超高分子聚合物性能評價及微觀結(jié)構(gòu)研究

徐 輝， 孫秀芝， 韓玉貴， 何冬月， 董 雯

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

?油氣開采?

超高分子聚合物性能評價及微觀結(jié)構(gòu)研究

徐 輝， 孫秀芝， 韓玉貴， 何冬月， 董 雯

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

為了進一步提高聚合物驅(qū)的驅(qū)油效果，評價了相對分子質(zhì)量在3 500萬以上的超高分子聚合物的性能，并觀察了超高分子聚合物溶液的結(jié)構(gòu)。在70 ℃、礦化度11 200 mg/L的試驗條件，利用安東帕流變儀評價了超高分子聚合物和常用聚合物的增黏性、耐溫性、抗鹽性、剪切流變性及黏彈性，采用物理模擬試驗方法分析了2種聚合物的驅(qū)油效果，并通過冷凍蝕刻掃描電鏡對比了常用聚合物與超高分子聚合物溶液的微觀結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，超高分子聚合物在水溶液中能夠形成更致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，相對于常用聚合物，它的增黏性和抗鹽性高30％以上，耐溫性高40％以上，威森伯格數(shù)是其2倍，采收率提高率高6.5％。研究表明，超高分子聚合物是一種性能更優(yōu)的驅(qū)油劑，可以顯著改善驅(qū)油效果。

高分子量 聚合物驅(qū) 提高采收率 微觀結(jié)構(gòu)

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料及儀器

常用聚合物HPAM，相對分子質(zhì)量2 000萬；超高分子聚丙烯酰胺，相對分子質(zhì)量3 500萬，含有一定耐溫抗鹽單體；模擬地層水，其礦化度11 200 mg/L，鈣鎂離子質(zhì)量濃度308 mg/L。安東帕MCR501型流變儀；長30.0 cm、直徑2.5 cm的石英砂填充的單管巖心，其滲透率1 500 mD，孔隙度34.7％；物理模擬驅(qū)油試驗裝置；CRO-SEM 型冷凍蝕刻掃描電鏡；英國QUORUM冷臺。

1.2 試驗方法

1)基本性能評價及體相流變測試。用清水配制聚合物溶液，再用模擬地層水稀釋后，利用MCR501型流變儀測試聚合物的增黏性、耐溫性、抗鹽性、流變性、黏彈性。試驗溫度70 ℃。

2)驅(qū)油效果測試。首先將巖心飽和油，然后用模擬地層水驅(qū)至含水95％，接著以0.23 mL/min的速度注入0.3倍孔隙體積的0.15％聚合物溶液，再用模擬地層水驅(qū)至含水100％。試驗溫度70 ℃。

3)微觀結(jié)構(gòu)測試。利用冷凍蝕刻掃描電鏡觀察聚合物在水溶液中的微觀結(jié)構(gòu)。

河北省保定市作為農(nóng)業(yè)大市，一直重視農(nóng)村的普法教育工作，并取得了豐碩的成果。該市涿州市、蠡縣、徐水區(qū)獲評全國“六五”普法先進縣，徐水區(qū)麒麟店村獲評國家級民主法治示范村。該市構(gòu)建了“條塊結(jié)合，縱橫相容”的大普法格局，建立“四級六層”（市、縣、鄉(xiāng)、村四級，市、縣、鄉(xiāng)、村、組、“十戶普法宣傳員”六層）普法網(wǎng)絡(luò)，在農(nóng)村普法教育轉(zhuǎn)型過程中積累了很多經(jīng)驗。全市共建立各類基層法治工作站1170個，構(gòu)建“心連心”式普法?；鶎用芴幗Y(jié)率達61%，群眾滿意率達98%。其中涿州市建立“一鄉(xiāng)鎮(zhèn)一法庭”工作制度和人民陪審員“倍增計劃”，實現(xiàn)矛盾就地化解，零距離法律服務(wù)。

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 增黏性

圖1為超高分子聚合物和常用聚合物不同質(zhì)量濃度溶液的黏度。由圖1可知，隨著聚合物質(zhì)量濃度的增大，2種聚合物溶液的黏度增加較快，但在相同質(zhì)量濃度條件下，超高分子聚合物溶液相對于常用聚合物溶液黏度高了30％～50％，說明超高分子聚合物具有更好的增黏性。這是由于超高分子聚合物具有更高的相對分子質(zhì)量，因此隨著質(zhì)量濃度的升高，其水溶液具有更大的流體力學(xué)半徑，導(dǎo)致其具有更好的增黏性。

圖1 超高分子聚合物和常用聚合物增黏性比較Fig.1 Comparison of viscosifying ability with ultra high molecular weight polymer and common polymer

2.2 耐溫性

配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15％的超高分子聚合物和常用聚合物溶液，測試2種聚合物溶液在不同溫度下的黏度，結(jié)果見圖2。

圖2 超高分子聚合物和常用聚合物耐溫性比較Fig.2 Comparison of temperature tolerance with ultra high molecular weight polymer and common polymer

由圖2可知，2種聚合物溶液隨著溫度的升高，黏度都呈緩慢下降的趨勢，但在相同的溫度下，超高分子聚合物溶液相對于常用聚合物溶液黏度高40％左右，表明超高分子聚合物具有更好的耐溫性能。

2.3 抗鹽性

采用礦化度0～20 000 mg/L的水配制相同質(zhì)量濃度的超高分子聚合物和常用聚合物溶液，測試2種聚合物溶液黏度與礦化度的關(guān)系，結(jié)果見圖3。

圖3 超高分子及常用聚合物抗鹽性比較Fig.3 Comparison of salt tolerance with ultra high molecular weight polymer and common polymer

由圖3可知，在相同質(zhì)量濃度下，隨著礦化度的增大，超高分子聚合物和常用聚合物溶液的黏度都在慢慢降低，但在相同礦化度條件下，超高分子聚合物溶液相對于常用聚合物溶液黏度高30％左右，說明超高分子聚合物具有更好的抗鹽性能。這是由于超高分子聚合物除具有較高的相對分子質(zhì)量之外，還引入了一定的耐溫抗鹽單體，兩者的協(xié)同作用使其具有更好的抗鹽性能。

2.4 流變性

選擇相同質(zhì)量濃度的超高分子聚合物和常用聚丙烯酰胺溶液，測試其在0.01～800.00 s-1剪切速率下的黏度，結(jié)果見圖4。

由圖4可知，2種聚合物溶液均表現(xiàn)出“剪切稀釋”假塑性流體特性，但在低剪切速率下，超高分子聚合物溶液的表觀黏度遠(yuǎn)高于常用聚合物溶液。由于聚合物在地下運移緩慢，因此在低剪切速率下高黏度聚合物的波及體積大。

2.5 黏彈性

聚合物的黏彈性可通過測試聚合物的威森伯格數(shù)(Weissenberg)來考察。威森伯格數(shù)(We)的定義為第一法向應(yīng)力差與切應(yīng)力的比，即：

We=N1/2τ

圖4 常用聚合物和超高分子聚合物在不同剪切速率下的黏度Fig.4 Comparison of viscosity between ultra high molecular weight polymer and common polymer at different shear rate

式中：N1為法向應(yīng)力差，Pa；τ為切應(yīng)力，Pa。

威森伯格數(shù)We反映聚合物溶液彈性的相對大?。寒?dāng)We很大時，流動特征主要由第一法向應(yīng)力差決定[11]，即彈性起主要作用；當(dāng)We很小時，流動特征主要由黏性決定。這樣通過We可知黏彈性流體在流動過程中彈性和黏性所起的作用，因此它能夠更好地反映聚合物溶液的黏彈性能。筆者考察了不同質(zhì)量濃度的超高分子聚合物和常用聚合物溶液的We，結(jié)果見圖5。We采用文獻[12]中的方法計算。

圖5 超高分子及常用聚合物黏彈性對比Fig.5 Comparison of viscoelastic ability between ultra high molecular weight polymer and common polymer

由圖5可知，隨著聚合物溶液質(zhì)量濃度的增大，2種聚合物溶液的We都在增大，表明2種聚合物溶液的黏彈性隨著質(zhì)量濃度的增大不斷提高，而在相同質(zhì)量濃度下，超高分子聚合物溶液的We高于常用聚合物溶液，說明超高分子聚合物溶液相對于常用聚合物溶液具有更好的黏彈性，而黏彈性的提高有助于提高聚合物驅(qū)的驅(qū)油效率。

2.6 驅(qū)油效果

圖6和圖7分別為常用聚合物和超高分子聚合物的驅(qū)油效果測試結(jié)果。

圖6 常用聚合物驅(qū)油效果Fig.6 Displacement efficiency of common polymer

圖7 超高分子聚合物驅(qū)油效果Fig.7 Displacement efficiency of ultra high molecular weight polymer

由圖6和圖7可知：注入相同質(zhì)量濃度的常用聚合物和超高分子聚合物，注入超高分子聚合物后含水下降幅度較大；水驅(qū)后，注入常用聚合物段塞采收率提高了13.1％，注入超高分子聚合物段塞采收率提高了19.6％。這說明，與常用聚合物相比，超高分子聚合物具有更好的驅(qū)油效果。

2.7 微觀結(jié)構(gòu)

由于超高分子聚合物具有更高的相對分子質(zhì)量，因此其水溶液的微觀結(jié)構(gòu)和常用聚合物溶液具有一定的區(qū)別，為了說明兩者結(jié)構(gòu)的區(qū)別，首先用相同礦化度的水配制相同質(zhì)量濃度的超高分子聚合物和常用聚合物溶液，用冷凍蝕刻掃描電鏡對2種聚合物溶液的結(jié)構(gòu)進行觀察和比較。先利用液氮對2種聚合物溶液進行即時冷凍保持溶液的微觀結(jié)構(gòu)，對冷凍的聚合物溶液進行升華和噴金之后，利用掃描電鏡對2種聚合物溶液的微觀結(jié)構(gòu)進行觀察，結(jié)果見圖8和圖9。

圖8 常用聚合物溶液的微觀結(jié)構(gòu)Fig.8 Microstructure of common polymer solution

由圖8和圖9可知：由于超高分子聚合物的相對分子質(zhì)量更高，因此在采用相同礦化度水配制的相同質(zhì)量濃度的溶液中，超高分子聚合物溶液的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加致密，分子間的相互作用力更強，具有更高的黏彈性，能夠提高聚合物驅(qū)的驅(qū)油效率。

3 結(jié)論及建議

1)聚合物的相對分子質(zhì)量越高，分子間形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)越致密，黏彈性越高，驅(qū)油效率也越高。同時，相對分子質(zhì)量較高聚合物的增黏性、耐溫性和抗鹽性也較好。因此，進行聚合物驅(qū)時，應(yīng)選用相對分子質(zhì)量較高的聚合物，以取得較好的驅(qū)油效果。

2)只通過冷凍蝕刻掃描電鏡的方法對超高分子聚合物在水溶液中微觀結(jié)構(gòu)進行了分析和表征，分析和表征的方法還不全面，因此還需要采用多種方法對超高分子聚合物的微觀結(jié)構(gòu)進行表征和分析。

3)建議采用更多方法(原子力顯微鏡，動態(tài)光散射等)對超高分子聚合物的微觀結(jié)構(gòu)及水動力學(xué)尺寸進行研究，以更好地了解超高分子聚合物和常用聚合物水溶液微觀結(jié)構(gòu)的差別。

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PerformanceEvaluationandMicrostructureStudyofUltraHighMolecularWeightPolymer

XuHui，SunXiuzhi，HanYugui，HeDongyue，DongWen

(GeologyInstituteofShengliOilfieldBranch,Sinopec,Dongying,Shandong,257015,China)

In order to improve oil displacement efficiency by polymer flooding further,performance of polymer with relative molecular mass above 35 million was assessed,and the structure of ultra high molecular weight polymer solution was observed.Under test conditions of 70 ℃ and salinity of 11 200 mg/L,the viscosifying ability,temperature tolerance,salt tolerance,shear rheology and viscoelasticity of ultra high molecular weight were evaluated,and compared the performance of ultra high molecular weight polymer with that of common polymer.The displacement efficiency of two polymers was analyzed by using physical simulation experiment,and the microstructure of the two kinds of polymers was observed through CRYO-SEM.The results show that ultra high molecular weight polymer can form a more compacted network structure aqueous solution,its viscosifying and salt tolerance ability are 30％ higher than that of common polymer,temperature tolerance 40％ higher,burg number is twice that of the common polymer,oil recovery 6.5％ higher than common polymer displacement.It has proved that ultra high molecular weight polymer is very good agent for displacement of oil.

high molecular weight;polymer flooding;enhanced oil recovery;micro-structure

2012-12-24；改回日期2013-04-23。

徐輝(1979—)，男，江蘇徐州人，2003年畢業(yè)于江蘇石油化工學(xué)院給排水工程專業(yè)，2006年獲西南石油大學(xué)環(huán)境工程專業(yè)碩士學(xué)位，2009年獲西南石油大學(xué)油氣田開發(fā)工程專業(yè)博士學(xué)位，工程師，主要從事三次采油方面的研究工作。

聯(lián)系方式：44053012@qq.com。

10.3969/j.issn.1001-0890.2013.03.022

TE357.46+1

A

1001-0890(2013)03-0114-05

[編輯 劉文臣]