苑丹丹，吳紅軍，張 帆，董 晶，2，王寶輝

（1.東北石油大學 化學化工學院，黑龍江 大慶 163318；2.大慶油田有限責任公司，黑龍江 大慶 163313）

0 引 言

近年來，我國主要油田進入化學驅油階段，特別是大慶油田特別適應聚合物驅油技術的物化環(huán)境性，聚合物驅采油技術是大慶油田提高原油采收率的一個重要技術，已經(jīng)進行大面積工業(yè)化應用，取得了較好的驅油效果和大量的經(jīng)驗，總體技術為世界領先水平[1－5]。簡單的說，聚合物驅油是通過注入水加入可溶性聚丙烯酰胺（PAM），增大注入水的黏度，增加注入水的波及效率。注入的聚合物溶液黏度越高，油層宏觀和微觀波及效率就越大，采收率就越高，多年的研究和工業(yè)實踐表明，提高和保持聚合物溶液黏度致關重要[6－12]。在相同條件下，聚合物分子量越高溶液黏度越大，因此應盡可能選擇分子量高的聚合物。但在聚合物應用時，要求聚合物相對分子質量與巖石滲透率匹配，研究發(fā)現(xiàn)，當保持聚合物溶液黏度為20mPa·s情況下，隨著聚合物相對分子質量的提高，噸聚合物增油量提高，驅油成本大幅度降低[13－16]。但由于大慶油田三類油層滲透率非常低，上千萬分子量的聚合物不適用，而400萬分子量的聚丙烯酰胺應用效果較差，所以根據(jù)大慶油田地質及聚合物應用情況，篩選出濃度、溫度、黏土、蒙托土和鹽主要控制因子對800萬低分子量聚合物溶液黏度的影響進行試驗。

1 試驗部分

1.1 儀器和試劑

儀器：DV－II＋型旋轉黏度計，Brookfield公司；921型磁力加熱攪拌器，上海南匯電訊器材廠。

試劑：CaCl2（分析純）、MgCl2（分析純）、聚丙烯酰胺（分子量為800萬、大慶油田提供）、采出液（礦化度在3000～6000mg／L之間、大慶油田提供））

1.2 聚合物溶液的配制方法

將800萬分子量HPAM緩慢加入攪拌的配制水中，在低速下攪拌2h，配制成所需濃度的聚丙烯酰胺溶液，所配樣品靜置熟化12h后，即得實驗樣品溶液。

1.3 溶液黏度的測定方法

采用美國Brookfield DV-II＋PRO黏度計測定聚合物溶液的黏度，測出的黏度即表觀黏度，是指剪切應力與剪切速率之比。配好聚合物溶液后，取出溶液放入黏度計的恒溫加熱筒內(nèi)，根據(jù)待測溶液的黏度范圍選擇相應的轉子，安裝轉子和加熱筒，在選定的溫度下將溶液靜置恒溫20min后，在指定剪切速率下旋轉，每隔5min讀數(shù)一次，待讀數(shù)穩(wěn)定后記下讀數(shù)。本研究所用聚合物溶液在轉速6 rpm（剪切速率7.34s－1），ULA 轉子和（45±0.1）℃恒溫條件下測定溶液的黏度。

2 結果與討論

2.1 濃度對低分子量聚合物黏度的影響

本實驗用現(xiàn)場配制水配制聚丙烯酰胺溶液，在45℃溫度下，考察不同聚丙烯酰胺濃度（C＝300、500、800、1100、1300mg／L）對黏度的影響情況，實驗結果見圖1。

圖1 聚丙烯酰胺溶液的黏度隨濃度的變化Fig.1 Viscosity of polyarcylamide solution changes with the concentration

由圖1可見，聚合物溶液黏度隨濃度的升高而增大，濃度從300ppm增至1300ppm，濃度增加4.3倍時，黏度增加了約15倍。因為聚合物溶液濃度升高時，溶液中單位體積內(nèi)的分子數(shù)就越多，分子間的吸引力增強，相互纏結的作用加強，導致溶液黏度增加。

2.2 溫度對低分子量聚合物黏度的影響

在聚合物應用過程中，環(huán)境溫度不同可能會對聚合物溶液的黏度產(chǎn)生影響，用現(xiàn)場配制水配制濃度為1100mg／L的聚丙烯酰胺溶液，將配制好的溶液置于不同溫度下（T＝35、40、45、50、55℃），考察溫度對其黏度的影響情況，實驗結果見圖2。

由圖2可見，聚合物溶液的黏度對溫度較為敏感，隨溫度的升高，黏度呈線性降低，溫度從35℃升高至55℃時，黏度損失率為19.5%。主要原因是在低溫下高分子PAM輔展的體積較大，束縛了大量 “自由”溶劑分子的運動使溶液產(chǎn)生高黏性。隨著溫度升高溶劑分子運動加劇，分子擺脫束縛，可以自由運動，分子間氫健被破壞，PAN分子鏈解纏結，從而使溶液黏度下降，另一方面，隨著溫度的升高，水解性越大，使溶液粘度損失率越大。

圖2 聚丙烯酰胺溶液的黏度隨溫度的變化Fig.2 Viscosity of polyacrylamide solution changes with the temperature

2.3 懸浮物對低分子量聚合物黏度的影響

聚合物溶液在巖石中運移時，地層巖石中含有的懸浮物可能影響聚合物溶液的黏度，主要考察地層中的黏土和蒙脫土對低分子量聚合物黏度的影響。

2.3.1 黏土對低分子量聚合物黏度的影響

用配制水配制濃度為1100mg／L的聚丙烯酰胺溶液，在45℃溫度下，考察未加黏土及加入不同量黏土（C＝50、100、150、250、500mg／L）時黏土含量對黏度的影響情況，實驗結果見圖3。

圖3 聚丙烯酰胺溶液的黏度隨黏土濃度的變化Fig.3 Viscosity of polyacrylamine solution changs with the concentration of clay

由圖3可見，黏土含量的增加會使聚合物黏度降低，當黏土由0mg／L增至250mg／L時，對黏度的影響程度較小，黏度損失率為1.8%，當黏土含量增至500mg／L時，黏度損失率為6.0%。

2.3.2 蒙脫土對低分子量聚合物黏度的影響

用配制水配制濃度為1100mg／L的聚丙烯酰胺溶液，在45℃溫度下，考察未加蒙脫土及加入不同量蒙脫土（C ＝ 50、100、150、250、500mg／L）時不同含量的蒙脫土對黏度的影響情況，實驗結果見圖4。

圖4 聚丙烯酰胺溶液的黏度隨蒙脫土濃度的變化Fig.4 Viscrosity of polyacrylamide solution changes with the concentraturn of montmorillonite

由圖4可見，蒙脫土對聚合物的黏度有一定的影響，隨著蒙脫土含量的增加，聚合物溶液黏度下降，當蒙脫土由0mg／L增至250mg／L時，其影響程度較小，黏度損失率為2.8%，當黏土含量增至500mg／L時，黏度損失率為6.4%。

2.4 水中鹽對低分子量聚合物黏度的影響

PAM在配制、注入及驅油過程中，會與礦化度較高的水混合，水中鹽類對其黏度有很大影響。通常地下水中所含無機鹽類有Na2CO3、NaHCO3、KCl、MgCl2和NaCl等。對部分水解PAM黏度影響較大的是其中的陽離子，即Na＋、K＋、Ca2＋和Mg2＋。試驗油田地下水為NaHCO3型，根據(jù)大慶油田水質，考察鈣、鎂離子和礦化度對低分子量聚合物溶液黏度的影響。

2.4.1 鈣、鎂陽離子對低分子量聚合物黏度的影響

由于配制水和地層水中均含有約幾十mg／L的鈣、鎂離子，本實驗采用L2聚合物，用配制水配制濃度為1100mg／L的聚丙烯酰胺溶液，向其中加入不同質量的氯化鈣、氯化鎂（固定鈣、鎂離子濃度比為3∶1），在45℃溫度下，考察不同濃度的二價離子（C二價離子＝10、20、40、80、120mg／L）對其黏度的影響情況，實驗結果見圖5。

圖5 聚丙烯酰胺溶液的黏度隨鈣、鎂離子濃度的變化Fig.5 Viscosity of polyacrylamide solution changes with the concentration of calcium and magnesium ions

由圖5可見，聚合物溶液黏度對鈣鎂陽離子非常敏感，黏度隨著鈣鎂濃度的升高呈指數(shù)性降低。鈣鎂離子濃度從0mg／L增至120mg／L時，黏度損失率為86.9%。二價陽離子使聚丙烯酰胺溶液黏度大幅度降低的原因是由于帶負電的PAM通過-COO-與Ca2＋、Mg2＋間的靜電吸引力，或由HPAM分子中的負電子基團-NH2－和金屬離子Ca2＋、Mg2＋形成配位鍵。由于二價離子與聚丙烯酰胺分子的吸附與鍵合，減弱了聚丙烯酰胺分子間的作用力，從而改變聚丙烯酰胺分子的排列構型和空間結構，結果使聚合物分子鏈收縮與卷曲，同時二價離子與聚丙烯酰胺分子形成絮凝結構，在宏觀上表現(xiàn)為溶液的黏度降低。

2.4.2 礦化度對低分子量聚合物黏度的影響

現(xiàn)場采出液礦化度在3000～6000mg／L之間，模擬現(xiàn)場采出液礦化度向其中加入不同量的模擬礦化水，考察礦化度對聚合物溶液黏度的影響。實驗前配制礦化度為6000mg／L的模擬礦化水，模擬礦化水水質見表1。

表1 模擬礦化水水質Table1 Mineralization of water quality simulation ／mg·L－1

在45℃溫度下，向配制液中加入不同量模擬礦化水（使溶液礦化度約為：2000、3000、4000、5000、6000mg／L），配制成濃度為1100mg／L的聚丙烯酰胺溶液，考察礦化度對聚合物溶液黏度的影響。實驗結果見圖6。

由圖6可見，礦化水配制的聚丙烯酰胺溶液的黏度明顯低于現(xiàn)場配制水配制的聚丙烯酰胺溶液的黏度。聚合物溶液的黏度對礦化度非常敏感，黏度隨礦化度的升高呈指數(shù)性降低，礦化度從300mg／L增至6000mg／L時，黏度損失率為76.3%。

3 結 論

根據(jù)大慶油田地質及聚合物應用情況，篩選出濃度、溫度、黏土、蒙托土和鹽主要控制因子對800萬低分子量聚合物溶液黏度的影響進行了試驗，可以得出如下結論：

圖6 聚丙烯酰胺溶液的黏度隨礦化度的變化Fig.6 Viscosity of polyacrylamide solution changes with the salinity

1）低分子聚合物溶液黏度隨濃度的升高而增大，因為聚合物溶液濃度升高時，溶液中單位體積內(nèi)的分子數(shù)就越多，分子間的吸引力增強，相互纏結的作用加強，導致溶液的黏度越大。

2）低分子聚合物溶液的黏度對溫度較為敏感，隨溫度的升高，黏度呈線性降低，主要原因是在低溫下高分子PAM鋪展的體積較大，束縛了大量“自由”溶劑分子的運動，使溶液產(chǎn)生高黏性。隨著溫度的升高溶劑分子運動加劇，分子擺脫束縛，可以自由運動，分子間氫鍵被破壞，PAM分子鏈解纏結，從而使溶液黏度下降。另一方面，隨著溫度的升高，水解度越大，使溶液黏度損失率越大。

3）黏土和蒙脫土含量的增加會使低分子聚合物黏度降低。由于PAM的吸附與鍵合，使得固懸物顆粒（黏土）的 “邊”– “面”吸附形成的堆積結構變?yōu)樾跄w結構。PAM與固懸物形成穩(wěn)定的結構，壓縮雙電層，電負性減少，產(chǎn)生絮凝作用；陽離子所帶電荷抑制PAM中羧基離子的電斥力，結果導致PAM分子線團卷曲，部分金屬離子和PAM產(chǎn)生絮凝，整個變化過程使溶液黏度降低。

4）低分子聚合物溶液黏度對鈣鎂陽離子和礦化度非常敏感，黏度隨著鈣鎂濃度的升高呈指數(shù)性降低。與其它離子相比，二價陽離子對HPAM黏度的影響更顯著。

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