驱油用聚合物溶液黏度影响因素的研究

孙秀芝

中国石化胜利油田分公司勘探开发研究院，山东东营 257015

聚合物驱三次采油方法是提高原油采收率的重要方法，成为我国许多油田增产的主要技术。目前油田用聚丙烯酰胺(HPAM)水溶液做驱油剂已在现场上得到广泛应用并取得成功，影响聚合物驱油效果的因素是多方面的，其中HPAM溶液的黏度稳定性是影响聚合物驱效果的主要因素。

影响HPAM溶液黏度稳定性的因素可分为：1)HPAM结构及特性：主要包括HPAM类型、结构、相对分子质量、水解度等；2)驱油HPAM环境因素：主要包括溶剂、温度、矿化度、离子组成与含量、剪切速率、氧及细菌等；3)现场配注工艺设备及条件：主要包括搅拌时间与速度、HPAM的熟化时间、HPAM的加入方式和速度、配注用泵、管线、阀门及注入速度等。对于特定的HPAM体系而言，主要影响因素是温度、矿化度、剪切速率以及热、氧等[1-5]。

1 实验仪器与药品

流变仪，MCR301，美国Brookfield公司；JJ-1型增力电动搅拌器，江苏金坛市大中仪器厂；ZK-82型真空烘箱，重庆实验设备厂；填砂管，L-50，中国石油大学仪表厂。

氯化钠、无水氯化钙、六水合氯化镁、盐酸、氢氧化钠、七水合硫酸亚铁、氯化铁，均为分析纯；聚丙烯酰胺1，HPAM，白色颗粒粉剂，东营市宝莫有限公司；聚丙烯酰胺2，HPAM，北京恒聚化工集团有限责任公司。

2 各影响因素对HPAM黏度的影响

2.1 温度与矿化度

采用胜利Ⅱ型盐水配制1 500 mg/L的聚合物溶液，考察温度对聚合物黏度的影响,结果见图1。随着温度升高，聚合物水溶液黏度降低。这是由于HPAM分子热运动加剧，温度升高，分子间力减小；同时，使HPAM的溶剂化程度减小，而克服原子内旋转阻力的能力增加，均使HPAM分子链卷曲，黏度降低。

图1 温度对聚合物黏度的影响

固定其他条件，75 ℃下，考察矿化度对聚合物黏度的影响，结果见图2。随着矿化度增加，聚合物黏度降低。这是因为矿化度升高，聚合物分子链卷曲，表观尺寸减小，导致黏度降低。

图2 矿化度对聚合物黏度的影响

2.2 铁离子浓度

采用去离子水配制浓度为1 500 mg/L聚合物水溶液，充分熟化，分别加入Fe2+和Fe3+，考察Fe2+和Fe3+浓度对聚合物黏度的影响，结果见图3和图4。从图3看出，微量Fe2+可造成聚合物黏度大幅下降。Fe2+引起的黏度下降，主要是发生在Fe2+氧化生成Fe3+过程中，由于Fe2+为还原剂，在溶解氧作用下，会氧化而产生自由基；此自由基进攻HPAM主链，生成过氧化物或氧化物，促使主链断裂，发生降解。从图4看出，随着Fe3+浓度增加，聚合物黏度下降。

图3 Fe2+浓度对聚合物黏度的影响

图4 Fe3+浓度对聚合物黏度的影响

2.3 溶解氧与pH

溶液中氧气的存在是HPAM氧化降解的重要因素。室内采用去离子水配制1 500 mg/L聚合物水溶液，放入75 ℃烘箱，考察溶解氧对聚合物黏度的影响，结果见图5。随着时间增加，聚合物黏度急剧下降。HPAM溶液氧化降解作用是自由基反应，使HPAM相对分子质量降低，在较短时间内使HPAM溶液黏度大幅降低[3]。

图5 溶解氧对聚合物黏度的影响

室内采用去离子水配制500 mg/L聚合物水溶液，加入10%HCl和10% NaOH溶液调节体系pH，75 ℃下测其黏度，结果见图6。在酸性条件下，随着pH增加，聚合物水溶液的黏度增加； pH大于9后，黏度呈现下降的趋势。pH为6～9时，聚合物水溶液具有较高的黏度。因此，现场配制时，聚合物水溶液pH控制在6～9为宜。

图6 体系pH对聚合物黏度的影响

2.4 配注工艺

配制HPAM溶液的工艺中，母液配制的搅拌时间与搅拌速度、HPAM的熟化时间及HPAM注入流速对HPAM溶液黏度均有很大的影响。对特定的HPAM体系，在水质和浓度一定的条件下，注聚工艺设备和参数的影响也不可忽视。因此，选择合理的配制和注入工艺十分重要。配制1 500 mg/L聚合物，考察搅拌速度、岩心实验、炮眼实验对聚合物黏度的影响。

岩心实验法：将地层砂充填于填砂管中，以设定的恒定速度注入盐水，同时测定岩心两端压力，并记录通过岩心盐水的流速，以不同流速均匀注入聚合物水溶液3～5 PV，待压力稳定后记录注入压力，并量取驱替出的聚合物水溶液；将其置于30 ℃恒温水浴锅内，充分恒温后测定其黏度。为考察剪切速率对聚合物分子的降解作用，应使产出聚合物水溶液恒温足够长时间(>2 h)以充分恢复其黏度，排除分子拉伸变形而造成的对聚合物水溶液黏度的影响。

炮眼实验法：由于条件和时间的限制，室内仅考察HPAM流经单个炮眼的剪切稳定性。本实验模拟装置是HPAM溶液注入地层模拟装置中去除多孔介质部分(即中间容器)。炮眼尺寸φ1.6 cm×20 cm，计算剪切速率。

考察搅拌速度与时间对HPAM水溶液剪切稳定性的影响，结果见图7。HPAM水溶液在不同搅拌速度下，呈现不同的流变特性，搅拌速度为0～400 r/min时，表现出剪切增稠的流变特性；搅拌速度为500～800 r/min时，表现出剪切稀释的流变特性；搅拌速度大于800 r/min时，HPAM剪切降解。HPAM在剪切增稠与剪切稀释时，搅拌时间对HPAM水溶液黏度影响较小；在剪切降解时，搅拌时间对HPAM水溶液黏度影响较大。因此，搅拌速度应不高于500 r/min，搅拌时间控制在30 min以内。

图7 转速对聚合物黏度的影响

考察HPAM注入流速与岩心渗透率对聚合物水溶液黏度的影响，结果见图8。随着HAPM注入流速增加，HPAM水溶液黏度降低；岩心渗透率越小，HPAM水溶液黏度下降幅度越大；HPAM浓度和相对分子质量越大，受剪切降解程度越严重。流经0.10 μm2的岩心时，流速为0～2 mL/min，HPAM水溶液黏度下降幅度最大；流经0.25，0.80 μm2的岩心时，流速为0～3 mL/min，HPAM水溶液黏度下降幅度最大；流经1.00 μm2的岩心时，HPAM注入流速为0～4 mL/min，HPAM水溶液黏度下降幅度最大。

图8 HPAM注入流速与岩心渗透率对聚合物水溶液黏度的影响

考察炮眼剪切速率对聚合物水溶液黏度的影响，结果见图9。随着炮眼剪切速率增加，HPAM水溶液黏度降低，浓度越大，黏度下降幅度越大。当剪切速率为100 000 s-1时，1 000mg/L HPAM水溶液黏度损失率为8.9%， 1 200 mg/L HPAM水溶液黏度损失率为14.9%，1 500 mg/L HPAM水溶液黏度损失率为25.8%。HPAM水溶液在射孔炮眼处剪切降解发生在套管孔眼、油层部位的炮眼壁和压实带。因此，流量一定的情况下，射孔弹直径越大、能量越大，射孔效果(孔深、孔径、对压实带的损害)越好，对减少HPAM水溶液黏度损失效果越好。

图9 炮眼对聚合物水溶液黏度的影响

2.5 微生物

如果HPAM在地面被生物降解，因为微生物会堵塞地层，影响HPAM水溶液注入能力；如果HPAM在地层被微生物降解，可导致HPAM水溶液黏度损失，甚至丧失流动控制能力。黄峰等从中原油田取样的污水中培养出的硫酸盐还原菌，可在聚合物驱油中生长繁殖并使HPAM发生降解[6]。

2.5.1硫酸盐还原菌(SRB)

近年来人们发现HPAM的降解产物可作为细菌生命活动的营养物质,反过来营养的消耗可促进聚合物的降解，使其黏度降低。分子降解产物中—COO-可作电子供给体，用硫酸盐作末端电子接受体而繁殖；同时，—COO-的消耗促进HPAM的进一步降解，又为SRB的生长繁殖提供更多的营养物质，使SRB在其中的代谢旺盛且持久。SRB对HPAM 的厌氧降解较缓慢。硫酸盐还原菌分解产生的H2S通过在水中溶解也对管道有腐蚀性。

2.5.2腐生菌(TGB)

TGB不仅能在不加任何培养基成分的一定浓度的HPAM 中大量生长繁殖，使溶液黏度降低较适宜的浓度为500～1 000 mg/L。TGB接种至HPAM溶液中并不立即生长繁殖，经一定的停滞期，此段时间内HPAM不发生降解，存在一定的降解诱导过程。随着TGB的生长繁殖，HPAM开始降解，导致溶液黏度迅速下降。

3 结论

1)溶解氧对聚合物水溶液黏度稳定性的影响是一个长期而缓慢的过程，但相对于注聚周期的长期性而言，溶解氧所造成的聚合物水溶液黏度损失是较为严重的；聚合物的氧化降解反应过程与温度关系较大，温度的升高会使反应速度加快，从而造成溶液黏度损失加重； Fe3+不造成聚丙烯酰胺分子的降解， Fe2+对聚合物水溶液黏度影响较为严重；聚合物水溶液在偏碱性条件下黏度稳定性较高。

2)聚合物水溶液在低渗透岩心中的黏度下降幅度大于高渗透岩心，对于相同渗透率的岩心，注入聚合物水溶液速度越大黏度损失也越大，随着渗透率的降低，聚合物水溶液黏度降低的幅度加大;在HPAM配注过程中，要尽量降低搅拌速度和时间，适当延长熟化时间，搅拌速度应不高于500 r/min,搅拌时间最好控制在30 min以内。