3、Na2SO4均為分析純。

超重力速溶裝置，自主研發；RW20型數顯懸吊臂攪拌器；Brookfield DV-Ⅲ型黏度計；HH-1型恒溫水浴鍋；RWD5型吳茵攪拌器；巖心夾持器，由海安巖心石油儀器有限公司提供；260D型ISCO高壓恒壓恒速泵；20 mL注射器，由上海康德萊企業發展集團股份有限公司提供；JT1003B型電子天平。

表1 油田模擬注入水離子組成Table 1 Simulated injection of water ions

1.2 實驗方法

1.2.1 聚合物取樣 按聚合物超重力高效配制的工藝流程(圖1)連接儀器，速溶裝置入口和出口均設有取樣口，便于取樣。

圖1 聚合物超重力高效配制工藝流程Fig.1 High-gravity and efficient polymer preparation process

經離心泵輸送的水與AP-P4干粉在溶解罐內混合，經過攪拌后形成處于溶脹階段的AP-P4溶液，經過轉液泵進入超重力速溶裝置，最后流入廢液池。裝置穩定運行2 min后，用燒杯從取樣口接取AP-P4溶液，測定其溶解時間。

1.2.2 聚合物基本溶解時間測定 在45 ℃條件下，將所取AP-P4溶液樣品置于恒溫水浴鍋內 210 r/min 攪拌溶解，每隔5 min測定其黏度，直至3次取樣測量黏度值變化率<5%時停止取樣，取3次測量平均值為基本溶解時間。黏度測試使用黏度計，剪切速率為7.34 s-1，不同型號轉子的轉速及測試黏度見表2。

表2 不同型號轉子的轉速及黏度Table 2 Viscosity test range of different types of rotors

根據測試數據繪制聚合物溶液黏度隨時間的變化曲線，對溶液黏度相對平穩時的曲線進行擬合得到一條直線，再對溶液黏度平穩前的曲線進行擬合得到另一條直線，兩條直線的交點所對應的時間點，即是基本溶解時間點[10]。

1.2.3 表觀黏度 配制1 750 mg/L的疏水締合聚合物AP-P4溶液，使用黏度計測定其表觀黏度，剪切速率設定為7.34 s-1。

1.2.4 剪切穩定性 配制濃度為1 750 mg/L的疏水締合聚合物AP-P4目標溶液。將吳茵攪拌器設定為Ⅰ檔，加入200 mL聚合物溶液攪拌20 s，將攪拌后的溶液靜置消泡，待完全消泡后測其黏度，記錄實驗結果。

1.2.5 阻力系數及殘余阻力系數 按照巖心驅替流程(圖2)連好流程。將巖心在蒸餾水中飽和，飽和后放入巖心夾持器中，溫度設置為65 ℃，圍壓 5 MPa。①ISCO高壓恒壓恒速泵注入速度設定為0.5 mL/min，使用模擬地層水驅替飽和水后的巖心，待水驅壓力平穩，記錄壓力值ΔPwa；②水驅注入壓力平穩后轉注聚合物溶液驅替巖心，泵速設定為0.5 mL/min，至聚合物驅壓力趨于平穩，記錄壓力值ΔPp，代入式(3)計算阻力系數；③待聚驅注入壓力平穩后開始轉注后水，模擬地層水以0.5 mL/min的注入速度驅替巖心，驅替至后水驅壓力趨于平穩，記錄壓力值ΔPwb，代入式(4)計算殘余阻力系數。

(3)

(4)

式中RF——阻力系數，無量綱；

Qwa——水驅注入速度，mL/min；

Qwb——后水驅注入速度，mL/min；

Qp——聚合物驅注入速度，mL/min；

ΔPwa——水驅穩定時的壓差，MPa；

RRF——殘余阻力系數，無量綱；

ΔPwb——后水驅穩定時的壓差，MPa；

ΔPp——聚合驅穩定時的壓差，MPa。

圖2 巖心驅替流程示意圖Fig.2 Schematic diagram of core displacement process

2 結果與討論

在配制溫度為45 ℃的條件下，配液質量濃度為5 000 mg/L，超重力速溶裝置填料孔隙直徑為 300 μm，考察超重力因子對聚合物溶解時間及溶液性能的影響。

2.1 對聚合物溶解時間的影響

根據AP-P4溶液在溶解過程中記錄的實驗數據繪制溶液黏度隨時間的變化曲線，結果見圖3。

圖3 不同超重力因子條件下聚合物溶解 時間與溶液黏度的變化關系曲線Fig.3 The relationship curve between polymer dissolution time and solution viscosity under different supergravity factors

由圖3可知，在填料孔隙尺寸為 300 μm 的條件下，隨著超重力因子的增大，經超重力速溶裝置后疏水締合聚合物AP-P4的溶解時間逐漸縮短，基本溶解黏度逐漸降低。超重力因子從0增加到1 298，基本溶解時間從80 min縮短至 40 min，整體縮短了40 min左右。這是因為隨著超重力因子的增加，水和AP-P4溶脹顆粒在填料內聚并和分散的過程中，相際界面得到快速更新，強化了水和聚合物溶脹顆粒的傳質；另外，由于超重力因子增加，水和AP-P4溶脹顆粒所受的離心力增加，加速了水向AP-P4溶脹顆粒內部的滲透。

2.2 對聚合物溶液性能的影響

2.2.1 剪切穩定性 根據實驗結果繪制目標液經吳茵剪切前后黏度隨超重力因子的變化關系曲線，結果見圖4。

圖4 吳茵剪切前后目標溶液黏度隨超 重力因子的變化關系曲線Fig.4 The relationship between the viscosity of the target solution before and after Wuyin shearing and the change of the supergravity factor

由圖4可知，濃度為1 750 mg/L的聚合物AP-P4目標液經吳茵剪切后黏度均有所降低。隨著超重力因子的增大，吳茵剪切后的目標液黏度先逐漸降低再趨于平穩，黏度保留率逐漸趨于平穩目標液，剪切前后黏度保留率均在70.0%以上。

2.2.2 阻力系數和殘余阻力系數 根據實驗結果繪制累計注入量與注入壓力關系曲線見圖5，根據式(3)、式(4)計算可得不同超重力因子所配目標液的阻力系數和殘余阻力系數見表3。

圖5 目標溶液累計注入量與 注入壓力變化關系曲線Fig.5 The relationship curve between the cumulative injection volume of the target solution and the injection pressure change

表3 目標液阻力系數和殘余阻力系數Table 3 Target fluid resistance coefficient and residual resistance coefficient

由圖表可知，隨著超重力因子的增大，AP-P4目標液阻力系數及殘余阻力系數均逐漸降低。當超重力因子為396時目標液阻力系數及殘余阻力系數最高，分別為180.8，79.8，相較室內常規方法配制的目標液阻力系數及殘余阻力系數降低了3.4%，6.1%；當超重力因子為1 298時目標液阻力系數及殘余阻力系數最低，分別為150.4，58.5，相較室內常規方法配制的目標液阻力系數及殘余阻力系數降低了19.7%，31.2%。

2.2.3 驅油試驗 超重力速溶裝置電機轉速設置為2 880 r/min，超重力因子設置為1 298，孔隙直徑為300 μm，在45 ℃條件下配制濃度為5 000 mg/L的AP-P4聚合物溶液。在超重力速溶裝置入口和出口設取樣點。所取樣品黏度測試結果見圖6。

圖6 裝置出入口聚合物黏度對比曲線Fig.6 Comparison curve of polymer viscosity at the inlet and outlet of the unit

由圖6可知，在超重力因子為1 298的條件下，經超重力速溶裝置后疏水締合聚合物AP-P4溶解時間由80 min縮短至40 min，基本溶解時溶液黏度為2 324 mPa·s，黏度保留率為92.96%。

將經超重力速溶裝置處理過后的聚合物溶液與高壓水1∶1混合，配制為2 500 mg/L的聚合物溶液，按照圖2的驅替流程進行驅油實驗。未經超重力速溶裝置加速溶解的聚合物驅油空白組和處理后的AP-P4聚合物溶液驅油結果見圖7。

圖7 采出程度對比曲線Fig.7 Recovery degree comparison curve

由圖7可知，空白組驅油試驗采出程度為 62.56%，經超重力速溶裝置處理過后的AP-P4聚合物溶液的采出程度為60.33%。實驗說明，經超重力速溶裝置加速溶解過后的聚合物驅油性能無明顯變化，對聚驅采出程度無明顯影響。

3 結論

(1)隨著超重力因子的增大，經超重力速溶裝置后疏水締合聚合物AP-P4的溶解時間逐漸縮短，基本溶解黏度逐漸降低。超重力因子從0增加到 1 298，基本溶解時間從80 min縮短至40 min。

(2)隨著超重力因子的增大，目標液表觀黏度逐漸降低；經吳茵剪切后目標液黏度先降低再趨于平穩，目標液經吳茵剪切前后黏度保留率均在 70.0% 以上；阻力系數及殘余阻力系數均逐漸降低，與室內所配制的目標液阻力系數及殘余阻力系數相差不大。

(3)當超重力因子增大至1 031時，目標液的表觀黏度、剪切穩定性、阻力系數及殘余阻力系數均開始趨于平緩基本不再變化。最終優選出利用超重力速溶裝置配制聚合物溶液的最佳超重力因子范圍為1 031～1 298。

(4)在超重力因子為1 298的條件下，經超重力速溶裝置后疏水締合聚合物AP-P4溶解時間由 80 min 縮短至40 min，黏度保留率為92.96%，驅油性能無明顯變化，對聚驅采出程度無明顯影響。