温敏型聚合物驱油性能研究

2021-01-08徐辉祝仰文宋敏庞雪君孙秀芝

油气藏评价与开发 2020年6期

徐辉，祝仰文，宋敏，庞雪君，孙秀芝

（1.中国石化胜利油田分公司勘探开发研究院，山东东营257015；2.中国石化胜利油田分公司油气开发管理中心，山东东营257000）

胜利油田适合化学驱油藏资源丰富，一类油藏和二类油藏温度≤80 ℃，矿化度≤30 000 mg/L，钙镁离子含量≤400 mg/L，常规分子量在2 000×104左右的部分水解聚丙烯酰胺驱油效果显著。三类油藏储量达到6.1×108t，但由于温度和矿化度都较高（温度＞80 ℃，矿化度＞30 000 mg/L，钙镁离子含量＞400 mg/L），常规聚合物在三类油藏条件下增黏性大幅降低[1]，驱油效果变差。因此，研发新型耐温抗盐聚合物成为解决胜利油田高温高盐三类油藏化学驱提高采收率的关键。

为了提高聚合物在高温高盐油藏条件下的增黏性能和驱油性能，同时考虑聚合物在现场应用的成本，目前最常用的方法就是在合成过程中引入少量的缔合类和AMPS抗盐类单体[2-8]，引入缔合类单体合成的缔合聚合物虽然黏度大幅增加，但在地层吸附量比常规聚合物明显增多，注入性存在一定问题；引入AMPS单体合成的多元共聚物，耐盐和抗钙镁离子能力大幅提高，但只有在引入较多AMPS条件下才能实现高增黏特性，因此，经济性稍差。温敏聚合物是通过接枝或共聚反应向水溶性聚合物主链上引入具有临界溶解温度侧链而制备的一种水溶性聚合物，自从法国巴黎第六大学HOURDERT 首次提出并合成出温敏型共聚物以来，这类聚合物已经大量应用在化学、生物、纺织等各个领域，且在油田钻井、水处理行业也开展了相关研究，谢璐瑶利用聚醚与丙烯酰胺、丙烯酸接枝共聚得到系列热增黏共聚物，结果表明，聚合物浓度越高，相对分子质量越高，热增黏性能越好，热缔合温度也越低[9]。马超研究了温敏型聚合物在稠油污水中的絮凝作用，结果表明，温敏型聚合物对稠油污水的乳化油和固相悬浮物的去除率较阳离子聚合物高[10]。郭锦棠研究了温敏增稠固井水泥外加剂的合成与性能，结果表明，温敏增稠聚合物能明显改善水泥浆在高温高压条件下的稳定性[11]。目前对温敏型聚合物的研究在三次采油中也有相关研究[12]，但对黏弹性聚合物的黏弹性、注入性和驱油效果研究较少。为此，选择了常规AM-NaAA聚合物和温敏型AM-NaAA-RTM 三元共聚物，对比了这两种聚合物的基本物化性能、增黏性、耐温性，重点研究了温敏型三元共聚物溶液的黏弹性和驱油性能。通过研究，能够为高温高盐三类油藏聚合物的研发和应用提供借鉴。

1 实验器材与方法

1.1 实验器材

实验试剂：常规驱油用聚合物AM-NaAA（北京恒聚公司生产，分子量2 500×104左右）；温敏型三元共聚物AM-NaAA-RTM（法国爱森公司生产，分子量1 600×104左右）。

实验用水：总矿化度为32 868 mg/L（Ca2+与Mg2+之和为874 mg/L）属于胜利油区三类油藏模拟水。

实验仪器：磁力搅拌器及转子、乌氏黏度计、水解度测定仪、安东帕MCR301 流变仪、室内物理模拟试验评价装置。

1.2 实验方法

聚合物溶液配制：取一定质量的聚合物干粉，用胜利油田三类模拟水配制浓度为5 000 mg/L的母液，熟化1 d后，稀释成不同浓度的目标溶液。

聚合物基本物化性能评价：取两种干粉，分别测试干粉的溶解时间，水解度，特性黏数，并测试聚合物浓度在1 500 mg/L时的表观黏度。

聚合物溶液增黏性、耐温性及黏弹性评价：用胜利油田三类模拟水配制成不同质量浓度的聚合物溶液，在实验温度为85 ℃的条件下，测试溶液的增黏性和黏弹性，同时在温度为25～85 ℃下测试聚合物的耐温性能。

聚合物溶液在岩心中运移性能：选取渗透率为1 500×10-3μm2人造胶结岩心，首先利用模拟水饱和岩心，接着进行水驱，待水驱压力平衡后，注入聚合物溶液，注聚压力平衡后，再进行后续水驱，后续水驱压力平衡后，结束实验。

聚合物溶液驱油效果评价：首先利用模拟水饱和岩心，然后水驱至含水率为95%，接着注入胜利油田三类油藏模拟水配制的两种聚合物溶液，最后进行后续水驱至含水率为100%。实验温度为85 ℃；注入水矿化度为32 868 mg/L；岩心模型为人造胶结岩心，长度为30 cm，直径为2.5 cm，渗透率为1 500×10-3μm2；注入段塞孔隙体积倍数为0.3；注入速度为0.25 mL/min；注入聚合物溶液质量分数为0.15%。

2 实验结果与分析

2.1 基本物化性能

分别对常规AM-NaAA二元共聚物，AM-NaAARTM温敏型三元共聚物溶解时间、特性黏数、水解度和表观黏度等基本物化性能进行评价和测试，测试结果见表1。

由表1 可知，常规AM-NaAA 聚合物和AMNaAA-RTM温敏聚合物水解度基本相当，且2个聚合物都能在2 h内完全溶解，但AM-NaAA-RTM聚合物由于引入了温敏型单体形成了三元共聚物，三个共聚物单体间竞聚率差异较大，因此，特性黏数低于常规AM-NaAA，但由于温敏单体的存在导致AM-NaAARTM在高温条件下增黏性更好，相对于常规聚合物，85 ℃条件下温敏型聚合物表观黏度增加1倍以上。

表1 两种聚合物干粉基本物化性能对比Table 1 Comparison of basic physical and chemical properties of two kinds of polymer dry powder

2.2 增黏性

取胜利三类模拟水配制浓度为5 000 mg/L 的母液，熟化1 d 后，稀释成浓度为1 000～2 500 mg/L 的目标液，评价2个聚合物在胜利油田三类模拟水配制条件，及85 ℃下溶液的黏浓曲线。

由图1 得出，两种聚合物随着浓度的增加，黏度呈上升趋势，通过拟合黏浓曲线表明，浓度C和黏度η都呈幂函数关系，幂函数方程为η=KCn，从幂函数方程系数K和幂率指数n的对比可知，2 个聚合物n值相差不大，表明2 个聚合物随着浓度的增加，增黏趋势基本相同，但AM-NaAA-RTM 聚合物K值相对于常规聚合物提升2 倍以上，表明不同浓度条件下，AM-NaAA-RTM温敏聚合物在水溶液中增黏能力都有大幅提升，有利于扩大聚合物在地层中的波及。

2.3 耐温性

取胜利三类模拟水配制浓度为5 000 mg/L 的母液，熟化1 d 后，稀释成浓度为1 500 mg/L 的目标液，评价2个聚合物的黏度随温度的变化。

由图2可知，常规AM-NaAA 聚合物由于不含有温敏型功能单体，随着温度的增加，聚合物分子运动变快，分子链慢慢解缠绕，黏度逐渐降低，从25 ℃升温至85 ℃，黏度降低超过65%，耐温性较差。而温敏聚合物AM-NaAA-RTM 引入了RTM 温敏型功能单体，其分子量比常规AM-NaAA聚合物低，因此，在低温条件下，AM-NaAA-RTM 黏度低于常规AMNaAA聚合物。当温度慢慢升高至60 ℃左右时，温敏单体和水产生的氢键作用减弱，侧链疏水性增强，亲水和疏水保持平衡，分子在水溶液中保持两性状态，黏度整体保持稳定；当温度高于60 ℃时，温敏单体的疏水侧链发生分子间缔合作用，疏水性强于亲水性，疏水侧链拉着聚合物分子间形成物理交联网络结构，水动力学体积增大，聚合物表现出温增黏的特性；在70 ℃以上时，AM-NaAA-RTM 聚合物黏度高于常规AM-NaAA 聚合物，且随着温度的增加，温敏型聚合物黏度增加趋势更明显；至85 ℃时，黏度相对于常规聚合物提高1 倍以上，具有明显的耐高温性能。

图1 两种聚合物溶液增黏性对比Fig.1 Comparison of viscosity-increasing property of two polymer solutions

图2 两种聚合物溶液耐温性对比Fig.2 Comparison of temperature resistance property of two polymer solutions

2.4 黏弹性

聚合物的黏弹性主要研究聚合物的威森伯格数，威森伯格（Weissenberg）数定义为第一法向应力差与切应力的比值，即

其中，第一法向应力差N1为弹性量，切应力τ为黏性量，因此，威森伯格数We反映溶液弹性的相对大小。当We很大时，流动特征主要由第一法向应力差决定，即弹性起主要作用；当We很小时，流动特征主要由黏性力决定。这样通过We可得到黏弹性流体在流动过程中弹性和黏性所起的作用，因此，它能够更好地反映聚合物溶液的黏弹性能。

取胜利三类模拟水配制浓度为5 000 mg/L 的母液，熟化1 d 后，稀释成浓度为1 500 mg/L 的目标液，利用流变仪测试得到2 个聚合物的第一法向应力差N1和切向力τ，通过式（1）得到聚合物溶液的威森伯格数。

由图3 可知，高温条件下，由于AM-NaAA-RTM温敏聚合物疏水的侧链发生分子间缔合作用，聚合物分子间形成物理交联，因此，分子间相互作用更强，威森伯格数更大，弹性更好。而常规AM-NaAA聚合物由于高温条件下分子间解缠绕作用增加，导致聚合物分子间相互作用降低，威森伯格数降低，弹性变小，因此，AM-NaAA-RTM 聚合物弹性好于常规AM-NaAA聚合物，由于弹性对于提高聚合物在地层中驱油效率具有重要的作用，因此，温敏型聚合物在高温条件下具有更高的驱油效率[13-17]。

图3 两种聚合物溶液威森伯格数对比Fig.3 Comparison of We of two polymer solutions

2.5 岩心运移性能

取胜利三类模拟水配制浓度为5 000 mg/L 的母液，熟化1 d 后，稀释成浓度为1 500 mg/L 的目标液，利用人造胶结岩心，研究2个聚合物在岩心中渗流运移性能。

由图4 可知，AM-NaAA-RTM 温敏聚合物虽然引入了RTM温敏单体，但在注入聚合物2PV之后，注入压力就逐渐达到平衡，在岩心中具有良好的渗流运移特性，且平衡压力高于常规AM-NaAA 聚合物，在岩心中扩大波及的能力更强，因此，温敏单体的引入并未影响温敏型聚合物的注入性能，且具有更好地扩大波及的能力。