近井地带剪切强度对疏水缔合聚合物相对分子质量的影响
2022-02-20杨雅兰王同旺刘舒羽陈佳钰
舒 政，杨雅兰，王同旺，刘舒羽，陈佳钰，李 刚
（1.西南石油大学，四川成都 610500；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；3.陕西延长石油（集团）有限责任公司研究院，陕西西安 710000；4.四川省博仁达石油科技有限公司，四川成都 610500）
聚合物驱是通过向注入水中加入少量水溶性高分子，从而增加水相黏度，达到降低地层水有效渗透率的作用，其简单的机理作用使得聚合物驱的应用越来越广泛。因此，聚合物驱对于我国油田开发应用有着非常重要的意义[1-4]。聚合物驱油技术已逐渐在陆上油田三次采油工业化成熟推广，并获得了很好的经济效益和社会效益。从“十一五”开始我国首次在渤海油田开展聚合物驱，从“十一五”到“十三五”期间，海上聚合物驱已经取得了明显的成效[5-10]。但因海上油藏具有原油黏度和矿化度高的特点，所以常规聚合物很难满足其油藏条件，渤海油田针对不同区块采用了两种聚合物，一种是引入特殊官能团的线性聚合物，另外一种是普通聚合物末链引入疏水缔合基团[11-17]。渤海油田因油藏的特殊性，其完井方式是防砂加砾石充填完井，在近井地带的注入端聚合物溶液由井筒流向地层，先后经过防砂管段、砾石充填层和射孔孔眼和近井地层多孔介质后，将会对聚合物溶液的性能产生影响[18-24]，本文探讨聚合物溶液在注入地层前，不同的注入强度对聚合物溶液相对分子质量的影响，通过实验测定聚合物溶液相对分子质量的变化，为现场提高聚合物驱效率改进完井方式提供重要的意义。
1 实验部分
1.1 实验药品及仪器
实验仪器：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）、ISCO 泵（美国）、岩心夹持器、地层多孔介质剪切装置（自主研发）、HBS-2000C 高压恒速恒压泵（扬州华宝石油仪器有限公司）、恒温箱（成都特思特仪器有限公司）、乌氏黏度计（浙江台州市椒江玻璃仪器厂）、计时器、烧杯、针筒（去针头）。
化学试剂：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、NaHCO3、Na2SO3均为分析纯。AP-P4 配制地层水矿化度（见表1），FP3640C 配制地层水矿化度（见表2）。APP4 浓度：1 750 mg/L，FP3640C 浓度为1 500 mg/L。实验温度：45 ℃。
表1 AP-P4 地层水离子组成 单位：mg/L
表2 FP3640C 地层水离子组成 单位：mg/L
1.2 实验步骤
1.2.1 近井地带装置填制 本文近井地带剪切装置采用模拟渤海某油田注聚井完井方式，根据其采用大孔径射孔技术，射孔密度39 孔/米，孔径=0.021 m，孔径取0.021 m，射孔深度=0.170 m，射孔深度取0.180 m，孔眼内充填砾石，孔隙度为37%。设计室内剪切模拟装置填制参数：射孔孔眼及砾石充填层用40～60 目石英砂填制，孔隙度控制在37%；压实带用100～120 目石英砂填制；采用40～80 目、80～120 目石英砂混合填制（见图1）。由油田资料得实际注聚合物溶液过程中87.3%的聚合物溶液的吸水强度范围为5～20 m3/（m·d），通过选取吸水强度为5 m3/（m·d）、10 m3/（m·d）、15 m3/（m·d）、20 m3/（m·d）和25 m3/（m·d）。
图1 套管射孔砾石充填完井近井地带剪切模拟实验装置示意图[19，21]
通过公式（1）将注入强度换算成不同的注入速度，分别为89 mL/min、178 mL/min、267 mL/min、356 mL/min和445 mL/min。
1.2.2 相对分子质量测定
（1）将5 000 mg/L 聚合物溶液用油田模拟地层水进行稀释，每个样品稀释成150 mg/L、250 mg/L、350 mg/L和450 mg/L。
（2）在30 ℃恒温水浴中，用0.55 mm 非稀释型乌氏黏度计分别测量聚合物稀释液和模拟地层水在两刻度之间的流动时间ti和t0，每个样重复测定3 次，取3次测量的算术平均值t平均。
（3）根据相对黏度公式（2）、（3）计算出溶液的相对黏度ηr和比浓黏度ηSP，拟合相对黏度和比浓黏度与浓度曲线，通过外推法可得聚合物的特性黏数[η]。
（4）AP-P4 聚合物溶液相对分子质量根据公式M=（[η]/0.037 3）1.515计算其相对分子质量。
FP3640C 聚合物溶液相对分子质量根据公式M=（[η]/0.037 3）1.457计算其相对分子质量。
2 实验结果与讨论
2.1 FP3640C
根据FP3640C 聚合物溶液相对分子质量测试方法，FP3640C 聚合物溶液所测得的实验数据（见表3）。
由表3 数据可得1 500 mg/L 的FP3640C 聚合物溶液ηSP/Cr与浓度Cr及lnηr/Cr与浓度Cr的关系曲线图（见图2）。
表3 FP3640C 聚合物溶液流经乌式黏度计时间
图2 FP3640C 聚合物溶液ηSP/Cr，lnηr/Cr与Cr的关系曲线
由图2 可得，η1=4 000.89、η2=3 857.75，故特性黏数[η]=3 929.32，由聚合物相对分子质量计算公式M=（[η]/0.037 3）1.457计算可得1 500 mg/L 的FP3640C 聚合物溶液的黏均相对分子质量约为2 079.4×104。
由图3 可得FP3640C 聚合物溶液在不同注入强度下经防砂管段剪切后其相对分子质量（见表4）。由表4 可得，FP3640C 聚合物溶液在不同注入强度剪切后的相对分子质量与注入强度的关系曲线（见图4）。
图3 不同注入强度FP3640C 聚合物溶液ηSP/Cr，lnηr/Cr与Cr的关系曲线
由图4 可知：随着注入强度的增大，FP3640C 聚合物溶液经剪切后聚合物溶液的相对分子质量逐渐减小，未剪切时的相对分子质量为2 079.4×104，在经过5 m3/（m·d）、10 m3/（m·d）、15 m3/（m·d）、20 m3/（m·d）和25 m3/（m·d）强度剪切后相对分子质量分别减少了20.2×104、36.3×104、55.7×104、81.3×104和109.9×104，相对分子质量最低保留率为94.7%，FP3640C 因含有特殊官能团，使其具有一定增黏性和抗剪切性，所以在注入强度最大时其相对分子质量仅降低5.3%。
2.2 AP-P4
由图5 可得，η1=1 831.11、η2=1 659.41，故特性黏数[η]=1 745.26，由聚合物相对分子质量计算公式M=（[η]/0.037 3）1.515计算可得AP-P4 聚合物溶液的黏均相对分子质量约为1 189.3×104。
图5 AP-P4 聚合物溶液ηSP/Cr，lnηr/Cr与Cr的关系曲线
由图6 可得AP-P4 聚合物溶液在不同注入强度下经不同注入强度剪切后聚合物溶液的相对分子质量（见表5）。
图6 不同注入强度后AP-P4 聚合物溶液ηSP/Cr，lnηr/Cr与Cr的关系曲线
表5 AP-P4 聚合物溶液在不同注入强度下剪切后的相对分子质量
由表5 可知，AP-P4 聚合物溶液在不同注入强度下经防砂管段+砾石充填层+射孔孔眼+多孔介质剪切后的相对分子质量与注入强度的关系曲线（见图7）。
由图7 可知，随着注入强度的增大，AP-P4 聚合物溶液经不同注入强度剪切后聚合物溶液相对分子质量逐渐减小，未剪切时相对分子质量为1 189.3×104，经过5 m3/（m·d）、10 m3/（m·d）、15 m3/（m·d）、20 m3/（m·d）和25 m3/（m·d）强度剪切后相对分子质量分别减少了49.9×104、124.6×104、167.3×104、217.5×104和287.5×104，相对分子质量最低保留率为75.83%，疏水缔合聚合物AP-P4 因含有疏水基团，从而使其具有较强的增黏性和抗剪切性，是因聚合物溶解在疏水基相互作用下可形成一定空间网状结构，在经过最大的注入强度剪切后其空间网状结构遭受破坏而使大幅度降低。
图7 AP-P4 聚合物溶液经剪切后的相对分子质量与注入强度的关系曲线
3 结论
（1）线性聚合物FP3640C 在经过5 m3/（m·d）、10 m3/（m·d）、15 m3/（m·d）、20 m3/（m·d）和25 m3/（m·d）强度剪切后相对分子质量分别减少了20.2×104、36.3×104、55.7×104、81.3×104和109.9×104，其相对分子质量的保留率大于94.7%；疏水缔合聚合物AP-P4 在剪切后分别减少了49.9×104、124.6×104、167.3×104、217.5×104和287.5×104，其相对分子质量的保留率大于75.83%。
（2）FP3640C 因分子链间无化学键的结合，在高注入强度下剪切后可能是其分子内部结构的破坏，对整体的影响较小所以表现为相对分子质量的变化较小；AP-P4 因其独特的官能团疏水基团，少量的疏水缔合基团引入，使得分子间的极性增加，且聚合物的疏水缔合能小于化学键，但大于范德华力和氢键，从而分子间具有较强的内聚力，聚合物溶液中分子间存在较强的缔合作用，在高注入强度剪切后其空间网状结构遭受破坏，使其分子链段在溶液中处于游离和半游离状态，则溶液的流动性增强，最后表现为相对分子质量的大幅度减小。
（3）近井地带的剪切使聚合物相对分子质量出现急剧减小，对于AP-P4 而言可能是其空间网状结构短时间破坏，但是疏水缔合聚合物具有较强的黏弹性，在剪切后是否在渗流过程中可恢复，后续可以考虑进行多孔介质驱替或用表征其他聚合物溶液性能。
