三元分质过程中碱和表面活性剂对聚合物分子的作用研究

(1.东北石油大学石油工程学院 黑龙江 大庆 163318)

(2.大庆油田采油工程研究院 黑龙江 大庆 163318)

三元分质过程中碱和表面活性剂对聚合物分子的作用研究

郭天悦1唐秀明1王鑫2

(1.东北石油大学石油工程学院黑龙江大庆163318)

(2.大庆油田采油工程研究院黑龙江大庆163318)

三元复合体系驱油技术是利用三元体系中的碱、表活剂和聚合物三种化学剂的协同效应驱油。为更好地适应地层配伍性，许多油田使用了三元复合驱分质注入技术，将高分子量的三元复合溶液在进入低渗透层前经过分质工具的剪切，降低其相对分子质量，从而保证在不堵塞油层的前提下又有足够的注入速度。三元分质过程由于碱和表面活性剂的存在，导致分质工具对三元体系的作用、碱和表面活性剂对聚合物分子的作用异常复杂。为了能够更好的应用三元复合驱油技术，本文研究了三元分质过程中碱和表活剂对聚合物分子的作用机理。

三元复合驱；分质注入；表面活性剂

三元复合驱工业应用对象以非均质性较强的二、三类油层为主，为解决其层间矛盾突出的问题，三元复合驱一般采用分质注入技术，即在低渗透油层使用分子量调节器，采用机械方法对高分子量聚合物进行一定程度的降解，降低注入低渗透层三元体系中聚合物的分子量，从而实现分质注入的目的。三元复合驱的分质主要沿用了聚合物驱的技术，但由于三元复合体系中碱和表面活性剂的存在，分质时两者对聚合物分子的水解、分散产生一定促进或抑制作用，导致三元体系剪切程度不同于相同浓度和分子量的聚合物体系，不能达到预期的分质效果，也就丧失了三元复合驱分质注入的优势。因此，有必要弄清分质过程中碱和表面活性剂对聚合物分子的作用机理。

一、表面活性剂、碱以及表面活性剂和碱共同作用对聚合物溶液黏度的影响

(一)表面活性剂对聚合物溶液黏度的影响

表面活性剂本身的活性是三元复合驱中影响界面张力的根本原因。表面活性剂溶液注入地下，它的双亲基团会在液/固接触面，液/液界面及体相的溶液中发生定向分布。极性的亲水基团在体相中和水分子结合，在固/液界面上和极性的矿物岩石表面结合；非极性的亲油基团逃离极性的水分子和矿物、岩石颗粒表面，而与非极性的原油分子基团相结合。当极性基团与矿物、岩石的表面结合时就会破坏原油边界层，把边界层中束缚的原油解脱出来，成为可流动的原油，极性的水分子或亲水基团就会占据颗粒表面，从而使矿物，岩石表面由油湿变为水湿，当然也会出现碱剂造成的界面张力降低、润湿性的改变、乳化、聚并等现象，使原油采收率得以提高。通过实验发现，非离子表面活性剂对于聚合物溶液视粘度影响不大，这是由于非离子表面活性剂与除离子水中聚合物链不会产生物理或者化学反应。阴离子表面活性剂对于聚合物的粘度有较大影响，主要因为阴离子表面活性剂通过电荷的屏蔽来影响聚合物粘度。使聚合物溶液粘度降低。

(二)碱对聚合物溶液黏度的影响

碱通过以下方式影响聚合物的黏度。首先，碱向聚合物溶液中提供阳离子，这些阳离子增加了溶液的离子强度，通过电荷屏蔽机理使HPAM分子水动力学体积收缩，降低聚合物的黏度。其次，碱可以水解聚合物链上的酰胺基，使聚合物的粘度增加。再次，碱提供的OH提高了砂岩表面的负电性能够降低聚合物的吸附滞留损失。在碱的浓度比较低时，聚合物溶液的黏度随碱的浓度增大而上升或趋于恒定；当碱的浓度比较高时，存在的高浓度钠离子会通过电荷屏蔽，抵消掉水解作用对黏度的影响，聚合物的黏度降低。

二、碱和表面活性剂的加入对聚合物分子形态的影响

(一)表活剂对聚合物分子形态影响

聚合物溶液中聚合物分子呈现线性网状结构，而“非离子表面活性剂/聚合物”二元复合体系微观分子聚集成“片-网状”结构，其网络骨架主干比聚合物溶液粗很多，几乎连成片状，而细分枝与聚合物溶液相似。这主要是由于：在“非离子表面活性剂/聚合物”二元复合驱油体系中，由于非离子型表面活性剂本身不发生电离，不带电荷，没有静电力，仅靠极性原子形成氢键溶于水，与水分子间作用力较弱，易形成胶束，并以胶束聚集体形式吸附(结合)在聚合物分子链上，形成“表面活性剂-聚合物”络合物，使得“非离子表面活性剂/聚合物”二元复合体系微观分子聚集成“片-网状”结构。

(二)碱和表活剂对聚合物分子形态的影响

三元复合驱油体系微观分子聚集体形态与二元复合驱油体系和聚合物溶液均存在差异。与聚合物溶液中聚合物分子呈现立体网状结构和二元复合体系的“片-网状”结构不同，三元复合体系微观分子呈现球形质点，相互结成珠状网络，分形生长表现出一定的自相似性，但其网络比较稀疏，基本无主干和分枝之别。这种结构包裹水分子的能力很差，从而增黏特性差。这主要是由于：NaOH溶于水后电离出Na+离子，对聚合物大分子的负电荷产生屏蔽作用，使得聚合物分子表面双电层和水化层厚度变薄，分子链中羧基之间的斥力减弱，高分子链卷曲收缩，使得网络骨架主干逐渐回缩，体系结构遭到破坏。同时，磺酸盐溶于水后电离出的Na+和具有表面活性的磺酸根阴离子。表面活性剂分子以及其聚集后形成的胶束与聚合物分子之间的范德华力往往会克服静电斥力，使其对聚合物分子双电层的影响一般是特性吸附占支配地位，此时溶液中其它离子都可视为“不相干离子”。但是，强烈的静电斥力使阴离子型表面活性剂分子在聚合物大分子表面的特性吸附相对较弱，难以形成“表面活性剂-聚合物”络合物。因此，磺酸盐表面活性剂对聚合物分子的作用类似于有机盐，会使得聚合物分子链收缩。NaOH和磺酸盐对聚合物分子链的双重压缩作用使得“碱/表面活性剂/聚合物”三元复合体系微观分子聚集体形态网状非常稀疏。