羅紅芳，馬 陽(yáng)

（延安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 延安 716000）

復(fù)合驅(qū)技術(shù)已成為油田開(kāi)發(fā)的必然選擇，堿/聚合物復(fù)合驅(qū)是重要的三次采油技術(shù)。該技術(shù)通過(guò)用聚合物增加驅(qū)替液黏度，用堿提高驅(qū)替液洗油效率達(dá)到提高原油采收率的目的。因此，要達(dá)到理想的驅(qū)油效果，必須保證復(fù)合驅(qū)的流度控制能力，即保證堿/聚合物體系的黏度穩(wěn)定性。由于堿/聚合物體系黏度主要由體系中聚合物貢獻(xiàn)，則所有影響聚合物黏度的因素均會(huì)對(duì)堿/聚合物體系造成威脅。堿/聚合物驅(qū)的研究從20 世紀(jì)80 年代中期以來(lái)，得到了迅速的發(fā)展，對(duì)堿和聚合物長(zhǎng)期相互作用也進(jìn)行了研究。在室溫下，通過(guò)用蒸餾水配制堿和聚合物溶液并研究其相互作用，發(fā)現(xiàn)二者濃度較高時(shí)，堿對(duì)聚合物溶液的降黏作業(yè)非常顯著；而不同的堿對(duì)聚合物溶液的影響也不一致。

加入堿會(huì)使聚丙稀酰胺溶液黏度比初始降低，而隨著水解時(shí)間的增長(zhǎng)，聚合物溶液濃度會(huì)逐漸增大。本文系統(tǒng)研究堿和聚合物相互作用對(duì)聚合物溶液黏度的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)室常用聚丙烯酰胺（PAM），粉狀含固量大于92%，相對(duì)分子質(zhì)量為（500～800） ×104，膠體含固量為（8±0.2） %。堿試劑有NaOH、Na2CO3以及Na2SiO3，所有化學(xué)試劑均不低于化學(xué)純。

1.2 主要實(shí)驗(yàn)儀器

高速攪拌機(jī)和六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)。

1.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1） NaOH 與PAM 黏度測(cè)定。

a. 溶液配制。

配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%、0.5%、0.6%的PAM溶液各500mL，在6000r/min 高速下攪拌5min 后測(cè)其黏度。

b. NaOH 的加入。

測(cè)得溶液的初始黏度為6、7.5、8。在聚合物溶液中分別加入0.02%、0.05%、0.1% 的NaOH所得正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。

由實(shí)驗(yàn)可得：NaOH 的加入使聚合物溶液黏度降低，加入堿后所形成的二元復(fù)合體系黏度低于純聚合物溶液的黏度。但隨著水解時(shí)間的增長(zhǎng)以及堿和聚合物濃度的增加，溶液黏度會(huì)逐漸增大。當(dāng)堿的含量超過(guò)臨界值時(shí)，將對(duì)聚合物溶液產(chǎn)生屏蔽作用。

2） Na2SiO3與PAM 黏度測(cè)定。

a. 溶液的配制。

配制溶度質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%、0.5%、0.6% 的PAM 溶液各500mL，在6000r/min 高速下攪拌5min 后測(cè)其黏度，并稱取0.05%、0.1%、0.15%的Na2SiO3。

表1 NaOH 與PAM 反應(yīng)黏度測(cè)定數(shù)據(jù)表

b. Na2SiO3與PAM 水解正交實(shí)驗(yàn)。

各濃度溶液初始黏度為5、6、7，正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。由正交實(shí)驗(yàn)得出：Na2SiO3的降黏作用顯著，Na2SiO3與PAM 的濃度分別為0.5%、0.1%，水解時(shí)間為5min 效果最好。

表2 Na2SiO3 與PAM 反應(yīng)黏度測(cè)定數(shù)據(jù)表

3） Na2CO3與PAM 黏度測(cè)定

a. 溶液的配制。

配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%、0.5%、0.6%的PAM溶液各500mL，在6000r/min 高速下攪拌5min 后測(cè)其黏度，并稱取質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%、0.4%、0.6%的Na2CO3三份。

b. Na2CO3與PAM 溶液水解正交實(shí)驗(yàn)。

PAM 溶液各濃度初始黏度為5.5、6.5、7.5，正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果表如表3 所示。

表3 Na2CO3 與PAM 反應(yīng)黏度測(cè)定數(shù)據(jù)表

由正交實(shí)驗(yàn)得出：隨著Na2CO3濃度的增加，聚合物溶液剪切降黏作用減弱，黏度下降，且下降的數(shù)值越來(lái)越大；當(dāng)聚合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5% ，Na2CO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1% ，水解時(shí)間為5min 時(shí)，效果最好，堿/聚合物復(fù)合體系溶液黏度穩(wěn)中有升。

2 加堿效果評(píng)價(jià)

三種堿對(duì)聚合物溶液黏度影響的效果，評(píng)價(jià)結(jié)果如圖1 所示。

圖1 不同堿對(duì)聚合物黏度的影響變化

隨著堿濃度的增加，聚合物溶液剪切降黏作用減弱，黏度下降，且下降的數(shù)值越來(lái)越大。NaOH 和Na2SiO3對(duì)PAM 溶液黏度的影響比Na2CO3稍大一些，黏度下降稍多一些。實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步研究Na2CO3對(duì)PAM 溶液黏度的影響。

2.1 對(duì)Na2CO3 的影響效果進(jìn)一步進(jìn)行研究

配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%、 0.5%、0.6%的PAM溶液300mL 各三份，高速攪拌機(jī)攪拌3min 后測(cè)其黏度，并在各質(zhì)量分?jǐn)?shù)的溶液中分別加入0.05%、0.1%、0.15%的Na2CO3攪拌均勻，靜置24h 后測(cè)定黏度，黏度測(cè)定結(jié)果如圖2 所示。

圖2 不同水解水解黏度測(cè)定對(duì)比圖

2.2 Na2CO3 濃度對(duì)聚合物溶液黏度的影響

如表4 所示，隨著Na2CO3濃度的增加，聚合物溶液剪切降黏作用減弱，黏度下降，且下降的數(shù)值越來(lái)越大。我們認(rèn)為，是通過(guò)兩個(gè)機(jī)理來(lái)改變聚丙烯酰胺溶液黏度的。一是堿提供陽(yáng)離子進(jìn)入聚合物溶液中，通過(guò)離子屏蔽作用降低聚合物的黏度。二是堿的加入可以促進(jìn)聚合物鏈上的酰膠基水解，增加分子鏈上負(fù)電荷量，使分子間和分子內(nèi)的靜電斥力增大，從而使得聚合物分子鏈從較卷曲狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檩^舒展?fàn)顟B(tài)。這一過(guò)程會(huì)使聚合物黏度增加。因此，堿對(duì)聚合物溶液黏度的綜合影響取決于這兩種作用的程度。

表4 不同濃度Na2CO3 與PAM 反應(yīng)黏度測(cè)定數(shù)據(jù)表

2.3 對(duì)Na2CO3 用量的分析實(shí)驗(yàn)

A 組實(shí)驗(yàn)：配制5 份質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%、0.7%、0.8%、0.9%、1.0% 的PAM 溶液400mL，攪拌均勻后測(cè)其黏度后，分別加入0.6g 的Na2CO3，編記順序。

B 組實(shí)驗(yàn)：配制5 份質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%的PAM溶液400mL，攪拌均勻后測(cè)其濃度后分別加入0.12%、0.15%、0.18%、0.21%、0.24%的Na2CO3編記順序。兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5 所示。

表5 Na2CO3 與PAM 黏度測(cè)定A、B 兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

Na2CO3與聚合物長(zhǎng)期接觸后，隨接觸時(shí)間增長(zhǎng)，堿/聚丙烯酰胺溶液黏度不斷升高，初始階段上升較快，以后速度減慢，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后黏度基本保持不變或有所下降。

3 結(jié)論

1） 堿/聚合物復(fù)合體系具有較大幅度提高水驅(qū)波及效率和驅(qū)油效率雙重作用。

2） 堿與聚合物長(zhǎng)期接觸后，隨接觸時(shí)間增長(zhǎng)堿/聚丙烯酰胺溶液黏度不斷升高，初始階段上升較快，以后速度減慢，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后黏度基本保持不變或有所下降。

3） Na2CO3體系出現(xiàn)白色絮狀沉淀，因而測(cè)得上層清液黏度都有所降低，隨著堿濃度增加，黏度上升幅度減小，同時(shí)達(dá)到最高黏度值的時(shí)間縮短。這是由于堿濃度增加，聚丙烯酰胺鹽敏性增強(qiáng)，同時(shí)聚丙烯酞胺水解速度加快。堿性水解由于靜電排斥作用是一個(gè)阻滯過(guò)程，并且水解度達(dá)到60%以后即達(dá)到飽和的緣故。聚合物黏度隨水解度升高而增大（一般達(dá)到30%～40%水解度后黏度不再增大）。但鹽敏效應(yīng)又因水解度的升高而加重，因而產(chǎn)生上述堿濃度增加，黏度上升幅度小，達(dá)到最高黏度值快的現(xiàn)象。

4） 在聚合物溶液中加入堿后，聚合物分子結(jié)構(gòu)和分子鏈尺寸出現(xiàn)了較大的變化。純聚合物溶液中的聚合物分子呈“網(wǎng)狀”結(jié)構(gòu)。加入堿后溶液中的離子強(qiáng)度增加，聚合物分子鏈上的擴(kuò)散雙電層被壓縮，分子鏈開(kāi)始明顯蜷縮，以線團(tuán)狀態(tài)存在且線團(tuán)之間也沒(méi)有分子鏈牽連，每個(gè)線團(tuán)處于相對(duì)獨(dú)立的狀態(tài)，所以聚合物分子呈“帶狀”和“網(wǎng)狀”結(jié)構(gòu)。加入堿后溶液中的陽(yáng)離子產(chǎn)生“電荷屏蔽效應(yīng)”，影響了聚合物分子在溶液中的伸展程度，分子之間相互纏繞的機(jī)會(huì)下降，在一定程度下分子鏈段的取向程度降低，從而使聚合物溶液黏度降低。

5） 堿/聚合物復(fù)合驅(qū)體系對(duì)剪切作用敏感，剪切時(shí)間短和剪切速率低時(shí)，復(fù)合驅(qū)體系黏度損失較小且可部分恢復(fù)；剪切時(shí)間長(zhǎng)和剪切速率高時(shí)，復(fù)合驅(qū)體系黏度損失較大且無(wú)法恢復(fù)。聚合物的形態(tài)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化，同時(shí)加速了其水解，使堿/聚合物復(fù)合體系黏度有較大幅度上升。

4 實(shí)驗(yàn)存在的問(wèn)題

實(shí)驗(yàn)沒(méi)有對(duì)不同聚合物的效果做研究，因?qū)嶒?yàn)室聚合物種類有限，因此只分析了聚丙烯酰胺和三種堿之間的黏度想象及變化。對(duì)影響因素及實(shí)驗(yàn)條件的考慮不夠全面，導(dǎo)致數(shù)據(jù)存在異常變動(dòng)。