適合二類油層驅(qū)油用抗鹽聚合物的制備與性能評(píng)價(jià)*

韓培慧

（國(guó)家能源陸相砂巖老油田持續(xù)開采研發(fā)中心，大慶油田有限責(zé)任公司勘探開發(fā)研究院，黑龍江 大慶 163712）

聚合物驅(qū)油技術(shù)是大慶油田持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)的主導(dǎo)技術(shù)之一［1］。該技術(shù)在大慶油田的工業(yè)化推廣始于1995 年。目前，已完成在一類油層的推廣應(yīng)用，開始轉(zhuǎn)向儲(chǔ)層物性較差的二類油層。相比一類油層，二類油層的河道砂發(fā)育規(guī)模和厚度均下降，砂體連續(xù)性變差，導(dǎo)致儲(chǔ)層有效滲透率偏低（100×10-3數(shù)500×10-3μm2），滲透率分布更加離散［2］。油田常用的高分子量部分水解聚丙烯酰胺（HPAM）在較低滲透率的層位出現(xiàn)注入困難的問(wèn)題；同時(shí)，大慶二類油層采用“清水配制聚合物母液，污水稀釋至注入濃度”的溶液配制方式，來(lái)實(shí)現(xiàn)油田采出污水的循環(huán)使用。油田采出污水的高礦化度（5200 mg/L，其中Ca2+、Mg2+總質(zhì)量濃度為50 mg/L）、弱堿性（pH值7.1數(shù)8.3）、復(fù)雜組分（鐵離子、硫化物、殘余聚合物及化學(xué)助劑）及多菌落（烴降解菌、NO3-和SO42-還原菌、腐生菌、鐵細(xì)菌和發(fā)酵菌等），大幅降低HPAM溶液的地下黏度，使得聚合物干粉用量增加40%數(shù)65%，嚴(yán)重影響聚合物驅(qū)開發(fā)的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)效益［3-7］。截至2019年底，大慶二類油層剩余地質(zhì)儲(chǔ)量7.53億噸，研發(fā)適合二類油層驅(qū)油用的抗鹽聚合物產(chǎn)品，已成為大慶老油田持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

采用特定結(jié)構(gòu)的功能單體與丙烯酰胺（AM）共聚，是提升聚丙烯酰胺應(yīng)用性能的有效方法［8-13］。2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）作為常用的耐溫抗鹽單體，其分子結(jié)構(gòu)中，—SO3-的2 個(gè)π鍵與3 個(gè)強(qiáng)負(fù)性氧共用一個(gè)負(fù)電荷，使其對(duì)陽(yáng)離子的進(jìn)攻不敏感，提升抗鹽能力；酰胺基團(tuán)被臨近的雙甲基屏蔽，一定程度上可抑制其水解［14］。具有環(huán)結(jié)構(gòu)的單體，如N-乙烯基吡咯烷酮（NVP）、對(duì)苯乙烯磺酸鈉等［15-16］，能提升聚合物分子鏈的抗蜷曲性能，使得分子鏈更為伸展，降低分子鏈纏繞成團(tuán)的概率，有利于通過(guò)儲(chǔ)層孔喉。哌嗪類化合物含有六元環(huán)結(jié)構(gòu)，其在油氣開采方面的報(bào)道較少［17］?；谏鲜鏊悸?，利用自制的1-丙烯酰基-4-甲基哌嗪（AMP）單體和AMPS、AM 單體，采用水溶液共聚再NaOH 水解的合成方法，通過(guò)優(yōu)化合成參數(shù)，制得高分子量抗鹽共聚物AM/AANa/AMPSNa/AMP（命名為聚合物A，分子結(jié)構(gòu)式見圖1）。其中，AANa 為丙烯酸納，由聚合后的酰胺基團(tuán)經(jīng)過(guò)NaOH水解后生成。通過(guò)核磁共振對(duì)聚合物A的分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，并選取相同分子量的HPAM，對(duì)比評(píng)價(jià)了兩種聚合物的各項(xiàng)性能。

圖1 聚合物A的分子結(jié)構(gòu)示意圖

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

丙烯酰胺（AM），分析純，天津科密歐化學(xué)試劑有限公司；2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）、過(guò)硫酸鉀（K2S2O8）、亞硫酸氫鈉（NaHSO3），分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；1-丙烯?；?4-甲基哌嗪（AMP），純度98.7%，自制；偶氮二異丙基咪唑啉鹽酸鹽（Va-044），分析純，天津光復(fù)科技發(fā)展有限公司；NaOH、尿素、異丙醇，分析純，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；NaCl、CaCl2、MgSO4，分析純，遼寧泉瑞試劑有限公司；部分水解聚丙烯酰胺（HPAM），相對(duì)分子質(zhì)量約2.5×107，固含量90%，中國(guó)石油大慶煉化公司；現(xiàn)場(chǎng)清水，Na+、K+總質(zhì)量濃度238 mg/L，HCO3-、Cl-、SO42-的質(zhì)量濃度分別為536、81、64 mg/L，礦化度950 mg/L，取自大慶某聚合物配制站；現(xiàn)場(chǎng)污水，礦化度5200 mg/L，Ca2+、Mg2+總質(zhì)量濃度為50 mg/L，取自大慶某聯(lián)合站，經(jīng)靜置和脫脂棉過(guò)濾后備用；模擬清水為礦化度950 mg/L的NaCl溶液；模擬污水為礦化度20 g/L，Ca2+、Mg2+總質(zhì)量濃度為50 mg/L 的NaCl 溶液；模擬原油，某聯(lián)合站外輸原油與航空煤油按一定比例配制，黏度9數(shù)10 mPa·s；人造巖心，由石英砂膠結(jié)、壓制成圓柱狀，直徑約2.5 cm，長(zhǎng)度約10 cm，有效滲透率40×10-3數(shù)800×10-3μm2，東北石油大學(xué)制作；中低滲透率的天然巖心，鉆取自天然儲(chǔ)層砂巖，在潤(rùn)濕性不變的條件下，經(jīng)溶劑汽油浸洗、烘干后備用，直徑約2.5 cm，長(zhǎng)度約10 cm，有效滲透率100×10-3數(shù)300×10-3μm2。

LP3200D 電子天平，德國(guó)賽多利斯集團(tuán)；SYD-2560 烏氏黏度計(jì)，北京綠野創(chuàng)能機(jī)電設(shè)備有限公司；Milli-Q Integral 10 超凈水系統(tǒng)，默克密理博實(shí)驗(yàn)室設(shè)備（上海）有限公司；101-AB電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，天津泰斯特儀器有限公司；FW-100 高速萬(wàn)能粉碎機(jī)，上海齊欣科學(xué)儀器有限公司；DV-II Pro+黏度計(jì)，美國(guó)Brookfield工程實(shí)驗(yàn)室公司；恒溫厭氧手套箱，美國(guó)Coy 試驗(yàn)儀器有限公司；PET1/2 過(guò)濾因子測(cè)量系統(tǒng)，北京盛維基業(yè)科技有限公司；MCR301 流變儀，安東帕（上海）商貿(mào)有限公司；800 MHz 核磁共振波譜儀，布魯克（北京）科技有限公司；QY-C12 多功能聚合物驅(qū)油裝置，江蘇華安科技有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 聚合物A（AM/AANa/AMPSNa/AMP）的制備

采用水溶液共聚再NaOH水解的方法制備聚合物A。分別稱取一定質(zhì)量的尿素、AM、AMPS 和自制的AMP 單體，加入去離子水中，攪拌至充分溶解后，用NaOH 調(diào)節(jié)溶液pH 值為7數(shù)10，加入一定量的鏈轉(zhuǎn)移劑異丙醇，并控制水浴溫度為0數(shù)20℃，通入高純氮?dú)獬跫s20 min 后得到反應(yīng)液。向上述反應(yīng)液中加入一定量的Va-044 溶液，5 min 后再次向反應(yīng)液中加入一定量的K2S2O8、NaHSO3溶液。繼續(xù)通入高純氮?dú)庵敝练磻?yīng)液變得黏稠。將反應(yīng)體系置于保溫容器中，減少反應(yīng)熱向環(huán)境的擴(kuò)散。待聚合反應(yīng)充分進(jìn)行，體系溫度降至室溫后，取出膠塊并切割，按水解度10%數(shù)25%混入NaOH 顆粒進(jìn)行造粒。將小膠粒密封置于90℃烘箱中水解2 h后，再經(jīng)烘干、粉碎和篩分，得到聚合物A顆粒。

1.2.2 聚合物A分子結(jié)構(gòu)表征

利用核磁共振譜圖來(lái)表征聚合物A 的分子結(jié)構(gòu)。取適量純化后的聚合物A 充分溶解于D2O 中，然后將樣品管移至核磁管，用核磁共振波譜儀測(cè)試其1H NMR 和13C NMR 圖譜，利用圖譜分析表征聚合物A的分子結(jié)構(gòu)。

1.2.3 共聚物性能評(píng)價(jià)

通過(guò)測(cè)定不同配方聚合物A 的黏均分子量、表觀黏度和過(guò)濾因子，優(yōu)選共聚物合成參數(shù)。同時(shí)，選取大慶油田驅(qū)油用高分子量HPAM 作為對(duì)比樣品。對(duì)比評(píng)價(jià)了聚合物A 和HPAM 的增黏、抗鹽、耐熱穩(wěn)定、流變、注入能力和驅(qū)油效率等應(yīng)用性能。

（1）黏均分子量。依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12005.10—1992《聚丙烯酰胺分子量測(cè)定黏度法》，用烏氏黏度計(jì)分別測(cè)定溶劑和溶液的流經(jīng)時(shí)間，然后作圖求出特性黏數(shù)，最后利用經(jīng)驗(yàn)公式（式中，K、α為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，K=9.33×10-3，α=0.7；［η］為特性黏數(shù)，mL/g），得出聚合物黏均分子量。緩沖溶劑為1 mol/L NaCl 水溶液，聚合物質(zhì)量濃度為0.25數(shù)0.30 mg/mL，測(cè)定溫度30℃。

（2）表觀黏度。采用現(xiàn)場(chǎng)清水配制質(zhì)量濃度為5 g/L的聚合物溶液母液，再用現(xiàn)場(chǎng)污水稀釋成1 g/L 的溶液。在0#轉(zhuǎn)子、剪切速率6 s-1、溫度45℃的條件下（后續(xù)聚合物溶液黏度的測(cè)定均在此條件下進(jìn)行），用DV-II Pro+黏度計(jì)測(cè)定聚合物溶液的表觀黏度。

（3）過(guò)濾因子。利用PET1/2 過(guò)濾因子測(cè)量系統(tǒng)測(cè)定過(guò)濾因子。采用現(xiàn)場(chǎng)清水配制質(zhì)量濃度為5 g/L 的聚合物溶液母液，再用現(xiàn)場(chǎng)污水稀釋成1 g/L的溶液。記錄濾出100、200、300 g聚合物溶液的時(shí)間t1、t2、t3，計(jì)算過(guò)濾因子數(shù)值。

（4）增黏性能。采用現(xiàn)場(chǎng)清水配制質(zhì)量濃度為5 g/L的聚合物溶液母液，再用現(xiàn)場(chǎng)污水將上述母液分別稀釋成200數(shù)2000 mg/L 的溶液。利用DV-II Pro+黏度計(jì)測(cè)定稀釋溶液的黏度，并繪制黏度—濃度關(guān)系曲線。

（5）抗鹽性能。采用模擬清水配制質(zhì)量濃度為5 g/L的聚合物溶液母液，再用模擬污水將上述母液稀釋成質(zhì)量濃度為1 g/L、礦化度分別為950數(shù)10000 mg/L的溶液。利用DV-II Pro+黏度計(jì)測(cè)定稀釋溶液的黏度。將不同礦化度溶液的黏度與礦化度為950 mg/L溶液的黏度對(duì)比，繪制黏度保留率隨礦化度變化的關(guān)系曲線。

（6）耐熱穩(wěn)定性。采用現(xiàn)場(chǎng)清水配制質(zhì)量濃度為5 g/L的聚合物溶液母液，再用現(xiàn)場(chǎng)污水稀釋成質(zhì)量濃度為1 g/L的溶液。將稀釋后的溶液置于45℃厭氧手套箱中恒溫老化。利用DV-II Pro+黏度計(jì)測(cè)定不同老化時(shí)間下溶液的黏度，并與老化初始黏度對(duì)比，繪制黏度保留率隨老化時(shí)間的關(guān)系曲線。

（7）流變性能。采用現(xiàn)場(chǎng)清水配制質(zhì)量濃度為5 g/L的聚合物溶液母液，再用現(xiàn)場(chǎng)清水稀釋成2 g/L的溶液。利用MCR301流變儀測(cè)量不同剪切速率下，黏度與第一法相應(yīng)力差隨剪切速率的變化。剪切速率范圍0數(shù)1000 s-1，測(cè)試溫度45℃。

（8）注入能力。通過(guò)測(cè)定巖心流動(dòng)實(shí)驗(yàn)中聚合物溶液在巖心中的可注入滲透率下限，來(lái)衡量聚合物的注入能力。相同濃度條件下，聚合物溶液的可注入滲透率下限越低，其注入能力越好。采用現(xiàn)場(chǎng)清水配制質(zhì)量濃度為5 g/L的聚合物溶液母液，再用現(xiàn)場(chǎng)污水稀釋為750數(shù)2000 mg/L 的溶液。利用多功能聚合物驅(qū)油裝置，在45℃下開展人造巖心流動(dòng)實(shí)驗(yàn)。具體步驟如下:將人造巖心置于巖心加持器中，抽真空2 h；以特定速率向抽空后的巖心飽和現(xiàn)場(chǎng)污水，測(cè)定巖心的孔隙體積和有效滲透率；注入現(xiàn)場(chǎng)污水，記錄注入壓力平穩(wěn)時(shí)的數(shù)值；注入3.0 PV的聚合物溶液，記錄注入結(jié)束時(shí)的壓力數(shù)值，計(jì)算阻力系數(shù)Fr；注入3.0 PV的現(xiàn)場(chǎng)污水，記錄注入結(jié)束時(shí)的壓力數(shù)值，計(jì)算殘余阻力系數(shù)Frr。注入速率為0.2 cm3/min。降低巖心的有效滲透率，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟，當(dāng)Frr大于4/5 的Fr或者注入壓力持續(xù)升至0.5 MPa時(shí)，聚合物溶液達(dá)到可注入的滲透率下限。

（9）驅(qū)油效率。通過(guò)測(cè)定物理模擬驅(qū)油實(shí)驗(yàn)中聚合物驅(qū)油的采收率增幅來(lái)衡量其驅(qū)油效率。采用現(xiàn)場(chǎng)清水配制5 g/L的聚合物溶液母液，再用現(xiàn)場(chǎng)污水稀釋至1200 mg/L。利用多功能聚合物驅(qū)油裝置，在45℃下開展天然巖心驅(qū)油實(shí)驗(yàn)。具體步驟如下:將天然巖心置于巖心加持器中，抽真空2 h；以特定速率向抽空后的巖心飽和現(xiàn)場(chǎng)污水，測(cè)定巖心的孔隙體積和滲透率；以特定速率向巖心飽和模擬原油，模擬原始含油飽和度，并于45℃下熟化24 h；注入現(xiàn)場(chǎng)污水，直至產(chǎn)出液含水達(dá)到98%，水驅(qū)結(jié)束；注入0.6 PV的聚合物溶液；注入現(xiàn)場(chǎng)污水進(jìn)行后續(xù)水驅(qū)，直至產(chǎn)出液含水再次達(dá)到98%，驅(qū)替實(shí)驗(yàn)結(jié)束，記錄并計(jì)算驅(qū)替過(guò)程中各階段采收率數(shù)值。注入速率為0.2 cm3/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 共聚物合成參數(shù)的優(yōu)選

分子量是評(píng)價(jià)聚合物驅(qū)油劑的一項(xiàng)重要指標(biāo)。通常而言，聚合物分子量越高，其溶液的本體黏度越高，有利于改善油水流度比，提高波及效率。聚合物A 的分子量受各合成參數(shù)的影響。在AM 質(zhì)量分?jǐn)?shù)20% 數(shù)21%，復(fù)合引發(fā)體系K2S2O8-NaHSO3、Va-044占單體總質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.01%的條件下，考察了功能單體用量、引發(fā)溫度以及鏈轉(zhuǎn)移劑用量對(duì)聚合物黏均分子量、表觀黏度和過(guò)濾因子的影響，確立較優(yōu)的合成條件。

2.1.1 功能單體加量

固定鏈轉(zhuǎn)移劑異丙醇占單體總質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%和引發(fā)起始溫度1℃的條件下，功能單體加量對(duì)聚合物黏均分子量的影響見表1。從實(shí)驗(yàn)1數(shù)4可見，隨著AMPS加量的增大，聚合物分子量呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。這是由于當(dāng)AMPS 的含量較少時(shí)，共聚物側(cè)鏈的位阻效應(yīng)和磺酸基團(tuán)的靜電排斥力使得自由基鏈終止幾率減小，有利于分子量的增加，表觀黏度增加；當(dāng)AMPS用量過(guò)高時(shí)，磺酸基團(tuán)的水合作用使得大分子自由基和單體擴(kuò)散困難，增大鏈終止幾率，導(dǎo)致分子量減小，表觀黏度降低［18］；從實(shí)驗(yàn)2、5數(shù)9可見，AMP 單體的加量從0.1%增至0.5%，側(cè)鏈的位阻效應(yīng)使得聚合物的分子量小幅增加，而AMP單體加量高于0.7%后，聚合物的溶解性開始變差，含量太高甚至?xí)耆蝗堋．?dāng)AMPS、AMP的加量分別為7.5%數(shù)10%、0.1%數(shù)0.5%時(shí)，聚合物具有較高的分子量和表觀黏度。

表1 AMPS、AMP加量對(duì)聚合物參數(shù)的影響

2.1.2 引發(fā)溫度

由圖2 可見，在鏈轉(zhuǎn)移劑異丙醇占單體總質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%、功能單體AMPS 和AMP 加量為7.5%和0.5%的條件下，聚合反應(yīng)的最佳引發(fā)溫度為2℃。再提高引發(fā)溫度，聚合物分子量逐漸下降；同時(shí)，降低引發(fā)溫度至0℃以下，聚合物的分子量大幅降低，低溫引發(fā)并未實(shí)現(xiàn)分子量的增長(zhǎng)。較高的引發(fā)溫度會(huì)加速自由基的生成，增大鏈終止和鏈轉(zhuǎn)移的概率，導(dǎo)致聚合物的相對(duì)分子量降低。當(dāng)起始反應(yīng)溫度過(guò)低時(shí)，氧化還原引發(fā)劑K2S2O8-NaHSO3生成自由基速率較慢，導(dǎo)致聚合反應(yīng)后段溫度偏低，偶氮類引發(fā)劑Va-044未能完全參與反應(yīng)，從而使得聚合物的分子量偏低。

圖2 引發(fā)溫度對(duì)聚合物黏均分子量的影響

2.1.3 鏈轉(zhuǎn)移劑加量

固定引發(fā)起始溫度（2℃）和功能單體AMPS、AMP（加量為7.5%和0.5%）的條件下，鏈轉(zhuǎn)移劑異丙醇的用量可有效調(diào)節(jié)聚合物A 的分子量和溶解性［19］。由表2 可見，鏈轉(zhuǎn)移劑的加入雖然降低了聚合物的分子量與表觀黏度，卻能有效減少聚合過(guò)程中不溶物的產(chǎn)生，提升聚合物的溶解性（過(guò)濾因子降低）。在鏈轉(zhuǎn)移劑異丙醇加量占單體質(zhì)量比為0.2%時(shí)，聚合物具有較高分子量的同時(shí)，過(guò)濾因子也符合石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5862—2008《驅(qū)油用聚合物技術(shù)要求》（過(guò)濾因子通常要求低于2）。較低的過(guò)濾因子也有利于提升聚合物A 的注入能力。

表2 鏈轉(zhuǎn)移劑加量對(duì)聚合物參數(shù)的影響

通過(guò)上述合成參數(shù)的優(yōu)選，聚合物A 的最佳制備條件為:AM、AMPS、AMP 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為20%數(shù)21%、7.5%數(shù)10%、0.1%數(shù)0.5%，復(fù)合引發(fā)體系K2S2O8-NaHSO3、Va-044 占單體總質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.01%，鏈轉(zhuǎn)移劑異丙醇加量占單體總質(zhì)量的0.2%，初始引發(fā)溫度為2℃。

2.2 共聚物的結(jié)構(gòu)表征

由聚合物A的1H NMR 譜圖（見圖3）可見，1.4、2.0 ppm 處的雙重峰和三重峰分別歸屬于烷基主鏈中的CH2與CH 的質(zhì)子峰，二者積分面積約為2∶1；在6.6數(shù)7.8 ppm處的兩個(gè)峰源于丙烯酰胺中的NH2和NHD（由于NH2與溶劑D2O 交換質(zhì)子產(chǎn)生）的質(zhì)子峰；3.7 ppm處的峰為AMPS中與磺酸基團(tuán)相連的CH2的質(zhì)子峰；2.6 ppm處的峰為AMP中NCH3的質(zhì)子峰。

由聚合物A 的13C NMR 譜圖（見圖4）可見，179.5 ppm 處的峰歸屬于主鏈結(jié)構(gòu)中丙烯酰胺C=O結(jié)構(gòu)的C，而182.9 ppm處的峰歸屬于主鏈結(jié)構(gòu)中丙烯酸鈉C=O 結(jié)構(gòu)的C，表明部分酰胺基團(tuán)被NaOH水解成羧酸鈉，利用積分面積可推算聚合物水解度。綜上所述，譜圖中同時(shí)存在AM、AANA、AMPSNa以及AMP結(jié)構(gòu)單元的特征峰，表明合成產(chǎn)物為預(yù)期的AM/AANa/AMPSNa/AMP 四元共聚物。

圖3 聚合物A的1H NMR 譜圖

圖4 聚合物A的13C NMR 譜圖

2.3 共聚物的性能評(píng)價(jià)

2.3.1 增黏性能

聚合物A 和同分子量HPAM 的黏度—濃度關(guān)系曲線如圖5所示。聚合物溶液的黏度均隨著濃度的增加而增加。在200數(shù)1000 mg/L的區(qū)間內(nèi)，聚合物A 和HPAM 的黏度相當(dāng)；隨著質(zhì)量濃度增大至1000數(shù)2000 mg/L 時(shí)，聚合物A 的增黏能力小幅低于HPAM。這是由于在聚合物A 的分子結(jié)構(gòu)中引入了少量的AMP 單體，其哌嗪六元環(huán)的側(cè)基能提高聚合物分子鏈的抗蜷曲性能，使得分子鏈纏繞成團(tuán)的概率低于HPAM聚合物，降低了分子的流體力學(xué)體積。

圖5 聚合物A和同分子量HPAM的黏度—濃度關(guān)系曲線

2.3.2 抗鹽性能

油田污水降低聚合物溶液黏度的主要原因在于，污水的高礦化度會(huì)壓縮聚合物雙電層，高價(jià)陽(yáng)離子（Ca2+、Mg2+等）會(huì)置換出低價(jià)的Na+，進(jìn)一步加劇聚合物雙電層的壓縮作用，使得聚合物分子蜷曲成團(tuán)，流體力學(xué)體積降低，黏度下降。由圖6 可見，聚合物A 和同分子量HPAM 的黏度保留率均隨著礦化度的增加而降低。相同礦化度條件下，聚合物A 的黏度保留率高于HPAM。當(dāng)?shù)V化度為10 g/L時(shí)，聚合物A和HPAM的黏度保留率分別為40.36%和29.78%。聚合物A分子結(jié)構(gòu)中的AMP單體為非離子型基團(tuán)，AMPS 的—SO3-基團(tuán)中，兩個(gè)π鍵與3個(gè)強(qiáng)負(fù)性氧共用一個(gè)負(fù)電荷，使其對(duì)陽(yáng)離子的進(jìn)攻不敏感，均在一定程度上降低了分子鏈的蜷曲程度，故黏度保留率要高于HPAM。

圖6 聚合物A和同分子量HPAM的黏度保留率與礦化度的關(guān)系曲線

2.3.3 老化穩(wěn)定性

圖7 聚合物A與HPAM溶液的黏度保留率隨老化時(shí)間的變化

聚合物從注入油藏到生產(chǎn)井采出，需要在地底厭氧條件下恒溫老化一段時(shí)間。聚合物A 和同分子量HPAM在模擬油藏45°C、厭氧條件下的老化曲線如圖7 所示。隨著老化時(shí)間增加，二者的黏度保留率均呈下降趨勢(shì)，聚合物A在老化17 d后的黏度降幅趨緩。老化90 d后，聚合物A和HPAM的黏度保留率分別為63%和40%。聚合物A老化黏度保留率較高的原因在于，酰胺基團(tuán)被AMPS 的雙甲基，以及AMP的大位阻側(cè)基所屏蔽，一定程度上可抑制其水解。長(zhǎng)期老化數(shù)據(jù)表明，聚合物A的溶液具有更好的熱穩(wěn)定性，更適宜現(xiàn)場(chǎng)使用。

2.3.4 流變性能

聚合物A和HPAM溶液的穩(wěn)態(tài)流變曲線如圖8所示。二者的黏度均隨著剪切速率的增加而降低，表現(xiàn)出剪切變稀的特性。在外力剪切作用下，聚合物分子鏈解纏繞，使得水動(dòng)力學(xué)半徑減小，黏度降低。聚合物A中含有環(huán)結(jié)構(gòu)，能提高聚合物分子鏈的抗蜷曲性能，降低分子鏈纏繞幾率，在較低的剪切速率下，聚合物A 的黏度略低于HPAM。隨著剪切速率增加，聚合物分子鏈完全解纏繞，二者黏度幾乎一致。二者的法相應(yīng)力差均隨著剪切速率的增大而增加。在相同剪切速率下，聚合物A的法相應(yīng)力差高于HPAM，原因在于AMPS和AMP單體的位阻效應(yīng)能提升聚合物分子鏈的抗剪切性能。穩(wěn)態(tài)流變結(jié)果表明，聚合物A 的黏彈性較好，有利于擴(kuò)大波及體積和驅(qū)油效率［20］。

圖8 聚合物A與HPAM溶液的穩(wěn)態(tài)流變曲線

2.3.5 注入能力

在測(cè)定1500 mg/L聚合物A溶液可注入滲透率下限過(guò)程中，注入壓力隨注入量的變化如圖9 所示。在滲透率為256.32×10-3μm2的巖心中注入聚合物A，注入壓力上升克服黏彈性流體在運(yùn)動(dòng)中的阻力，待聚合物突破巖心后，注入壓力保持小幅波動(dòng)；后續(xù)水驅(qū)階段，由于驅(qū)替液的黏度降低，以及聚合物在巖心中的吸附滯留，使得注入壓力出現(xiàn)一定幅度的降低后保持小幅波動(dòng)。隨著巖心滲透率逐漸降低至145.26×10-3μm2，聚合物驅(qū)和后續(xù)水驅(qū)階段，壓力平臺(tái)的數(shù)值逐漸提高，聚合物溶液仍可通過(guò)該滲透率的巖心。當(dāng)巖心滲透率降至122.33×10-3μm2時(shí)，注入聚合物溶液后，壓差迅速上升且不存在平臺(tái)，表明聚合物溶液在該滲透率的巖心中發(fā)生堵塞。據(jù)此，得出1500 mg/L 的聚合物A 溶液可注入的滲透率下限介于122.33×10-3μm2數(shù)145.66×10-3μm2之間，取區(qū)間平均值134.00×10-3μm2作為其可注入滲透率下限。

按照上述方法，測(cè)定質(zhì)量濃度為750數(shù)2000 mg/L的聚合物A和HPAM的可注入滲透率下限（見表3）。相同濃度下，聚合物A的可注入滲透率下限低于HPAM，表明聚合物A 的注入能力優(yōu)于HPAM。聚合物A 中引入了具有環(huán)結(jié)構(gòu)的AMP 單體，能提高聚合物分子鏈的抗蜷曲性能，使得分子鏈更為伸展，降低分子鏈纏繞成團(tuán)的概率，有利于通過(guò)儲(chǔ)層孔喉。

圖9 1500 mg/L的聚合物A溶液在巖心中的注入壓力隨注入量的變化

表3 聚合物A和HPAM流動(dòng)實(shí)驗(yàn)可注入滲透率下限

2.3.6 驅(qū)油效率

驅(qū)油實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見表4）表明，在相同聚合物用量下，聚合物A 可提高聚合物驅(qū)采收率15%，比HPAM高4.2%。在相同采收率增幅下，聚合物A的質(zhì)量濃度要低350 mg/L，節(jié)約干粉用量近30%。聚合物A 驅(qū)油效率高的原因在于功能單體的引入能有效提升其注入能力，進(jìn)而提高聚合物驅(qū)的波及效率；同時(shí)，流變性能測(cè)定結(jié)果表明聚合物A 的黏彈性較好，可有效提高驅(qū)油效率?；谏鲜鲈?，聚合物A 可有效提高大慶二類油層的聚合物驅(qū)開發(fā)效率，可用于工業(yè)化推廣。

表4 聚合物A和HPAM驅(qū)油實(shí)驗(yàn)的采收率

3 結(jié)論

以丙烯酰胺（AM）、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）、1-丙烯?；?4-甲基哌嗪（AMP）為單體，采用水溶液共聚再NaOH 水解的合成方法，制備了一種高分子量的抗鹽共聚物AM/AANa/AMPSNa/AMP（聚合物A）。聚合物A適宜的制備條件為:AM、AMPS、AMP 的加量分別為20%數(shù)21%、7.5%數(shù)10%、0.1%數(shù)0.5%，復(fù)合引發(fā)體系K2S2O8-NaHSO3、偶氮二異丙基咪唑啉鹽酸鹽（Va-044）占單體總質(zhì)量的0.01%，初始引發(fā)溫度為2℃，鏈轉(zhuǎn)移劑異丙醇加量占單體總質(zhì)量的0.2%。聚合物A的抗鹽、耐熱穩(wěn)定、黏彈性和注入能力等性能優(yōu)于同分子量的HPAM，1000 mg/L聚合物A溶液的可注入巖心滲透率下限為112×10-3μm2。天然巖心驅(qū)油實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，抗鹽聚合物A可比水驅(qū)提高采收率15%，在相同用量下的采收率增幅比HPAM 高4.2%?？果}聚合物A 耐熱穩(wěn)定性好、注入能力強(qiáng)，提高采收率幅度高，適用于大慶油田聚合物驅(qū)高效開發(fā)。