高分子量締合聚合物與聚丙烯酰胺巖心剪切穩(wěn)定性對比

楊 濤，郭擁軍，胡 俊，莊永濤，梁 嚴(yán)

（1. 西南石油大學(xué) 石油與天然氣工程學(xué)院，四川 成都 610500；2. 西南石油大學(xué) 油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室，四川 成都 610500；3. 四川光亞聚合物化工有限公司，四川 成都 610500；4.中國石油大港油田公司工程技術(shù)處，天津 300280；5. 西南石油大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，四川 成都 610500）

聚合物驅(qū)技術(shù)作為油田提高采收率、增加整體開發(fā)經(jīng)濟(jì)效益的主要方法得到了廣泛應(yīng)用并已取得了巨大成功［1-5］。理論上講，聚合物分子量越高，黏度越高，在地層中的流度控制能力越強(qiáng)，驅(qū)油效果越好［6-8］。但在實際應(yīng)用過程中，受地層滲透率及其分布的限制，并不是所有尺寸的聚合物分子均能有效進(jìn)入多孔介質(zhì)的孔隙和喉道中。當(dāng)聚合物分子尺寸選擇過大時，體系不能有效進(jìn)入地層，大量聚合物分子在炮眼處被截留并堆積，最終造成注聚井堵塞［9-10］；當(dāng)聚合物分子尺寸選擇過小時，體系黏度偏低，不能達(dá)到方案設(shè)計的流度控制能力，礦場試驗效果不能得到保證。目前關(guān)于聚合物分子量與地層孔喉尺寸的匹配關(guān)系的研究大多基于物理模擬剪切的方式，且主要基于聚丙烯酰胺（HPAM）開展，對締合聚合物（HAWSP）這類新型分子結(jié)構(gòu)聚合物研究較少，此外現(xiàn)有研究大多基于低速滲流和單次剪切的方式，很難與現(xiàn)場應(yīng)用有效銜接［11-15］。

本工作研究了HAWSP 和HPAM 經(jīng)不同滲透率巖心多次剪切后黏度及分子量的變化規(guī)律，得到了兩種聚合物在不同剪切流速、剪切次數(shù)和滲透率下的巖心剪切穩(wěn)定性差異，為今后聚合物驅(qū)礦場試驗的聚合物選擇提供參考和借鑒。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

HAWSP、HPAM:四川光亞聚合物化工有限公司，聚合物參數(shù)見表1；NaCl:AR，成都科龍化工試劑廠；純水:自制；柱狀人造巖心:自制，基本性質(zhì)見表2。

表1 聚合物的基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of two tested polymers

表2 實驗用巖心的基本參數(shù)Table 2 Basic parameters of core for experiment

1.2 實驗儀器

DV-Ⅱ型布氏黏度計:美國Brook-Field 公司；D-250L 型多功能巖心驅(qū)替裝置:江蘇海安石油科研儀器廠；4-0.55 型稀釋型烏氏黏度計:北京恒普德威儀器儀表有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 聚合物溶液的配制

5 000 mg/L 母液的配制:1）依據(jù)聚合物的固含量準(zhǔn)確稱取一定量的聚合物試樣；2）稱取一定量的5 000 mg/L 的NaCl 鹽水于1 000 mL 燒杯中，45 ℃水浴中恒溫10 min；3）開起頂置攪拌器，使恒速攪拌器的攪拌葉片位于液面以下的三分之二處，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速進(jìn)行強(qiáng)攪拌，使漩渦體延展至溶液體積的75%處，在30 s 內(nèi)把稱好的聚合物干粉撒在渦旋體的肩部，觀察溶液，如果出現(xiàn)大塊或“魚眼”，則重新配制；4）加完聚合物干粉后繼續(xù)強(qiáng)攪拌10 min，然后調(diào)節(jié)頂置攪拌器轉(zhuǎn)速為400 r/min，在恒溫下攪拌溶液2 h；5）攪拌結(jié)束后，將聚合物母液靜置于干燥避光處 12 h，檢查無未溶解顆粒，備用。

目標(biāo)液的配制:常溫下，按一定比例稱取5 000 mg/L 母液、5 000 mg/L NaCl 鹽水于500 mL 燒杯中，在攪拌轉(zhuǎn)速250 r/min 下攪拌30 min，得到特定濃度的目標(biāo)液體系。

1.3.2 巖心剪切

首先按圖1 所示流程連接好管路，然后稱量飽和水前后巖心的質(zhì)量，計算孔隙度和PV 體積，再將巖心裝入巖心夾持器，測定水相滲透率，并將配制好的目標(biāo)液經(jīng)500 目濾網(wǎng)過濾后裝入中間容器內(nèi)，最后以對應(yīng)的流速將目標(biāo)液注入巖心，收集尾端流出液進(jìn)行分析。

1.3.3 黏度測定

在65 ℃、剪切速率為7.34 s-1條件下，測試溶液在3，5，8 min 下的黏度，取平均值為最終黏度結(jié)果。測試前試樣先在65 ℃下預(yù)熱5 min。

1.4 分子量的測定

按驅(qū)油用聚合物技術(shù)要求中特性黏數(shù)及分子量的標(biāo)準(zhǔn)［16］進(jìn)行測試和計算。

圖 1 巖心剪切流程Fig.1 Core shear flow diagram.

2 結(jié)果與討論

2.1 聚合物分子結(jié)構(gòu)差異對表觀黏度的影響

對兩種不同分子結(jié)構(gòu)的聚合物溶液的表觀黏度進(jìn)行測定，考察了聚合物分子結(jié)構(gòu)差異對聚合物體系黏度的影響，結(jié)果見圖2。從圖2 可看出，在聚合物質(zhì)量濃度低于1 750 mg/L 時，HAWSP 與HPAM 表觀黏度均隨體系質(zhì)量濃度的增加而增加，而當(dāng)體系質(zhì)量濃度大于1 750 mg/L 時，HAWSP 表觀黏度急劇上升，HPAM 表觀黏度則繼續(xù)表現(xiàn)出隨聚合物質(zhì)量濃度的增大呈線性緩慢增加的趨勢。分子量確定的條件下，HPAM 表觀黏度主要與聚合物濃度相關(guān)，HAWSP 在HPAM 的基礎(chǔ)上引入了疏水基團(tuán)，水溶液中聚合物分子由于疏水作用而發(fā)生聚集，從而使大分子鏈產(chǎn)生分子內(nèi)和分子間締合效應(yīng)。當(dāng)HAWSP 濃度低于臨界濃度（CAC）時，聚合物分子締合效應(yīng)主要以分子內(nèi)締合為主，而當(dāng)HAWSP 濃度高于CAC 時，大分子鏈分子締合效應(yīng)以分子間締合為主，最終形成超分子結(jié)構(gòu)-動態(tài)物理交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，流體力學(xué)體積大幅增加，最終表現(xiàn)為表觀黏度的大幅度升高［17-18］。實驗結(jié)果顯示，本研究所選的HAWSP 質(zhì)量濃度拐點在1 750 mg/L左右，因此后續(xù)對以分子間締合為主的2 000 mg/L溶液的巖心剪切穩(wěn)定性進(jìn)行研究。

圖2 聚合物質(zhì)量濃度與黏度的關(guān)系Fig.2 Relationship between viscosity and concentration of polymer.

2.2 注入速度對聚合物巖心剪切穩(wěn)定性的影響

將2 000 mg/L 的HAWSP 和HPAM 以不同注入速度（0.5 ～400 m/d）注入滲透率為2.5 μm2的人造巖心，對比巖心剪切前后聚合物黏度變化，得到不同注入速度下不同類型聚合物的巖心剪切特征，結(jié)果見圖3。

圖3 單次巖心剪切后聚合物黏度和分子量保留率與注入速度的關(guān)系Fig.3 Relationship between polymer viscosity，molecular weight retention after single-core shear and injection speed.

從圖3 可看出，不同注入速度下兩種不同類型聚合物表現(xiàn)出不同的巖心剪切特征，隨巖心注入速度的增加，HAWSP 剪切后黏度呈“先平穩(wěn)后下降”的兩段式特征，而HPAM 黏度整體呈單調(diào)下降趨勢。這與HAWSP 和HPAM 分子結(jié)構(gòu)的差異性有關(guān)，HAWSP 在注入速度為0 ～60 m/d 時，分子受巖心剪切破壞較小，被巖心剪切破壞的分子結(jié)構(gòu)由于分子間締合效應(yīng)的存在快速重組，黏度快速恢復(fù)，HAWSP 抗巖心剪切性能良好；當(dāng)注入速度大于60 m/d 時，巖心剪切帶來的分子結(jié)構(gòu)破壞速度比黏度恢復(fù)速度更快，因此剪切后黏度隨注入速度的增加而降低。HPAM黏度主要由分子鏈長度決定，隨注入速度的增加，HPAM 受巖心孔隙結(jié)構(gòu)的破壞增大，流出液分子量逐漸降低，因此體系黏度降低。注入速度為400 m/d 時HAWSP 一次剪切黏度保留率為71.07%，而HPAM 僅為38.41%，一次剪切分子量保留率HPAM 達(dá)到82.09%，HAWSP 則為66.90%。兩種聚合物剪切黏度、分子量的差異性需要對兩種聚合物的高速巖心剪切穩(wěn)定性進(jìn)行進(jìn)一步研究確定。結(jié)合現(xiàn)場施工過程中聚合物體系受注入速度影響最大的情況發(fā)生在炮眼處［19-20］，為考慮現(xiàn)場施工條件下聚合物體系的抗巖心剪切性能，后續(xù)主要對400 m/d 注入速度下的多次巖心剪切穩(wěn)定性進(jìn)行對比研究。

2.3 剪切次數(shù)對聚合物巖心剪切穩(wěn)定性的影響

在注入速度為400 m/d 下，將2 000 mg/L 的HAWSP 和HPAM 目標(biāo)溶液以恒速通過氣測滲透率為2.5 μm2的人造巖心進(jìn)行巖心剪切，剪切五次，得到兩種聚合物不同剪切次數(shù)下流出液的黏度和分子量的剪切穩(wěn)定性，結(jié)果見圖4。從圖4 可看出，高注入速度下HAWSP 一次剪切黏度及分子量保留率分別為71.07%，66.90%，五次剪切后幾乎無變化，分別為70.31%，65.55%；HPAM 一次剪切黏度及分子量保留率分別為38.41%，82.09%，五次剪切后黏度及分子量保留率均大幅下降，僅為23.18%和52.80%。兩種聚合物表現(xiàn)出不同的剪切穩(wěn)定性，HAWSP 經(jīng)一次剪切后黏度及分子量即趨于穩(wěn)定，HPAM 剪切時黏度與分子量均先下降后趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定后HAWSP 的黏度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于HPAM，但兩者最終流出液的分子量卻較接近。在特定滲透率巖心條件下，孔喉尺寸的大小恒定，當(dāng)聚合物分子高速通過巖心時需要不斷調(diào)整自身分子結(jié)構(gòu)以適應(yīng)孔喉尺寸變化，從而順利通過巖心并最終達(dá)到穩(wěn)定，因此剪切穩(wěn)定后產(chǎn)出聚合物分子量應(yīng)主要由巖心滲透率決定。HAWSP 由于可逆的分子間締合效應(yīng)在剪切過程中不斷地拆散重組從而能夠快速地適應(yīng)巖心孔喉尺寸變化，一次剪切即趨于穩(wěn)定，HPAM則需要在多次剪切過程不斷調(diào)整自身的分子鏈長度以適應(yīng)巖心，最終需要多次巖心剪切黏度及分子量才趨于穩(wěn)定。

圖4 巖心剪切聚合物黏度、分子量保留率與剪切次數(shù)關(guān)系Fig.4 Relationship between polymer viscosity，molecular weight retention and shear times after core shearing.

2.4 滲透率對聚合物巖心剪切穩(wěn)定性的影響

實際油藏環(huán)境中，由于地質(zhì)構(gòu)造的差異導(dǎo)致不同地區(qū)地層滲透率分布不一致［21］，考察滲透率對聚合物巖心剪切特征的影響，尋求聚合物與滲透率的最佳匹配關(guān)系，將有助于對特定油藏選擇合適的驅(qū)油體系。將2 000 mg/L 的HAWSP 和HPAM 溶液分別以400 m/d 的速度恒速通過滲透率為0.5，2.5，6.0 μm2的人造小巖心進(jìn)行巖心剪切，剪切5次，得到兩種聚合物在低、中、高3 種滲透率下剪切穩(wěn)定后流出液黏度和聚合物分子量的變化特征，結(jié)果見圖5。滲透率為0.5 μm2巖心匹配的聚合物分子量約為1.0×107，滲透率為2.5 μm2巖心匹配的聚合物分子量約為1.3×107，滲透率為6.0 μm2巖心匹配的聚合物分子量約為1.9×107，不同巖心滲透率匹配不同分子量的聚合物，與聚合物自身結(jié)構(gòu)關(guān)系較小。從圖5 可看出，滲透率越高，分子量的保留率越大。滲透率越大的巖心，對應(yīng)的巖心孔吼半徑越大，聚合物分子鏈?zhǔn)軒r心剪切的影響程度更低，聚合物黏度及分子量受巖心剪切的影響更小，最終的黏度及分子量保留值更高，因此，在實際應(yīng)用過程中需要根據(jù)目標(biāo)油田的滲透率分布來選擇與之匹配的聚合物，不同滲透率條件匹配不同分子量的聚合物體系，這樣既減少了油田工作者的工作量也保證后續(xù)聚合物驅(qū)現(xiàn)場實施的有效性。

圖5 巖心剪切后聚合物溶液黏度和分子量保留率與巖心滲透率關(guān)系Fig.5 Relationship between the viscosity of polymer solution，molecular weight retention and core permeability after core shearing.

3 結(jié)論

1）HAWSP 和HPAM 分子結(jié)構(gòu)的差異性導(dǎo)致不同注入速度下兩種聚合物不同的巖心剪切特征: HAWSP 剪切后黏度呈“先平穩(wěn)后下降”的兩段式特征；HPAM 剪切后黏度呈單調(diào)下降趨勢，HAWSP 由于其自身分子內(nèi)締合效應(yīng)的影響，剪切后黏度保留值大于HPAM，具有更優(yōu)的抗巖心剪切性能。

2）聚合物分子量保留率只與巖心滲透率有關(guān)，與聚合物自身結(jié)構(gòu)關(guān)系不大，不同巖心滲透率匹配不同分子量的聚合物，在實際應(yīng)用中需根據(jù)目標(biāo)油田的滲透率分布來選擇與之匹配的聚合物，以保證后續(xù)聚合物驅(qū)現(xiàn)場實施的有效性。