馬來酸十六雙酯磺酸鈉-丙烯酰胺聚合物驅(qū)油劑的室內(nèi)性能研究

殷代印，仲玉倉(cāng)

（東北石油大學(xué) 石油工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318）

化學(xué)驅(qū)三次采油是提高采收率最有效的方法之一，單一的表面活性劑驅(qū)能有效降低界面張力，但不能提高驅(qū)替相的黏度；表面活性劑/聚合物、堿/表面活性劑/聚合物復(fù)合體系雖然提高了驅(qū)替相的黏度，但是堿的加入會(huì)造成采油系統(tǒng)結(jié)垢嚴(yán)重，采出液乳化困難，并且色譜分離效應(yīng)又會(huì)影響驅(qū)油效果［1-4］。因此研究者們更加關(guān)注新型高效表面活性劑的開發(fā)與研究。表面活性聚合物是一種新型聚合物，一般是通過共聚作用在疏水締合丙烯酰胺類聚合物分子的主鏈上引入親水基團(tuán)，形成分子結(jié)構(gòu)中同時(shí)存在親水基團(tuán)和親油基團(tuán)的高分子化合物，它的水溶液不僅具有良好的界面活性，還具有較強(qiáng)的增黏作用，避免了多種化學(xué)藥劑同時(shí)使用時(shí)發(fā)生的色譜分離問題［5-9］。龔濤等［10-11］發(fā)現(xiàn)馬來酸酯型表面活性劑不會(huì)在共聚早期完全聚合，在乳液聚合中不易形成均聚物，具有較高的研究?jī)r(jià)值。

本工作對(duì)表面活性聚合物馬來酸十六雙酯磺酸鈉-丙烯酰胺聚合物（SH-16-AM）的性能和驅(qū)油效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)，以期為礦場(chǎng)實(shí)驗(yàn)提供可靠的理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

原油：大慶油田第四采油廠輸出原油，45 ℃下的黏度為9.8 mPa·s，密度為0.867 g/cm3；污水：大慶油田第四采油廠采出污水，總礦化度為4 955.9 mg/L，水質(zhì)分析結(jié)果見表1；SH-16-AM：東北石油大學(xué)提高采收率研究院自制；NaCl：分析純，沈陽(yáng)華東試劑廠；聚丙烯酰胺（HPAM）：大慶煉化廠；蒸餾水：實(shí)驗(yàn)室自制；實(shí)驗(yàn)巖心：2.5 cm×30 cm的柱狀人造均質(zhì)巖心，東北石油大學(xué)人造巖心制備實(shí)驗(yàn)室。

表1 油田采出污水水質(zhì)組成Table 1 Composition of oilfield produced sewage

DV-Ⅲ型黏度計(jì)：美國(guó)Brookf i eld公司；HW-4A型恒溫箱：海安華達(dá)石油儀器有限公司；F1104N型電子天平：上海方瑞儀器有限公司；Texas-500型旋滴界面張力儀：美國(guó)科諾工業(yè)有限公司；2000系列ISCO泵：美國(guó)Teledyne ISCO公司；壓力傳感器、環(huán)壓泵、攪拌器、巖心夾持器、管件、閥門、各種驅(qū)替液容器等均由南通市飛宇石油科技有限公司提供。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

利用旋滴界面張力儀分別測(cè)定45 ℃恒溫條件下原油和不同濃度聚合物溶液之間的界面張力；利用黏度計(jì)測(cè)定一定條件下不同體系的黏度［12-13］。

耐鹽性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)：先用蒸餾水配制不同濃度的NaCl溶液，再以NaCl溶液為溶劑配制1 500 mg/L的聚合物溶液，利用黏度計(jì)測(cè)定45 ℃恒溫條件下不同聚合物溶液的黏度。

聚合物驅(qū)油實(shí)驗(yàn)：1）人造均質(zhì)巖心在室溫下飽和地層水，測(cè)定滲透率并計(jì)算注入孔隙體積倍數(shù)；2）45 ℃下飽和原油，計(jì)算初始含油飽和度，并將巖心置于恒溫箱內(nèi)老化24 h；3）45 ℃下用地層水驅(qū)替至巖心含水率為98%，計(jì)算水驅(qū)采出程度；4）轉(zhuǎn)注0.45 PV化學(xué)段塞，靜置48 h，最后繼續(xù)水驅(qū)至產(chǎn)出液含水率為98%時(shí)結(jié)束實(shí)驗(yàn)，計(jì)算微乳液驅(qū)采出程度。驅(qū)替過程中注入速度為0.30 mL/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 界面張力

降低油水界面張力的能力是評(píng)價(jià)化學(xué)驅(qū)提高原油采收率能力的重要指標(biāo)。不同濃度的聚合物溶液與大慶原油的界面張力見表2。

表2 不同濃度的聚合物溶液與大慶原油的界面張力Table 2 Interfacial tensions between polymer solutions at different concentrations and Daqing crude oil

由表2可見，SH-16-AM溶液與大慶原油的界面張力隨濃度的增大呈先降低后升高的趨勢(shì)，這是由于SH-16-AM分子間同時(shí)存在親水基團(tuán)和疏水基團(tuán)，所以SH-16-AM可以在一定程度上降低油水界面張力，但SH-16-AM分子較大，不能像常規(guī)的表面活性劑那樣在油水界面上緊密排列，因此SH-16-AM降低油水界面張力的能力有限。當(dāng)SH-16-AM濃度達(dá)到飽和濃度時(shí)，體系的界面張力降至最低值，再繼續(xù)增大SH-16-AM濃度，過量的SH-16-AM分子會(huì)破壞油水界面張力膜的穩(wěn)定性，使體系的界面張力增大，這與常規(guī)表面活性劑降低油水界面張力的規(guī)律相符合；HPAM不具有表面活性，無法有效降低油水界面張力，與大慶原油的界面張力相對(duì)較高，且隨著溶液濃度的增大略有增大。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)SH-16-AM溶液質(zhì)量濃度為1.5 g/L時(shí)，可將油水界面張力降至最低，為1.008 mN/m。

2.2 增黏性能

聚合物驅(qū)能夠大幅提高采收率主要是依靠黏度較大的聚合物溶液控制油水流度比，擴(kuò)大波及體積。因此，SH-16-AM驅(qū)油體系的增黏性能顯得尤為重要。聚合物溶液的黏度與濃度的關(guān)系見圖1。

圖1 聚合物溶液的黏度與濃度的關(guān)系Fig.1 Relationship between viscosity and concentration of polymer solution.

由圖1可知，聚合物溶液的黏度隨著濃度的增加而增加，當(dāng)聚合物溶液的質(zhì)量濃度為2.0 g/L時(shí)，SH-16-AM溶液的黏度為133.5 mPa·s，遠(yuǎn)高于HPAM溶液的84.0 mPa·s。這是因?yàn)楫?dāng)SH-16-AM濃度較低時(shí)，由于分子內(nèi)的締合作用，聚合物分子鏈較為卷曲，表現(xiàn)為黏度較小；當(dāng)SH-16-AM濃度增大時(shí)，分子碰撞幾率增加，由于分子間的締合作用，分子間疏水鏈會(huì)相互聚集纏繞并形成網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)為溶液黏度增大。當(dāng)聚合物溶液濃度較低時(shí)，SH-16-AM溶液的黏度略大于HPAM溶液；但當(dāng)聚合物溶液濃度增大時(shí)，SH-16-AM溶液黏度的增大幅度要大于HPAM溶液，說明SH-16-AM具有較好的增黏性能。

2.3 耐鹽性能

大慶油田采出水普遍礦化度較低，Ca2+和Mg2+的質(zhì)量濃度不超過50 mg/L，但Na+質(zhì)量濃度略高，為1 000～1 500 mg/L，因此有必要考察NaCl對(duì)SH-16-AM溶液黏度的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 聚合物溶液的黏度與NaCl濃度的關(guān)系Fig.2 Relationship between viscosity of polymer solution and NaCl concentration.

由圖2可知，SH-16-AM和HPAM溶液的黏度均隨NaCl濃度的增加而降低，當(dāng)NaCl質(zhì)量濃度從0 增大到2.0 g/L時(shí)，SH-16-AM溶液的黏度從169.7 mPa·s降至64.0 mPa·s。這是因?yàn)楫?dāng)溶液中金屬陽(yáng)離子的濃度增大時(shí)，會(huì)與聚合物分子中的疏水基團(tuán)發(fā)生靜電斥力，破壞聚合物分子在溶液中形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)為黏度降低；在相同NaCl濃度下，SH-16-AM溶液的黏度大于HPAM溶液的黏度，可見親水基團(tuán)的引入增大了丙烯酰胺類聚合物的抗鹽性。

2.4 耐剪切能力

聚合物在注入地層之前要經(jīng)過配制、攪拌、泵送多個(gè)環(huán)節(jié)，會(huì)使聚合物分子鏈斷裂，導(dǎo)致注入液濃度降低，因此聚合物耐剪切能力的考察也尤為重要［14］。在45 ℃恒溫和剪切速率0～200 s-1范圍內(nèi)測(cè)定質(zhì)量濃度為1.5 g/L的聚合物溶液的黏度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 聚合物溶液的黏度與剪切速率的關(guān)系Fig.3 Relationship between viscosity of polymer solution and shear rate.

由圖3可見，SH-16-AM溶液和HPAM溶液的黏度均隨剪切速率的增加而降低，當(dāng)剪切速率為0～100 s-1時(shí)，SH-16-AM溶液和HPAM溶液的黏度降幅較大；當(dāng)剪切速率為100～200 s-1時(shí)，SH-16-AM溶液和HPAM溶液的黏度的下降趨于平緩。當(dāng)剪切速率從0增至200 s-1時(shí)，SH-16-AM溶液的黏度從81.1 mPa·s降至36.1 mPa·s，黏度保留率為44.51%，高于HPAM溶液的26.62%，表現(xiàn)出很好的耐剪切性能。

2.5 耐溫性能

利用大慶油田采出污水配制表面活性聚合物溶液，在不同溫度下測(cè)量體系的黏度，考察聚合物的耐溫性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖4。

圖4 聚合物溶液的黏度與溫度的關(guān)系Fig.4 Relationship between viscosity of polymer solution and temperature.

由圖4可見，SH-16-AM溶液和HPAM溶液的黏度均會(huì)隨著剪切溫度的升高而降低，但在剪切溫度一定時(shí)，SH-16-AM溶液的黏度仍大于HPAM溶液。當(dāng)剪切溫度從20 ℃升至60 ℃時(shí)，SH-16-AM溶液的黏度從132.8 mPa·s降至57.8 mPa·s，黏度保留率為43.52%，高于HPAM溶液的28.23%，表現(xiàn)出較好的耐溫性能。

2.6 抗老化性能

利用大慶油田采出污水配制表面活性聚合物溶液，在45 ℃恒溫條件下測(cè)量體系的黏度，考察聚合物的抗老化性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖5。

圖5 聚合物溶液的黏度與老化時(shí)間的關(guān)系Fig.5 Relationship between viscosity of polymer solution and aging time.

由圖5可見，SH-16-AM溶液和HPAM溶液的黏度均會(huì)隨老化時(shí)間的延長(zhǎng)而降低，并且老化前期SH-16-AM溶液黏度的下降幅度小于老化后期，在經(jīng)過30 d的老化時(shí)間后，SH-16-AM溶液的黏度從77.0 mPa·s降至54.4 mPa·s，黏度保留率為70.65%，高于HPAM溶液的45.87%，表現(xiàn)出較好的抗老化性能。

2.7 驅(qū)油效果評(píng)價(jià)

按照表3的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行表面活性劑驅(qū)油實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 室內(nèi)巖心聚合物驅(qū)油實(shí)驗(yàn)方案及實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 3 Experimental program and results of laboratory core polymer flooding

由表3可見，聚合物驅(qū)可在水驅(qū)基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高采收率，SH-16-AM聚合物驅(qū)階段采出程度平均值為21.5%，比HPAM高約6百分點(diǎn)，最終采收率達(dá)到60%左右。在聚合物溶液濃度相同時(shí)，SH-16-AM聚合物驅(qū)的階段采出程度高于HPAM；在聚合物溶液黏度相差不大時(shí)，SH-16-AM聚合物驅(qū)的階段采出程度高于HPAM。這說明SH-16-AM溶液在驅(qū)油過程中能夠更大幅度地降低油水流度比，擴(kuò)大波及體積，同時(shí)還能發(fā)揮出表面活性聚合物的表面活性，起到降低界面張力的作用，具有一定的洗油能力，因此最終采收率較高。

3 結(jié)論

1）SH-16-AM具有良好的界面活性，在質(zhì)量濃度為1.5 g/L時(shí)，可將大慶采出油水界面張力降至1.008 mN/m。

2）SH-16-AM具有較好的增黏性，在質(zhì)量濃度為2.0 g/L時(shí)，SH-16-AM溶液的黏度為133.5 mPa·s。

3）與HPAM相比，SH-16-AM具有更好的耐鹽性、耐剪切能力、耐溫性和抗老化性能。

4）室內(nèi)巖心實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在水驅(qū)基礎(chǔ)上SH-16-AM聚合物驅(qū)的階段采出程度為21.5%，將最終采收率提高至60%左右，比傳統(tǒng)的HPAM聚合物驅(qū)提高了6百分點(diǎn)左右。

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