締合聚合物對泡沫驅(qū)油體系流變性的影響

柳建新 （長江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢430100）

陳維余，孟科全 （中海油能源發(fā)展鉆采工程研究院，天津300452）

付美龍 （長江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢430100）

泡沫驅(qū)油是一種利用氮?dú)?、二氧化碳或其他氣體與起泡劑混合形成泡沫作為驅(qū)油介質(zhì)的驅(qū)油方法。由于泡沫在地層中有較高的表觀黏度，且具有 “遇油消泡、遇水穩(wěn)定”的特性，它在含水飽和度較高的部位具有較高的滲流阻力，迫使注入流體驅(qū)動(dòng)水驅(qū)時(shí)未波及或弱波及區(qū)域的原油，從而擴(kuò)大波及體積；同時(shí)起泡劑本身作為表面活性劑，可在一定程度上降低油水界面張力，也可提高驅(qū)油效率[1]。目前泡沫驅(qū)已在多個(gè)油田得到應(yīng)用[2～6]，但其不足之處是泡沫本身穩(wěn)定性較差，因而施工有效期較短而影響其大規(guī)模應(yīng)用。

采用聚合物作為穩(wěn)泡劑的強(qiáng)化泡沫驅(qū)，可以通過提高泡沫液相的黏度增強(qiáng)液膜的表面強(qiáng)度來進(jìn)一步減緩泡沫的排液速度，而不同的聚合物對泡沫體系穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)是不相同的[7，8]。締合聚合物作為近年來出現(xiàn)的一種新型驅(qū)油聚合物，由于具有較好的流變性能、抗溫抗鹽性能獲得較快的發(fā)展[9，10]。將其作為泡沫驅(qū)的穩(wěn)泡劑不僅有望獲得性能更好的新型泡沫驅(qū)油體系，而且為渤海油田聚合物驅(qū)后進(jìn)一步提高采收率提供了一條新的途徑[11～13]。

與其他由聚合物作為穩(wěn)泡劑的泡沫驅(qū)體系不同的是，在由表面活性劑和締合聚合物組成的泡沫結(jié)構(gòu)中，由于聚表相互作用和締合效應(yīng)的存在，可能會(huì)對泡沫液膜的界面性能產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響泡沫的流變性和穩(wěn)定性[14，15]。在QHD32－6油藏條件下篩選出合適的泡沫驅(qū)油體系，并對其流變性進(jìn)行系統(tǒng)的評價(jià)，探討了締合聚合物對泡沫體系流變性的影響機(jī)理，以期為開發(fā)具有更好穩(wěn)定性的泡沫驅(qū)油體系提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

復(fù)合起泡劑 （自制）；穩(wěn)泡劑為締合型聚合物 （WP－1），黃胞膠 （WP－2），部分水解聚丙烯酰胺（WP－3）；配注水為QHD32－6油田地層模擬水，總礦化度4500mg/L

Waring Blender攪拌器 （美國，Waring blender）；泡沫發(fā)生器；MCR302高級流變儀 （奧地利，Anton Paar），錐板系統(tǒng)CP75－1 （直徑75mm，角度1°）

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 泡沫綜合值測定

采用Waring Blender法測定，用質(zhì)量濃度為1000mg/L聚合物溶液配制起泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%的強(qiáng)化泡沫體系溶液200mL，通過Waring磁力攪拌器攪拌后，將泡沫全部倒入量筒中，測定體系的起泡體積和半析水期。以二者的乘積獲得泡沫綜合值，用以表征體系的起泡性和穩(wěn)泡性的綜合性能[16]。

1.2.2 穩(wěn)態(tài)剪切測試

在恒定剪切速率7.34s－1下測定溶液在65℃時(shí)的黏度，直至數(shù)據(jù)穩(wěn)定，得到表觀黏度；在恒定剪切速率7.34s－1條件下，在45～80℃范圍內(nèi)以5℃/min的升溫速度進(jìn)行溫度掃描，得到表觀黏度隨溫度的變化情況；固定測試溫度為65℃，剪切速率范圍0.001～500s－1，對數(shù)取點(diǎn)，獲得剪切速率掃描曲線。

1.2.3 黏彈性測定

固定溫度65℃，振蕩應(yīng)力為0.04Pa，在0.001～100Hz范圍內(nèi)進(jìn)行動(dòng)態(tài)頻率掃描，得到儲(chǔ)能模量（G′）和耗能模量 （G″）隨頻率的變化規(guī)律。

2 結(jié)果與討論

2.1 聚合物種類對泡沫穩(wěn)定性的影響

分別選擇3種不同類型的聚合物作為體系的穩(wěn)泡劑，通過泡沫綜合值篩選出最適合QHD32－6油藏的穩(wěn)泡劑。如表1數(shù)據(jù)所示，3種體系泡沫綜合值為WP－1＞W(wǎng)P－2＞W(wǎng)P－3，由于締合聚合物溶液黏度主要由可逆締合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)提供，因此具有較強(qiáng)的抗剪切性能[17]，溶液在經(jīng)過高速剪切后仍能恢復(fù)到較高的黏度，并使泡沫壁具有較高的強(qiáng)度，因此可以選擇WP－1為體系穩(wěn)泡劑。

2.2 表觀黏度

在65℃和恒定剪切速率7.34s－1條件下泡沫體系表觀黏度如圖1所示，無 WP－1的泡沫體系初始黏度只有7mPa·s，且泡沫穩(wěn)定性很差；而加入WP－1的泡沫體系在整個(gè)測試過程中其黏度基本穩(wěn)定在100mPa·s附近。因此WP－1的加入不僅使體系穩(wěn)泡性能得到提高，而且可以顯著增加體系的黏度。

在恒定剪切速率7.34s－1條件下溫度掃描曲線 （圖2）表明，隨著體系溫度升高，體系表觀黏度均有所下降，但加入WP－1的體系在80℃時(shí)黏度仍有93mPa·s，表明該體系具有較好的抗溫特性。這是由于在締合聚合物溶液中，溫度升高可以促進(jìn)締合效應(yīng)的增強(qiáng)[17]，并使其表現(xiàn)出一定的抗溫性能所致。

圖1 泡沫體系的表觀黏度

圖2 溫度對泡沫體系表觀黏度的影響

表1 泡沫體系的綜合性能評價(jià)數(shù)據(jù)表

2.3 剪切稀釋特性

剪切速率對泡沫體系黏度的影響如圖3所示，隨著剪切速率增大，泡沫體系的黏度先有所增加，隨后迅速下降，表現(xiàn)出典型的帶有屈服應(yīng)力的剪切稀釋特性，其流體類型較好地符合賓漢模型特征[18]。這與泡沫在多孔介質(zhì)中滲流時(shí)所觀察到的現(xiàn)象[19]基本一致。

賓漢模型方程如下：

式中：σy為屈服應(yīng)力，Pa；σ為應(yīng)力，Pa；K為稠度系數(shù)，mPa·sn；γ為剪切速率，s－1；n為流動(dòng)指數(shù)，1。

其模型參數(shù)通過流變儀自帶的Herschel－Bulkley模型程序進(jìn)行擬合可以獲得，如表2所示，WP－1的加入明顯提高了泡沫體系的非牛頓特性，并且在屈服應(yīng)力和增黏性能上都有顯著增加，這有利于泡沫在地層中流動(dòng)時(shí)增大封堵大孔道的能力，進(jìn)一步提高其波及效率。

2.4 黏彈性

通過頻率掃描測試可以獲得泡沫體系的黏彈性。如圖4所示，在低頻段泡沫耗能模量高于其儲(chǔ)能模量，G′/G″＜1，以黏性流動(dòng)為主；而在高頻段時(shí)泡沫彈性響應(yīng)逐漸大于黏性響應(yīng)，G′/G″＞1，以彈性流動(dòng)為主。通過流變儀自帶的Crossover模型擬合可以獲得G′與G″的交點(diǎn)頻率，其中無WP－1泡沫體系的頻率為5.6Hz，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%WP－1泡沫體系的頻率為3.5Hz，后者表現(xiàn)出更好的彈性行為，在地層滲流過程中更容易發(fā)生變形通過喉道，同時(shí)其黏彈性有利于驅(qū)替盲端的殘余油滴，有利于采收率的進(jìn)一步提高[20]。

圖3 剪切速率對泡沫體系黏度的影響

表2 泡沫體系流變曲線擬合結(jié)果

由于締合聚合物在溶液中不同分子上的疏水鏈段會(huì)通過締合效應(yīng)形成可逆結(jié)構(gòu)[21]，作為起泡劑的表面活性劑也會(huì)以聚表相互作用的形式與疏水鏈段形成疏水微區(qū)[22]，促使液膜表面形成廣泛分布的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，束縛其中自由水的逃離，并增強(qiáng)液膜的強(qiáng)度和彈性，通過流變性試驗(yàn)間接證實(shí)了泡沫液膜表面這種結(jié)構(gòu)的存在。

圖4 頻率對泡沫體系黏彈性的影響

3 結(jié)論

1）添加少量締合聚合物可以獲得穩(wěn)泡性能較好的泡沫驅(qū)油體系，其表觀黏度和抗溫性能有顯著增加。

2）剪切速率掃描試驗(yàn)證實(shí)，該泡沫驅(qū)油體系的流體類型為帶屈服值的賓漢模型，加入締合聚合物后其非牛頓特性更加顯著。

3）頻率掃描試驗(yàn)證實(shí)，該泡沫驅(qū)油體系具有明顯的黏彈性，并且加入締合聚合物后其彈性得到顯著增強(qiáng)。

4）該驅(qū)油體系可能通過聚表相互作用和締合效應(yīng)促使在泡沫液膜表面形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并以此機(jī)理增強(qiáng)泡沫流體的黏度和穩(wěn)定性。

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