2种聚表剂溶液的黏性特征研究

2014-09-15王楠楠

长江大学学报(自科版) 2014年13期

王楠楠

（中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）

自2005年以来，大庆油田先后在9个聚表剂驱矿场试验，部分区块取得了较好的开发效果。但现场动态反映其特征与聚合物存在较大差异，需要从溶液特性角度解释其产生原因［1－4］。聚表剂属于多功能单体复合型聚合物，也是一种高分子表面活性剂，兼具聚丙烯酰胺和表面活性剂性能的特点［5－7］。聚表剂是一种新型单一组份化学驱油剂，通过分子间相互作用，以柔性聚丙烯酰胺碳氢链为骨架，根据功能基团在分子内及分子间的非键合作用规律，用特定功能基团在碳氢链上接枝共聚而形成多元接枝共聚物［8，9］。由于目前对聚表剂溶液的增黏性能的研究较少，笔者对AⅢ型和BⅢ型聚表剂与普通中分聚合物（简称聚合物）的溶液的增黏性能及影响因素进行了详细分析，以便为聚表剂产品在大庆油田的应用提供理论依据。

1 试验部分

1.1 试验药品及仪器

1）试验药品 AⅢ型、BⅢ型聚表剂（上海海博公司）；聚合物（分子量1600万，大庆炼化公司）；去离子水（实验室自制）；重烷基苯磺酸盐（东昊公司）；氯化钠（天津晶山化工公司）。

2）试验仪器黏度计Brookfield－Ⅱ （美国BROOKFIELD公司）；RS600旋转流变仪（德国HAAKE公司）。

1.2 试验方法

1）黏度测量在45℃条件下，用Brookfield－Ⅱ黏度计测量待测液黏度（使用零号转子，转速6r／min）。

2）流变性测量在45℃条件下，用RS600旋转流变仪测试待测液流变性。

2 结果与分析

2.1 聚表剂的黏度

AⅢ型、BⅢ型聚表剂及聚合物的浓度与黏度关系图如图1所示。由图1可知，聚表剂和聚合物均随质量浓度增加而升高，当质量浓度大于1000mg／L时，AⅢ型聚表剂的黏度升高明显大于其余2种，BⅢ型聚表剂的黏度大于聚合物的。在质量浓度为2000mg／L时，AⅢ型聚表剂的黏度为聚合物的5倍以上，BⅢ型聚表剂的黏度为聚合物的1.5倍以上。因此，AⅢ型聚表剂的增黏性能显著，明显好于BⅢ型聚表剂和聚合物的。这是由于聚表剂以聚丙烯酰胺骨架为基础，引入不同的功能单体，这些单体引入使得聚合物分子能通过增加分子间相互作用，形成超分子结构的形式，大幅度增加聚表剂溶液的黏度性质。此外，AⅢ型、BⅢ型聚表剂黏度差别主要是由于引入的功能单体及数量不同导致的［10］。

2.2 聚表剂的流变性

流变性是指在外力场作用下，流体发生流动或形变的一种特性。AⅢ型、BⅢ型聚表剂及聚合物的流变曲线图如图2所示（聚表剂和聚合物的质量浓度均为1000mg／L）。由图2可知，在足够小的剪切速率下，AⅢ型和BⅢ型聚表剂黏度略有升高，而后随剪切速率增加，AⅢ型和BⅢ型聚表剂的黏度逐渐降低；当剪切速率非常高时，AⅢ型和BⅢ型聚表剂黏度较低，且变化趋于平稳；聚合物的黏度随剪切速率增加呈缓慢下降的趋势。总体而言，AⅢ型和BⅢ型聚表剂的流变性强于聚合物，这是由于聚表剂分子中引入不同功能单体，使得分子间相互作用增强所致。AⅢ型和BⅢ型聚表剂的流变性差别主要是引入的功能单体结构和数量不同，AⅢ型聚表剂的刚性单体和带电荷单体的数量相对BⅢ型较多，使得分子相互作用较强，具有较好的抗剪切作用，因而AⅢ型聚表剂的流变性最强。

图1 聚表剂、聚合物浓度与黏度关系图

图2 聚表剂、聚合物流变曲线图

2.3 盐对聚表剂黏度的影响

聚表剂在油田三次采油中应用，需要与油藏流体具有很好的配伍性，因此考察聚表剂的抗盐性能是非常必要的。不同氯化钠质量分数下AⅢ型、BⅢ型聚表剂及聚合物的黏度曲线图如图3所示（聚表剂及聚合物的质量浓度均为1000mg／L）。由图3可知，AⅢ型聚表剂的抗盐性能明显好于BⅢ型聚表剂和聚合物的，且AⅢ型聚表剂的黏度随氯化钠质量分数增加而升高，这表明AⅢ型聚表剂抗盐能力较强。BⅢ型聚表剂和聚合物的黏度随氯化钠质量分数增加而降低，但BⅢ型聚表剂的黏度略大于聚合物。具体解释原因如下:聚合物在去离子水中，由于分子内羧酸基的静电排斥作用，使聚合物分子呈伸展状态，溶液黏度很强。当氯化钠质量分数增加时，分子内羧钠基的电性被屏蔽，聚合物分子呈卷曲状态，导致其黏度降低。聚表剂分子中的功能单体具有正、负电荷基团和刚性疏水型单体，因此聚表剂具有非常好的抗盐性能。而AⅢ型、BⅢ型聚表剂溶液黏度的差异主要是由于其功能单体的结构和数量不同所致。AⅢ型聚表剂含有相对较多刚性疏水型单体，且其阴、阳离子数量相近。当氯化钠质量分数增加时，AⅢ型聚表剂的静电引力被屏蔽，分子链舒展，流体力学体积增大，因此，AⅢ型聚表剂抗盐性能最好。BⅢ型聚表剂的刚性疏水型单体相对AⅢ型的较少，同时功能单体引入的阴、阳离子数量相差较大，随着氯化钠质量分数增加，电解质屏蔽了静电斥力，分子链蜷缩，流体力学体积减小，导致其黏度降低，因此BⅢ型聚表剂的抗盐性较差，但由于其具有刚性疏水型单体，其抗盐性能仍好于聚合物。

2.4 表面活性剂对聚表剂黏度的影响

聚表剂在三次采油应用中，根据不同需求，需要在体系中加入表面活性剂来改善溶液的界面性能，因而考察聚表剂与表面活性剂的配伍性是非常必要的。AⅢ型、BⅢ型聚表剂及聚合物溶液中加入不同质量分数的烷基苯磺酸盐，其二元体系的黏度曲线图如图4所示（聚表剂及聚合物的质量浓度为1000mg／L，氯化钠质量分数为0.4%）。由图4可知，聚合物的黏度不受烷基苯磺酸盐的影响，这是由于其与烷基苯磺酸盐分子间以范德华力相互作用，这对聚合物分子在溶液中的聚集状态影响较小，因此，聚合物的黏度基本保持恒定。随着烷基苯磺酸盐质量分数的增加，AⅢ型、BⅢ型聚表剂的黏度明显降低，而后趋于平稳，且AⅢ型比BⅢ型聚表剂的黏度变化更加显著。这是因为在聚表剂的疏水基团周围，烷基苯磺酸盐与聚表剂分子自组装形成混合胶束，这种混合聚剂可以交联多个聚表剂分子链的疏水基形成物理网架结构，同时烷基苯磺酸盐改变了聚表剂功能单体的正负电荷分布。由于改变了聚表剂分子链的形态及流体力学体积，从而使聚表剂溶液宏观黏性发生变化。

图3 盐对聚表剂、聚合物黏度影响曲线图

图4 表面活性剂对聚表剂、聚合物黏度的影响曲线图

图5 老化时间对聚表剂黏度的影响

2.5 老化时间对聚表剂黏度的影响

聚表剂在注入地下油层中需要具有长时间的稳定性，这是聚表剂性能评价的一项重要指标。不同老化时间下，AⅢ型、BⅢ型聚表剂及聚合物的黏度曲线如图5所示（聚表剂及聚合物的质量浓度为1000mg／L，氯化钠质量分数为0.4%）。由图5可知，随老化时间增加，AⅢ型聚表剂的黏度先快速增加，在3d时达到极大值，然后缓慢降低，而BⅢ型聚表剂和聚合物的黏度随老化时间增加快速降低，而后趋于平稳。其原因如下:随着老化时间延长，由于AⅢ型聚表剂的水解度不断增大，使得阴离子数量增加，分子链上正负电荷基团数目出现不相等，分子内相互作用减弱，分子间相互作用加强，形成区域性网状分子结构。在老化一定时间后，这种结构发育达到最佳，导致Ⅲ型聚表剂黏度最大。当老化时间超过3d，AⅢ型聚表剂发生降解，黏度开始降低。同时，随着老化时间延长，由于BⅢ型聚表剂的水解作用，使得链上正负电荷基团数目接近，分子内相互作用增强，但分子间相互作用减弱，主要以局部性网状结构为主，导致BⅢ型聚表剂的黏度降低。