驅(qū)油用聚合物溶液的拉伸流變性能

韓玉貴,曹緒龍,宋新旺,趙 華,何冬月

(勝利油田分公司地質(zhì)科學(xué)研究院,山東東營 257015)

驅(qū)油用聚合物溶液的拉伸流變性能

韓玉貴,曹緒龍,宋新旺,趙 華,何冬月

(勝利油田分公司地質(zhì)科學(xué)研究院,山東東營 257015)

測試不同類型聚合物在不同質(zhì)量濃度、不同鹽度條件下拉伸流變性能.結(jié)果表明:隨著聚合物溶液質(zhì)量濃度的增大其拉伸黏度也增大,隨著溶液中NaCl鹽度增加而拉伸黏度減小,但不同類型聚合物拉伸黏度受質(zhì)量濃度和鹽度影響的強弱不同.通過對聚合物拉伸流變性能的測試,可以分析溶液中聚合物分子的存在狀態(tài)及作用機理,進而指導(dǎo)油田用聚合物的篩選、質(zhì)量控制及配方設(shè)計等;聚合物溶液在長細管巖心中的滲流運移規(guī)律明顯不同,拉伸流變性能對于聚合物溶液在地層中的滲流運移特性起重要作用.

拉伸流變;聚合物溶液;黏彈性;多孔介質(zhì);長細管巖心

0 引言

早期的聚合物驅(qū)油機理認為聚合物的作用是通過增加驅(qū)替液流體黏度,降低水油流度比,增大波及體積,從而達到提高原油采收率的目的.張宏方等[1-6]研究提出聚合物驅(qū)不僅可以提高波及系數(shù),而且還可以提高水波及域內(nèi)的驅(qū)油效率.提高驅(qū)油效率的機理表現(xiàn)為:(1)本體黏度可以改善水油流度比,擴大波及體積;(2)油水界面黏度是聚合物溶液驅(qū)替膜狀、孤島狀殘余油的主要原因;(3)拉伸黏度使聚合物溶液存在彈性,是驅(qū)替盲端殘余油及提高地下聚合物有效黏度的主要原因.盡管在這方面的認識尚不統(tǒng)一,但驅(qū)油用聚合物溶液流變性的重要程度顯而易見.為此,人們研究聚合物溶液流變行為較多.特別關(guān)于聚合物溶液剪切流變性研究有較多報道[7-11],曹緒龍、竇立霞等[12-14]對聚合物油水界面流變性能也開展研究,得出超高分子 HPAM溶液界面黏彈性比疏水締合型大,且前者黏彈模量大于后者的認識,但到目前為止油田用聚合物溶液拉伸流變性能研究還未見報道.

筆者對不同類型驅(qū)油用聚合物的拉伸流變性進行研究,以期探索溶液中聚合物分子的存在狀態(tài)、分子間作用力強弱及微觀驅(qū)油機理,指導(dǎo)聚合物驅(qū)、二元復(fù)合驅(qū)中聚合物的篩選、質(zhì)量控制和配方設(shè)計及新型聚合物開發(fā)研制等.

1 實驗

1.1 材料及儀器

聚合物 HPAM-1,特性黏度為1 546 mL/g,水解度為23.3%,山東東營長安化工集團生產(chǎn),制備過程中分子鏈上引進一些疏水單體,所以該聚合物在溶液中存在一定的疏水締合作用;聚合物 HPAM-2,特性黏度為2 592 m L/g,水解度為23.5%,日本進口;氯化鈉,分析純,天津市盛大化工銷售有限公司生產(chǎn).

HAA K CaBRE1拉伸流變儀,美國熱電公司生產(chǎn);MCR300高溫高壓流變儀,奧地利安東帕公司生產(chǎn).

1.2 流變性測試

1.2.1 條件

拉伸流變測試條件:溫度為30℃,測量板直徑為6.0 mm,樣品初始高度為3.0 mm,樣品最終高度為15.0 mm;剪切表觀黏度測試條件:溫度為30℃,剪切速率為7.34 s-1.

1.2.2 過程

分別用蒸餾水配制質(zhì)量濃度為500,1 000,1 500,3 000 mg/L的聚合物溶液,考察質(zhì)量濃度對不同聚合物流變性的影響;分別用氯化鈉質(zhì)量分數(shù)為0,0.5%,1.0%,1.5%,2.0%溶液配制質(zhì)量濃度為1 500 mg/L聚合物溶液,考察鹽度(質(zhì)量分數(shù))對不同聚合物流變性的影響;分別用十二烷基磺酸鈉質(zhì)量分數(shù)為0,0.05%,0.10%,0.15%,0.20%溶液配制質(zhì)量濃度為1 500 mg/L聚合物溶液,考察表面活性劑對不同聚合物流變性的影響.

1.3 巖心驅(qū)替

長細管巖心長度為16 m,內(nèi)徑為0.7 mm,均勻分布5個測壓點,進口、出口各1個測壓點,滲透率為20μm2,孔隙度為35%.先用2 mg/L NaCl水溶液飽和長細管巖心,然后利用1 500 mg/L聚合物溶液以0.25 m L/m in注入長細管巖心,檢測不同測壓口的壓力,實驗溫度為75℃.

2 結(jié)果與討論

2.1 質(zhì)量濃度

2種不同質(zhì)量濃度聚合物拉伸黏度應(yīng)變曲線見圖1.由圖1可知,2種聚合物拉伸黏度隨其質(zhì)量濃度的增加而逐漸增大,但不同聚合物的拉伸黏度隨質(zhì)量濃度變化的幅度不同.分別取應(yīng)變?yōu)?0時所對應(yīng)的拉伸黏度為基礎(chǔ),比較質(zhì)量濃度對不同聚合物拉伸剪切表觀黏度影響關(guān)系,見圖2.由圖2(a)可知,HPAM-1聚合物隨質(zhì)量濃度增加其拉伸黏度迅速增大,并且存在一個明顯拐點,而 HPAM-2的只是緩慢增加,并沒有明顯拐點.

圖1 2種不同質(zhì)量濃度聚合物拉伸黏度與應(yīng)變關(guān)系曲線

由圖2(b)可知,隨著質(zhì)量濃度增加2種聚合物的剪切表觀黏度沒有出現(xiàn)明顯的拐點,主要是由于溶液中聚合物分子間作用機理和存在狀態(tài)不同引起的.就溶液間分子間作用力大小而言,一般分子間的疏水締合作用大于分子之間的纏結(jié)作用,并且隨著質(zhì)量濃度增加,聚合物分子間的疏水締合作用力迅速增大,而分子間的纏結(jié)作用沒有較大增加,所以在破壞溶液中聚合物網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的低剪切速率下,疏水締合或分子纏結(jié)作用而形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)造成聚合物動力學(xué)體積增大,對剪切黏度的貢獻是等效的,聚合物相對分子質(zhì)量越高,分子間越易發(fā)生纏結(jié)使其水動力學(xué)尺寸增大,剪切表觀黏度也就越大;涉及破壞溶液中聚合物網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的拉伸流變測試時,聚合物分子間作用力更強、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更牢固,其拉伸黏度就越大、彈性越強.

圖2 不同聚合物拉伸、剪切表觀黏度與質(zhì)量濃度關(guān)系曲線

通過不同質(zhì)量濃度聚合物拉伸流變性能測試,一方面可以了解單個聚合物在不同質(zhì)量濃度條件下彈性大小,進而可以分析溶液中分子存在狀態(tài)及作用機理,為聚合物驅(qū)微觀機理解釋、驅(qū)油配方設(shè)計提供直接證據(jù);另一方面可以對不同聚合物類型進行鑒別.由2種黏度測試結(jié)果證明,通過拉伸流變性能測試可以更全面、客觀了解聚合物溶液的性能,為油田用聚合物的篩選、質(zhì)量控制、新型聚合物開發(fā)提供技術(shù)指導(dǎo).

2.2 鹽度

鹽度對不同聚合物流變性影響的測試結(jié)果見圖3.由圖3可知,隨著水中NaCl質(zhì)量分數(shù)的增加,2種聚合物的拉伸黏度和松弛時間減小,但不同聚合物拉伸流變性受鹽度影響強弱不同,這也是由聚合物類型不同導(dǎo)致在溶液中分子的存在狀態(tài)及作用機理不同引起的.對于 HPAM-1聚合物,溶液中臨時動態(tài)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的形成是分子間締合和分子間纏結(jié)共同作用的結(jié)果,隨著溶液中鹽度的增加,纏結(jié)作用大幅度減少,而分子間締合作用能夠緩沖鹽對溶液中臨時動態(tài)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的破壞.由于分子鏈的卷曲,分子間締合的概率逐漸減小,而分子內(nèi)締合概率增加,所以在鹽度為1.0%時,是由分子間締合作用為主向分子內(nèi)締合作用為主轉(zhuǎn)化的臨界點.

圖3 水溶液中NaCl鹽度對聚合物拉伸黏度的影響

2種聚合物拉伸黏度和剪切表觀黏度隨溶液中鹽度變化的影響關(guān)系見圖4.由圖4可知,2種聚合物的拉伸黏度和剪切表觀黏度受溶液中鹽度的影響趨勢基本相同,只是鹽溶液中 HPAM-1聚合物的拉伸黏度和剪切表觀黏度大于 HPAM-2的,原因是 HPAM-1聚合物分子間締合作用能夠減小鹽對溶液中聚合物臨時動態(tài)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的破壞.

2.3 注入孔隙體積倍數(shù)

HPAM-1和 HPAM-2聚合物在長細管巖心運移時的沿程壓力變化曲線見圖5.由圖5可知,通過驅(qū)替過程中長細管巖心沿程壓力變化可以了解聚合物溶液在多孔介質(zhì)中的滲流運移規(guī)律,HPAM-1聚合物溶液的注入造成入口(P1)和出口1(P2)處壓力的急劇增加,后面的出口(P3,P4,P5,P6)較低,而HPAM-2聚合物溶液注入時,入口、出口1至出口5處的壓力緩慢遞減,這種現(xiàn)象的原因也是溶液中聚合物分子存在狀態(tài)及分子間的作用大小不同造成的.

圖4 不同聚合物黏度與鹽度關(guān)系曲線

圖5 2種聚合物在長細管巖心中運移時的沿程壓力變化曲線

3 結(jié)束語

通過對 HPAM-1和 HPAM-2兩種類型聚合物,在不同質(zhì)量濃度、不同鹽度條件下拉伸流變的評價和在長細管巖心中運移滲流規(guī)律的研究,發(fā)現(xiàn)溶液中聚合物分子間作用力對拉伸黏度起重要作用,因為分子間作用力決定分子間形成的臨時交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的牢固程度,也同時反映其溶液彈性的大小.通過比較聚合物剪切表觀黏度測試結(jié)果,拉伸流變能夠更客觀地反映溶液中聚合物分子存在狀態(tài)及作用大小,同時反映溶液的彈性強弱,而溶液彈性強弱直接影響在多孔介質(zhì)中的運移情況.通過拉伸流變性能測試可以更全面了解聚合物溶液性能,為微觀驅(qū)油機理解釋,油田用聚合物的篩選、質(zhì)量控制、新型聚合物開發(fā)提供技術(shù)指導(dǎo).

[1]張宏方,王德民,岳湘安,等.利用聚合物溶液提高驅(qū)油效率的實驗研究[J].石油學(xué)報,2004,25(2):55-59.

[2]夏惠芬,王德民,侯吉瑞,等.聚合物溶液的黏彈性對驅(qū)油效率的影響[J].大慶石油學(xué)院學(xué)報,2002,26(2):109-112.

[3]夏惠芬,王德民,劉中春,等.黏彈性聚合物溶液提高微觀驅(qū)油效率的機理研究[J].石油學(xué)報,2001,22(4):60-65.

[4]張宏方,王德民,王立軍,等.聚合物溶液在多孔介質(zhì)中的滲流規(guī)律及其提高驅(qū)油效率的機理[J].大慶石油地質(zhì)與開發(fā),2002,21(4):57-61.

[5]王立軍.聚合物溶液黏彈性對提高驅(qū)油效率的作用[D].大慶:大慶石油學(xué)院,2003.

[6]張宏方,王德民,岳湘安,等.不同類型聚合物溶液對采油殘余油的作用機理研究[J].高分子學(xué)報,2003(3):321-325.

[7]曹寶格,羅平亞,李華斌,等.疏水締合聚合物溶液黏彈性及流變性研究[J].石油學(xué)報,2006,27(1):85-88.

[8]張星,李兆敏,孫仁遠,等.聚合物流變性實驗研究[J].新疆石油地質(zhì),2006,27(2):197-199.

[9]歐陽堅,孫廣華,王貴江,等.耐溫抗鹽聚合物 TS-45流變性及驅(qū)油效率研究[J].油田化學(xué),2004,21(4):330-333.

[10]戴玉華,吳飛鵬,李妙貞,等.新型締合聚合物P(AM/POEA)溶液的流變性質(zhì)[J].高分子材料科學(xué)與工程,2005,21(3):121-124.

[11]程杰成,沈興海,袁士義,等.新型梳形抗鹽聚合物的流變性[J].高分子材料科學(xué)與工程,2004,20(4):119-121.

[12]Cao Xulong,Li Yang,Jiang Shengxiang,et al.A study of dilational rheological p roperties of polymers at interfaces[J].Journal of Colloid and Interface Science,2004,270(2):295-298.

[13]竇立霞,曹緒龍,江小芳,等.驅(qū)油用聚丙烯酰胺溶液界面特性研究[J].膠體與聚合物,2004,22(2):14-16.

[14]竇立霞,郭龍,王紅艷,等.油/聚合物溶液體系動態(tài)界面擴張模量的測量[J].油田化學(xué),2004,21(1):72-74.

Extensional rheological properties of polymer solution for oil driving/2011,35(2):41-45

HAN Yu-gui,CAO Xu-long,SONG Xin-wang,ZHAO Hua,HE Dong-yue
(Research Institute of Geology,Sheng liOilfield Com pany,SINOPEC,Dongying Shandong 257015,China)

Extensional rheological p roperties of two type polymer solution w ere studied in different concentration and in different salinity.The higher the polymers concentration,the higher extensional viscosity of polymers;the higher the NaCl solution concentration,the lower extensional viscosity,but the effect of concentration and salinity on the extensional viscosity was very different for different polymers.A s a result,by studying on extensional rheological p roperties of polymer so lution,w e can conjecture polymer molecular form and action mechanism each other in water.A t the same time,it can guide such activities as polymer choosing,quality controlling,and technique designing.The characteristics of seepage flow and migration were studied in long tubule core fo r different polymers.Result showed that the characteristics of seepage flow and m igration w as very different fo r two different type polymers.A ll this p roved that the extensional rheological p roperties of polymer solution is very important for chemical flooding.

extensional rheological p roperties;polymer solution;viscoelastivity;long tubule core

TE341

A

1000-1891(2011)02-0041-05

2010-06-23;審稿人:盧祥國;編輯:關(guān)開澄

國家科技重大專項(2008ZX05011)

韓玉貴(1978-),男,碩士,工程師,主要從事化學(xué)驅(qū)提高采收率技術(shù)方面的研究.