聚合物降黏劑的性能及其提高采收率效果

楊 斌

（中國(guó)石化勝利油田分公司科技管理部，山東東營(yíng) 257000）

隨著開發(fā)技術(shù)的進(jìn)步和國(guó)家對(duì)能源需求的增長(zhǎng)，油氣藏的開發(fā)越來越趨向于非常規(guī)油氣藏［1-4］。中國(guó)稠油儲(chǔ)量較大，主要分布在遼河、新疆、勝利、南陽(yáng)、大港、吉林和華北等油田，稠油油藏的開發(fā)已成為非常規(guī)油氣藏開發(fā)的一個(gè)重要組成部分［5-6］。目前，最常用、最成功的中外稠油開采方法包括熱水驅(qū)［7-8］、熱采蒸汽吞吐［9-10］、火燒油層等［11-12］，近年來，稠油冷采降黏劑的研究與應(yīng)用十分活躍，聚合物降黏劑可以實(shí)現(xiàn)在地層剪切強(qiáng)度下既降低稠油黏度又增加驅(qū)替液黏度的目的，2 種功能協(xié)同作用可實(shí)現(xiàn)油水流度控制，進(jìn)而大幅度提高稠油水驅(qū)采收率［13-18］。這種一劑兩效的聚合物降黏劑驅(qū)是稠油水驅(qū)后關(guān)鍵接替技術(shù)之一，對(duì)提高稠油水驅(qū)采收率具有重要意義，應(yīng)用前景十分廣闊。在應(yīng)用過程中，對(duì)于聚合物降黏劑驅(qū)替機(jī)理及其活性和表觀黏度對(duì)提高采收率效果的影響缺乏定量認(rèn)識(shí)。因此，通過對(duì)比部分水解聚丙烯酰胺（HPAM）和2 種聚合物降黏劑（P-OVR-1，P-OVR-3）的基本性能，深入研究了在驅(qū)替過程中表觀黏度和活性對(duì)提高采收率所做的貢獻(xiàn)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料和儀器

實(shí)驗(yàn)材料包括：現(xiàn)場(chǎng)原油，油藏溫度為50 ℃，脫氣原油黏度為288 mPa·s；聚合物降黏劑P-OVR-1和P-OVR-3，由勝利油田石油工程技術(shù)研究院提供；普通聚合物HPAM，由勝利油田石油工程技術(shù)研究院提供；β-CD，由阿拉丁試劑（上海）有限公司提供；實(shí)驗(yàn)用水為模擬地層水，礦化度為23 583.65 mg/的質(zhì)量濃度 分 別 為8 233，457，232，33.2，1 372.95，9.61，13 245.89 mg/L；實(shí)驗(yàn)用巖心為人造巖心，具體參數(shù)見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)用人造巖心參數(shù)Table1 Parameters of artificial cores for experiments

實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括：Brookfield DV-Ⅲ旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，由美國(guó)Brookfield 公司生產(chǎn)；HTP-TT 化學(xué)驅(qū)綜合物理模擬裝置，由中國(guó)江蘇華安有限公司生產(chǎn)；核磁共振儀MacroMR，由蘇州紐邁分析儀器股份有限公司生產(chǎn)；Nova NanoSEM450 型高分辨場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡，由美國(guó)FEI 有限公司生產(chǎn)；JZHY-180 表面張力儀，由中國(guó)上海京閣儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn)；XSZHS3 光學(xué)顯微鏡，由中國(guó)重慶光電儀器有限公司生產(chǎn)；Malvern Zetaseizer Nano 動(dòng)態(tài)光散射儀，由英國(guó)馬爾文儀器有限公司生產(chǎn)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

聚合物降黏劑溶液的表觀黏度測(cè)定 配制不同質(zhì)量濃度的聚合物HPAM，P-OVR-1和P-OVR-3溶液，放置于50 ℃恒溫箱中熟化24 h，利用Brook?field DV-Ⅲ旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，測(cè)定聚合物降黏劑溶液的表觀黏度，設(shè)置轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為6 r/min。

聚合物降黏劑溶液的微觀形貌表征 采用掃描電鏡觀察P-OVR-1 和P-OVR-3 溶液的微觀形貌。聚合物降黏劑質(zhì)量濃度均為3 000 mg/L。首先將樣品放置于紫外燈下烘干，然后固定在樣品板上進(jìn)行噴金處理，最后觀察聚合物降黏劑溶液的干態(tài)形貌。

聚合物降黏劑的流體力學(xué)半徑測(cè)定 采用Malvern Zetaseizer Nano 動(dòng)態(tài)光散射儀測(cè)定P-OVR-1及其加入β-CD的包合體系的流體力學(xué)半徑，測(cè)量角度為90°。

降黏率測(cè)試及乳化效果評(píng)價(jià) 在實(shí)驗(yàn)溫度為50 ℃下，參照稠油降黏劑通用技術(shù)條件［19］，利用Brookfield DV-Ⅲ旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)定降黏前后稠油的黏度，并利用XSZ-HS3光學(xué)顯微鏡觀察降黏后稠油乳狀液的乳化狀態(tài)，研究不同質(zhì)量濃度的P-OVR-1和P-OVR-3的乳化效果。

聚合物降黏劑溶液的表面張力測(cè)定 表面張力是表征聚合物活性以及乳化性能的一個(gè)重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)。采用吊環(huán)法，在常溫下通過JZHY-180表面張力儀測(cè)定HPAM，P-OVR-1 和P-OVR-3 溶液的表面張力。

聚合物降黏劑溶液驅(qū)油效果評(píng)價(jià) 利用HTPTT 化學(xué)驅(qū)綜合物理模擬裝置模擬勝利油田稠油聚合物降黏劑驅(qū)實(shí)驗(yàn)流程，流程圖如圖1 所示。驅(qū)替速度為0.5 mL/min，實(shí)驗(yàn)溫度為50 ℃。具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：①進(jìn)行巖心預(yù)處理、抽真空飽和模擬地層水，計(jì)算巖心孔隙度及水測(cè)巖心滲透率。②飽和原油，進(jìn)行核磁共振掃描，計(jì)算原始含油飽和度。③水驅(qū)巖心至采出液含水率為98%以上，進(jìn)行核磁共振掃描，計(jì)算水驅(qū)采收率。④注入一定質(zhì)量濃度的HPAM 或P-OVR-1 和P-OVR-3 溶液0.6 PV 后，進(jìn)行后續(xù)水驅(qū)至含水率為98%以上，進(jìn)行核磁共振掃描，記錄驅(qū)替過程壓差、采出液及采出水體積，計(jì)算各階段采收率。

圖1 聚合物降黏劑驅(qū)實(shí)驗(yàn)流程Fig.1 Flow chart of polymer viscosity reducer flooding experiment

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 聚合物降黏劑溶液的微觀形貌與流變性

聚合物降黏劑溶液的表觀黏度影響注入流體與被驅(qū)替原油的流度比。由HPAM 與P-OVR-1 和P-OVR-3 的黏濃關(guān)系曲線（圖2）可明顯看出，HPAM 的表觀黏度隨著質(zhì)量濃度的增加呈線性增大，沒有明顯的拐點(diǎn)。P-OVR-1 和P-OVR-3 存在明顯拐點(diǎn)，在低質(zhì)量濃度下增黏能力較弱，當(dāng)質(zhì)量濃度高于2 000 mg/L 左右時(shí)，聚合物降黏劑的增黏能力增強(qiáng)，這主要是由于P-OVR-1 和P-OVR-3 中疏水單體的存在，使得聚合物降黏劑存在臨界締合質(zhì)量濃度。所以，在使用該類聚合物時(shí)，其質(zhì)量濃度一般高于2 000 mg/L。對(duì)比質(zhì)量濃度為3 000 mg/L 條件下的P-OVR-1 和P-OVR-3 溶液的掃描電鏡照片（圖2）可看出，在相同放大倍數(shù)下，P-OVR-3形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更致密，這與表觀黏度的規(guī)律一致。

圖2 不同類型聚合物的黏濃關(guān)系曲線Fig.2 Viscosity-concentration curves of different kinds of polymers

由質(zhì)量濃度為3 000 mg/L 的P-OVR-1 及其加入質(zhì)量濃度為1 000 mg/L 的β-CD 的包合體系的流體力學(xué)半徑分布曲線（圖3）可以看出，P-OVR-1 的流體力學(xué)半徑分布曲線呈現(xiàn)雙峰分布，說明溶液中存在超分子聚集體。而包合體系的流體力學(xué)半徑分布曲線呈現(xiàn)單峰分布，說明由于β-CD 的包合作用，將聚合物降黏劑溶液中的疏水締合作用屏蔽，超分子聚集體消失。對(duì)于具有疏水單體的P-OVR-1 溶液來說，超分子聚集體的形成大大增加了聚合物降黏劑分子的平均流體力學(xué)半徑，從宏觀上來說，增加了聚合物降黏劑溶液的表觀黏度。

圖3 流體力學(xué)半徑分布曲線Fig.3 Distribution curves of hydrodynamic radius

2.2 聚合物降黏劑的乳化降黏性能

P-OVR-1 和P-OVR-3 為乳化型聚合物降黏劑，可將稠油分散乳化，形成水包油的乳化油滴，增加原油的流動(dòng)性。稠油變?yōu)樗腿榛偷魏螅鲃?dòng)過程中稠油分子之間的內(nèi)摩擦力可變成水分子之間的內(nèi)摩擦力，稠油的表觀黏度降低。乳化型聚合物降黏劑的稠油降黏效果取決于其乳化能力。由稠油降黏率隨P-OVR-1和P-OVR-3質(zhì)量濃度的變化（圖4）可看出，隨著聚合物降黏劑質(zhì)量濃度的增大，稠油降黏率先迅速增大，后趨于平緩最后略有降低，其中，在質(zhì)量濃度為3 000～4 000 mg/L 時(shí)降黏率最高，且P-OVR-3 降黏效果略優(yōu)于P-OVR-1。當(dāng)聚合物降黏劑質(zhì)量濃度較低時(shí)，聚合物降黏劑分子上的疏水鏈主要以分子內(nèi)締合作用為主，締合強(qiáng)度較低，分散稠油能力較弱；當(dāng)聚合物降黏劑質(zhì)量濃度較高時(shí)，疏水鏈由分子內(nèi)締合作用為主轉(zhuǎn)變?yōu)榉肿娱g締合作用為主，締合強(qiáng)度大大增加，分散稠油能力增強(qiáng)，提高聚合物降黏劑的乳化效果。另外，由于高質(zhì)量濃度聚合物降黏劑的水相黏度較高，影響聚合物降黏劑在油水界面上的快速分散。因此，隨著聚合物降黏劑質(zhì)量濃度的增加，聚合物降黏劑的水相增黏性能與稠油乳化降黏性能之間存在一種平衡。不同質(zhì)量濃度下的聚合物降黏劑形成的水包油乳狀液的平均粒徑變化規(guī)律（圖5）與降黏率的變化規(guī)律一致，形成乳狀液的粒徑越小，降黏效果越好。這也說明該類型聚合物降黏劑的乳化作用在稠油降黏中占據(jù)主導(dǎo)地位。

圖4 稠油降黏率隨聚合物降黏劑質(zhì)量濃度的變化Fig.4 Viscosity reduction rate of heavy oil with increase in polymer viscosity reducer concentration

圖5 乳狀液平均粒徑隨聚合物降黏劑質(zhì)量濃度的變化Fig.5 Average particle size of emulsion with increase in polymer viscosity reducer concentration

2.3 聚合物降黏劑溶液的表面張力

由HPAM 與P-OVR-1 和P-OVR-3 溶液的表面張力隨質(zhì)量濃度的變化（圖6）可明顯看出，HPAM的活性較低，表面張力約為70 mN/m。P-OVR-1 和P-OVR-3 溶液中由于疏水基團(tuán)的引入使其具有較好的活性，表面張力隨質(zhì)量濃度的變化基本一致，先后出現(xiàn)緩慢下降、快速下降、緩慢下降3 個(gè)階段。這與P-OVR-1和P-OVR-3的臨界締合質(zhì)量濃度有關(guān)，達(dá)到臨界締合質(zhì)量濃度后，開始形成大的聚集體，聚集行為影響聚合物降黏劑溶液的活性。

圖6 HPAM和聚合物降黏劑質(zhì)量濃度與表面張力的關(guān)系Fig.6 Relation curves between concentration and surface tension of HPAM and polymer viscosity reducer

2.4 聚合物降黏劑溶液的活性對(duì)水驅(qū)稠油油藏提高采收率的貢獻(xiàn)

為了深入認(rèn)識(shí)聚合物降黏劑溶液的活性對(duì)提高采收率的貢獻(xiàn)，在相同黏度、不同活性下，開展了聚合物降黏劑驅(qū)油實(shí)驗(yàn)。選取質(zhì)量濃度為3 000 mg/L 的P-OVR-1（表觀黏度為43 mPa·s，表面張力為49.1 mN/m）和質(zhì)量濃度為4 500 mg/L 的HPAM（表觀黏度為42.3 mPa·s，表面張力為69.7 mN/m）作為研究對(duì)象。

在油藏溫度為50 ℃下，3 000 mg/L 的P-OVR-1和4 500 mg/L 的HPAM 的降黏率分別為98.5%和35.4%。從乳狀液照片（圖7）也可看出，P-OVR-1溶液與稠油混合后可形成細(xì)小且均勻的水包油乳狀液，而HPAM 僅部分形成乳狀液，且粒徑分布不均勻，存在大量的塊狀稠油。

圖7 HPAM和P-OVR-1形成的原油乳狀液照片F(xiàn)ig.7 Pictures of crude oil emulsion formed by HPAM and P-OVR-1

由驅(qū)替實(shí)驗(yàn)結(jié)果（圖8）可知，水驅(qū)稠油油藏轉(zhuǎn)注HPAM 或P-OVR-1 溶液后，注入壓力均上升，含水率均呈不同程度的降低，采收率逐漸升高。對(duì)比P-OVR-1 與HPAM 的提高采收率效果（表2）可知，由于P-OVR-1 具有更低的表面張力，活性更高，其采收率提高值較HPAM相對(duì)提高了4.92%。

表2 HPAM與P-OVR-1，P-OVR-3提高采收率統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table2 Statistics results of enhanced oil recoveries of HPAM，P-OVR-1 and P-OVR-3

圖8 HPAM驅(qū)與聚合物降黏劑驅(qū)生產(chǎn)動(dòng)態(tài)對(duì)比曲線Fig.8 Production performances of HPAM flooding and polymer viscosity reducer floodings

對(duì)比核磁共振掃描結(jié)果（圖9），HPAM 提高小孔采收率5.45%，提高大孔采收率5.2%；P-OVR-1提高小孔采收率8.02%，提高大孔采收率7.39%。核磁共振掃描結(jié)果與巖心驅(qū)替結(jié)果一致，P-OVR-1較HPAM提高采收率效果更好。

圖9 聚合物降黏劑驅(qū)巖心核磁共振掃描圖Fig.9 NMR core scan pictures of polymer viscosity reducer floodings

2.5 聚合物降黏劑溶液的表觀黏度對(duì)水驅(qū)稠油油藏提高采收率的貢獻(xiàn)

為了深入認(rèn)識(shí)聚合物降黏劑溶液的表觀黏度對(duì)提高采收率的貢獻(xiàn)，在相同活性、不同表觀黏度下，開展了聚合物降黏劑驅(qū)油實(shí)驗(yàn)。選取質(zhì)量濃度皆為3 000 mg/L 的P-OVR-1（表觀黏度為43 mPa·s，表面張力為49.1 mN/m）和P-OVR-3（表觀黏度為62 mPa·s，表面張力為49.2 mN/m）作為研究對(duì)象。

在油藏溫度為50 ℃下，3 000 mg/L 的P-OVR-1和P-OVR-3 的降黏率分別為98.5%和99.7%。從P-OVR-3 形成的原油乳狀液照片（圖10）可看出，P-OVR-3 與稠油混合后形成的水包油乳狀液與POVR-1類似，粒徑較小且分布較均勻。

圖10 聚合物降黏劑P-OVR-3形成的原油乳狀液照片F(xiàn)ig.10 Pictures of crude oil emulsion formed by P-OVR-3

由驅(qū)替實(shí)驗(yàn)結(jié)果（圖11）可見，與轉(zhuǎn)注P-OVR-1類似，水驅(qū)稠油油藏轉(zhuǎn)注P-OVR-3 后，注入壓力上升，含水率呈不同程度的降低，采收率逐漸升高。由各階段的采收率結(jié)果（表2）可見，相比于具有相同活性的P-OVR-1，P-OVR-3 采收率提高值較其增加3.06%，原因是在相同活性條件下，P-OVR-3溶液具有更大的表觀黏度，能夠更好地改善水油流度比，因此采收率提高值更大。

對(duì)比核磁共振掃描結(jié)果（圖11），隨著注入POVR-3 以及后續(xù)水驅(qū)的進(jìn)行，巖心中含水飽和度較P-OVR-1 驅(qū)替巖心中的更高，P-OVR-3 提高小孔采收率9.59%，提高大孔采收率8.48%。

圖11 P-OVR-3驅(qū)生產(chǎn)動(dòng)態(tài)曲線與巖心核磁共振掃描圖Fig.11 Production performance of P-OVR-3 flooding and NMR scan pictures of core

統(tǒng)計(jì)對(duì)比HPAM，P-OVR-1 與P-OVR-3 對(duì)于巖心中大孔、小孔的采收率提高值可看出，與HPAM相比，在P-OVR-1，P-OVR-3 的水相增黏、油相乳化降黏作用下，大孔和小孔的采收率均有不同程度提高，其中小孔提高幅度更大。小孔剩余油主要依靠聚合物降黏劑的黏彈性采出，在大孔中主要依靠聚合物降黏劑的高活性，降低毛管壓力、黏附力和內(nèi)聚力等，實(shí)現(xiàn)柱狀殘余油和油膜的高效驅(qū)替。

3 結(jié)論

P-OVR-1 與P-OVR-3 分子中疏水單體的存在，使得聚合物降黏劑存在臨界締合質(zhì)量濃度，且使聚合物降黏劑溶液既具有較好的活性又具有很好的增黏性能。在質(zhì)量濃度為3 000 mg/L 的條件下，P-OVR-1 與P-OVR-3 溶液的表面張力分別為49.1 和49.2 mN/m。P-OVR-3 溶液的表觀黏度（62 mPa·s）高于P-OVR-1溶液的黏度（43 mPa·s）。

P-OVR-1 和P-OVR-3 具有很好的稠油降黏性能，主要通過乳化分散稠油。形成的乳狀液的粒徑越小，降黏效果越好。隨著聚合物降黏劑質(zhì)量濃度的增大，乳狀液粒徑先減小后趨于平緩，最后略有升高；降黏率先增大后平穩(wěn)，最后略有下降。聚合物降黏劑的水相增黏性能與稠油乳化降黏性能之間存在一種平衡。

對(duì)于具有油水流度控制作用的聚合物降黏劑來說，巖心中大孔和小孔中的原油提高采收率幅度和啟動(dòng)方式不同。聚合物降黏劑溶液對(duì)小孔中的原油提高采收率幅度更大。小孔中的原油主要依靠聚合物降黏劑的高黏度驅(qū)替出，高黏度具有高黏彈性；在大孔中，主要依靠聚合物降黏劑的活性，高活性可降低毛管壓力、黏附力和內(nèi)聚力等，實(shí)現(xiàn)柱狀殘余油和油膜的高效驅(qū)替。