溫敏型聚合物驅(qū)油性能研究

徐輝，祝仰文，宋敏，龐雪君，孫秀芝

（1.中國石化勝利油田分公司勘探開發(fā)研究院，山東東營257015；2.中國石化勝利油田分公司油氣開發(fā)管理中心，山東東營257000）

勝利油田適合化學(xué)驅(qū)油藏資源豐富，一類油藏和二類油藏溫度≤80 ℃，礦化度≤30 000 mg/L，鈣鎂離子含量≤400 mg/L，常規(guī)分子量在2 000×104左右的部分水解聚丙烯酰胺驅(qū)油效果顯著。三類油藏儲(chǔ)量達(dá)到6.1×108t，但由于溫度和礦化度都較高（溫度＞80 ℃，礦化度＞30 000 mg/L，鈣鎂離子含量＞400 mg/L），常規(guī)聚合物在三類油藏條件下增黏性大幅降低[1]，驅(qū)油效果變差。因此，研發(fā)新型耐溫抗鹽聚合物成為解決勝利油田高溫高鹽三類油藏化學(xué)驅(qū)提高采收率的關(guān)鍵。

為了提高聚合物在高溫高鹽油藏條件下的增黏性能和驅(qū)油性能，同時(shí)考慮聚合物在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的成本，目前最常用的方法就是在合成過程中引入少量的締合類和AMPS抗鹽類單體[2-8]，引入締合類單體合成的締合聚合物雖然黏度大幅增加，但在地層吸附量比常規(guī)聚合物明顯增多，注入性存在一定問題；引入AMPS單體合成的多元共聚物，耐鹽和抗鈣鎂離子能力大幅提高，但只有在引入較多AMPS條件下才能實(shí)現(xiàn)高增黏特性，因此，經(jīng)濟(jì)性稍差。溫敏聚合物是通過接枝或共聚反應(yīng)向水溶性聚合物主鏈上引入具有臨界溶解溫度側(cè)鏈而制備的一種水溶性聚合物，自從法國巴黎第六大學(xué)HOURDERT 首次提出并合成出溫敏型共聚物以來，這類聚合物已經(jīng)大量應(yīng)用在化學(xué)、生物、紡織等各個(gè)領(lǐng)域，且在油田鉆井、水處理行業(yè)也開展了相關(guān)研究，謝璐瑤利用聚醚與丙烯酰胺、丙烯酸接枝共聚得到系列熱增黏共聚物，結(jié)果表明，聚合物濃度越高，相對(duì)分子質(zhì)量越高，熱增黏性能越好，熱締合溫度也越低[9]。馬超研究了溫敏型聚合物在稠油污水中的絮凝作用，結(jié)果表明，溫敏型聚合物對(duì)稠油污水的乳化油和固相懸浮物的去除率較陽離子聚合物高[10]。郭錦棠研究了溫敏增稠固井水泥外加劑的合成與性能，結(jié)果表明，溫敏增稠聚合物能明顯改善水泥漿在高溫高壓條件下的穩(wěn)定性[11]。目前對(duì)溫敏型聚合物的研究在三次采油中也有相關(guān)研究[12]，但對(duì)黏彈性聚合物的黏彈性、注入性和驅(qū)油效果研究較少。為此，選擇了常規(guī)AM-NaAA聚合物和溫敏型AM-NaAA-RTM 三元共聚物，對(duì)比了這兩種聚合物的基本物化性能、增黏性、耐溫性，重點(diǎn)研究了溫敏型三元共聚物溶液的黏彈性和驅(qū)油性能。通過研究，能夠?yàn)楦邷馗啕}三類油藏聚合物的研發(fā)和應(yīng)用提供借鑒。

1 實(shí)驗(yàn)器材與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)器材

實(shí)驗(yàn)試劑：常規(guī)驅(qū)油用聚合物AM-NaAA（北京恒聚公司生產(chǎn)，分子量2 500×104左右）；溫敏型三元共聚物AM-NaAA-RTM（法國愛森公司生產(chǎn)，分子量1 600×104左右）。

實(shí)驗(yàn)用水：總礦化度為32 868 mg/L（Ca2+與Mg2+之和為874 mg/L）屬于勝利油區(qū)三類油藏模擬水。

實(shí)驗(yàn)儀器：磁力攪拌器及轉(zhuǎn)子、烏氏黏度計(jì)、水解度測(cè)定儀、安東帕MCR301 流變儀、室內(nèi)物理模擬試驗(yàn)評(píng)價(jià)裝置。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

聚合物溶液配制：取一定質(zhì)量的聚合物干粉，用勝利油田三類模擬水配制濃度為5 000 mg/L的母液，熟化1 d后，稀釋成不同濃度的目標(biāo)溶液。

聚合物基本物化性能評(píng)價(jià)：取兩種干粉，分別測(cè)試干粉的溶解時(shí)間，水解度，特性黏數(shù)，并測(cè)試聚合物濃度在1 500 mg/L時(shí)的表觀黏度。

聚合物溶液增黏性、耐溫性及黏彈性評(píng)價(jià)：用勝利油田三類模擬水配制成不同質(zhì)量濃度的聚合物溶液，在實(shí)驗(yàn)溫度為85 ℃的條件下，測(cè)試溶液的增黏性和黏彈性，同時(shí)在溫度為25～85 ℃下測(cè)試聚合物的耐溫性能。

聚合物溶液在巖心中運(yùn)移性能：選取滲透率為1 500×10-3μm2人造膠結(jié)巖心，首先利用模擬水飽和巖心，接著進(jìn)行水驅(qū)，待水驅(qū)壓力平衡后，注入聚合物溶液，注聚壓力平衡后，再進(jìn)行后續(xù)水驅(qū)，后續(xù)水驅(qū)壓力平衡后，結(jié)束實(shí)驗(yàn)。

聚合物溶液驅(qū)油效果評(píng)價(jià)：首先利用模擬水飽和巖心，然后水驅(qū)至含水率為95%，接著注入勝利油田三類油藏模擬水配制的兩種聚合物溶液，最后進(jìn)行后續(xù)水驅(qū)至含水率為100%。實(shí)驗(yàn)溫度為85 ℃；注入水礦化度為32 868 mg/L；巖心模型為人造膠結(jié)巖心，長度為30 cm，直徑為2.5 cm，滲透率為1 500×10-3μm2；注入段塞孔隙體積倍數(shù)為0.3；注入速度為0.25 mL/min；注入聚合物溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 基本物化性能

分別對(duì)常規(guī)AM-NaAA二元共聚物，AM-NaAARTM溫敏型三元共聚物溶解時(shí)間、特性黏數(shù)、水解度和表觀黏度等基本物化性能進(jìn)行評(píng)價(jià)和測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見表1。

由表1 可知，常規(guī)AM-NaAA 聚合物和AMNaAA-RTM溫敏聚合物水解度基本相當(dāng)，且2個(gè)聚合物都能在2 h內(nèi)完全溶解，但AM-NaAA-RTM聚合物由于引入了溫敏型單體形成了三元共聚物，三個(gè)共聚物單體間競(jìng)聚率差異較大，因此，特性黏數(shù)低于常規(guī)AM-NaAA，但由于溫敏單體的存在導(dǎo)致AM-NaAARTM在高溫條件下增黏性更好，相對(duì)于常規(guī)聚合物，85 ℃條件下溫敏型聚合物表觀黏度增加1倍以上。

表1 兩種聚合物干粉基本物化性能對(duì)比Table 1 Comparison of basic physical and chemical properties of two kinds of polymer dry powder

2.2 增黏性

取勝利三類模擬水配制濃度為5 000 mg/L 的母液，熟化1 d 后，稀釋成濃度為1 000～2 500 mg/L 的目標(biāo)液，評(píng)價(jià)2個(gè)聚合物在勝利油田三類模擬水配制條件，及85 ℃下溶液的黏濃曲線。

由圖1 得出，兩種聚合物隨著濃度的增加，黏度呈上升趨勢(shì)，通過擬合黏濃曲線表明，濃度C和黏度η都呈冪函數(shù)關(guān)系，冪函數(shù)方程為η=KCn，從冪函數(shù)方程系數(shù)K和冪率指數(shù)n的對(duì)比可知，2 個(gè)聚合物n值相差不大，表明2 個(gè)聚合物隨著濃度的增加，增黏趨勢(shì)基本相同，但AM-NaAA-RTM 聚合物K值相對(duì)于常規(guī)聚合物提升2 倍以上，表明不同濃度條件下，AM-NaAA-RTM溫敏聚合物在水溶液中增黏能力都有大幅提升，有利于擴(kuò)大聚合物在地層中的波及。

2.3 耐溫性

取勝利三類模擬水配制濃度為5 000 mg/L 的母液，熟化1 d 后，稀釋成濃度為1 500 mg/L 的目標(biāo)液，評(píng)價(jià)2個(gè)聚合物的黏度隨溫度的變化。

由圖2可知，常規(guī)AM-NaAA 聚合物由于不含有溫敏型功能單體，隨著溫度的增加，聚合物分子運(yùn)動(dòng)變快，分子鏈慢慢解纏繞，黏度逐漸降低，從25 ℃升溫至85 ℃，黏度降低超過65%，耐溫性較差。而溫敏聚合物AM-NaAA-RTM 引入了RTM 溫敏型功能單體，其分子量比常規(guī)AM-NaAA聚合物低，因此，在低溫條件下，AM-NaAA-RTM 黏度低于常規(guī)AMNaAA聚合物。當(dāng)溫度慢慢升高至60 ℃左右時(shí)，溫敏單體和水產(chǎn)生的氫鍵作用減弱，側(cè)鏈?zhǔn)杷栽鰪?qiáng)，親水和疏水保持平衡，分子在水溶液中保持兩性狀態(tài)，黏度整體保持穩(wěn)定；當(dāng)溫度高于60 ℃時(shí)，溫敏單體的疏水側(cè)鏈發(fā)生分子間締合作用，疏水性強(qiáng)于親水性，疏水側(cè)鏈拉著聚合物分子間形成物理交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，水動(dòng)力學(xué)體積增大，聚合物表現(xiàn)出溫增黏的特性；在70 ℃以上時(shí)，AM-NaAA-RTM 聚合物黏度高于常規(guī)AM-NaAA 聚合物，且隨著溫度的增加，溫敏型聚合物黏度增加趨勢(shì)更明顯；至85 ℃時(shí)，黏度相對(duì)于常規(guī)聚合物提高1 倍以上，具有明顯的耐高溫性能。

圖1 兩種聚合物溶液增黏性對(duì)比Fig.1 Comparison of viscosity-increasing property of two polymer solutions

圖2 兩種聚合物溶液耐溫性對(duì)比Fig.2 Comparison of temperature resistance property of two polymer solutions

2.4 黏彈性

聚合物的黏彈性主要研究聚合物的威森伯格數(shù)，威森伯格（Weissenberg）數(shù)定義為第一法向應(yīng)力差與切應(yīng)力的比值，即

其中，第一法向應(yīng)力差N1為彈性量，切應(yīng)力τ為黏性量，因此，威森伯格數(shù)We反映溶液彈性的相對(duì)大小。當(dāng)We很大時(shí)，流動(dòng)特征主要由第一法向應(yīng)力差決定，即彈性起主要作用；當(dāng)We很小時(shí)，流動(dòng)特征主要由黏性力決定。這樣通過We可得到黏彈性流體在流動(dòng)過程中彈性和黏性所起的作用，因此，它能夠更好地反映聚合物溶液的黏彈性能。

取勝利三類模擬水配制濃度為5 000 mg/L 的母液，熟化1 d 后，稀釋成濃度為1 500 mg/L 的目標(biāo)液，利用流變儀測(cè)試得到2 個(gè)聚合物的第一法向應(yīng)力差N1和切向力τ，通過式（1）得到聚合物溶液的威森伯格數(shù)。

由圖3 可知，高溫條件下，由于AM-NaAA-RTM溫敏聚合物疏水的側(cè)鏈發(fā)生分子間締合作用，聚合物分子間形成物理交聯(lián)，因此，分子間相互作用更強(qiáng)，威森伯格數(shù)更大，彈性更好。而常規(guī)AM-NaAA聚合物由于高溫條件下分子間解纏繞作用增加，導(dǎo)致聚合物分子間相互作用降低，威森伯格數(shù)降低，彈性變小，因此，AM-NaAA-RTM 聚合物彈性好于常規(guī)AM-NaAA聚合物，由于彈性對(duì)于提高聚合物在地層中驅(qū)油效率具有重要的作用，因此，溫敏型聚合物在高溫條件下具有更高的驅(qū)油效率[13-17]。

圖3 兩種聚合物溶液威森伯格數(shù)對(duì)比Fig.3 Comparison of We of two polymer solutions

2.5 巖心運(yùn)移性能

取勝利三類模擬水配制濃度為5 000 mg/L 的母液，熟化1 d 后，稀釋成濃度為1 500 mg/L 的目標(biāo)液，利用人造膠結(jié)巖心，研究2個(gè)聚合物在巖心中滲流運(yùn)移性能。

由圖4 可知，AM-NaAA-RTM 溫敏聚合物雖然引入了RTM溫敏單體，但在注入聚合物2PV之后，注入壓力就逐漸達(dá)到平衡，在巖心中具有良好的滲流運(yùn)移特性，且平衡壓力高于常規(guī)AM-NaAA 聚合物，在巖心中擴(kuò)大波及的能力更強(qiáng)，因此，溫敏單體的引入并未影響溫敏型聚合物的注入性能，且具有更好地?cái)U(kuò)大波及的能力。

圖4 兩種聚合物巖心中滲流運(yùn)移性能對(duì)比Fig.4 Comparison of percolation and migration performance of two polymers in core

2.6 驅(qū)油效果

取勝利三類模擬水配制濃度為5 000 mg/L 的母液，熟化1 d 后，稀釋成濃度為1 500 mg/L 的目標(biāo)液，研究2個(gè)聚合物在巖心中實(shí)際驅(qū)油性能。

由圖5 和圖6 可知，水驅(qū)平衡之后注入AMNaAA-RTM 溫敏聚合物，由于高溫條件下AMNaAA-RTM 黏度和彈性更高。因此，相對(duì)于常規(guī)AM-NaAA聚合物注入壓力更高，注聚后含水漏斗下降的更深，最終采收率更高，具有更好地提高采收率能力（表2）。

圖5 AM-NaAA-RTM溫敏聚合物驅(qū)油曲線Fig.5 Flooding curve of temperature sensitive polymer AMNaAA-RTM

圖6 AM-NaAA聚合物驅(qū)油曲線Fig.6 Flooding curve of AM-NaAA polymer

表2 AM-NaAA-RTM和AM-NaAA聚合物驅(qū)油效果對(duì)比Table 2 Comparison of flooding effect of AM-NaAARTM and AM-NaAA

3 結(jié)論及認(rèn)識(shí)

對(duì)AM-NaAA-RTM溫敏型三元共聚物的基本物化性能、增黏性、耐溫性、黏彈性、巖心運(yùn)移性能和驅(qū)油效果進(jìn)行研究分析，結(jié)果表明：

1）溫敏型多元共聚物由于引入了溫敏型單體，其分子量比常規(guī)AM-NaAA 聚合物低，低溫條件下，黏度低于常規(guī)AM-NaAA聚合物，但由于在高溫條件下溫敏單體發(fā)生分子間相互作用，因此，高溫條件下黏度和彈性更高，擴(kuò)大波及的能力更強(qiáng)。

2）溫敏型聚合物在巖心中具有良好的滲流運(yùn)移能力，驅(qū)油效果相對(duì)于AM-NaAA聚合物更高，是一種非常有前景且適用于高溫高鹽油藏的新型驅(qū)油劑。