甲酰胺对聚合物溶解时间及渗流特征的影响

舒 政，杨雅兰，陈文娟，赵文森，齐 勇，程飞豹

(1.海洋石油高效开发国家重点实验室·中海油研究总院有限责任公司，北京 100028；2.油气藏地质及开发工程国家重点实验室·西南石油大学，四川 成都 610500)

聚合物驱油是陆上油田三次采油[1,2]提高采收率的技术，获得了很好的经济效益和社会效益。但是，受海上油田油藏、环境和工程条件的制约，聚合物驱油技术在海上稠油油田使用中面临许多困难。疏水缔合水溶性聚合物有良好的抗温、抗盐和抗剪切能力，但在盐水中使用时，需要加入稳定剂[3]。罗平亚等[4]根据海上油田特点和聚合物结构设计原理研制出的疏水缔合聚合物AP-P4具有耐温耐盐、高效增黏、较好的抗剪切性、良好的传导性和驱油效果。

改变聚合物自身的溶解性、升高溶剂温度或浓度、改变搅拌器类型或者搅拌方式以增大体系熵变和通过强制拉伸混合装置增加水与溶胀颗粒的接触面积等[5-19]均能够在一定程度缩短聚合物溶解时间，但由于海上平台空间且承重严重受限，可供聚合物溶液配制的面积只有陆地油田的5%～10%，无法直接借陆地油田聚合物溶解方法及设备，海上油田现已完成了配注工艺的撬装化、平台化，但目前仍然无法完全满足需求。研究发现，甲酰胺能够加快疏水缔合聚合物(AP-P4)溶解[20]。

笔者对海上平台减小配注系统总体积的可行性进行分析，以期获得既能加速聚合物溶解，又不影响溶液性能及驱替效果的方法，为海上平台聚合物溶液的配制提供思路。

1 实验部分

1.1 主要仪器及试剂

Brookfield DV-Ⅲ黏度计(美国Brookfield公司)、数显悬吊臂搅拌器(江苏江阴保利科研器材有限公司)、恒温水浴锅(上海光地仪器设备有限公司)、电子天平(上海精科公司)、计时器、烧杯、针筒(去针头)、ISCO泵(美国)、HAAKEMARS-Ⅲ流变仪(德国)、岩心夹持器、地层多孔介质剪切装置(自主研发)。

疏水缔合聚合物AP-P4，四川光亚聚合物化工有限公司；NaCl、KCl、CaCl2、MgCl、Na2CO3、Na2HCO3、Na2SO3均为分析纯；甲酰胺，成都市科龙化工试剂厂。

实验用水：SZ36-1模拟水，矿化度见表1。

表1 模拟水离子组成 mg/L

1.2 实验方案

聚合物的基本溶解时间测定，具体方案如下：1)用烧杯取模拟水1 L试样置于45 ℃中进行预热，调节转速为200 r/min；2)称5 g聚合物干粉，在30 s内把所称取的聚合物干粉撒在涡旋体的肩部；3)每间隔5 min，用不带针头的注射器取出适量聚合物溶液，用Brookfield DV-Ⅲ黏度计测量并记录黏度值(平均黏度)。当时间大于120 min连续3个点的聚合物溶液黏度值波动范围小于5%时，结束实验，转子为00#、61#、62#和63，测试温度45 ℃。

在聚合物的常规理化性能指标进行分析的基础上，研究了体积分数为0.020的甲酰胺对AP-P4增黏性、耐盐性和剪切流变性的影响，具体方案如下：1)分别用模拟水与AP-P4配制1 L，质量浓度为5 000 mg/L；每种母液配制好后老化12 h，分别稀释成100、200、300、400、500、700、1 000、1 500、1 750、2 000、3 000和4 000 mg/L聚合物溶液后进行黏度测量。2)用模拟水配制质量浓度为5 000 mg/L的母液，将母液静止12 h后，用模拟水稀释母液至1 750 mg/L，用HAAKEMARS-Ⅲ流变仪测定不同剪切速率下聚合物溶液的表观黏度，剪切速率从0.1 s-11到1 000 s-1，转子为DG41Ti，测试温度65 ℃。

实验考察体积分数为0.020的甲酰胺对AP-P4近井地带剪切后黏度的影响(模拟装置见图1)，具体方案如下：1)分别用模拟水与AP-P4配制1 000 mL，质量浓度为5 000 mg/L，稀释成1 750 mg/L聚合物溶液进行黏度测量；2)用模拟地层多孔介质剪切，用黏度计测定不同剪切强度后聚合物溶液的表观黏度，根据SZ36-1油田实际吸水强度统计结果[21-24]。

实验考察体积分数为0.020的甲酰胺对1 750 mg/L AP-P4渗流特征的影响：1)实验研究阻力与残余阻力系数具体方案如下：模拟岩心进行抽真空饱和模拟地层水，模拟水速度为0.3 mL/min，压力稳定后持续驱替至少1 PV；以聚合物流速为0.3 mL/min的向岩心注入聚合物，压力稳定后持续驱替至少5 PV；模拟水流速为0.3 mL/min的向岩心注入地层水，压力稳定后持续驱替至少5 PV。2)实验研究甲酰胺对AP-P4驱油性能的影响，利用模拟岩心对聚合物的流动特性进行实验研究(采收率)具体方案如下：进行抽真空饱和模拟水，以不同速度饱和模拟油，记录出水量，计算含油饱和度S0，在65 ℃下老化48 h；模拟水流速为1.0 mL/min，并分别读出水、油、总液量的体积，计算瞬时含水率；当3个连续的瞬时含水率达到95%以上改为聚驱；以流速为0.5 mL/min向岩心注入聚合物，每5 min用试管接液，并分别读出水、油、总液量的体积。持续驱替1 PV后，改变驱替流速为1.0 mL/min，持续驱替10 PV后改为水驱；以1.0 mL/min速度进行后水驱替，每5 min用试管接液，并分别读出水、油、总液量的体积，当瞬时含水率达到98%时，停止实验。

图1 近井地带剪切物理模拟实验装置

2 结果与讨论

2.1 甲酰胺对聚合物基本溶解时间的影响

不同体积分数甲酰胺的AP-P4溶解时间曲线如图2所示。

图2 不同体积分数甲酰胺的AP-P4溶解时间曲线

从图2可以看出，疏水缔合聚合物AP-P4整个溶解过程可分为3个阶段，随着搅拌时间的增加，黏度先是缓慢增加随后快速增大，最后趋于平稳；随着甲酰胺体积分数的增加，AP-P4的溶解时间先减小后增加。当甲酰胺体积分数增加至0.015时，AP-P4的完全溶解时间缩短至65 min；随着甲酰胺的体积分数继续增加0.020时，AP-P4的基本溶解时间稳定在60 min；随着甲酰胺体积分数继续增加，AP-P4的基本溶解时间保持不变。

图3为不同体积分数甲酰胺时AP-P4的基本溶解时间和基本溶解后的黏度关系。图3中，在体积分数大于0.020后，AP-P4基本溶解时间保持在60 min；甲酰胺可以完全破坏疏水缔合聚合物疏水缔合作用，使聚合物分子以单分子态分散在溶液中[20]。由于甲酰胺加入量较小，AP-P4疏水缔合网状结构没有破坏，AP-P4基本溶解后的黏度变化不大。

表2 不同体积分数甲酰胺的基本溶解时间与基本溶解后的黏度结果

图3 不同体积分数甲酰胺时AP-P4基本溶解时间与基本溶解后平均黏度关系

2.2 甲酰胺对聚合物溶液性能的影响

2.2.1 临界缔合浓度

图4为体积分数为0.020的甲酰胺时黏度与质量浓度的关系。从图4可见，AP-P4质量浓度在0～700 mg/L时黏度均小于100 mPa·s，大于700 mg/L时黏度开始急剧上升，说明AP-P4临界缔合浓度约为700 mg/L。体积分数为0.020的甲酰胺对AP-P4临界缔合浓度影响不大。

图4 黏度与质量浓度的关系

2.2.2 剪切流变性

图5为1 750 mg/L AP-P4与体积分数为0.020的甲酰胺AP-P4聚合物溶液剪切流变性曲线。可以看出，随着剪切速率的增大，聚合物溶液黏度值基本呈逐渐降低趋势，即发生剪切变稀现象。1 750 mg/L AP-P4在剪切速率大于100 s-1后，黏度基本保持不变说明AP-P4空间缔合网状结构已经完全破坏；体积分数为0.020的甲酰胺下1 750 mg/L AP-P4在低剪切速率剪切后，黏度低于空白条件。由相似相溶原理可得，甲酰胺使AP-P4聚合物分子链分散更加均匀，AP-P4聚合物分子链段容易剪断，导致刚性变强柔性变差，但是剪切后仍具有明显的黏度特性，注入地层后能起到有效扩大波及体积的作用。

图5 不同剪切速率下黏度曲线

2.2.3 近井地带剪切

在聚合物驱过程中，在注入端的近井地带，聚合物溶液由井筒流向地层，先后经过防砂管段、砾石充填层、射孔孔眼，然后进入近井地层多孔介质。在不同节点处聚合物溶液会受到不同程度及不同方式的剪切作用，且在不同的完井方式下聚合物溶液在近井地带所受到的剪切程度及剪切方式也不相同，对聚合物溶液的性能产生不同的影响。图6为1 750 mg/L AP-P4与体积分数为0.020的甲酰胺下AP-P4在套管射孔完井0、15 m3/(m·d)、20 m3/(m·d)强度剪切后的黏度。黏度随着剪切的强度的增加逐渐减小，注入强度大于15 m3/(m·d)后黏度基本保持不变，说明AP-P4聚合物AP-P4空间网状结构已经遭到破坏。近井地带多孔介质孔道的不均匀性导致AP-P4分子链段剪切，最终导致聚合物溶液黏度急剧下降；在不同剪切强度剪切后，黏度保留率相差较小，体积分数为0.020的甲酰胺对AP-P4抗近井地带剪切稳定性影响较小。

图6 不同剪切强度后的AP-P4黏度

2.3 甲酰胺对聚合物渗流特征的影响

2.3.1 甲酰胺对聚合物阻力与残余阻力系数的影响

注入压力曲线见图7，驱替稳定压力见表3。

图7 注入压力曲线

表3 驱替稳定压力MPa

体积分数水驱聚驱后水AP-P40.0051.3630.420AP-P4+0.020甲酰胺0.0061.5360.431

从表3可以得出，1 750 mg/L AP-P4阻力系数和残余阻力系数为272和84；体积分数为0.020的甲酰胺下1 750 mg/L AP-P4阻力系数和残余阻力系数为256和72。甲酰胺导致1 750 mg/L AP-P4黏度保留率为98.24%，由于酰胺基团使AP-P4链段分散更加均匀，最终导致聚合物阻力系数表现增加。

2.3.2 甲酰胺对聚合物驱油性的影响

1 750 mg/L AP-P4驱替曲线见图8。由图8可见，1 750 mg/L AP-P4与体积分数为0.020的甲酰胺时1 750 mg/L AP-P4驱替压力、含水率及采收率变化趋势一致。压力都是在水驱阶段先是上升后逐渐下降，这是由于油水黏度间差异导致压力在注入前期急剧上升，水驱前缘突破岩心出口端时压力逐渐减小；聚合物驱开始后，压力先是快速上升后缓慢增加，这是由于聚合物溶液具有较大的黏度导致驱替压力快速上升，当聚合物占据岩心大部分孔道后，压力上升幅度变的缓慢，当聚合物速度发生改变时，压力会发生突变；后续水驱压力先是快速上升后急剧下降至稳定，由于聚合物在岩心孔道中的滞留，后水进入较为困难使得压力会短时间内快速上升，当压力高于后水进入含有聚合物的大孔道的门槛压力时，后水逐渐进入岩心中的大孔道，压力开始急剧下降；驱替过程中含水率在水驱阶段均持续上升，改为聚驱后含水率开始下降呈现V字形，当驱替体积达到10 PV后含水率变化不大；采收率随着注入量的增加持续上升最终保持在80%左右。

图8 1750 mg/L AP-P4驱替曲线

3 结 论

a.不同体积分数甲酰胺AP-P4基本溶解时间不同，在体积分数0.020～0.030甲酰胺AP-P4的基本溶解时间最短为60 min，基本溶解时间缩短了20.00%；体积分数为0.020的甲酰胺基本溶解后的黏度为2 516 mPa·s，黏度保留率为98.24%。

b.体积分数为0.020的甲酰胺时1 750 mg/L AP-P4与空白临界缔合浓度均为700 mg/L；体积分数为0.020的甲酰胺时1 750 mg/L AP-P4在低剪切频率下剪切后的黏度低于空白，由于AP-P4分子链段伸展疏散易被剪切，当剪切速率大于临界速率时，其AP-P4分子链段间网状结构破坏，导致黏度变化不大；体积分数为0.020的甲酰胺下1 750 mg/L AP-P4在不同强度近井地带剪切后，黏度与空白条件下相差较小，说明0.020甲酰胺对AP-P4近井剪切后黏度影响不大。

c.体积分数为0.020的甲酰胺时1 750 mg/L AP-P4与空白驱油结果显示，聚合物驱后瞬时含水率呈现V字形趋势，当驱替体积达到10 PV后含水率变化不大；采收率随着注入量的增加，采收率持续上升最终保持在80%左右。