部分水解聚丙烯酰胺水動力學尺寸測定的影響因素分析及其應用

關 丹，婁清香，王興華，帕提古麗·麥麥提，李宜強

（1. 中國石油 新疆油田分公司實驗檢測研究院，新疆 克拉瑪依 834000；2. 中國石油大學（北京）提高采收率研究院，北京 102617）

化學驅(qū)中作為增稠劑的聚合物水溶液在通過多孔介質(zhì)時，會經(jīng)受地層孔喉尺寸的選擇，如果聚合物水化分子的尺寸過大，會導致聚合物體系在多孔介質(zhì)中發(fā)生堵塞［1-2］。但若尺寸過小，則弱化或完全起不到驅(qū)替殘余油滴的效果。所以在礦場驅(qū)油時，選擇合適的聚合物顯得相當重要。

一般認為在配制水質(zhì)一定的條件下，聚合物體系的水動力學尺寸是由聚合物相對分子質(zhì)量決定的，而與聚合物溶液的濃度無關。但當聚合物溶液的濃度增加到一定程度后，聚合物分子鏈將發(fā)生明顯的纏結(jié)作用，雖然沒有發(fā)生任何化學反應，但聚合物溶液的表觀黏度隨聚合物溶液濃度的增加而呈指數(shù)增大，表明聚合物的分子尺寸增大，但不是單個聚合物的尺寸，而是纏結(jié)在一起的幾個聚合物分子鏈的尺寸［3-4］。因此，采用微孔濾膜法測量過濾壓力、聚合物相對分子質(zhì)量、配液用水、機械剪切等因素的影響，能更真實地反映聚合物的分子尺寸，為進一步研究聚合物體系與孔喉匹配性提供依據(jù)，同時可以更好的將聚合物應用于采油現(xiàn)場。

本工作采用微孔濾膜裝置測試部分水解聚丙烯酰胺（HPAM）的水動力學尺寸， 考察過濾壓力、配液用水、HPAM的相對分子質(zhì)量及質(zhì)量濃度等因素對測試HPAM水動力學尺寸的影響，在聚合物驅(qū)工業(yè)試驗中，以HPAM水動力學尺寸為依據(jù)選擇適當?shù)南鄬Ψ肿淤|(zhì)量的HPAM。

1 實驗部分

1.1 試劑

HPAM：工業(yè)級，北京恒聚化工集團有限責任公司，其性能見表1。配液用水為注入清水或回注污水（克拉瑪依油田七東1區(qū)水），其水質(zhì)分析結(jié)果見表2。

表1 實驗用HPAM的性能Table 1 Properties of partially hydrolyzed polyacrylamide(HPAM)

表2 實驗用水的水質(zhì)分析結(jié)果Table 2 Analysis of water quality

1.2 水動力學尺寸的測試方法

HPAM溶液配制：稱取一定質(zhì)量的HPAM，加入注入清水或回注污水，先攪拌2 h，再熟化12 h，經(jīng)200目鋼絲網(wǎng)過濾，配制設定質(zhì)量濃度的HPAM溶液備用［5］。

采用微孔濾膜法測定HPAM水動力學尺寸，微孔濾膜實驗裝置見圖1。主要由恒壓泵、容器、微孔濾膜、電子天平、數(shù)據(jù)處理等部分組成。在室溫下，取50 mL HPAM溶液置于容器中。通過空氣壓縮機給容器施加一恒定的壓力，使HPAM溶液分別依次通過5.00，3.00，2.00，1.60，1.20，1.00，0.80，0.65，0.45，0.30，0.22，0.150 μm孔徑的微孔濾膜，測試通過微孔濾膜前后的溶液黏度和濃度。分析通過不同孔徑微孔濾膜后HPAM溶液黏度和濃度的變化，根據(jù)HPAM濃度和黏度隨微孔濾膜孔徑的變化曲線的拐點確定HPAM水動力學尺寸［6］。

圖1 微孔濾膜實驗裝置Fig.1 Experimental apparatus with microporous membrane.

2 結(jié)果與討論

2.1 過濾壓力對水動力學尺寸的影響

過濾壓力對HPAM水動力學尺寸的影響見圖2。由圖2可知，隨過濾壓力的降低，HPAM水動力學尺寸增大，在過濾壓力降至0.08 MPa時，進一步降低壓力，HPAM水動力學尺寸變化不明顯；不同相對分子質(zhì)量的HPAM也遵循同樣規(guī)律。對應實際的聚合物驅(qū)過程，可以認為近井地帶HPAM水動力學尺寸小，到達地層深度時，HPAM水動力學尺寸變大，有可能堵塞地層。因此，選擇過濾壓力為0.08 MPa。

圖2 過濾壓力對HPAM水動力學尺寸的影響Fig.2 Effects of fi ltration pressure on the hydrodynamic size of HPAM.

2.2. HPAM質(zhì)量濃度和相對分子質(zhì)量的影響

HPAM質(zhì)量濃度和相對分子質(zhì)量對HPAM水動力學尺寸的影響見圖3。由圖3可知，HPAM質(zhì)量濃度越大、HPAM相對分子質(zhì)量越高，HPAM水動力學尺寸越大。這是由于當HPAM溶液中的HPAM含量較低時，溶液中的HPAM分子線團相互分離，溶液中的HPAM分子鏈分布不均一，此時HPAM水動力學尺寸僅與HPAM相對分子質(zhì)量相關；而當溶液中的HPAM含量增大到某種程度后［7-8］，HPAM分子線團相互穿插交疊，導致HPAM水動力學尺寸隨溶液中的HPAM含量的增加而增大。

圖3 HPAM質(zhì)量濃度和相對分子質(zhì)量對HPAM水動力學尺寸的影響Fig.3 Effects of mass concentration of HPAM solution and Mr on the hydrodynamic size of HPAM.

2.3 配液用水的影響

配液用水對HPAM水動力學尺寸的影響結(jié)果見圖4。由圖4可知，與配液用水為注入清水相比，配液用水為回注污水時，HPAM水動力學尺寸明顯減小。這是由于回注污水中的金屬陽離子含量較高，能中和羧酸基負電荷及產(chǎn)生靜電屏蔽，使保持分子鏈伸展的斥力減小，分子線團卷縮［9-10］。因此，HPAM水動力學尺寸需考慮現(xiàn)場用水，以及HPAM體系進入地層后受地層水稀釋的影響。

圖4 配液用水對HPAM水動力學尺寸的影響Fig.4 Effects of the injected water and reinjected wastewater on the hydrodynamic size of HPAM.

2.4 HPAM溶液黏度的影響

HPAM溶液黏度與水動力學尺寸的關系見圖5。由圖5可知，隨HPAM溶液黏度的增加，HPAM水動力學尺寸增大。由于溶液黏度是評價HPAM的一項參數(shù)，而HPAM黏度與HPAM水動力學尺寸呈一定線性關系，因此同樣可以將HPAM水動力學尺寸也作為評價HPAM性能的一項參數(shù)。實際上，HPAM水動力學尺寸可用來反映HPAM在特定條件下通過特定尺寸孔喉的能力，進而作為判斷驅(qū)油體系與孔喉匹配的基礎［11-12］。

圖5 HPAM溶液黏度與水動力學尺寸的關系Fig.5 Relationship between the HPAM solution viscosity and the hydrodynamic size of HPAM.

2.5 機械剪切的影響

聚合物驅(qū)在注入及采出過程中，HPAM會受到不同程度的剪切作用［13-15］。剪切強度對HPAM水動力學尺寸的影響結(jié)果見表3。由表3知，隨剪切強度增大，HPAM水動力學尺寸減小，尤其當溶液中HPAM含量較低時更為明顯。機械剪切使得聚合物分子長鏈斷裂，分子之間的相互纏繞作用減弱，黏度降低，分子尺寸減小。由此可見，HPAM水動力學尺寸的測試還應考慮現(xiàn)場注入過程中的機械剪切作用對其造成的影響，進而對其損失進行補償。

表3 剪切強度對HPAM水動力學尺寸的影響Table 3 Effect of shearing strength on the hydrodynamic size of HPAM

3 克拉瑪依油田聚合物驅(qū)現(xiàn)場的應用

克拉瑪依油田七東Ⅰ區(qū)克下組油藏聚合物驅(qū)300 kt工業(yè)試驗中，基于整個油藏的地質(zhì)狀況對試驗區(qū)進行分區(qū)。其中，試驗區(qū)Ⅱ區(qū)地層滲透率457.1 mD，孔隙度17.3%，在配液用水為清水的條件下，試驗區(qū)Ⅱ區(qū)選擇HPAM 相對分子質(zhì)量為1.5×107。試驗區(qū)Ⅱ區(qū)地層水礦化度在10 000 mg/L左右，考慮注入清水配制溶液進入地層后受地層水礦化度的影響，導致HPAM黏度降低，分子尺寸減小，因此需要對注入HPAM相對分子質(zhì)量進行補償。

HPAM水動力學尺寸與HPAM溶液質(zhì)量濃度、HPAM相對分子質(zhì)量和配液用水的關系見表4。

表4 HPAM水動力學尺寸與HPAM溶液質(zhì)量濃度、HPAM相對分子質(zhì)量和配液用水的關系Table 4 Relationship between the hydrodynamic size of HPAM，and mass concentration of HPAM，Mr and the injected water or the reinjected wastewater

由表4可知，與配液用水為注入清水HPAM相對分子質(zhì)量為1.5×107時的HPAM水動力學尺寸相對應，當配液用水采用礦化度為10 000 mg/L地層水時，應選擇相對分子質(zhì)量為2.0×107的HPAM。依據(jù)HPAM水動力學尺寸的測定結(jié)果，現(xiàn)場注入相對分子質(zhì)量為2.0×107的HPAM，目前該區(qū)塊運行正常。

4 結(jié)論

1）采用微孔濾膜法測定HPAM水動力學尺寸時，過濾壓力應為0.08 MPa。

2）HPAM相對分子質(zhì)量、HPAM溶液質(zhì)量濃度、配液用水的礦化度、機械剪切作用對HPAM水動力學尺寸均有一定的影響。隨HPAM相對分子質(zhì)量的增大、HPAM溶液質(zhì)量濃度的增加，HPAM水動力學尺寸增大；隨配液用水礦化度的增大、機械剪切強度的增大，HPAM水動力學尺寸減小。當HPAM質(zhì)量濃度較低時，機械剪切作用對HPAM水動力學尺寸降低的影響尤為明顯。

3）HPAM水動力學尺寸，反映HPAM在特定條件下的通過特定尺寸孔喉的能力，HPAM水動力學尺寸可作為判斷驅(qū)油體系與孔喉的匹配性，指導油田聚合物驅(qū)方案的優(yōu)化設計。

4）在克拉瑪依油田七東1區(qū)克下組油藏聚合物驅(qū)試驗中，HPAM水動力學尺寸的測定結(jié)果可用于確定適宜的HPAM相對分子質(zhì)量。

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