余曉玲,王進(jìn)濤,呂紅梅

(中國(guó)石化江蘇油田分公司石油工程技術(shù)研究院，江蘇揚(yáng)州 225009)

傳統(tǒng)驅(qū)油理論認(rèn)為，聚合物只是通過(guò)增加注入水的黏度，降低油水流度比，擴(kuò)大注入水在油層中的波及體積來(lái)提高原油采收率，但聚合物驅(qū)并不能提高微觀驅(qū)油效率。郭尚平[1]等利用微觀滲流模型得出，聚合物提高驅(qū)油效率的機(jī)理是由于聚合物溶液與油的剪切應(yīng)力大于水與油的剪切應(yīng)力。王德民等[2]根據(jù)微觀滲流試驗(yàn),分析了聚合物溶液提高微觀驅(qū)油效率的機(jī)理?；诖耍P者對(duì)耐溫抗鹽性聚合物PAM1、PAM2黏彈性影響因素進(jìn)行研究；并利用巖心流動(dòng)試驗(yàn)，對(duì)聚合物的黏彈性對(duì)驅(qū)油效率的影響以及聚合物的彈性與黏性對(duì)驅(qū)油效率的作用進(jìn)行比較。

1　室內(nèi)試驗(yàn)

1.1　原料和儀器

無(wú)機(jī)鹽類為分析純；SHSA-01為陰非離子型表面活性劑；聚合物為耐溫抗鹽聚合物，參數(shù)見表1。聚合物配置用水為真35清水。

RS600流變儀，德國(guó)Haake公司；攪拌器，電子天平和巖心驅(qū)替裝置等。

表1　聚合物試樣配制

1.2　流變性測(cè)量方法

由于聚合物溶液濃度較低，若采用錐板系統(tǒng)，在測(cè)試溫度下，水分易揮發(fā)，導(dǎo)致黏彈性測(cè)試無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行,故采用德國(guó)Haake公司生產(chǎn)的RS600流變儀及相配的Z38同軸圓筒測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量聚合物溶液的各項(xiàng)流變參數(shù)。

1.3　動(dòng)態(tài)振蕩剪切理論模型

在動(dòng)態(tài)振蕩剪切測(cè)量中對(duì)給定黏彈性液樣施加一個(gè)小振幅的振蕩應(yīng)力，以保證液樣處在線性黏彈區(qū)[3-4]。在控制應(yīng)變流變儀中，用正弦時(shí)間函數(shù)的方式施加應(yīng)變：

γ=γ0sin(wt)

相應(yīng)輸出的依賴于時(shí)間的應(yīng)力是：

τ=τ0sin(wt+δ)

式中，γ0為最大應(yīng)變，τ為最大應(yīng)力，角頻率w=2πf，f為振蕩頻率。黏彈性流體的損耗模量(G″)和儲(chǔ)能模量(G′)可表示為：

復(fù)合模量G*=G′+iG″

儲(chǔ)存模量G′=G*+cosδ

損耗模量G″=G*+sinδ

聚合物彈性好，結(jié)構(gòu)好，其儲(chǔ)能模量大；結(jié)構(gòu)破壞，儲(chǔ)能模量下降，為損耗模量，意味著初始流動(dòng)所用的能量是不可逆損耗，已轉(zhuǎn)化為剪切熱，若其主要是黏性的，那么損耗模量大。

1.4　驅(qū)油效率測(cè)定

在填砂管物理模擬中使用真35注入水，原油為脫水原油，模擬油藏溫度78 ℃， 人工填兩根砂管，水測(cè)滲透率分別為500×10-3μm2，560×10-3μm2，以0.3 mL/min的流量在78 ℃烘箱中飽和真35脫水原油，至出口端沒有水流出為止。記錄飽和油的體積和含油飽和度。然后將飽和油的填砂管放入78 ℃烘箱中老化2 d。以0.5 mL/min的流量水驅(qū)油，至填砂管的出液含水率大于98%，計(jì)算水驅(qū)采收率；再以0.4 mL/min的流量注入0.5 PV一定濃度的聚合物溶液，記錄填砂管出口端的出液量及出油量，計(jì)算聚合物驅(qū)比水驅(qū)提高的采收率值。

繼續(xù)以0.5 mL/min的流量水驅(qū)，至出液含水率大于98%，計(jì)算后續(xù)水驅(qū)的采收率，并比較各個(gè)階段的驅(qū)油效率。

2　結(jié)果及討論

聚合物溶液動(dòng)態(tài)剪切黏彈性測(cè)試需要選擇線性黏彈區(qū)域[4]，即聚合物溶液復(fù)合模量基本不發(fā)生變化的區(qū)域，從而確定頻率掃描試驗(yàn)的應(yīng)力，試驗(yàn)固定頻率0.1 Hz進(jìn)行應(yīng)力振幅掃描以確定線性黏彈區(qū)域的應(yīng)力值，再根據(jù)應(yīng)力值進(jìn)行頻率掃描，頻率掃描范圍為10～0.01 Hz，進(jìn)行聚合物溶液黏彈性影響因素研究。

2.1　聚合物溶液的線性黏彈區(qū)

在50 ℃下，在應(yīng)力為0.001～0.1 Pa，頻率為0.1 Hz下對(duì)一定濃度 的PAM1、PAM2、62210聚合物溶液進(jìn)行應(yīng)力掃描，結(jié)果見圖1。

圖1　聚合物溶液線性黏彈區(qū)

從圖1可以看出，在應(yīng)力為0.001～0.06 Pa，復(fù)合模量|G*|曲線趨于平緩，因此0.001～0.06 Pa即為該聚合物溶液線性黏彈區(qū)。

2.2　相對(duì)分子質(zhì)量對(duì)聚合物溶液黏彈性的影響

通過(guò)應(yīng)力掃描，取應(yīng)力值0.01 Pa，振蕩頻率10～0.01 Hz對(duì)聚合物PAM1、PAM2的水溶液進(jìn)行頻率掃描，考察相對(duì)分子質(zhì)量大小對(duì)聚合物溶液黏彈性的影響，其中聚合物濃度為1 000 mg/L，結(jié)果見圖2。

圖2　相對(duì)分子質(zhì)量對(duì)聚合物溶液黏彈性的影響

從圖2可以看出，隨著振蕩頻率的升高，溶液的彈性模量G′和黏性模量G″都相應(yīng)增大，即黏彈性具有增大特性。在一定頻率范圍，相對(duì)分子質(zhì)量大的聚合物PAM2溶液的G′和G″均分別高于的PAM1的G′和G″，對(duì)兩種聚合物溶液，都存在一個(gè)特定頻率，在此頻率處兩條模量曲線相交，頻率低于此值時(shí)溶液的黏性G″大于彈性G′；高于此頻率時(shí)彈性響應(yīng)G′超過(guò)黏性響應(yīng)G″，即G′大于G″。在相對(duì)低的頻率區(qū)，溶液的黏性占主導(dǎo)，在相對(duì)高的頻率區(qū)彈性占優(yōu)勢(shì)。聚合物相對(duì)分子質(zhì)量越高，兩條曲線相交的頻率越低，說(shuō)明高相對(duì)分子質(zhì)量聚合物溶液的彈性響應(yīng)在較低頻率時(shí)就超過(guò)了黏性響應(yīng)。由此可知，聚合物相對(duì)分子質(zhì)量大小、分子結(jié)構(gòu)以及剪切速率均可改變?nèi)芤旱酿椥浴?/p>

2.3　聚合物濃度的影響

考察了聚合物PAM2溶液濃度分別為1 000 mg/L， 1 500 mg/L時(shí)黏彈性的變化情況。結(jié)果見圖3。

圖3　聚合物濃度對(duì)黏彈性影響

由圖3可知，對(duì)同一種聚合物而言，濃度越大，儲(chǔ)能模量及損耗模量均有不同程度的增加，且儲(chǔ)能模量即彈性效應(yīng)在頻率較低(小于1 Hz)時(shí)，表現(xiàn)更為明顯。聚合物濃度越大，聚合物分子纏結(jié)越嚴(yán)重，在一定的頻率范圍表現(xiàn)出較強(qiáng)的彈性效應(yīng)。

2.4　溫度的影響

在應(yīng)力為0.001～0.1 Pa，頻率為0.1 Hz下對(duì)濃度為1 000 mg/L聚合物PAM2溶液進(jìn)行應(yīng)力掃描，確定其線性黏彈區(qū)。以應(yīng)力為0.02 Pa，頻率為10～0.01 Hz在30～80 ℃下進(jìn)行頻率掃描，考察溫度對(duì)聚合物溶液黏彈性的影響，此時(shí)考察損耗模量和儲(chǔ)能模量的加和，即復(fù)合模量G*，試驗(yàn)結(jié)果見圖4。

圖4　溫度對(duì)聚合物溶液黏彈性的影響

從圖4可以看出，隨著溫度的升高，聚合物溶液復(fù)合模量降低，對(duì)于同一頻率來(lái)說(shuō)，溫度越低，復(fù)合模量越高。這是由于隨著溫度的升高，聚合物分子或分子鏈為維持其最小的能量狀態(tài)，水解度增大，聚合物的儲(chǔ)能模量、損耗模量都緩慢減小，這種變化類似于聚合物的黏溫曲線的變化。但總體來(lái)說(shuō)，溫度的變化對(duì)聚合物黏彈性影響幅度不大。

2.5　礦化度對(duì)聚合物黏彈性的影響

用NaCl配制礦化度為1 500，5 000，10 000 mg/L的PAM2聚合物溶液，對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力掃描，應(yīng)力為0.001～0.1 Pa，試樣溶液線性黏彈區(qū)為0.004～0.03 Pa。為便于比較，均取應(yīng)力為0.01 Pa對(duì)其進(jìn)行頻率掃描，頻率為10～0.01 Hz。在50 ℃下考察不同礦化度下的聚合物溶液模量的變化，模擬聚合物溶液與地層水混合后溶液黏彈性的變化，試驗(yàn)結(jié)果見圖5。隨著礦化度即鈉離子的增加，聚合物溶液損耗模量G”以及儲(chǔ)能模量G’均逐漸下降，聚合物溶液的黏性和彈性不斷減弱；礦化度較低(1 500 mg/L)時(shí)復(fù)合模量為礦化度較高(10 000 mg/L)的一個(gè)數(shù)量級(jí)。PAM2為部分水解聚丙烯酰胺，為陰離子型聚合物，隨著鈉離子濃度增高，由于電荷的屏蔽作用，聚合物內(nèi)的排斥力減小，使其纏繞度降低，聚合物溶液的黏彈性也隨著降低。

圖5　礦化度對(duì)聚合物溶液黏彈性的影響

2.6　表面活性劑的影響

在化學(xué)驅(qū)中，常為聚合物與表面活性劑組成二元驅(qū)進(jìn)行礦場(chǎng)試驗(yàn)。在聚合物中加入一定量的表面活性劑，用真35清水配制聚合物PAM1、PAM2溶液濃度為1 500 mg/L，陰非離子型表面活性劑SHSA-01質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%、0.1%、0.15%、0.3%的混合溶液，進(jìn)行黏彈性測(cè)試，測(cè)試溫度為50 ℃，考察表面活性劑的加入對(duì)聚合物溶液黏彈性的影響，試驗(yàn)結(jié)果見圖6。

圖6　表面活性劑SHSA-01加入對(duì)聚合物溶液黏彈性的影響

由圖6可知，表面活性劑用量增加，聚合物溶液黏性模量和彈性模量均有不同程度的下降，但下降幅度相對(duì)較小?？梢?，表面活性劑對(duì)聚合物黏彈性影響不太大。

2.7　聚合物黏彈性對(duì)驅(qū)油效率的影響

為了考察聚合物黏彈性對(duì)驅(qū)油效率的影響，飽和油后先水驅(qū)，再分別對(duì)填砂管注入注入0.5 PV的1 000 mg/L及1 500 mg/L的PAM2溶液，再進(jìn)行后續(xù)水驅(qū)。注入1 000 mg/L聚合物PAM2驅(qū)油試驗(yàn)結(jié)果見圖7，1 500 mg/L聚合物PAM2驅(qū)油試驗(yàn)結(jié)果見圖8。

圖7　注入1 000 mg/L聚合物PAM2采收率及注入壓力變化曲線

圖8　注入1 500 mg/L聚合物PAM2采收率及注入壓力變化曲線圖

試驗(yàn)結(jié)果表明，原始水驅(qū)至采收率38%左右時(shí)，填砂管不再出油，含水率達(dá)到98%以上，水驅(qū)失效。注入0.5 PV聚合物溶液后，開始后續(xù)水驅(qū)，后續(xù)水驅(qū)壓力較原始水驅(qū)明顯增大，出水量減少，采收率均有提高，且隨著聚合物溶液濃度增加，即黏彈性的增加，主要是聚合物溶液彈性貢獻(xiàn)大，濃度大的聚合物溶液彈性模量占優(yōu)勢(shì)，而濃度低的聚合物溶液黏性模量占優(yōu)勢(shì)，注入1 500 mg/L時(shí)PAM2采收率提高了15.4%，而注入1 000 mg/L提高采收率為11.3%。

3　結(jié)論及建議

1)聚合物相對(duì)分子質(zhì)量、試驗(yàn)溫度、礦化度對(duì)聚合物溶液黏彈性具有影響；

2)在礦化度、溫度、頻率一定時(shí)，聚合物相對(duì)分子質(zhì)量、濃度越高，聚合物溶液黏度越大，因而其黏彈性越大。在低黏度時(shí)，聚合物溶液的黏性大于彈性或黏彈性差異不大，高黏度時(shí)彈性比黏性大。

3)對(duì)同一種聚合物，聚合物溶液濃度越大，黏度越大，彈性也越大，聚合物溶液彈性模量在驅(qū)油過(guò)程中起主導(dǎo)作用，驅(qū)油效果越好。

[1]郭尚平，黃延章.物理化學(xué)滲流微觀機(jī)理[M].北京：科學(xué)出版社，1990：100-102.

[2]夏慧芬，王德民.粘彈性聚合物溶液提高微觀驅(qū)油效率的機(jī)理研究[J].石油學(xué)報(bào)，2001，22(4)：60-65.

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