甲酰胺對聚合物溶解時間及滲流特征的影響

舒 政，楊雅蘭，陳文娟，趙文森，齊 勇，程飛豹

(1.海洋石油高效開發(fā)國家重點實驗室·中海油研究總院有限責任公司，北京 100028；2.油氣藏地質及開發(fā)工程國家重點實驗室·西南石油大學，四川 成都 610500)

聚合物驅油是陸上油田三次采油[1,2]提高采收率的技術，獲得了很好的經(jīng)濟效益和社會效益。但是，受海上油田油藏、環(huán)境和工程條件的制約，聚合物驅油技術在海上稠油油田使用中面臨許多困難。疏水締合水溶性聚合物有良好的抗溫、抗鹽和抗剪切能力，但在鹽水中使用時，需要加入穩(wěn)定劑[3]。羅平亞等[4]根據(jù)海上油田特點和聚合物結構設計原理研制出的疏水締合聚合物AP-P4具有耐溫耐鹽、高效增黏、較好的抗剪切性、良好的傳導性和驅油效果。

改變聚合物自身的溶解性、升高溶劑溫度或濃度、改變攪拌器類型或者攪拌方式以增大體系熵變和通過強制拉伸混合裝置增加水與溶脹顆粒的接觸面積等[5-19]均能夠在一定程度縮短聚合物溶解時間，但由于海上平臺空間且承重嚴重受限，可供聚合物溶液配制的面積只有陸地油田的5%～10%，無法直接借陸地油田聚合物溶解方法及設備，海上油田現(xiàn)已完成了配注工藝的撬裝化、平臺化，但目前仍然無法完全滿足需求。研究發(fā)現(xiàn)，甲酰胺能夠加快疏水締合聚合物(AP-P4)溶解[20]。

筆者對海上平臺減小配注系統(tǒng)總體積的可行性進行分析，以期獲得既能加速聚合物溶解，又不影響溶液性能及驅替效果的方法，為海上平臺聚合物溶液的配制提供思路。

1 實驗部分

1.1 主要儀器及試劑

Brookfield DV-Ⅲ黏度計(美國Brookfield公司)、數(shù)顯懸吊臂攪拌器(江蘇江陰保利科研器材有限公司)、恒溫水浴鍋(上海光地儀器設備有限公司)、電子天平(上海精科公司)、計時器、燒杯、針筒(去針頭)、ISCO泵(美國)、HAAKEMARS-Ⅲ流變儀(德國)、巖心夾持器、地層多孔介質剪切裝置(自主研發(fā))。

疏水締合聚合物AP-P4，四川光亞聚合物化工有限公司；NaCl、KCl、CaCl2、MgCl、Na2CO3、Na2HCO3、Na2SO3均為分析純；甲酰胺，成都市科龍化工試劑廠。

實驗用水：SZ36-1模擬水，礦化度見表1。

表1 模擬水離子組成 mg/L

1.2 實驗方案

聚合物的基本溶解時間測定，具體方案如下：1)用燒杯取模擬水1 L試樣置于45 ℃中進行預熱，調節(jié)轉速為200 r/min；2)稱5 g聚合物干粉，在30 s內把所稱取的聚合物干粉撒在渦旋體的肩部；3)每間隔5 min，用不帶針頭的注射器取出適量聚合物溶液，用Brookfield DV-Ⅲ黏度計測量并記錄黏度值(平均黏度)。當時間大于120 min連續(xù)3個點的聚合物溶液黏度值波動范圍小于5%時，結束實驗，轉子為00#、61#、62#和63，測試溫度45 ℃。

在聚合物的常規(guī)理化性能指標進行分析的基礎上，研究了體積分數(shù)為0.020的甲酰胺對AP-P4增黏性、耐鹽性和剪切流變性的影響，具體方案如下：1)分別用模擬水與AP-P4配制1 L，質量濃度為5 000 mg/L；每種母液配制好后老化12 h，分別稀釋成100、200、300、400、500、700、1 000、1 500、1 750、2 000、3 000和4 000 mg/L聚合物溶液后進行黏度測量。2)用模擬水配制質量濃度為5 000 mg/L的母液，將母液靜止12 h后，用模擬水稀釋母液至1 750 mg/L，用HAAKEMARS-Ⅲ流變儀測定不同剪切速率下聚合物溶液的表觀黏度，剪切速率從0.1 s-11到1 000 s-1，轉子為DG41Ti，測試溫度65 ℃。

實驗考察體積分數(shù)為0.020的甲酰胺對AP-P4近井地帶剪切后黏度的影響(模擬裝置見圖1)，具體方案如下：1)分別用模擬水與AP-P4配制1 000 mL，質量濃度為5 000 mg/L，稀釋成1 750 mg/L聚合物溶液進行黏度測量；2)用模擬地層多孔介質剪切，用黏度計測定不同剪切強度后聚合物溶液的表觀黏度，根據(jù)SZ36-1油田實際吸水強度統(tǒng)計結果[21-24]。

實驗考察體積分數(shù)為0.020的甲酰胺對1 750 mg/L AP-P4滲流特征的影響：1)實驗研究阻力與殘余阻力系數(shù)具體方案如下：模擬巖心進行抽真空飽和模擬地層水，模擬水速度為0.3 mL/min，壓力穩(wěn)定后持續(xù)驅替至少1 PV；以聚合物流速為0.3 mL/min的向巖心注入聚合物，壓力穩(wěn)定后持續(xù)驅替至少5 PV；模擬水流速為0.3 mL/min的向巖心注入地層水，壓力穩(wěn)定后持續(xù)驅替至少5 PV。2)實驗研究甲酰胺對AP-P4驅油性能的影響，利用模擬巖心對聚合物的流動特性進行實驗研究(采收率)具體方案如下：進行抽真空飽和模擬水，以不同速度飽和模擬油，記錄出水量，計算含油飽和度S0，在65 ℃下老化48 h；模擬水流速為1.0 mL/min，并分別讀出水、油、總液量的體積，計算瞬時含水率；當3個連續(xù)的瞬時含水率達到95%以上改為聚驅；以流速為0.5 mL/min向巖心注入聚合物，每5 min用試管接液，并分別讀出水、油、總液量的體積。持續(xù)驅替1 PV后，改變驅替流速為1.0 mL/min，持續(xù)驅替10 PV后改為水驅；以1.0 mL/min速度進行后水驅替，每5 min用試管接液，并分別讀出水、油、總液量的體積，當瞬時含水率達到98%時，停止實驗。

圖1 近井地帶剪切物理模擬實驗裝置

2 結果與討論

2.1 甲酰胺對聚合物基本溶解時間的影響

不同體積分數(shù)甲酰胺的AP-P4溶解時間曲線如圖2所示。

圖2 不同體積分數(shù)甲酰胺的AP-P4溶解時間曲線

從圖2可以看出，疏水締合聚合物AP-P4整個溶解過程可分為3個階段，隨著攪拌時間的增加，黏度先是緩慢增加隨后快速增大，最后趨于平穩(wěn)；隨著甲酰胺體積分數(shù)的增加，AP-P4的溶解時間先減小后增加。當甲酰胺體積分數(shù)增加至0.015時，AP-P4的完全溶解時間縮短至65 min；隨著甲酰胺的體積分數(shù)繼續(xù)增加0.020時，AP-P4的基本溶解時間穩(wěn)定在60 min；隨著甲酰胺體積分數(shù)繼續(xù)增加，AP-P4的基本溶解時間保持不變。

圖3為不同體積分數(shù)甲酰胺時AP-P4的基本溶解時間和基本溶解后的黏度關系。圖3中，在體積分數(shù)大于0.020后，AP-P4基本溶解時間保持在60 min；甲酰胺可以完全破壞疏水締合聚合物疏水締合作用，使聚合物分子以單分子態(tài)分散在溶液中[20]。由于甲酰胺加入量較小，AP-P4疏水締合網(wǎng)狀結構沒有破壞，AP-P4基本溶解后的黏度變化不大。

表2 不同體積分數(shù)甲酰胺的基本溶解時間與基本溶解后的黏度結果

圖3 不同體積分數(shù)甲酰胺時AP-P4基本溶解時間與基本溶解后平均黏度關系

2.2 甲酰胺對聚合物溶液性能的影響

2.2.1 臨界締合濃度

圖4為體積分數(shù)為0.020的甲酰胺時黏度與質量濃度的關系。從圖4可見，AP-P4質量濃度在0～700 mg/L時黏度均小于100 mPa·s，大于700 mg/L時黏度開始急劇上升，說明AP-P4臨界締合濃度約為700 mg/L。體積分數(shù)為0.020的甲酰胺對AP-P4臨界締合濃度影響不大。

圖4 黏度與質量濃度的關系

2.2.2 剪切流變性

圖5為1 750 mg/L AP-P4與體積分數(shù)為0.020的甲酰胺AP-P4聚合物溶液剪切流變性曲線?？梢钥闯觯S著剪切速率的增大，聚合物溶液黏度值基本呈逐漸降低趨勢，即發(fā)生剪切變稀現(xiàn)象。1 750 mg/L AP-P4在剪切速率大于100 s-1后，黏度基本保持不變說明AP-P4空間締合網(wǎng)狀結構已經(jīng)完全破壞；體積分數(shù)為0.020的甲酰胺下1 750 mg/L AP-P4在低剪切速率剪切后，黏度低于空白條件。由相似相溶原理可得，甲酰胺使AP-P4聚合物分子鏈分散更加均勻，AP-P4聚合物分子鏈段容易剪斷，導致剛性變強柔性變差，但是剪切后仍具有明顯的黏度特性，注入地層后能起到有效擴大波及體積的作用。

圖5 不同剪切速率下黏度曲線

2.2.3 近井地帶剪切

在聚合物驅過程中，在注入端的近井地帶，聚合物溶液由井筒流向地層，先后經(jīng)過防砂管段、礫石充填層、射孔孔眼，然后進入近井地層多孔介質。在不同節(jié)點處聚合物溶液會受到不同程度及不同方式的剪切作用，且在不同的完井方式下聚合物溶液在近井地帶所受到的剪切程度及剪切方式也不相同，對聚合物溶液的性能產(chǎn)生不同的影響。圖6為1 750 mg/L AP-P4與體積分數(shù)為0.020的甲酰胺下AP-P4在套管射孔完井0、15 m3/(m·d)、20 m3/(m·d)強度剪切后的黏度。黏度隨著剪切的強度的增加逐漸減小，注入強度大于15 m3/(m·d)后黏度基本保持不變，說明AP-P4聚合物AP-P4空間網(wǎng)狀結構已經(jīng)遭到破壞。近井地帶多孔介質孔道的不均勻性導致AP-P4分子鏈段剪切，最終導致聚合物溶液黏度急劇下降；在不同剪切強度剪切后，黏度保留率相差較小，體積分數(shù)為0.020的甲酰胺對AP-P4抗近井地帶剪切穩(wěn)定性影響較小。

圖6 不同剪切強度后的AP-P4黏度

2.3 甲酰胺對聚合物滲流特征的影響

2.3.1 甲酰胺對聚合物阻力與殘余阻力系數(shù)的影響

注入壓力曲線見圖7，驅替穩(wěn)定壓力見表3。

圖7 注入壓力曲線

表3 驅替穩(wěn)定壓力MPa

體積分數(shù)水驅聚驅后水AP-P40.0051.3630.420AP-P4+0.020甲酰胺0.0061.5360.431

從表3可以得出，1 750 mg/L AP-P4阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)為272和84；體積分數(shù)為0.020的甲酰胺下1 750 mg/L AP-P4阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)為256和72。甲酰胺導致1 750 mg/L AP-P4黏度保留率為98.24%，由于酰胺基團使AP-P4鏈段分散更加均勻，最終導致聚合物阻力系數(shù)表現(xiàn)增加。

2.3.2 甲酰胺對聚合物驅油性的影響

1 750 mg/L AP-P4驅替曲線見圖8。由圖8可見，1 750 mg/L AP-P4與體積分數(shù)為0.020的甲酰胺時1 750 mg/L AP-P4驅替壓力、含水率及采收率變化趨勢一致。壓力都是在水驅階段先是上升后逐漸下降，這是由于油水黏度間差異導致壓力在注入前期急劇上升，水驅前緣突破巖心出口端時壓力逐漸減??；聚合物驅開始后，壓力先是快速上升后緩慢增加，這是由于聚合物溶液具有較大的黏度導致驅替壓力快速上升，當聚合物占據(jù)巖心大部分孔道后，壓力上升幅度變的緩慢，當聚合物速度發(fā)生改變時，壓力會發(fā)生突變；后續(xù)水驅壓力先是快速上升后急劇下降至穩(wěn)定，由于聚合物在巖心孔道中的滯留，后水進入較為困難使得壓力會短時間內快速上升，當壓力高于后水進入含有聚合物的大孔道的門檻壓力時，后水逐漸進入巖心中的大孔道，壓力開始急劇下降；驅替過程中含水率在水驅階段均持續(xù)上升，改為聚驅后含水率開始下降呈現(xiàn)V字形，當驅替體積達到10 PV后含水率變化不大；采收率隨著注入量的增加持續(xù)上升最終保持在80%左右。

圖8 1750 mg/L AP-P4驅替曲線

3 結 論

a.不同體積分數(shù)甲酰胺AP-P4基本溶解時間不同，在體積分數(shù)0.020～0.030甲酰胺AP-P4的基本溶解時間最短為60 min，基本溶解時間縮短了20.00%；體積分數(shù)為0.020的甲酰胺基本溶解后的黏度為2 516 mPa·s，黏度保留率為98.24%。

b.體積分數(shù)為0.020的甲酰胺時1 750 mg/L AP-P4與空白臨界締合濃度均為700 mg/L；體積分數(shù)為0.020的甲酰胺時1 750 mg/L AP-P4在低剪切頻率下剪切后的黏度低于空白，由于AP-P4分子鏈段伸展疏散易被剪切，當剪切速率大于臨界速率時，其AP-P4分子鏈段間網(wǎng)狀結構破壞，導致黏度變化不大；體積分數(shù)為0.020的甲酰胺下1 750 mg/L AP-P4在不同強度近井地帶剪切后，黏度與空白條件下相差較小，說明0.020甲酰胺對AP-P4近井剪切后黏度影響不大。

c.體積分數(shù)為0.020的甲酰胺時1 750 mg/L AP-P4與空白驅油結果顯示，聚合物驅后瞬時含水率呈現(xiàn)V字形趨勢，當驅替體積達到10 PV后含水率變化不大；采收率隨著注入量的增加，采收率持續(xù)上升最終保持在80%左右。