海上油田不同种类聚合物黏弹性能实验研究

孟祥海,张云宝,李艳雯,李 翔,侯永利

(1.中海油(中国）有限公司天津分公司生产部,天津300452;2.中海油田服务股份有限公司油田生产事业部,天津 300450）

海上油田不同种类聚合物黏弹性能实验研究

孟祥海1,张云宝2,李艳雯2,李 翔2,侯永利2

(1.中海油(中国）有限公司天津分公司生产部,天津300452;2.中海油田服务股份有限公司油田生产事业部,天津 300450）

随着三次采油技术应用规模的不断扩大,聚合物驱油技术己成为油田开发的必然选择。聚合物驱油方法是在注入水中添加一定浓度聚合物,从而改变注入水的黏弹性能来提高注水波及体积和驱替效率的一种采油方法。可见,聚合物驱油技术本质就是聚合物溶液的黏弹效应,依据油田开发的实际需求,通过室内实验和理论分析,对不同种类驱油用聚合物分子形态及其黏弹性能进行了系统研究与分析,结果表明不同种类聚合物溶液黏弹性和流变性差异较大,ZKY618-2和DQ-KY聚合物性能相对较优。

聚合物;黏弹性;流变性;海上油田

石油开采数据表明,聚合物驱的采收率高于水驱的采收率,当前业界普遍认为是由于水中加入了聚合物,增大注入水的黏度,改善了驱替相与被驱替相的流度比,扩大了注入水波及系数所致;但同时,王德民院士等报道[1-3],聚合物的弹性不同程度增大了注入水的驱替效率;可见单一运用聚合物的黏性或者弹性进行优选聚合物品种是片面的,从聚合物黏弹性进行综合评价,优选适合目标井组的聚合物更具实际意义。聚合物黏弹性研究内容属于流变学范畴[4,5],流变学研究测定所采用的主要有三种基本运动学形式,第一种为稳态剪切流动;第二为非稳态剪切流,即动态流动;第三种为拉伸流;三种运动学形式都有其相应的材料函数作为流变测定的研究目标。本文主要通过稳态剪切和非稳态剪切流动方式对六种聚合物进行黏弹性评价,优选适合目标井组的聚合物。

1 实验条件

1.1 实验材料

根据聚合物驱油机理,参考国内外几十种聚合物的主要性能指标,选取6种驱油用聚合物进行黏弹性能对比实验,其主要理化性能指标见表1。

表1 聚合物理化性能指标检测结果Tab.1 Test results of physical and chemical properties of polymer

聚合物均为部分水解聚丙烯酰胺,实验用水为渤海油田某区块用水,具体水质分析结果见表2。聚合物水溶液质量浓度为1 000 mg/L,实验温度为70℃。

表2 水质分析结果Tab.2 Water quality analysis results

1.2 实验仪器

聚合物溶液黏弹性评价采用RS600应力流变仪测定。

2 结果分析

2.1 稳态剪切流动

聚合物的流变性能通过稳态剪切流动测试来表征,“稳态剪切流动实验”是指在比较宽的剪切速率范围内研究聚合物溶液的黏性和弹性的变化,在稳态简单剪切流动中,剪切黏度是聚合物溶液黏性的表征,第一法向应力差是聚合物溶液弹性的表征。

2.1.1 黏性表征

DQ-KY、FG-SNF、BJ-HJ、RB-SL、ZKY618-2 和XN-DH等6种聚合物溶液的视黏度与剪切速率关系曲线见图1。从图1可以看出,随着剪切速率增大,在较低剪切速率范围内,聚合物溶液视黏度急剧下降,表现出假塑性流体特征。在剪切速率达到一定值时,聚合物溶液视黏度基本稳定,表现出牛顿流体特征。该性质主要体现聚合物内部分子相互作用的结果,黏性越大,扩大波及效果越强,相比而言DQ-KY聚合物更利于扩大注入水波及体积。

图1 视黏度与剪切速度关系曲线Fig.1 Relationship of apparent viscosity and shear rate

2.1.2 弹性表征

6种聚合物溶液的第一法向应力差与剪切速率关系曲线见图2。

图2 第一法向应力与剪切速率变化关系Fig.2 Relationship of first normal stress and shear rate

第一法向应力差是聚合物弹性表现的实质原因,从图2可以看出,六种聚合物第一法向应力差均是随着剪切速率的增加而增大,其中BJ-HJ聚合物在剪切速率达到100 s-1以上时,第一法向应力仍存在并保持继续增大趋势;DQ-KY和ZKY618-2聚合物在0～100 s-1剪切速率范围内,表现值相对较大,这使得该两种聚合物具有更好的弹性表现,更有利于注入介质波及范围内驱替效率的提高。

2.2 动态剪切流动

动态黏弹性研究不是施加恒定应力产生稳态流动,而是给黏弹性样品施加振荡应力或振荡应变。用旋转流变仪进行振荡实验,转子不再朝一个方向连续旋转,而是以正弦时间函数的方式左右交替地偏转一个小角度。被剪切的样品,被强制地以同样的正弦函数方式应变,在样品中产生阻抗应力,应力振荡振幅与实验样品的特性有关。以下为黏弹性流体受振荡应力时的黏弹性响应,其应力与应变响应相差0～90°之间,复合模量 G＊代表物质反抗施加应变的总阻力:

式中:G′为储能模量,代表弹性能量的存储,可以恢复。如样品弹性、结构好,则其储能模量 G′大;结构破坏,储能模量 G′下降。G″为损耗模量,意味着初始流动所用能量是不可逆损耗,已转换为剪切热。如样品主要为黏性,则其损耗模量 G″大。

2.2.1 储能模量与振荡频率关系

6种聚合物溶液的储能模量与振荡频率关系曲线见图3。

图3 储能模量与震荡频率关系曲线Fig.3 Relationship of storage modulus and oscillation frequency

从图3曲线的变化趋势可以看出,在较低的频率范围内,XN-DH、ZKY618-2和DQ-KY聚合物溶液的储能模量随着振荡频率的增大而下降,但随着频率的继续增大,储能模量有所增加。BJ-HJ、RB-SL和FG-SNF聚合物溶液储能模量随着振荡频率的增大而增加,说明弹性随着频率的增加而增大。

同时还可以看出,当震荡频率增加到一定值时,聚合物溶液的弹性消失。在整个实验的频率范围内,相对ZKY618-2和DQ-KY聚合物溶液具有较宽的频率弹性区和较高的弹性能量,更加适合多孔介质内的较宽范围内的剪切变化,会使得驱替效果更好和长效。

2.2.2 损耗模量与振荡频率关系

6种聚合物溶液的损耗模量与振荡频率关系曲线见图4。

图4 损耗模量与震荡频率关系曲线Fig.4 Relationship of loss modulus and oscillation frequency

从图4曲线的变化趋势可以看出,聚合物溶液损耗模量随着振荡频率的增加而增大,表现出了聚合物溶液具有较大的黏性。当频率增大到3.16 Hz时,DQ-KY、RB-SL和BJ-HJ表现出了非线性黏弹性,使溶液的黏弹性研究失去了意义,但相比而言,ZKY618-2和DQ-KY两种聚合物更具优势。

2.2.3 模量与振荡频率关系

6种聚合物溶液的模量(黏弹性）与振荡频率关系曲线分别见图5～图10。

图5 ZKY618-2聚合物的模量与震荡频率关系曲线Fig.5 Relationship of modulus and oscillation frequency in polymer ZKY618-2

图6 BJ-HJ聚合物的模量与震荡频率关系曲线Fig.6 Relationship of modulus and oscillation frequency in polymer BJ-HJ

图7 DQ-KY聚合物的模量与震荡频率关系曲线Fig.7 Relationship of modulus and oscillation frequency in polymer DQ-KY

图8 RB-SL聚合物的模量与震荡频率关系曲线Fig.8 Relationship of modulus and oscillation frequency in polymer RB-SL

从图5～图10可以看出,在有效的频率变化范围内ZKY618-2、DQ-KY和 XN-DH聚合物溶液的储存模量均大于损耗模量,聚合物溶液以弹性为主。当频率小于0.464 Hz时,RB-SL聚合物溶液的储存模量小于损耗模量,聚合物溶液以黏性为主;当频率大于0.464 Hz时,储存模量大于损耗模量,聚合物溶液以弹性为主。BJ-HJ和FG-SNF聚合物溶液,在有效频率变化范围内储存模量均小于损耗模量,聚合物溶液主要以黏性为主。

图9 FG-SNF聚合物的模量与震荡频率关系曲线Fig.9 Relationship of modulus and oscillation frequency in polymer FG-SNF

图10 XN-DH聚合物的模量与震荡频率关系曲线Fig.10 Relationship of modulus and oscillation frequency in polymer XN-DH

同时,从图中曲线变化趋势还可以看出,6种聚合物溶液的黏性频率变化范围均比弹性频率变化范围宽。此外,ZKY618-2和DQ-KY两种聚合物相比模量值响应较大,综合性能最优。

2.3 机理探讨

在稳态测试中,黏性是指聚合物溶液在外力作用下流动时的黏滞性,它表示聚合物溶液流动时的内摩擦的大小。在分子链结构一定的条件下,凡是影响聚合物溶液分子链间作用力大小的因素都将影响聚合物溶液的黏性。弹性是指聚合物溶液在外力作用下产生高弹形变,即分子链在外力作用下取向,外力去除后分子链自发蜷曲的性质。在聚合物溶液中,分子链间作用力的大小决定了溶液弹性的好坏。

在动态测试中,黏性是指聚合物溶液在应力作用下溶液变形过程中能量的消耗,黏性与溶液中大分子的构象、溶剂和溶质分子的尺寸、聚合物的浓度等因素有关;而弹性是指聚合物溶液在应力作用下溶液变形过程中能量的储存,与溶液内聚合物分子链间作用以及形成的结构有关。

基于聚合物驱油机理本质在于聚合物溶液的黏弹效应,可见通过稳态及动态测试来表征聚合物的本质特性更加符合实际,更能降低措施风险,指导矿场实践。

3 结论

(1）相同实验条件下,不同种类聚合物黏弹性存在差异,且其黏性频率变化范围均比弹性频率变化范围宽。

(2）稳态及非稳态剪切实验评价方法均属于聚合物分子力学范畴,能够客观反映多孔介质内的黏弹效应,ZKY618-2和DQ-KY聚合物具有较宽的频率变化范围和较高的黏弹效应。

[1]王德民,程杰成,杨清彦.黏弹性聚合物溶液能够提高岩心的微观驱油效率[J].石油学报,2000,21(5）:45-51.

[2]蒲万芬,彭彩珍,杨清彦,等.聚合物溶液在孔隙介质中的蠕变回复和驱油效率[J].西南石油学院学报,2000,22(2）:62-66.

[3]王德民.黏弹性流体的特殊性对油藏工程地面工程及采油工程的影响[J].大庆石油学院学报,2001,25(3）:46-52.

[4]夏惠芬.粘弹性聚合物溶液在油藏中的流动及提高微观驱油效率的机理[D].大庆石油学院博士学位论文,2001.

[5]祝仰文,张以根,刘坤,等.HPAM溶液驱油过程中弹性作用的探讨[J].西南石油学院学报,2002,24(6）:64-67.

Experimental study of different types of polymer viscoelastic in offshore oilfields

Meng Xianghai1,Zhang Yunbao2,Li Yanwen2,Li Xiang2,Hou Yongli2
(1.Production Department,Tianjin Branch of CNOOC Ltd.,Tianjin 300452;2.Production Optimization,China Oilf ield Services Limited,Tianjin 300450）

With the expanding application of tertiary oil recovery technology,the polymer flooding technology has become an inevitable choice for oilfield development.Polymer flooding method is to add a certain concentration of polymer into the water,thus change the viscoelastic injection water to improve water swept volume and the efficiency of oil displacement.The essence of polymer flooding technology is the viscoelastic effectsof polymer solution,based on our actual needsof oil field development,through laboratory experiments and theoretical analysis,systematic research and analysis was done using different types of polymer on its viscoelastic properties.The results showed that viscoelasticity and rheology of different types of polymer solution is quite different,“ZKY618-2”and“DQ-KY”are relatively better in performance.

polymer;viscoelastic;rheology;offshore oilfield

TE357.46

A

10.3969/j.issn.1008-2336.2011.01.058

1008-2336(2011）01-0058-05

中海油(中国）有限公司重点科研矿场试验项目(编号:C/KJFZHY002-2009）

2010-10-28;改回日期:2010-12-24

孟祥海,男,1976年生,工程师,主要从事油田技术的研究与管理工作。E-mail:mengxh2@cnooc.com.cn。