3种新型驱油聚合物溶液性能的研究

陈锡荣，张天宇，张增丽，许春梅

（1. 中国石化 北京化工研究院，北京 100013；2. 中国石化 化工事业部，北京 100728）

3种新型驱油聚合物溶液性能的研究

陈锡荣1，2，张天宇1，张增丽1，许春梅1

（1. 中国石化 北京化工研究院，北京 100013；2. 中国石化 化工事业部，北京 100728）

在矿化度为8 000 mg/L的盐水条件下，考察了3种新型驱油聚合物在河南某油田的耐温及抗盐性能。通过对3种新型驱油聚合物溶液静态流变性能和动态流变性能的表征，研究了驱油聚合物溶液通过多孔介质后的性能变化。实验结果表明，聚合物P2（北京化工研究院研制）的耐温抗盐性能最好，聚合物P3（胜利聚合物公司）的耐剪切性更好；3种聚合物的聚驱及后续水驱提高采收率由大到小的顺序为：P2＞P4＞P3（聚合物P4：法国SNF公司）。这主要是因为聚合物P2溶液的黏度较高，在较低剪切频率下表现出良好的弹性性能，有助于采收率的提高。

三次采油；聚合物驱；耐温；抗盐；流变性能

油藏经过注水开采的二次采油后，还有约2/3的原油滞留在油层中。针对二次采油未能采出的残余油和剩余油，进行三次采油是提高采收率的重要方法，即采用向地层注入其他工作剂或其他能量，提高波及程度和驱替效率来提高油藏的采收率。聚合物在油田注入水溶液中可以提高溶液的黏度，调整水油流度比，改善油藏的非均质性，提高驱替液的波及系数，因而聚合物驱技术成为化学驱油中比较可行的一种提高采收率的技术，其研究也在不断发展。在油田注聚合物溶液的过程中，聚合物溶液在高速混调、泵送、射流期间要受到剪切力的作用，在进入地层后，在微小空隙间流过时也会受到拉伸和剪切作用，这些作用将会使得聚合物分子发生复杂的化学变化，导致大分子断链，溶液黏度下降。自20世纪70年代开始［1-2］，聚合物溶液在地层条件下流动规律的研究受到各国学者的重视，成为重要的基础研究课题。研究初期，许多研究人员利用毛细管束物理模型对多孔介质中聚合物的流变及流动性进行了研究［3-9］。进入20世纪90年代以后［10-13］，一些学者则通过小型砂粒层实验模拟地层中聚合物溶液的流动，研究聚合物降解的影响因素、聚合物溶液在高流速下的黏弹性能以及聚合物溶液在孔隙介质中降低流体流动度的机理。随着聚合物驱油在国内油田的不断应用，自20世纪80年代以来，国内研究人员也开展了聚合物溶液在孔隙介质中的流动特性的研究［14-15］，所研究的聚合物相对分子质量多在1×107以下。近年来，为适应高温高盐油藏三次采油的应用需求，各种耐温耐盐聚丙烯酰胺类聚合物的研发成为热点。目前，中国石化北京化工研究院（北化院）研发了耐温耐盐聚合物M2。

本工作将对聚合物M2以及目前国内性能较好的2种耐温抗盐聚合物进行耐温抗盐性研究，考察了3种驱油聚合物溶液通过多孔介质后的性能变化以及在河南油藏条件下提高采收率的能力。

1 实验部分

1.1 原料

聚合物P2：北化院实验制品；聚合物P3：工业品，胜利聚合物公司；聚合物P4：法国SNF公司；模拟盐水：自制。

1.2 分析测试

聚合物溶液黏度采用美国Brookfield公司DV-Ⅱ型黏度计测试。采用0号转子，在实验温度、转速6 r/min、剪切速率7.34 s-1的条件下测试溶液的表观黏度。

聚合物的相对分子质量采用英国Rheotek公司RPV-1型黏度测试仪测试。测定聚合物稀释溶液黏度并利用外推法由比浓黏度得出聚合物的特性黏度。

聚合物溶液流变性能的表征采用美国Anton Paar公司MCR301型流变仪的同轴圆筒系统测定。在0.1～100 Hz频率扫描范围内进行黏度测试，测试聚合物溶液黏度随剪切频率变化的关系。

聚合物溶液动态流变性能的表征采用美国赛默飞世尔科技有限公司HAKKE RS6000型流变仪测试，利用流变仪的锥板测试系统，在0～100 Hz频率扫描范围内进行黏度测试。

多孔介质对聚合物溶液的剪切实验利用岩芯模拟地层的多孔介质，以室内物理模拟驱替装置模拟现场注聚实验，通过对聚合物溶液通过多孔介质前后溶液表观黏度的测试，研究多孔介质剪切对聚合物溶液性能的影响。

室内驱油模拟实验是利用岩芯模拟地层的多孔介质，以室内物理模拟驱替装置模拟现场注水开采实验。先将岩心抽空并饱和模拟盐水，再用模拟油驱水进行饱和油，适当进行一定时间的老化后，再以水驱油实验，量取驱出油的量，计算水驱的采收率。再注入一定量的聚合物溶液，再次以水驱直到采出液含水量达96%（w）以上，量取驱出油的量，计算聚合物驱的采收率。

2 结果与讨论

2.1 聚合物的黏温曲线

为了考察3种新型聚合物的耐温及耐盐性，分别将3种新型聚合物在河南油田条件下（矿化度8 000 mg/L，先用双河清水配置4 000 mg/L母液，再用江河污水稀释至1 500 mg/L），配制成1 500 mg/L的溶液。河南油田3种新型聚合物溶液的黏温曲线见图1。由图1可见，聚合物P2的耐温性能最好，其次是P3。在河南油田条件下，90 ℃时，聚合物P2水溶液的黏度可达50 mPa·s以上，P3和P4聚合物性能也较好，水溶液的黏度也可达45 mPa·s以上。

图1 河南油田3种新型聚合物溶液的黏温曲线Fig.1 Viscosity-temperature curves of three new polymers under Henan oil feld conditions.P2：prepared by Beijing Research Institute of Chemical Industry；P3：produced by Shengli Polymer Company；P4：produced by SNF Corp.

2.2 多孔介质对聚合物溶液的影响

为了考察多孔介质剪切作用对聚合物溶液的影响，采用河南油田8 000 mg/L的合成盐水，将P2，P3，P4 3种新型聚合物配制成质量浓度为1 500 mg/L的溶液，考察了3种聚合物溶液在驱替流量为0.6 mL/min的条件下，注入渗透率为440×10-3μm2岩心并流出后，将流出聚合物溶液进行黏度测试。常温岩心剪切对聚合物溶液黏度的影响见图2。由图2可见，聚合物溶液通过多孔介质后，多孔介质使3种新型聚合物溶液的表观黏度下降，但降幅不大，降幅由小至大依次为：P3＜P2＜P4；且3种聚合物溶液的黏度保留率均达90%以上，表现出良好的抗剪切性。

图2 常温岩心剪切对聚合物溶液黏度的影响Fig.2 Efects of rock core shear on the viscosities ofthe polymer solutions at normal temperature.Test conditions：fow rate 0.6 mL/min，simulation salt water with total dissolved solids(TDS) of 8 000 mg/L，ρ(polymer)=1 500 mg/L.

2.3 注入速率驱替流量对聚合物溶液性能的影响

2.3.1 注入速率驱替流量对黏度的影响

注入速率驱替流量对聚合物溶液黏度的影响见图3。由图3可见，经岩心剪切后，3种聚合物溶液的黏度均有所下降，岩心的剪切作用非常明显，高流速对溶液的剪切作用更大。这是由于流速较快时，聚合物溶液通过岩心中的喉道时所受剪切和拉伸作用增强，所受剪切速率变大，分子链会发生永久断裂，造成黏度的不可恢复。

图3 注入速率驱替流量对聚合物溶液黏度的影响Fig.3 Infuences of various fow rate on the viscosities of the polymer solutions.Test conditions：TDS=8 000 mg/L，ρ(polymer)=1 500 mg/L.

2.3.2 注入速率驱替流量对静态流变性的影响

注入速率驱替流量对聚合物溶液静态流变性能的影响见图4。由图4可见，3种聚合物在不同流量下经过多孔介质后，溶液仍保持假塑性流体的特征，由于受到多孔介质的剪切和拉伸作用，聚合物分子链及其相互缠结受到一定程度的破坏，在相同剪切速率下，表观黏度均呈不同程度的下降。

图4 注入速率驱替流量对聚合物溶液静态流变性能的影响Fig.4 Relationship between the apparent shear rate and the apparent viscosities of the polymer solutions.Test conditions referred to Fig.3.Flow rate of P2/(mL·min-1)：■ 0；● 0.6；▲ 1.5Flow rate of P3/(mL·min-1)：▼ 0；○ 0.6；□ 1.5Flow rate of P4/(mL·min-1)：◆ 0；△ 0.6；▽ 1.5

在驱替流量为0.3 mL/min的条件下，P2，P3，P4 3种聚合物溶液经过多孔介质后的流变曲线见图5。由图5可见，当剪切速率小于2 s-1时，以0.3 mL/ min的驱替流量经过多孔介质后，聚合物P2的黏度最高，聚合物P3和P4的黏度接近；当剪切速率大于2 s-1时，3种聚合物溶液的黏度基本相近。其他流量条件下的实验结果类似。

图5 低剪切速率下聚合物溶液的流变性能Fig.5 Rheological properties of the polymer solutions under low shear rate.Test conditions：TDS=8 000 mg/L，ρ(polymer)=1 500 mg/L，fow rate 0.3 mL/min.◆ P2；■ P3；▲ P4

在驱替流量为0.3 mL/min的条件下，P2，P3，P4 3种聚合物溶液在不同剪切速率下的黏度保留率见图6。由图6可见，3种聚合物的黏度保留率大小的顺序为：P3＞P4＞P2，表明聚合物P3的耐剪切性更好。

图6 3种聚合物溶液在不同剪切速率下的黏度保留率Fig.6 Viscosity retention rate of the three polymer solutions under diferent shear rate.Test conditions referred to Fig.5.◆ P2；■ P3；▲ P4

2.3.3 驱替流量对聚合物P2溶液动态流变性的影响

注入速率驱替流量对聚合物P2溶液的损耗模量（a）和弹性模量（b）的影响见图7。由图7a可见，以不同的注入速率驱替流量注入后，聚合物溶液的损耗模量降低较多。由图7b可见，在低频率剪切下（低于5 Hz），不同注入速率驱替流量注入的聚合物溶液的弹性模量均小于原样溶液的弹性模量；剪切频率大于5 Hz时，以0.3，0.5，1.5 mL/min的驱替流量注入后的聚合物溶液的弹性模量大于原样溶液。这可能是由于在这些注入速率驱替流量下，聚合物分子链经过多孔介质剪切后，分子链的结构更适应在高剪切速率下形成分子间物理交联网络，表现出弹性更好的特征。

图7 注入速率驱替流量对聚合物P2溶液的损耗模量（a）和弹性模量（b）的影响Fig.7 Efects of fow rate on loss modulus(a) and elasticity modulus(b) of the polymer P2 solution. Test conditions：TDS=8 000 mg/L，ρ(polymer P2)=1 500 mg/L.Flow rate/(mL·min-1)：○ 0；◆ 0.1；▼ 0.3；▲ 0.5；● 1.0；■ 1.5

2.4 3种聚合物在河南油田的驱油模拟实验

2.4.1 3种聚合物提高采收率的能力比较

通过室内驱油模拟实验装置可以模拟现场原油开采情况，对水驱及化学驱的驱油效率进行室内评价，计算聚合物驱提高采收率。在河南油田油藏条件下，对P2，P3，P4 3种聚合物溶液开展驱油模拟实验。岩心的物理参数见表1，3种聚合物溶液和模拟油的黏度见表2，实验结果见表3。

表1 实验岩心的基本物性数据Table 1 Physical data of rock cores in experiments

表2 聚合物溶液和模拟油的黏度（河南油田）Table 2 Viscosities of polymer solution and simulating oil under Henan oil feld conditions

表3 室内模拟驱油的实验结果（河南油田）Table 3 Result of oil displacement experiments simulating Henan oil feld conditions

由表3可见，80 ℃时，在渗透率岩心、水的矿化度及其他条件相近的情况下，3种聚合物的聚驱及后续水驱提高采收率由大到小顺序为：P2＞P4＞P3。这主要是因为聚合物P2溶液黏度较高，可以更好地改善水油流度比，提高水驱的波及体积（PV），进而提高采收率。

2.4.2 3种聚合物溶液的黏弹性比较

3种聚合物溶液的弹性模量（a）和损耗模量（b）的比较见图8。由图8 a可见，在剪切频率小于2.5 Hz时，3种聚合物的弹性模量相近；当剪切频率高于2.5 Hz后，聚合物P2的弹性模量高于其他2种聚合物，表现出更好的弹性效应，聚合物P3和P4的弹性模量相近，且随剪切频率的增加，两者的弹性效应下降。由图8b可见，3种聚合物的损耗模量均随剪切频率的增加而上升，3种聚合物的损耗模量由大到小的顺序为：P3＞P4＞P2，聚合物P3溶液表现出更好的黏性特征。

P2，P3，P4 3种聚合物溶液的动态流变曲线见图9。

图8 3种聚合物溶液的弹性模量（a）和损耗模量（b）的比较Fig.8 Elasticity modulus(a) and loss modulus(b) of the three polymer solutions.Test conditions：TDS=8 000 mg/L，ρ(polymer)=1 500 mg/L.◆ P2；■ P3；▲ P4

图9 聚合物P2，P3，P4溶液的动态流变曲线Fig.9 Dynamic rheological curves of the P2，P3 and P4 polymer solutions.Test conditions：TDS=8 000 mg/L，ρ(polymer)=1 500 mg/L.Elasticity modulus：◆ P2； ▲ P3；★ P4Loss modulus：■ P2；▼ P3；● P4

由图9可见，当损耗模量大于弹性模量时，聚合物溶液以黏性流动为主；当弹性模量大于损耗模量时，聚合物溶液以弹性流动为主。聚合物P2溶液在较低剪切频率下即表现出良好的弹性性能。聚合物P3和P4溶液的流变性能相似，在低剪切频率下，以弹性流动为主；剪切频率超过2～3 Hz时，聚合物溶液以黏性流动为主。这主要可能是因为聚合物分子在该剪切频率下发生了断链，弹性受到消弱甚至丧失，溶液表现为黏性特征。

3 结论

1） 在矿化度为8 000 mg/L的盐水条件下，3种新型聚合物均表现出了较好的耐温抗盐性能，其中，聚合物P2的耐温性能最好，其次是聚合物P3。

2）聚合物溶液通过多孔介质后，由于剪切作用，3种聚合物溶液的黏度均有下降，高流速对溶液的剪切作用更大。3种聚合物溶液黏度保留率均达90%以上，表现出良好的抗剪切性，其中，聚合物P3的耐剪切性更好。

3）3种新型聚合物在不同流量下经过多孔介质后，溶液仍保持着假塑性流体的特征；不同注入速率驱替流量注入后，聚合物溶液的损耗模量降低较多；在剪切频率小于5 Hz时，弹性模量均有所下降。

4）在80 ℃时，3种聚合物的聚驱及后续水驱提高采收率由大到小顺序为：P2＞P4＞P3。聚合物P3溶液表现出更好的黏性特征，聚合物P2的弹性模量高于其他2种聚合物，表现出更好的弹性效应，有助于采收率的提高。

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（编辑 王 馨）

预计到2021年石油树脂市场将以7.7%的复合年增长率增长

Rubb World，April 18，2016

由Marketsand Markets发表的“到2021年全球石油树脂市场按类型（C5/C9制备过程、氢化烃树脂和C5/C9树脂）、应用（胶黏剂与密封剂、印刷油墨、油漆与涂料）、最终用途行业（建筑施工、轮胎）和地区预测”报告显示，市场规模从2016年的17.8亿美元增长到2021年的25.8亿美元，以7.7%的复合年增长率增长。该市场受到终端行业（如个人卫生、轮胎、汽车和建筑施工）需求日益增长的推动。估计未来5年中东以及非洲和拉丁美洲将见证强劲增长。在这些地区的需求受到沙特阿拉伯、巴西和尼日利亚个人卫生市场日益增长的强化。目前亚太地区是最大的石油树脂市场。中国是该地区最大的石油树脂消费国。

下列有利的影响力推动亚太地区石油树脂市场：该地区大型的石油树脂制造商；该地区日益增长的商业和工业建设；日益增长的汽车行业投资；以及最大的石油树脂市场领域C5石油树脂。石油树脂分为4大类型：C5石油树脂、C9石油树脂、氢化烃树脂和C5/C9石油树脂。由于容易获得和成本有效性，2015年C5石油树脂在价值和数量方面占最大的市场份额。石油树脂用于黏合剂和密封剂、印刷油墨、油漆和涂料、橡胶配混料、磁带标签和其他应用。由于其建筑施工和图书装订终端行业的使用增加，在价值和数量方面，与其他应用相比，2015年黏合剂和密封剂应用部分占最大的市场份额。石油树脂市场的主要参与者是Eastman化学公司（美国）、Exxon-Mobil公司（美国）、Total CrayValley公司（美国）、Kolon工业公司（韩国）、山东蓝盾石油树脂有限公司（中国）、濮阳天成化工有限公司（中国）和上海金森烃树脂有限公司（中国）。

Study on properties of three new polymer solutions for tertiary oil recovery

Chen Xirong1，2，Zhang Tianyu1，Zhang Zengli1，Xu Chunmei1
（1. SINOPEC Beijing Research Institute of Chemical Industry，Beijing 100013，China；2. SINOPEC Chemical Department，Beijing 100728，China）

The temperature-resistance and salt-tolerance of three new polymers for tertiary oil recovery were investigated under the degree of mineralizing of simulated salt water of 8 000 mg/L. The static rheological properties and dynamic rheological properties of the three polymer solutions were characterized. Their performance changes fowing through rock cores were measured. Polymer P2 displayed good temperature-resistance and salt-tolerance，and polymer P3 had good shearingresistance. Their sequence for enhanced oil recovery is P2＞P4＞P3 based on the displacement experiments，which is because of the high viscosity and the good elastic property under low shear rate of the polymer P2 solution.

tertiary oil recovery；polymer flooding；temperature-resistance；salt-tolerance；rhelolgical property

1000 - 8144（2016）07 - 0856 - 06

TQ 317.4

A

10.3969/j.issn.1000-8144.2016.07.015

2016 - 02 - 29；［修改稿日期］2016 - 05 - 09。

陈锡荣（1973—）， 男，安徽省淮南市人， 博士，高级工程师，电话 010 - 59969529，电邮 chenxir@sinopec.com。