三次采油用聚合物黏彈性評價新方法

吳淑云

中國石油大慶油田有限責任公司勘探開發(fā)研究院 （黑龍江 大慶 163712）

聚合物溶液黏彈性對驅(qū)油效率具有重要影響，這一觀點被越來越多專家學者認可[1-4]。以前用來檢測聚合物溶液黏彈性的指標是篩網(wǎng)系數(shù)。由于篩網(wǎng)系數(shù)的物理意義不明確，不能準確地表征聚合物溶液的黏彈性。因此，在實際工作中沒有用于方案設計。對以往篩網(wǎng)系數(shù)的檢測結(jié)果進行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，同一樣品不同實驗室的測試結(jié)果相差懸殊。分析認為造成篩網(wǎng)系數(shù)檢測結(jié)果不準確的主要原因是：篩網(wǎng)黏度計中的篩網(wǎng)容易發(fā)生堵塞；測定時黏度計中會進入不定量而且難以去除的氣泡；測試環(huán)境溫度難以控制，造成無規(guī)律的誤差。此外，測試過程中，裝填樣品難度較大、清洗過程費時費事。并且，由于篩網(wǎng)黏度計為玻璃制品，非常容易破碎。如果儀器購買不及時就會影響正常工作。該項檢測指標已經(jīng)不再作為聚合物常規(guī)理化性能檢測指標。因此，有必要研究新的聚合物溶液黏彈性評價方法。評價聚合物黏彈性的方法很多，多年來眾多學者采用不同方法對聚合物溶液黏彈性進行了實驗研究[5-9]。研究表明，采用CaBER毛細管拉伸斷裂流變儀測試聚合物溶液直徑隨時間變化曲線，采用Exponential模型對曲線擬合，擬合的松弛時間可以用來表征聚合物體系黏彈性[10]。Mojdeh Delshad建立的新的聚合物驅(qū)油數(shù)學模型包含了聚合物溶液在孔隙介質(zhì)中剪切變稀和剪切增稠2部分。其中，剪切增稠部分由宏觀流變測量得到的聚合物的分子松弛時間來量化[11]。因此，松弛時間不但可以作為聚合物溶液黏彈性評價指標，還可以用于方案設計。本文就該方法對于目前應用于油田的幾種聚合物的適應性及具體實驗條件進行了研究。

1 實驗儀器與樣品

1.1 儀器

采用CaBER毛細管拉伸斷裂流變儀測試聚合物溶液的直徑隨時間的變化曲線。樣品直徑：6.0mm;原始高寬比：1.0；最終高寬比：4.39；采用線性模式，進行單點拉伸測量。

1.2 樣品

水解聚丙烯酰胺，相對分子質(zhì)量為700、1 600和3 300萬；疏水締合聚合物，相對分子質(zhì)量為700萬；高分子表面活性劑，相對分子質(zhì)量為500萬。

2 結(jié)果與討論

2.1 CaBER測量原理

圖1為CaBER測量原理示意圖。CaBER測量原理比較簡單。將很少量樣品（少于0.2mL）放于2平板（直徑6mm）之間。通過上板的向上移動，流體被置于快速拉伸形變，因此形成一流體絲。激光微尺測量逐漸變細的流體絲直徑，直到上板達到其最終位置。

圖1 (a)CaBER拉伸流變儀

圖1 (b)流體絲隨拉伸時間變化

圖1 (c)CaBER測量原理

對黏彈性溶液和熔體理論的研究和數(shù)值分析的結(jié)果表明，流體絲在經(jīng)過短暫的以黏性為主的流動之后，在中間的一段時間內(nèi)，流體絲流動的動態(tài)由表面張力和彈性力的平衡來決定。在這一時間區(qū)域，流體絲半徑成指數(shù)遞減。如下面的Exponential方程（1）所示。

式中：λc為特征松弛時間，s；G為彈性模量，Pa。

對于半稀PIB/PB Boger流體（一種典型的彈性流體），λc近似于最大松弛時間。對于典型的彈性流體采用簡單的指數(shù)方程對實驗數(shù)據(jù)擬合，可以得到材料的松弛時間[12]。圖2為水解聚丙烯酰胺溶液流體絲直徑隨時間變化曲線。從圖2可以看出，該曲線可以采用方程（1）進行擬合，得到聚合物溶液體系松弛時間。

圖2 聚合物溶液流體絲直徑隨時間變化曲線

圖3 不同分子量水解聚丙烯酰胺測試結(jié)果

2.2 不同聚合物溶液體系實驗結(jié)果

2.2.1 不同相對分子質(zhì)量水解聚丙烯酰胺溶液實驗結(jié)果

圖3為相對分子質(zhì)量700、1 600和3 300萬水解聚丙烯酰胺溶液流體絲直徑隨時間變化曲線3次重復性測試結(jié)果。從圖3可以看出,曲線重復性較好。表1為這3種分子量的聚合物溶液濃度為500mg/L和1 000mg/L的松弛時間重復性對比結(jié)果。

從表1可以看出，對于水解聚丙烯酰胺來說，聚合物溶液濃度對測試結(jié)果的重復性影響不大。

表1 不同相對分子質(zhì)量水解聚丙烯酰胺在不同濃度條件下的實驗結(jié)果

2.2.2 疏水締合聚合物溶液實驗結(jié)果

采用上述方法測量為700萬疏水締合聚合物溶液流體絲直徑隨時間變化。測量及擬合數(shù)據(jù)見表2。

表2 疏水締合聚合物溶液在不同濃度下的實驗結(jié)果

從表2可以看出，對于疏水締合聚合物來說，聚合物溶液濃度對測試結(jié)果的重復性影響較大，與1 000 mg/L溶液體系相比，500mg/L的重復性更好。2.2.3高分子表面活性劑溶液的實驗結(jié)果

相對分子質(zhì)量為500萬高分子表面活性劑溶液流體絲直徑隨時間變化曲線及擬合數(shù)據(jù)分別見表3。

從表3可以看出，對于高分子表面活性劑來說，聚合物溶液濃度對測試結(jié)果的重復性影響也較大。與1 000mg/L溶液體系相比，500mg/L的重復性更好。

表3 高分子表面活性劑溶液在不同濃度下的實驗結(jié)果

實驗結(jié)果表明：該方法的測試結(jié)果的重復性較高，特別是在濃度較低時重復性更高。因此，采用聚合物濃度為500mg/L體系比較合適。

2.3 聚合物溶液檢測實驗條件優(yōu)化

2.3.1 樣品過濾對測試結(jié)果影響

從表4可以看出：未過濾的樣品的重復性比已過濾的樣品的重復性低。因此，在測試前應對樣品進行過濾。

2.3.2 實驗溫度對測試結(jié)果的影響

從表5可以看出：溫度為45℃時測試結(jié)果的重復性較好，并且大慶油田地層平均溫度為45℃。因此，在測試時應將測試溫度設置為45℃。

表4 樣品過濾對測試結(jié)果的影響

表5 實驗溫度對測試結(jié)果的影響

3 結(jié)論

1)采用CaBER毛細管拉伸斷裂流變儀測試聚合物溶液流體絲直徑隨時間變化曲線，用Exponential模型對曲線進行擬合，擬合的松弛時間可以作為評價聚合物溶液黏彈性大小的技術(shù)指標。

2）該檢測方法具有樣品用量少、操作簡便、檢測數(shù)據(jù)重復性高的優(yōu)點。

3）在具體實驗過程中，采用聚合物濃度為500mg/L比較合適；在測試前應對樣品進行過濾；在測試時可將測試溫度設置為45℃。

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