聚丙烯酰胺提高油田采收率的原理

于力恒

（大慶油田化工有限公司，黑龍江大慶 163114）

在通過聚丙烯酰胺進(jìn)行油田開采作業(yè)的過程中，為實(shí)現(xiàn)其采收率的進(jìn)一步提升，油田企業(yè)、研究者和相關(guān)技術(shù)人員首先需要對(duì)聚丙烯酰胺的理化特征及其在油田中的適用條件加以明確，然后對(duì)其在油田采收率提升中的主要作用原理進(jìn)行分析，同時(shí)應(yīng)結(jié)合當(dāng)今油田開采的實(shí)際情況及其實(shí)際需求，對(duì)聚丙烯酰胺在其中的主要發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行科學(xué)分析。通過這樣的方式，才可以讓聚丙烯酰胺在油田開采中發(fā)揮出充分的驅(qū)油優(yōu)勢(shì)，以此來確?，F(xiàn)代油田的開采效率，進(jìn)一步滿足當(dāng)今社會(huì)對(duì)于石油的應(yīng)用需求，促進(jìn)油田企業(yè)的良好經(jīng)營與發(fā)展。

1 聚丙烯酰胺概述

1.1 聚丙烯酰胺簡介

聚丙烯酰胺是由丙烯酰胺均聚物或和其他單體共聚形成的一種水溶性高分子聚合物。因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)單元中有酰胺基存在，且很容易形成氫鍵，所以聚丙烯酰胺的水溶性良好，且化學(xué)活性也很高，在交聯(lián)或接枝作用下，便可實(shí)現(xiàn)多種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)或支鏈結(jié)構(gòu)改性物的獲得。這些改性物可以在農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、造礦、造紙、紡織、水處理以及石油開采等領(lǐng)域中用作助劑，目前已經(jīng)在諸多領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用[1]，尤其是在石油開采領(lǐng)域中，聚丙烯酰胺更是發(fā)揮著至關(guān)重要的驅(qū)油作用。

1.2 聚丙烯酰胺的理化特性分析

在常溫條件下，聚丙烯酰胺為白色顆?；蚍勰诟邷貤l件下，聚丙烯酰胺將會(huì)出現(xiàn)玻璃化、軟化、熱分解等情況。完全干燥的聚丙烯酰胺會(huì)呈現(xiàn)出白色固體狀態(tài)，且具有一定的脆性。在水中，聚丙烯酰胺極易溶解，水的pH、溫差以及攪拌時(shí)間都會(huì)對(duì)其溶解性產(chǎn)生直接影響。而在很多的有機(jī)溶劑中，聚丙烯酰胺都不溶，即使溶解，其溶解程度也會(huì)非常有限，且只有在加熱情況下才可以部分溶解。表1為聚丙烯酰胺的主要物理性能參數(shù)。

表1 聚丙烯酰胺的主要物理性能參數(shù)

因?yàn)榉肿渔I側(cè)基的酰胺基非常活潑，所以聚丙烯酰胺聚合物能夠產(chǎn)生很多化學(xué)反應(yīng)。表2為聚丙烯酰胺的幾種主要化學(xué)反應(yīng)原理及其應(yīng)用情況。

表2 聚丙烯酰胺的幾種主要化學(xué)反應(yīng)原理及其應(yīng)用情況

1.3 聚丙烯酰胺所適用的油藏條件

在石油開采過程中，聚丙烯酰胺的應(yīng)用可顯著提升其采收率，但是由于受到自身理化特性的影響，聚丙烯酰胺并非在所有油藏條件中都適用。就目前來看，聚丙烯酰胺所適用的油藏條件主要包括以下幾個(gè)方面：第一，對(duì)于非均質(zhì)油藏，因?yàn)榉蔷|(zhì)地層的影響，使其對(duì)于儲(chǔ)層中的滲透率變異系數(shù)具備一定要求。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，在儲(chǔ)層中的變異系數(shù)為0.7以下時(shí)，聚丙烯酰胺便可發(fā)揮出良好的驅(qū)油效果。第二，因?yàn)榫郾０返幕瘜W(xué)活性很高，且受熱容易分解，所以在一些深度較大的油層中，由于其中的溫度以及水礦化度的增加，聚丙烯酰胺也會(huì)出現(xiàn)降黏分解情況。雖然目前的研究依然無法對(duì)地層溫度和深度之間的關(guān)系標(biāo)準(zhǔn)加以科學(xué)建立，但是在以往的實(shí)踐應(yīng)用和研究中，人們普遍認(rèn)為，只有在油層溫度處于70℃及以下的條件下，聚丙烯酰胺才可以發(fā)揮出較好的驅(qū)油效果[2]。第三，在通過聚丙烯酰胺進(jìn)行驅(qū)油的過程中，原油黏度也會(huì)對(duì)其驅(qū)油效果產(chǎn)生很大程度的影響。如果原油具有較高黏度，其滲透阻力便會(huì)較大，驅(qū)油中的驅(qū)替壓差會(huì)增加，這樣便可顯著提升聚丙烯酰胺的驅(qū)油效果。但是如果原油黏度不足，水驅(qū)采收率便會(huì)提升，從而導(dǎo)致聚丙烯酰胺無法發(fā)揮出顯著的驅(qū)油效果。基于此，在具體的采油過程中，采油企業(yè)還需要合理確定油藏中的原油黏度范圍，在確保原油黏度足夠的情況下才可以讓聚丙烯酰胺發(fā)揮出良好的驅(qū)油效果。第四，對(duì)于聚丙烯酰胺的驅(qū)油效果而言，其本身的注入黏度和注入速度也具有很大程度的影響作用。聚丙烯酰胺聚合物的注入黏度越大、注入速度越快，其驅(qū)油效果就越好，持續(xù)作用時(shí)間也會(huì)越長（通?？沙掷m(xù)幾年 時(shí)間）。

2 聚丙烯酰胺提高油田采收率的主要原理分析

2.1 通過流度比的優(yōu)化來提高油田采收率

在油田開采工藝中，通過聚丙烯酰胺提升其采收率的一項(xiàng)重要機(jī)理就是將水相流度比降低。在對(duì)非均質(zhì)地層中的油藏實(shí)施水驅(qū)時(shí)，其進(jìn)水現(xiàn)象通常會(huì)比較嚴(yán)重。之所以會(huì)出現(xiàn)這樣的情況，是因?yàn)榉蔷|(zhì)地層中的地質(zhì)構(gòu)造十分復(fù)雜，從而對(duì)油田水驅(qū)效果產(chǎn)生了不良影響。而在將含有聚丙烯酰胺的水注入到油層中之后，便可讓非均質(zhì)地層對(duì)于驅(qū)替作用所產(chǎn)生的不良影響得以顯著降低，從而實(shí)現(xiàn)平面波的良好改善，并實(shí)現(xiàn)油田驅(qū)替效率的進(jìn)一步提升。

對(duì)于非均質(zhì)垂直地層中的油藏而言，當(dāng)聚丙烯酰胺溶液被注入地層之后，會(huì)先將高滲透層“堵”住，使水驅(qū)能夠順利地進(jìn)入到低滲透層中繼續(xù)驅(qū)替[3]。在此過程中，借助于聚丙烯酰胺溶液所具有的高黏度特性，不僅可實(shí)現(xiàn)波及體積的進(jìn)一步增加，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)油效率的顯著提升。

對(duì)于均質(zhì)地層而言，由于注入水黏度和原有黏度之間具有較大的差異性，所以水驅(qū)效果也會(huì)受到一定程度的不良影響。在這樣的情況下，可以將含有聚丙烯酰胺的水注入其中，讓注入水具有更高的黏度，這樣便可實(shí)現(xiàn)水相滲透率的有效降低，使油田中含水率上升的情況得以有效延緩，從而提升油田的驅(qū)替效果，使其采收率得以有效提高。

2.2 通過黏滯效應(yīng)來提高油田采收率

在將含有聚丙烯酰胺的驅(qū)油水注入到油田地層中之后，借助于聚丙烯酰胺所具有的黏彈性效應(yīng)，可將水相黏度增加，從而降低其在地層中的滲透率，這樣便可有效降低油相滲流過程中的摩擦阻力，達(dá)到良好的驅(qū)油效果。在流動(dòng)通道內(nèi)，聚丙烯酰胺溶液分子可“填平”或“拉伸”通道中的凹陷，這樣便可讓孔隙夾縫中存在的“海恩斯跳躍”（由多孔隙形成的毛細(xì)網(wǎng)絡(luò)使孔隙截面瞬息萬變極不平衡，從而對(duì)滲流效果產(chǎn)生無規(guī)律的不良影響）得以有效消除[4]。在這樣的情況下，孔道內(nèi)部的殘余油將會(huì)呈現(xiàn)出活塞式推進(jìn)形式，從而讓原油采收率在微觀角度上得以顯著提升。

2.3 通過吸附作用來提高油田采收率

在油藏通道內(nèi)，聚丙烯酰胺溶液通過時(shí)將會(huì)對(duì)其孔隙表面產(chǎn)生很大程度的吸附作用。在這樣的情況下，聚丙烯酰胺會(huì)吸附在孔隙表面上，從而將孔隙中的水體封堵住，且不會(huì)對(duì)油液流動(dòng)產(chǎn)生影響。借助于這一吸附作用，可使油田采收過程中的孔隙介質(zhì)具有更低的滲透率和更高的滲透阻力與驅(qū)動(dòng)壓差。通過這樣的方式，便可讓油層具有更大的波及體積，從而實(shí)現(xiàn)油田采收率的進(jìn)一步提升。

3 聚丙烯酰胺在油田開采中的主要發(fā)展趨勢(shì)分析

為有效適應(yīng)當(dāng)今油田開采的實(shí)際工作需求，提升油田采收率，聚丙烯酰胺也應(yīng)該朝著更加先進(jìn)的方向發(fā)展。就目前的油田開采技術(shù)實(shí)際應(yīng)用及其發(fā)展情況來看，聚丙烯酰胺在其中的主要發(fā)展趨勢(shì)包括兩個(gè)方面，第一是實(shí)現(xiàn)抗鹽性和耐高溫性的進(jìn)一步提升，第二是朝著超高相對(duì)分子量的方向發(fā)展。

3.1 抗鹽性和耐高溫性的提升

對(duì)于油田采收率而言，普通形式的聚丙烯酰胺確實(shí)可以起到良好的促進(jìn)作用，且其應(yīng)用價(jià)值也比較好。但是就實(shí)際應(yīng)用而言，聚丙烯酰胺依然具有相應(yīng)的局限性，其中最為典型的局限性有兩個(gè)，第一是普通形式的聚丙烯酰胺并不具備足夠的抗鹽能力，第二是普通形式的聚丙烯酰胺并不具備足夠高的耐高溫能力。而在遇到此類情況時(shí)，聚丙烯酰胺將很容易出現(xiàn)不良變化，從而對(duì)其應(yīng)用效果產(chǎn)生不利影響，導(dǎo)致油田采收達(dá)不到理想的 效率。

基于此，很多研究者開始對(duì)普通形式的聚丙烯酰胺進(jìn)行不斷地開發(fā)與改進(jìn)，并將一些具有良好抗鹽性以及耐高溫性特征的結(jié)構(gòu)體或基團(tuán)注入到了聚丙烯酰胺中，從而讓新型的聚丙烯酰胺具備了更好的抗鹽性和耐高溫性特征。比如，在將R-SO3H注入到聚丙烯酰胺中之后，制成的新型聚丙烯酰胺就具備了更好的抗鹽性以及耐高溫性特征，此種新型聚丙烯酰胺也被叫做抗鹽耐高溫聚丙烯酰胺。

但是在當(dāng)今，抗鹽耐高溫形式的新型聚丙烯酰胺依然并未被廣泛應(yīng)用到油田開采領(lǐng)域中。之所以會(huì)出現(xiàn)這樣的情況，是因?yàn)閼?yīng)用在其中的結(jié)構(gòu)體或基團(tuán)數(shù)量依然較為稀少，這些現(xiàn)實(shí)問題需經(jīng)過進(jìn)一步的研究來解決。但是自從此類新型聚丙烯酰胺出現(xiàn)之后，聚丙烯酰胺在油田開采領(lǐng)域中也獲得了一個(gè)全新的發(fā)展思路和發(fā)展方向。既然其抗鹽性和耐高溫性能可以通過相應(yīng)結(jié)構(gòu)物或基團(tuán)注入的方式來進(jìn)行改進(jìn)，那么對(duì)于聚丙烯酰胺的其他局限性，也可以嘗試著通過相應(yīng)結(jié)構(gòu)物或基團(tuán)注入的方式來實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步改良。比如，可通過一定的結(jié)構(gòu)物或基團(tuán)注入的方式來提升聚丙烯酰胺自身的耐水解能力。這樣不僅可有效促進(jìn)聚丙烯酰胺制作工藝的進(jìn)一步發(fā)展及其應(yīng)用性能的不斷提升，同時(shí)也可以為油田采收率的提升提供更多幫助。

3.2 超高相對(duì)分子量方向的發(fā)展

超高相對(duì)分子量就是具有很大的分子量，如果聚丙烯酰胺具備了這一特征，其黏度將會(huì)變得很高，且不易在各種影響因素作用下出現(xiàn)黏度下降情況。這樣的聚丙烯酰胺不僅會(huì)具備更強(qiáng)的黏滯效應(yīng)，同時(shí)也會(huì)具備更好的吸附作用，將其應(yīng)用到油田開采中，便可實(shí)現(xiàn)油田采收率的顯著提升。同時(shí)，如果聚丙烯酰胺具有了超高相對(duì)分子量，其抗剪切作用也會(huì)更加良好，從而使其在“海恩斯跳躍”現(xiàn)象應(yīng)對(duì)中的表現(xiàn)更加突出，且其穩(wěn)定性也會(huì)變得非常強(qiáng)，即使是在一定的維度條件下，如果聚丙烯酰胺具備了超高相對(duì)分子量，其黏度降低幅度也會(huì)變得非常小，從而具備更好的穩(wěn)定性。

基于此，已經(jīng)有越來越多的研究者開始對(duì)此種聚丙烯酰胺進(jìn)行研究，且獲得了一定的研究成果。目前，已經(jīng)有相對(duì)分子量超高的聚丙烯酰胺被研制出來，且在我國的大慶油田開采中投入應(yīng)用。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，具有超高相對(duì)分子量的新型聚丙烯酰胺可顯著提升油田采收率，與普通形式的聚丙烯酰胺相比，其采收率可提高20%左右。

但是由于此種新型聚丙烯酰胺的研究和應(yīng)用時(shí)間都比較短，所以并未在我國的油田開采工作中得以全面普及。但是相信隨著此項(xiàng)聚丙烯酰胺改進(jìn)工藝的發(fā)展及其應(yīng)用質(zhì)量的提升，具有超高相對(duì)分子量的聚丙烯酰胺將會(huì)在我國未來的油田開采中得以廣泛應(yīng)用，并在其中發(fā)揮出更好的驅(qū)油效果，從而實(shí)現(xiàn)油田采收率的進(jìn)一步提升。

4 結(jié)語

聚丙烯酰胺是油田開采領(lǐng)域中的一種主要驅(qū)油物質(zhì)。將聚丙烯酰胺溶液合理注入到油藏地層中，便可充分發(fā)揮出其驅(qū)油效果，從而實(shí)現(xiàn)油田采收率的顯著提升?；诖耍谟吞镩_采過程中，油田企業(yè)、研究者和技術(shù)人員應(yīng)充分注重聚丙烯酰胺的作用機(jī)理，并以此為依據(jù)，對(duì)聚丙烯酰胺加以合理應(yīng)用，同時(shí)也需要對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的研究與改進(jìn)，使其在原有基礎(chǔ)上具備更好的驅(qū)油作用優(yōu)勢(shì)。