低分子量聚合物黏度特性研究

苑丹丹，吴红军，张 帆，董 晶，2，王宝辉

（1.东北石油大学 化学化工学院，黑龙江 大庆 163318；2.大庆油田有限责任公司，黑龙江 大庆 163313）

0 引 言

近年来，我国主要油田进入化学驱油阶段，特别是大庆油田特别适应聚合物驱油技术的物化环境性，聚合物驱采油技术是大庆油田提高原油采收率的一个重要技术，已经进行大面积工业化应用，取得了较好的驱油效果和大量的经验，总体技术为世界领先水平[1－5]。简单的说，聚合物驱油是通过注入水加入可溶性聚丙烯酰胺（PAM），增大注入水的黏度，增加注入水的波及效率。注入的聚合物溶液黏度越高，油层宏观和微观波及效率就越大，采收率就越高，多年的研究和工业实践表明，提高和保持聚合物溶液黏度致关重要[6－12]。在相同条件下，聚合物分子量越高溶液黏度越大，因此应尽可能选择分子量高的聚合物。但在聚合物应用时，要求聚合物相对分子质量与岩石渗透率匹配，研究发现，当保持聚合物溶液黏度为20mPa·s情况下，随着聚合物相对分子质量的提高，吨聚合物增油量提高，驱油成本大幅度降低[13－16]。但由于大庆油田三类油层渗透率非常低，上千万分子量的聚合物不适用，而400万分子量的聚丙烯酰胺应用效果较差，所以根据大庆油田地质及聚合物应用情况，筛选出浓度、温度、黏土、蒙托土和盐主要控制因子对800万低分子量聚合物溶液黏度的影响进行试验。

1 试验部分

1.1 仪器和试剂

仪器：DV－II＋型旋转黏度计，Brookfield公司；921型磁力加热搅拌器，上海南汇电讯器材厂。

试剂：CaCl2（分析纯）、MgCl2（分析纯）、聚丙烯酰胺（分子量为800万、大庆油田提供）、采出液（矿化度在3000～6000mg／L之间、大庆油田提供））

1.2 聚合物溶液的配制方法

将800万分子量HPAM缓慢加入搅拌的配制水中，在低速下搅拌2h，配制成所需浓度的聚丙烯酰胺溶液，所配样品静置熟化12h后，即得实验样品溶液。

1.3 溶液黏度的测定方法

采用美国Brookfield DV-II＋PRO黏度计测定聚合物溶液的黏度，测出的黏度即表观黏度，是指剪切应力与剪切速率之比。配好聚合物溶液后，取出溶液放入黏度计的恒温加热筒内，根据待测溶液的黏度范围选择相应的转子，安装转子和加热筒，在选定的温度下将溶液静置恒温20min后，在指定剪切速率下旋转，每隔5min读数一次，待读数稳定后记下读数。本研究所用聚合物溶液在转速6 rpm（剪切速率7.34s－1），ULA 转子和（45±0.1）℃恒温条件下测定溶液的黏度。

2 结果与讨论

2.1 浓度对低分子量聚合物黏度的影响

本实验用现场配制水配制聚丙烯酰胺溶液，在45℃温度下，考察不同聚丙烯酰胺浓度（C＝300、500、800、1100、1300mg／L）对黏度的影响情况，实验结果见图1。

图1 聚丙烯酰胺溶液的黏度随浓度的变化Fig.1 Viscosity of polyarcylamide solution changes with the concentration

由图1可见，聚合物溶液黏度随浓度的升高而增大，浓度从300ppm增至1300ppm，浓度增加4.3倍时，黏度增加了约15倍。因为聚合物溶液浓度升高时，溶液中单位体积内的分子数就越多，分子间的吸引力增强，相互缠结的作用加强，导致溶液黏度增加。

2.2 温度对低分子量聚合物黏度的影响

在聚合物应用过程中，环境温度不同可能会对聚合物溶液的黏度产生影响，用现场配制水配制浓度为1100mg／L的聚丙烯酰胺溶液，将配制好的溶液置于不同温度下（T＝35、40、45、50、55℃），考察温度对其黏度的影响情况，实验结果见图2。

由图2可见，聚合物溶液的黏度对温度较为敏感，随温度的升高，黏度呈线性降低，温度从35℃升高至55℃时，黏度损失率为19.5%。主要原因是在低温下高分子PAM辅展的体积较大，束缚了大量 “自由”溶剂分子的运动使溶液产生高黏性。随着温度升高溶剂分子运动加剧，分子摆脱束缚，可以自由运动，分子间氢健被破坏，PAN分子链解缠结，从而使溶液黏度下降，另一方面，随着温度的升高，水解性越大，使溶液粘度损失率越大。

图2 聚丙烯酰胺溶液的黏度随温度的变化Fig.2 Viscosity of polyacrylamide solution changes with the temperature

2.3 悬浮物对低分子量聚合物黏度的影响

聚合物溶液在岩石中运移时，地层岩石中含有的悬浮物可能影响聚合物溶液的黏度，主要考察地层中的黏土和蒙脱土对低分子量聚合物黏度的影响。

2.3.1 黏土对低分子量聚合物黏度的影响

用配制水配制浓度为1100mg／L的聚丙烯酰胺溶液，在45℃温度下，考察未加黏土及加入不同量黏土（C＝50、100、150、250、500mg／L）时黏土含量对黏度的影响情况，实验结果见图3。

图3 聚丙烯酰胺溶液的黏度随黏土浓度的变化Fig.3 Viscosity of polyacrylamine solution changs with the concentration of clay

由图3可见，黏土含量的增加会使聚合物黏度降低，当黏土由0mg／L增至250mg／L时，对黏度的影响程度较小，黏度损失率为1.8%，当黏土含量增至500mg／L时，黏度损失率为6.0%。

2.3.2 蒙脱土对低分子量聚合物黏度的影响

用配制水配制浓度为1100mg／L的聚丙烯酰胺溶液，在45℃温度下，考察未加蒙脱土及加入不同量蒙脱土（C ＝ 50、100、150、250、500mg／L）时不同含量的蒙脱土对黏度的影响情况，实验结果见图4。

图4 聚丙烯酰胺溶液的黏度随蒙脱土浓度的变化Fig.4 Viscrosity of polyacrylamide solution changes with the concentraturn of montmorillonite

由图4可见，蒙脱土对聚合物的黏度有一定的影响，随着蒙脱土含量的增加，聚合物溶液黏度下降，当蒙脱土由0mg／L增至250mg／L时，其影响程度较小，黏度损失率为2.8%，当黏土含量增至500mg／L时，黏度损失率为6.4%。

2.4 水中盐对低分子量聚合物黏度的影响

PAM在配制、注入及驱油过程中，会与矿化度较高的水混合，水中盐类对其黏度有很大影响。通常地下水中所含无机盐类有Na2CO3、NaHCO3、KCl、MgCl2和NaCl等。对部分水解PAM黏度影响较大的是其中的阳离子，即Na＋、K＋、Ca2＋和Mg2＋。试验油田地下水为NaHCO3型，根据大庆油田水质，考察钙、镁离子和矿化度对低分子量聚合物溶液黏度的影响。

2.4.1 钙、镁阳离子对低分子量聚合物黏度的影响

由于配制水和地层水中均含有约几十mg／L的钙、镁离子，本实验采用L2聚合物，用配制水配制浓度为1100mg／L的聚丙烯酰胺溶液，向其中加入不同质量的氯化钙、氯化镁（固定钙、镁离子浓度比为3∶1），在45℃温度下，考察不同浓度的二价离子（C二价离子＝10、20、40、80、120mg／L）对其黏度的影响情况，实验结果见图5。

图5 聚丙烯酰胺溶液的黏度随钙、镁离子浓度的变化Fig.5 Viscosity of polyacrylamide solution changes with the concentration of calcium and magnesium ions

由图5可见，聚合物溶液黏度对钙镁阳离子非常敏感，黏度随着钙镁浓度的升高呈指数性降低。钙镁离子浓度从0mg／L增至120mg／L时，黏度损失率为86.9%。二价阳离子使聚丙烯酰胺溶液黏度大幅度降低的原因是由于带负电的PAM通过-COO-与Ca2＋、Mg2＋间的静电吸引力，或由HPAM分子中的负电子基团-NH2－和金属离子Ca2＋、Mg2＋形成配位键。由于二价离子与聚丙烯酰胺分子的吸附与键合，减弱了聚丙烯酰胺分子间的作用力，从而改变聚丙烯酰胺分子的排列构型和空间结构，结果使聚合物分子链收缩与卷曲，同时二价离子与聚丙烯酰胺分子形成絮凝结构，在宏观上表现为溶液的黏度降低。

2.4.2 矿化度对低分子量聚合物黏度的影响

现场采出液矿化度在3000～6000mg／L之间，模拟现场采出液矿化度向其中加入不同量的模拟矿化水，考察矿化度对聚合物溶液黏度的影响。实验前配制矿化度为6000mg／L的模拟矿化水，模拟矿化水水质见表1。

表1 模拟矿化水水质Table1 Mineralization of water quality simulation ／mg·L－1

在45℃温度下，向配制液中加入不同量模拟矿化水（使溶液矿化度约为：2000、3000、4000、5000、6000mg／L），配制成浓度为1100mg／L的聚丙烯酰胺溶液，考察矿化度对聚合物溶液黏度的影响。实验结果见图6。

由图6可见，矿化水配制的聚丙烯酰胺溶液的黏度明显低于现场配制水配制的聚丙烯酰胺溶液的黏度。聚合物溶液的黏度对矿化度非常敏感，黏度随矿化度的升高呈指数性降低，矿化度从300mg／L增至6000mg／L时，黏度损失率为76.3%。

3 结 论

根据大庆油田地质及聚合物应用情况，筛选出浓度、温度、黏土、蒙托土和盐主要控制因子对800万低分子量聚合物溶液黏度的影响进行了试验，可以得出如下结论：

图6 聚丙烯酰胺溶液的黏度随矿化度的变化Fig.6 Viscosity of polyacrylamide solution changes with the salinity

1）低分子聚合物溶液黏度随浓度的升高而增大，因为聚合物溶液浓度升高时，溶液中单位体积内的分子数就越多，分子间的吸引力增强，相互缠结的作用加强，导致溶液的黏度越大。

2）低分子聚合物溶液的黏度对温度较为敏感，随温度的升高，黏度呈线性降低，主要原因是在低温下高分子PAM铺展的体积较大，束缚了大量“自由”溶剂分子的运动，使溶液产生高黏性。随着温度的升高溶剂分子运动加剧，分子摆脱束缚，可以自由运动，分子间氢键被破坏，PAM分子链解缠结，从而使溶液黏度下降。另一方面，随着温度的升高，水解度越大，使溶液黏度损失率越大。

3）黏土和蒙脱土含量的增加会使低分子聚合物黏度降低。由于PAM的吸附与键合，使得固悬物颗粒（黏土）的 “边”– “面”吸附形成的堆积结构变为絮凝体结构。PAM与固悬物形成稳定的结构，压缩双电层，电负性减少，产生絮凝作用；阳离子所带电荷抑制PAM中羧基离子的电斥力，结果导致PAM分子线团卷曲，部分金属离子和PAM产生絮凝，整个变化过程使溶液黏度降低。

4）低分子聚合物溶液黏度对钙镁阳离子和矿化度非常敏感，黏度随着钙镁浓度的升高呈指数性降低。与其它离子相比，二价阳离子对HPAM黏度的影响更显著。

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