適用于海上S油田的速溶聚合物室內(nèi)實驗研究*

高 尚，代磊陽，符揚洋，張麗平，劉長龍

（中海石油（中國）有限公司天津分公司 渤海石油研究院，天津300459）

目前，我國對石油的需求量在穩(wěn)步上升，油氣供需矛盾日益突出，使得海上油田成為國家石油產(chǎn)量增長和接替的重要組成部分。渤海海域稠油油田眾多，提高海上稠油油藏采收率，實現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)對中國海上油田的可持續(xù)發(fā)展、實現(xiàn)國家能源安全具有重大意義[1]，但海上油田與陸上油田不同，必須考慮海上油田的特點[2]。

渤海海域的油田多為疏松砂巖稠油油藏，因必須考慮防砂問題，層系劃分較粗，在開發(fā)過程中出現(xiàn)了諸多注采矛盾，使得“穩(wěn)油控水”工藝面臨很大挑戰(zhàn)[3,4]。近幾年，聚合物驅(qū)油技術(shù)成為了國內(nèi)油氣田開發(fā)在中后期高含水時“穩(wěn)油控水”工藝的重要技術(shù)，在渤海多個油田進(jìn)行了礦場試驗，試驗證明，該技術(shù)能夠為海上油田大幅度提高采收率做出有效貢獻(xiàn)[5-8]。

依據(jù)海上油田的特殊性要求，聚合物應(yīng)當(dāng)具有良好的增粘性、耐鹽性、抗剪切性和長期穩(wěn)定性；海上平臺空間狹小，大量配置聚合物難度較大，需要改善聚合物的溶解性[9,10]。因此，研究既具有海上要求的優(yōu)良性能，又能實現(xiàn)快速溶解的聚合物對進(jìn)一步提高采收率有著重要作用。本文針對渤海SZ36-1油田，對速溶聚合物（簡稱SR聚合物）的溶解性、增粘性、穩(wěn)定性、流變性及成膠性進(jìn)行了實驗研究。

1 實驗部分

1.1 材料和儀器

實驗環(huán)境 模擬渤海SZ36-1油田油藏溫度，65℃；

地層水礦化度組成 根據(jù)油藏地層水的離子組成，通過在去離子水中加入礦物質(zhì)模擬SZ36-1混注水；

實驗原油SZ36-1油田脫氣脫水原油，粘度為70mPa·s（65℃）；

主要儀器ZNN-D6型六速旋轉(zhuǎn)粘度計、HAAKE-RS600流變儀、waring攪拌器、聚合物攪拌器、電子天平等。

1.2 實驗方案

（1）溶解時間測定

實驗儀器 攪拌器、電子天平、粘度計

實驗條件65℃、模擬水

配置5000mg·L-1的聚合物母液，每隔5、10、15、20、30、40、60、90、120min取出大約10mL；測定其粘度，當(dāng)粘度開始趨于穩(wěn)定的時間視為聚合物的溶解時間。

（2）粘濃關(guān)系測定

實驗儀器 攪拌器、電子天平、粘度計

實驗條件65℃、模擬水

將5000mg·L-1的聚合物母液分別稀釋至1000、1500、2000、2500、3000mg·L-1；測定稀釋液體系粘度，并繪制粘濃關(guān)系曲線。

（3）老化穩(wěn)定性測定

溫 度 穩(wěn) 定 性 將 濃 度 為1000、1500、2000、2500、3000mg·L-1的SR聚合物分別放置于常溫、65、80℃下，分別經(jīng)過12、24、72、120、168、360、720h后取出測定粘度。

剪 切 穩(wěn) 定 性 將 濃 度 為1000、1500、2000、2500、3000mg·L-1的SR聚合物用waring攪拌器1檔10s、1檔20s剪切，將剪切后的聚合物置于65℃下，分別經(jīng)過12、24、72、120、168、360、720h后取出測定粘度。

（4）流變性測定

剪 切 稀 釋 性 將 濃 度 為1000、1500、2000、2500、3000mg·L-1的SR聚合物放置于65℃下，在30d內(nèi)測定其粘度隨剪切速率的變化。

粘 彈 性 將 濃 度 為1000、1500、2000、2500、3000mg·L-1的SR聚合物放置于65℃下，在30d內(nèi)測定其粘彈性。

（5）成膠性能測定 按照不同交聯(lián)比配置微凝膠，按照目測代碼法測定成膠時間及破膠時間，并測定凝膠強(qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 溶解性

用模擬水配置濃度為5000mg·L-1的SR聚合物，溶解曲線見圖1。

圖1 5000mg·L-1 SR聚合物的溶解時間Fig.1 SR polymer dissolution time at 5000mg·L-1

由圖1可知，5000mg·L-1的SR聚合物在20～25min內(nèi)即可達(dá)到溶解平衡，且在配置過程中沒有“魚眼”與明顯的爬桿現(xiàn)象發(fā)生，滿足渤海油田海上平臺運用的要求。將5000mg·L-1的聚合物母液分別稀釋至1000、1500、2000、2500、3000mg·L-1，測定不同濃度下的聚合物粘度，見圖2。

圖2 粘濃關(guān)系曲線Fig.2 Viscosity-concentration relationship curve

由圖2可知，在相同配置水條件下，隨著聚合物濃度增加，聚合物粘度增大。當(dāng)濃度低于3000mg·L-1時，隨著濃度的增加，SR聚合物的粘度緩慢增加，當(dāng)超過3000mg·L-1，聚合物粘度急劇增加，其原因是該聚合物分子量較低，當(dāng)濃度低于3000mg·L-1時，主要是分子量在起作用，使溶液粘度緩慢上升，當(dāng)濃度高于3000mg·L-1時，分子間作用增強(qiáng)，使得溶液粘度增加。

2.2 老化穩(wěn)定性

測定濃度為1000、1500、2000、2500、3000mg·L-1的SR聚合物在不同溫度、不同剪切方式后溶液的老化穩(wěn)定性。

（1）溫度穩(wěn)定性

圖3 不同溫度下SR聚合物的老化穩(wěn)定性Fig.3 Aging stability of SR polymer at different temperatures

由圖3可知，濃度為2000mg·L-1的SR聚合物穩(wěn)定性最差，即使是常溫下也會快速降粘，然而在65與80℃下最終呈現(xiàn)出粘度回升現(xiàn)象，可能是該聚合物雖然能夠快速溶解，達(dá)到平衡，但是很難分散均勻，溫度升高導(dǎo)致聚合物溶解度增大，最終呈現(xiàn)出粘度上升的現(xiàn)象；粘度保留率基本隨濃度的增加而減小，2500與3000mg·L-1的聚合物體現(xiàn)出了高分子溶液特性，隨著老化時間的增加，溶液粘度降低，最終趨于穩(wěn)定。

將不同濃度的聚合物置于不同溫度下，12h后取出測定粘度，不同濃度的溶液在不同溫度下的粘度變化見圖4。

圖4 放置12h后不同溫度不同濃度的粘度曲線Fig.4 Viscosity curve of different temperature and different concentration after 12h

由圖4可知，由于分子量低的緣故，當(dāng)濃度低于2500mg·L-1時，聚合物粘度對溫度的依賴性不高，且濃度2000mg·L-1的聚合物比濃度1500mg·L-1的聚合物更不穩(wěn)定。

（2）剪切穩(wěn)定性 將濃度為1000、1500、2000、2500、3000mg·L-1的SR聚合物分別用waring攪拌器1擋10s、1擋20s剪切，模擬近井地帶機(jī)械剪切下聚合物的降解。剪切后聚合物的老化穩(wěn)定性見圖5，剪切消泡后聚合物的降粘率見表1。

圖5 不同剪切條件后聚合物的老化穩(wěn)定性Fig.5 Aging stability of polymers after different shear conditions

表1 不同剪切條件下聚合物的降粘率Tab.1 Aging stability of polymers after different shear conditions

由圖5和表1可知，經(jīng)waring攪拌器剪切后，降粘率與濃度成正比，然而1擋10s剪切與1擋20s剪切的降粘率差距不是很大，剪切過后的SR聚合物在老化過程中出現(xiàn)了粘度上升、下降的波動，但最終趨于平衡，說明雖然剪切作用會使得粘度降低，但分子間會產(chǎn)生新的作用，使得溶液粘度升高。

不同條件下不同濃度的最大降粘率與最終粘度保留率見表2，各個濃度在不同條件下的老化粘度曲線見圖6。

表2 不同條件下的聚合物穩(wěn)定性Tab.2 Polymer stability at different conditions

由表2可知，濃度為2500與3000mg·L-1的溶液，在老化過程中雖有粘度小幅度回升現(xiàn)象，但最終降粘率即是最大降粘率，且降粘曲線趨于平衡；濃度為2000mg·L-1的溶液，在各個條件下均出現(xiàn)粘度大幅上升的現(xiàn)象，且?guī)缀踉?60～720h之間發(fā)生，使得最終粘度保留率較高；濃度為1500mg·L-1的溶液，在80℃與剪切條件下有小幅度的粘度回升，但增加不大。

圖6 不同濃度不同條件下聚合物的降粘曲線Fig.6 Viscosity reduction curve of polymer at different concentration and different conditions

由圖6可知，聚合物濃度為1500mg·L-1時，溶液極其不穩(wěn)定，不能夠滿足實際油田應(yīng)用；聚合物濃度為2000mg·L-1時，溶液在360h后出現(xiàn)了大幅增粘，而濃度為2500與3000mg·L-1的溶液在老化過程中則體現(xiàn)出了規(guī)律的降粘、穩(wěn)定，在油藏溫度下降粘不大，適應(yīng)SZ36-1油藏，但在80℃下粘度損失率很大，不適合超高溫油藏。

2.3 流變性

（1）剪切稀釋性 用流變儀測定SR聚合物的剪切稀釋性，模擬聚合物在巖心剪切中的穩(wěn)定性，宏觀的評價聚合物的分子結(jié)構(gòu)。

由圖7可知，隨著剪切速率的增加，SR聚合物的粘度整體呈現(xiàn)出先降低后增加的趨勢，在很低的剪切速率下，即呈假塑性流體，分子鏈間相互纏結(jié)、范德華力相互作用形成鏈間瞬態(tài)物理交聯(lián)，這些交聯(lián)點在分子熱運動下不斷解體和重建，SR聚合物在低剪切速率下，物理交聯(lián)點被破壞的速度大于重建的速度，分子鏈段沿流場方向取向，溶液粘度下降；剪切速率繼續(xù)增加，物理交聯(lián)點被破壞完全來不及重建，分子鏈被拉伸但是沒有斷裂，粘度下降到最小值并平衡一段時間，到達(dá)第二牛頓區(qū)；在高剪切速率區(qū)間，高剪切應(yīng)力引起聚合物分子鏈擴(kuò)張伸展，可以使一部分的分子內(nèi)作用力轉(zhuǎn)換成分子間作用力，粘度增加，表現(xiàn)出剪切增稠性能。將開始剪切增稠的剪切速率稱為臨界速率，聚合物濃度越高，臨界速率越大，且第二牛頓區(qū)越短，因為在高濃度下，剪切速率很高時，由于流動摩擦發(fā)熱和流動的不穩(wěn)定性，通常達(dá)不到第二牛頓區(qū)。在臨界濃度以下，在老化過程中均檢測到了粘度波動現(xiàn)象，其原因是溶液分子量低、不穩(wěn)定，在剪切作用下分子內(nèi)的作用力與分子間的作用力不斷轉(zhuǎn)換導(dǎo)致了波動現(xiàn)象。

圖7 不同濃度下聚合物的剪切稀釋性Fig.7 Shear thinning of polymers at different concentrations

（2）粘彈性

圖8 1500mg·L-1 SR聚合物的粘彈性曲線Fig.8 Viscoelastic curve of SR polymer at 1500mg·L-1

圖9 3000mg·L-1 SR聚合物的粘彈性曲線Fig.9 Viscoelastic curve of SR polymer at 3000mg·L-1

由圖8、9可知，隨著濃度的增加，SR聚合物溶液的儲能模量和耗能模量均不斷增大，說明濃度越高，SR聚合物溶液的粘彈性越顯著；在老化過程中，儲能模量和耗能模量幾乎與頻率成正比，說明頻率越高，SR聚合物的粘彈性越好。然而各個濃度的耗能模量基本上均大于儲能模量，在老化過程中偶爾有曲線相交、儲能模量大于耗能模量的現(xiàn)象，說明該SR聚合物的分子鏈柔順，分子間相互作用力小，在較低溫度下即可發(fā)生粘性流動；在油藏溫度下老化，材料有彈性響應(yīng)，意味著該聚合物不僅能夠快速配置與注入油藏，在長時間油藏環(huán)境中彈性增強(qiáng)，對驅(qū)替與調(diào)剖有著重要作用。

（3）成膠性 因該SR聚合物粘度較低、分子量較低，從經(jīng)濟(jì)角度上更適合作為調(diào)剖劑運用，用酚醛交聯(lián)劑進(jìn)行交聯(lián)，當(dāng)交聯(lián)比為2∶1、8∶3、4∶3、3∶2、3∶10時均無法成膠，最終確定成膠比1∶1。

由表3可知，隨著聚合物濃度的增加，成膠時間逐漸增加，成膠強(qiáng)度逐漸減小，破膠時間逐漸縮短，有作為堵水調(diào)剖劑的價值。

表3 SR聚合物的成膠性能Tab.3 Gel-forming properties of SR polymer

3 結(jié)論

（1）該SR聚合物具有很好的溶解性與增粘性，在20～25min內(nèi)即可達(dá)到溶解平衡，當(dāng)濃度超過3000mg·L-1時，能夠快速增粘，在高溫下能夠增大聚合物的溶解度，可以實現(xiàn)再次增粘；

（2）因分子量較低的緣故，低濃度的聚合物溶液對溫度的依賴性不高，高濃度的聚合物溶液隨著溫度升高，粘度降低，但是在老化過程中較為穩(wěn)定，耐溫性良好；

（3）濃度為1500mg·L-1的聚合物溶液極其不穩(wěn)定，抗剪切性能較差，濃度為2000mg·L-1的溶液在各個條件下均出現(xiàn)粘度大幅上升的現(xiàn)象，使得最終粘度保留率較高，2500與3000mg·L-1的溶液雖然沒有增粘現(xiàn)象，但也體現(xiàn)出了良好的抗剪切性；

（4）該SR聚合物因分子量較低，在老化過程中存在粘度波動的不穩(wěn)定現(xiàn)象，但是通過剪切速率譜圖可以看出，在較高的剪切速率下聚合物的分子鏈被拉伸，始終沒有斷裂，在高剪切速率下體現(xiàn)出了剪切增稠現(xiàn)象，在頻率譜圖中，溶液大部分時間呈現(xiàn)粘性，但是在老化過程中有彈性響應(yīng)，意味著該聚合物在長時間油藏環(huán)境中彈性增強(qiáng)；

（5）聚合物在交聯(lián)比為1∶1的條件下能夠成膠，有作為堵水調(diào)剖劑的價值。