三次采油用聚合物黏弹性评价新方法

吴淑云

中国石油大庆油田有限责任公司勘探开发研究院 （黑龙江 大庆 163712）

聚合物溶液黏弹性对驱油效率具有重要影响，这一观点被越来越多专家学者认可[1-4]。以前用来检测聚合物溶液黏弹性的指标是筛网系数。由于筛网系数的物理意义不明确，不能准确地表征聚合物溶液的黏弹性。因此，在实际工作中没有用于方案设计。对以往筛网系数的检测结果进行统计分析发现，同一样品不同实验室的测试结果相差悬殊。分析认为造成筛网系数检测结果不准确的主要原因是：筛网黏度计中的筛网容易发生堵塞；测定时黏度计中会进入不定量而且难以去除的气泡；测试环境温度难以控制，造成无规律的误差。此外，测试过程中，装填样品难度较大、清洗过程费时费事。并且，由于筛网黏度计为玻璃制品，非常容易破碎。如果仪器购买不及时就会影响正常工作。该项检测指标已经不再作为聚合物常规理化性能检测指标。因此，有必要研究新的聚合物溶液黏弹性评价方法。评价聚合物黏弹性的方法很多，多年来众多学者采用不同方法对聚合物溶液黏弹性进行了实验研究[5-9]。研究表明，采用CaBER毛细管拉伸断裂流变仪测试聚合物溶液直径随时间变化曲线，采用Exponential模型对曲线拟合，拟合的松弛时间可以用来表征聚合物体系黏弹性[10]。Mojdeh Delshad建立的新的聚合物驱油数学模型包含了聚合物溶液在孔隙介质中剪切变稀和剪切增稠2部分。其中，剪切增稠部分由宏观流变测量得到的聚合物的分子松弛时间来量化[11]。因此，松弛时间不但可以作为聚合物溶液黏弹性评价指标，还可以用于方案设计。本文就该方法对于目前应用于油田的几种聚合物的适应性及具体实验条件进行了研究。

1 实验仪器与样品

1.1 仪器

采用CaBER毛细管拉伸断裂流变仪测试聚合物溶液的直径随时间的变化曲线。样品直径：6.0mm;原始高宽比：1.0；最终高宽比：4.39；采用线性模式，进行单点拉伸测量。

1.2 样品

水解聚丙烯酰胺，相对分子质量为700、1 600和3 300万；疏水缔合聚合物，相对分子质量为700万；高分子表面活性剂，相对分子质量为500万。

2 结果与讨论

2.1 CaBER测量原理

图1为CaBER测量原理示意图。CaBER测量原理比较简单。将很少量样品（少于0.2mL）放于2平板（直径6mm）之间。通过上板的向上移动，流体被置于快速拉伸形变，因此形成一流体丝。激光微尺测量逐渐变细的流体丝直径，直到上板达到其最终位置。

图1 (a)CaBER拉伸流变仪

图1 (b)流体丝随拉伸时间变化

图1 (c)CaBER测量原理

对黏弹性溶液和熔体理论的研究和数值分析的结果表明，流体丝在经过短暂的以黏性为主的流动之后，在中间的一段时间内，流体丝流动的动态由表面张力和弹性力的平衡来决定。在这一时间区域，流体丝半径成指数递减。如下面的Exponential方程（1）所示。

式中：λc为特征松弛时间，s；G为弹性模量，Pa。

对于半稀PIB/PB Boger流体（一种典型的弹性流体），λc近似于最大松弛时间。对于典型的弹性流体采用简单的指数方程对实验数据拟合，可以得到材料的松弛时间[12]。图2为水解聚丙烯酰胺溶液流体丝直径随时间变化曲线。从图2可以看出，该曲线可以采用方程（1）进行拟合，得到聚合物溶液体系松弛时间。

图2 聚合物溶液流体丝直径随时间变化曲线

图3 不同分子量水解聚丙烯酰胺测试结果

2.2 不同聚合物溶液体系实验结果

2.2.1 不同相对分子质量水解聚丙烯酰胺溶液实验结果

图3为相对分子质量700、1 600和3 300万水解聚丙烯酰胺溶液流体丝直径随时间变化曲线3次重复性测试结果。从图3可以看出,曲线重复性较好。表1为这3种分子量的聚合物溶液浓度为500mg/L和1 000mg/L的松弛时间重复性对比结果。

从表1可以看出，对于水解聚丙烯酰胺来说，聚合物溶液浓度对测试结果的重复性影响不大。

表1 不同相对分子质量水解聚丙烯酰胺在不同浓度条件下的实验结果

2.2.2 疏水缔合聚合物溶液实验结果

采用上述方法测量为700万疏水缔合聚合物溶液流体丝直径随时间变化。测量及拟合数据见表2。

表2 疏水缔合聚合物溶液在不同浓度下的实验结果

从表2可以看出，对于疏水缔合聚合物来说，聚合物溶液浓度对测试结果的重复性影响较大，与1 000 mg/L溶液体系相比，500mg/L的重复性更好。2.2.3高分子表面活性剂溶液的实验结果

相对分子质量为500万高分子表面活性剂溶液流体丝直径随时间变化曲线及拟合数据分别见表3。

从表3可以看出，对于高分子表面活性剂来说，聚合物溶液浓度对测试结果的重复性影响也较大。与1 000mg/L溶液体系相比，500mg/L的重复性更好。

表3 高分子表面活性剂溶液在不同浓度下的实验结果

实验结果表明：该方法的测试结果的重复性较高，特别是在浓度较低时重复性更高。因此，采用聚合物浓度为500mg/L体系比较合适。

2.3 聚合物溶液检测实验条件优化

2.3.1 样品过滤对测试结果影响

从表4可以看出：未过滤的样品的重复性比已过滤的样品的重复性低。因此，在测试前应对样品进行过滤。

2.3.2 实验温度对测试结果的影响

从表5可以看出：温度为45℃时测试结果的重复性较好，并且大庆油田地层平均温度为45℃。因此，在测试时应将测试温度设置为45℃。

表4 样品过滤对测试结果的影响

表5 实验温度对测试结果的影响

3 结论

1)采用CaBER毛细管拉伸断裂流变仪测试聚合物溶液流体丝直径随时间变化曲线，用Exponential模型对曲线进行拟合，拟合的松弛时间可以作为评价聚合物溶液黏弹性大小的技术指标。

2）该检测方法具有样品用量少、操作简便、检测数据重复性高的优点。

3）在具体实验过程中，采用聚合物浓度为500mg/L比较合适；在测试前应对样品进行过滤；在测试时可将测试温度设置为45℃。

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