驅(qū)油用聚合物溶液黏度影響因素的研究

孫秀芝

中國(guó)石化勝利油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，山東東營(yíng) 257015

聚合物驅(qū)三次采油方法是提高原油采收率的重要方法，成為我國(guó)許多油田增產(chǎn)的主要技術(shù)。目前油田用聚丙烯酰胺(HPAM)水溶液做驅(qū)油劑已在現(xiàn)場(chǎng)上得到廣泛應(yīng)用并取得成功，影響聚合物驅(qū)油效果的因素是多方面的，其中HPAM溶液的黏度穩(wěn)定性是影響聚合物驅(qū)效果的主要因素。

影響HPAM溶液黏度穩(wěn)定性的因素可分為：1)HPAM結(jié)構(gòu)及特性：主要包括HPAM類型、結(jié)構(gòu)、相對(duì)分子質(zhì)量、水解度等；2)驅(qū)油HPAM環(huán)境因素：主要包括溶劑、溫度、礦化度、離子組成與含量、剪切速率、氧及細(xì)菌等；3)現(xiàn)場(chǎng)配注工藝設(shè)備及條件：主要包括攪拌時(shí)間與速度、HPAM的熟化時(shí)間、HPAM的加入方式和速度、配注用泵、管線、閥門(mén)及注入速度等。對(duì)于特定的HPAM體系而言，主要影響因素是溫度、礦化度、剪切速率以及熱、氧等[1-5]。

1 實(shí)驗(yàn)儀器與藥品

流變儀，MCR301，美國(guó)Brookfield公司；JJ-1型增力電動(dòng)攪拌器，江蘇金壇市大中儀器廠；ZK-82型真空烘箱，重慶實(shí)驗(yàn)設(shè)備廠；填砂管，L-50，中國(guó)石油大學(xué)儀表廠。

氯化鈉、無(wú)水氯化鈣、六水合氯化鎂、鹽酸、氫氧化鈉、七水合硫酸亞鐵、氯化鐵，均為分析純；聚丙烯酰胺1，HPAM，白色顆粒粉劑，東營(yíng)市寶莫有限公司；聚丙烯酰胺2，HPAM，北京恒聚化工集團(tuán)有限責(zé)任公司。

2 各影響因素對(duì)HPAM黏度的影響

2.1 溫度與礦化度

采用勝利Ⅱ型鹽水配制1 500 mg/L的聚合物溶液，考察溫度對(duì)聚合物黏度的影響,結(jié)果見(jiàn)圖1。隨著溫度升高，聚合物水溶液黏度降低。這是由于HPAM分子熱運(yùn)動(dòng)加劇，溫度升高，分子間力減??；同時(shí)，使HPAM的溶劑化程度減小，而克服原子內(nèi)旋轉(zhuǎn)阻力的能力增加，均使HPAM分子鏈卷曲，黏度降低。

圖1 溫度對(duì)聚合物黏度的影響

固定其他條件，75 ℃下，考察礦化度對(duì)聚合物黏度的影響，結(jié)果見(jiàn)圖2。隨著礦化度增加，聚合物黏度降低。這是因?yàn)榈V化度升高，聚合物分子鏈卷曲，表觀尺寸減小，導(dǎo)致黏度降低。

圖2 礦化度對(duì)聚合物黏度的影響

2.2 鐵離子濃度

采用去離子水配制濃度為1 500 mg/L聚合物水溶液，充分熟化，分別加入Fe2+和Fe3+，考察Fe2+和Fe3+濃度對(duì)聚合物黏度的影響，結(jié)果見(jiàn)圖3和圖4。從圖3看出，微量Fe2+可造成聚合物黏度大幅下降。Fe2+引起的黏度下降，主要是發(fā)生在Fe2+氧化生成Fe3+過(guò)程中，由于Fe2+為還原劑，在溶解氧作用下，會(huì)氧化而產(chǎn)生自由基；此自由基進(jìn)攻HPAM主鏈，生成過(guò)氧化物或氧化物，促使主鏈斷裂，發(fā)生降解。從圖4看出，隨著Fe3+濃度增加，聚合物黏度下降。

圖3 Fe2+濃度對(duì)聚合物黏度的影響

圖4 Fe3+濃度對(duì)聚合物黏度的影響

2.3 溶解氧與pH

溶液中氧氣的存在是HPAM氧化降解的重要因素。室內(nèi)采用去離子水配制1 500 mg/L聚合物水溶液，放入75 ℃烘箱，考察溶解氧對(duì)聚合物黏度的影響，結(jié)果見(jiàn)圖5。隨著時(shí)間增加，聚合物黏度急劇下降。HPAM溶液氧化降解作用是自由基反應(yīng)，使HPAM相對(duì)分子質(zhì)量降低，在較短時(shí)間內(nèi)使HPAM溶液黏度大幅降低[3]。

圖5 溶解氧對(duì)聚合物黏度的影響

室內(nèi)采用去離子水配制500 mg/L聚合物水溶液，加入10%HCl和10% NaOH溶液調(diào)節(jié)體系pH，75 ℃下測(cè)其黏度，結(jié)果見(jiàn)圖6。在酸性條件下，隨著pH增加，聚合物水溶液的黏度增加； pH大于9后，黏度呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。pH為6～9時(shí)，聚合物水溶液具有較高的黏度。因此，現(xiàn)場(chǎng)配制時(shí)，聚合物水溶液pH控制在6～9為宜。

圖6 體系pH對(duì)聚合物黏度的影響

2.4 配注工藝

配制HPAM溶液的工藝中，母液配制的攪拌時(shí)間與攪拌速度、HPAM的熟化時(shí)間及HPAM注入流速對(duì)HPAM溶液黏度均有很大的影響。對(duì)特定的HPAM體系，在水質(zhì)和濃度一定的條件下，注聚工藝設(shè)備和參數(shù)的影響也不可忽視。因此，選擇合理的配制和注入工藝十分重要。配制1 500 mg/L聚合物，考察攪拌速度、巖心實(shí)驗(yàn)、炮眼實(shí)驗(yàn)對(duì)聚合物黏度的影響。

巖心實(shí)驗(yàn)法：將地層砂充填于填砂管中，以設(shè)定的恒定速度注入鹽水，同時(shí)測(cè)定巖心兩端壓力，并記錄通過(guò)巖心鹽水的流速，以不同流速均勻注入聚合物水溶液3～5 PV，待壓力穩(wěn)定后記錄注入壓力，并量取驅(qū)替出的聚合物水溶液；將其置于30 ℃恒溫水浴鍋內(nèi)，充分恒溫后測(cè)定其黏度。為考察剪切速率對(duì)聚合物分子的降解作用，應(yīng)使產(chǎn)出聚合物水溶液恒溫足夠長(zhǎng)時(shí)間(>2 h)以充分恢復(fù)其黏度，排除分子拉伸變形而造成的對(duì)聚合物水溶液黏度的影響。

炮眼實(shí)驗(yàn)法：由于條件和時(shí)間的限制，室內(nèi)僅考察HPAM流經(jīng)單個(gè)炮眼的剪切穩(wěn)定性。本實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝置是HPAM溶液注入地層模擬裝置中去除多孔介質(zhì)部分(即中間容器)。炮眼尺寸φ1.6 cm×20 cm，計(jì)算剪切速率。

考察攪拌速度與時(shí)間對(duì)HPAM水溶液剪切穩(wěn)定性的影響，結(jié)果見(jiàn)圖7。HPAM水溶液在不同攪拌速度下，呈現(xiàn)不同的流變特性，攪拌速度為0～400 r/min時(shí)，表現(xiàn)出剪切增稠的流變特性；攪拌速度為500～800 r/min時(shí)，表現(xiàn)出剪切稀釋的流變特性；攪拌速度大于800 r/min時(shí)，HPAM剪切降解。HPAM在剪切增稠與剪切稀釋時(shí)，攪拌時(shí)間對(duì)HPAM水溶液黏度影響較小；在剪切降解時(shí)，攪拌時(shí)間對(duì)HPAM水溶液黏度影響較大。因此，攪拌速度應(yīng)不高于500 r/min，攪拌時(shí)間控制在30 min以內(nèi)。

圖7 轉(zhuǎn)速對(duì)聚合物黏度的影響

考察HPAM注入流速與巖心滲透率對(duì)聚合物水溶液黏度的影響，結(jié)果見(jiàn)圖8。隨著HAPM注入流速增加，HPAM水溶液黏度降低；巖心滲透率越小，HPAM水溶液黏度下降幅度越大；HPAM濃度和相對(duì)分子質(zhì)量越大，受剪切降解程度越嚴(yán)重。流經(jīng)0.10 μm2的巖心時(shí)，流速為0～2 mL/min，HPAM水溶液黏度下降幅度最大；流經(jīng)0.25，0.80 μm2的巖心時(shí)，流速為0～3 mL/min，HPAM水溶液黏度下降幅度最大；流經(jīng)1.00 μm2的巖心時(shí)，HPAM注入流速為0～4 mL/min，HPAM水溶液黏度下降幅度最大。

圖8 HPAM注入流速與巖心滲透率對(duì)聚合物水溶液黏度的影響

考察炮眼剪切速率對(duì)聚合物水溶液黏度的影響，結(jié)果見(jiàn)圖9。隨著炮眼剪切速率增加，HPAM水溶液黏度降低，濃度越大，黏度下降幅度越大。當(dāng)剪切速率為100 000 s-1時(shí)，1 000mg/L HPAM水溶液黏度損失率為8.9%， 1 200 mg/L HPAM水溶液黏度損失率為14.9%，1 500 mg/L HPAM水溶液黏度損失率為25.8%。HPAM水溶液在射孔炮眼處剪切降解發(fā)生在套管孔眼、油層部位的炮眼壁和壓實(shí)帶。因此，流量一定的情況下，射孔彈直徑越大、能量越大，射孔效果(孔深、孔徑、對(duì)壓實(shí)帶的損害)越好，對(duì)減少HPAM水溶液黏度損失效果越好。

圖9 炮眼對(duì)聚合物水溶液黏度的影響

2.5 微生物

如果HPAM在地面被生物降解，因?yàn)槲⑸飼?huì)堵塞地層，影響HPAM水溶液注入能力；如果HPAM在地層被微生物降解，可導(dǎo)致HPAM水溶液黏度損失，甚至喪失流動(dòng)控制能力。黃峰等從中原油田取樣的污水中培養(yǎng)出的硫酸鹽還原菌，可在聚合物驅(qū)油中生長(zhǎng)繁殖并使HPAM發(fā)生降解[6]。

2.5.1硫酸鹽還原菌(SRB)

近年來(lái)人們發(fā)現(xiàn)HPAM的降解產(chǎn)物可作為細(xì)菌生命活動(dòng)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),反過(guò)來(lái)營(yíng)養(yǎng)的消耗可促進(jìn)聚合物的降解，使其黏度降低。分子降解產(chǎn)物中—COO-可作電子供給體，用硫酸鹽作末端電子接受體而繁殖；同時(shí)，—COO-的消耗促進(jìn)HPAM的進(jìn)一步降解，又為SRB的生長(zhǎng)繁殖提供更多的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，使SRB在其中的代謝旺盛且持久。SRB對(duì)HPAM 的厭氧降解較緩慢。硫酸鹽還原菌分解產(chǎn)生的H2S通過(guò)在水中溶解也對(duì)管道有腐蝕性。

2.5.2腐生菌(TGB)

TGB不僅能在不加任何培養(yǎng)基成分的一定濃度的HPAM 中大量生長(zhǎng)繁殖，使溶液黏度降低較適宜的濃度為500～1 000 mg/L。TGB接種至HPAM溶液中并不立即生長(zhǎng)繁殖，經(jīng)一定的停滯期，此段時(shí)間內(nèi)HPAM不發(fā)生降解，存在一定的降解誘導(dǎo)過(guò)程。隨著TGB的生長(zhǎng)繁殖，HPAM開(kāi)始降解，導(dǎo)致溶液黏度迅速下降。

3 結(jié)論

1)溶解氧對(duì)聚合物水溶液黏度穩(wěn)定性的影響是一個(gè)長(zhǎng)期而緩慢的過(guò)程，但相對(duì)于注聚周期的長(zhǎng)期性而言，溶解氧所造成的聚合物水溶液黏度損失是較為嚴(yán)重的；聚合物的氧化降解反應(yīng)過(guò)程與溫度關(guān)系較大，溫度的升高會(huì)使反應(yīng)速度加快，從而造成溶液黏度損失加重； Fe3+不造成聚丙烯酰胺分子的降解， Fe2+對(duì)聚合物水溶液黏度影響較為嚴(yán)重；聚合物水溶液在偏堿性條件下黏度穩(wěn)定性較高。

2)聚合物水溶液在低滲透巖心中的黏度下降幅度大于高滲透巖心，對(duì)于相同滲透率的巖心，注入聚合物水溶液速度越大黏度損失也越大，隨著滲透率的降低，聚合物水溶液黏度降低的幅度加大;在HPAM配注過(guò)程中，要盡量降低攪拌速度和時(shí)間，適當(dāng)延長(zhǎng)熟化時(shí)間，攪拌速度應(yīng)不高于500 r/min,攪拌時(shí)間最好控制在30 min以內(nèi)。