典型聚合物溶液油水界面擴(kuò)展黏彈性研究

李道山，李　輝，張景春，程麗晶

(中國石油大港油田分公司采油工藝研究院, 天津大港 300280)

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典型聚合物溶液油水界面擴(kuò)展黏彈性研究

李道山，李輝，張景春，程麗晶

(中國石油大港油田分公司采油工藝研究院, 天津大港 300280)

使用Trackr全自動(dòng)液滴界面張力儀，研究了聚合物種類和水質(zhì)對(duì)聚合物溶液與十二烷的界面擴(kuò)展黏彈模量的影響。結(jié)果表明，目前廣泛使用的聚合物與正十二烷動(dòng)態(tài)界面張力為32～34 mN/m,聚合物溶液與正十二烷形成的界面黏彈膜以彈性為主，相應(yīng)的彈性模量比黏性模量高3倍以上,配制聚合物溶液水中活性組分和含鹽量使聚合物的界面擴(kuò)展彈性模量降低，對(duì)聚合物的界面黏性模量影響更復(fù)雜。

聚合物溶液；界面張力；界面擴(kuò)展黏彈性；界面流變性

聚合物驅(qū)技術(shù)適應(yīng)的油藏范圍廣，在中國一些油田獲得工業(yè)化推廣應(yīng)用。其驅(qū)油機(jī)理是通過增加驅(qū)替相黏度，降低驅(qū)替液與被驅(qū)替液的流度比，使后續(xù)的驅(qū)替相在油藏中能夠平穩(wěn)運(yùn)移，從而進(jìn)一步擴(kuò)大波及體積，提高原油采收率。隨著測試技術(shù)的提高和對(duì)聚合物結(jié)構(gòu)更深入的研究，明確了驅(qū)油用聚合物溶液是一種黏彈性流體。在聚合物溶液流動(dòng)方向產(chǎn)生法向應(yīng)力，對(duì)流動(dòng)通道盲端中殘余油驅(qū)替實(shí)驗(yàn)表明，在油水界面上除產(chǎn)生法向應(yīng)力外，還有平行于界面的拖動(dòng)力,以及拖動(dòng)油滴旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力，從而使聚合物驅(qū)后盲端中殘余油降低[1]。這些作用都是在油/水界面發(fā)生的，因此研究聚合物溶液油/水界面流變性對(duì)進(jìn)一步認(rèn)識(shí)聚合物驅(qū)油機(jī)理具有重要意義。

1　實(shí)驗(yàn)儀器和試劑

實(shí)驗(yàn)儀器為法國I.T.Concept公司的Tracker全自動(dòng)液滴界面張力儀，以及相關(guān)界面張力轉(zhuǎn)化為界面擴(kuò)展黏彈模量的處理系統(tǒng)。

三種驅(qū)油用聚合物:功能型聚合物(HB-3)相對(duì)分子質(zhì)量為1 700×104，與常規(guī)聚丙烯酰胺分子相比，它的支鏈上帶有一定活性和高位阻的基團(tuán)，用油田注入水配制聚合物溶液掃描的電鏡圖片表明，分子在高礦化度下不易卷曲，以更為舒展的形態(tài)存在，因此該聚合物表現(xiàn)出良好的耐溫抗鹽性，由上海海博化學(xué)有限公司生產(chǎn)。KY-2是相對(duì)分子質(zhì)量為2 500×104的耐溫抗鹽型聚合物；直鏈型聚合物(63026)的相對(duì)分子質(zhì)量是2 200×104，兩者是由恒聚化學(xué)有限公司生產(chǎn)。用蒸餾水、模擬注入水及礦化度為2×104mg/L的油田注入水配制聚合物溶液[2-3]。

上海試劑廠生產(chǎn)的正十二烷，質(zhì)量分?jǐn)?shù)99.5%，密度0.748 g/cm3，折光率1.421 5，測試溫度為30 ℃。

2　結(jié)果與討論

2.1聚合物溶液與正十二烷的動(dòng)態(tài)界面張力

界面流變性質(zhì)研究主要包括界面剪切黏彈性和界面擴(kuò)展黏彈性。由于界面擴(kuò)展黏彈性的測量比界面剪切黏度的測量困難，因此在界面流變性研究中，人們研究較多的是界面剪切黏彈性。本文研究了三種典型驅(qū)油聚合物在不同條件下的油/水界面擴(kuò)展黏彈性參數(shù)。

界面擴(kuò)展黏彈模量是通過液滴體積的擴(kuò)大或縮小引起的界面面積變化以及界面張力的變化推出[4]，而乳狀液和泡沫的穩(wěn)定性與液膜的界面張力、液膜的變形性以及液膜的強(qiáng)度有關(guān)，它們的穩(wěn)定性受界面擴(kuò)展黏彈性控制。因此用界面擴(kuò)展黏彈性參數(shù)表征乳狀液和泡沫穩(wěn)定性比剪切黏彈性表征更有意義。

界面擴(kuò)展黏彈模量與界面張力變化及界面面積相對(duì)變化的比值有關(guān)。因此，研究聚合物溶液與油相動(dòng)態(tài)界面張力變化是測量界面擴(kuò)展黏彈模量的基礎(chǔ)。

由圖1可以看出，KY-2和HB-3在測試時(shí)間0～1 000秒階段，界面張力的變化較大，隨后變化較小，趨于平衡值,平衡界面張力分別為34 m N/m和10 mN/m；而聚合物(63026)在測試時(shí)間的0～2 500秒階段，界面張力的變化較大，平衡界面張力為32 mN/m。從平衡界面張力數(shù)值可見，HB-3界面張力最低，其乳化原油能力大，剝離巖石上油膜能力強(qiáng)。

圖1　三種聚合物溶液與正十二烷的動(dòng)態(tài)界面張力

2.2聚合物溶液與正十二烷界面擴(kuò)展黏彈性

一些學(xué)者在多年前已經(jīng)得出結(jié)論[5]，在原油/水界面之間可以形成不可逆剛性膜，剛性膜的界面流變性對(duì)孔隙介質(zhì)中的自然吸附和驅(qū)替過程有著十分重要的影響。從化學(xué)驅(qū)提高微觀驅(qū)油角度講，油藏條件下驅(qū)油效果較差的原因是乳化作用的不足以及形成乳化液具有較高的穩(wěn)定性。只有在低界面張力和低界面黏度時(shí)，才有可能出現(xiàn)乳狀液的自然破乳。反過來講，界面張力和界面黏度低，也表明界面層分子作用力小，不利于驅(qū)替相分子與原油中分子相互纏繞，使原油分子脫離油相變成可動(dòng)油。

圖2、圖3分別是用蒸餾水配制濃度為1 500 mg/L的3種聚合物溶液測量的擴(kuò)展彈性模量、擴(kuò)展界面黏性模量。界面活性較高的聚合物(HB-3)的界面彈性模量在20～27 mN/m之間變化，其它兩種聚合物的界面擴(kuò)展彈性模量為60～70 mN/m。其相應(yīng)的界面黏性模量比界面彈性模量低，說明三種聚合物溶液的界面擴(kuò)展彈性占主導(dǎo)。綜上所述，聚合物(KY-2)界面擴(kuò)展黏彈性最好，說明界面層中聚合物分子之間以及聚合物與油分子之間作用比另外兩種聚合物界面層的分子間作用大。

2.3水質(zhì)對(duì)聚合物溶液與正十二烷界面擴(kuò)展黏彈性影響

聚合物溶液中水的性質(zhì)直接影響聚合物體相和拉伸流變性能[6]，因?yàn)樗谢钚猿煞菽芗铀倬酆衔镅趸到馑俣龋咕酆衔锓肿渔湐嗔殉筛〉姆肿?，同時(shí)水中含鹽量可改變聚合物分子在水中的構(gòu)象，一般使聚合物分子內(nèi)摩擦力降低。通常用含有活性組分和含鹽水配制聚合物溶液，其體相黏彈性和拉伸流變性能都有所降低。

圖2　聚合物溶液界面擴(kuò)展彈性模量與時(shí)間的關(guān)系

圖3　聚合物溶液界面擴(kuò)展黏性模量與時(shí)間的關(guān)系

由圖4可知，用蒸餾水配制的聚合物溶液界面擴(kuò)展彈性模量最高，而用模擬水配制的聚合物溶液的界面彈性模量最低，界面彈性模量居中的是用含鹽量和模擬水相同、還含有其他有機(jī)活性物質(zhì)的油田注入水的聚合物溶液。水中活性物影響界面張力，而界面張力變化影響界面彈性模量。

圖4　聚合物溶液(HB-3)在不同水質(zhì)中界面擴(kuò)展彈性模量

由圖5可知，水中含鹽量及活性組分對(duì)聚合物溶液的界面擴(kuò)展黏度有一定的影響。用蒸餾水配制聚合物溶液擴(kuò)展界面彈性模量最低，而用模擬水配制的聚合物溶液的界面黏性模量最高，界面黏性模量居中是用油田注入水配制的聚合物溶液。因此可以看出水中活性物質(zhì)對(duì)界面黏性的影響更復(fù)雜一些。

圖5　聚合物溶液(HB-3)在不同水質(zhì)中界面擴(kuò)展黏性模量

3　結(jié)論

(1)廣泛使用的聚合物溶液與正十二烷的界面張力為32～34 mN/m,而帶有一定活性基團(tuán)的聚合物界面張力為10 mN/m左右。

(2)影響聚合物溶液界面擴(kuò)展黏彈模量主要因素是聚合物溶液與油間的動(dòng)態(tài)界面張力變化，以及聚合物本身結(jié)構(gòu)性能。三種聚合物界面彈性模量大于界面黏性模量。

(3)配制聚合物溶液水的性質(zhì)對(duì)聚合物溶液界面擴(kuò)展黏彈性影響較大，水中活性組分和含鹽量使聚合物的界面擴(kuò)展彈性模量降低，對(duì)聚合物界面黏性模量的影響更加復(fù)雜。

[1]夏惠芬,王德民,關(guān)慶杰,等.聚合物溶液的黏彈性實(shí)驗(yàn)[J].大慶石油學(xué)院學(xué)報(bào),2002，26(2):105-108.

[2]李道山，伍 星，滕鐘杰，等.水質(zhì)對(duì)聚合物溶液流變特性的影響[J].石油地質(zhì)與工程，2012,26(1):102-104.

[3]李道山，于 娣，汪娟娟，等.大港油田復(fù)雜斷塊高溫高鹽油藏深部調(diào)剖研究[J].石油地質(zhì)與工程，2014,28(1):134-136.

[4]曹緒龍，李 陽，蔣生祥，等.驅(qū)油用聚丙烯酰胺溶液界面擴(kuò)張流變特征研究[J].石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2005,29(2):70-72.

[5]張雅玲，楊立君.EOR化學(xué)驅(qū)對(duì)原油/水體系的界面流變性的影響[J].國外油田工程，2004，20(2)：8-12.

[6]李道山.水質(zhì)對(duì)聚合物溶液拉伸流變特性的影響[J].油田化學(xué)，2009，26(3):296-299.

編輯：趙川喜

1673-8217(2016)04-0131-03

2016-03-04

李道山,高級(jí)工程師,博士,1960年生，2002年畢業(yè)于東北石油大學(xué)油氣田開發(fā)專業(yè)，現(xiàn)從事三次采油技術(shù)研究。

TE313.342

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