兩親性高分子聚合物提高原油采收率的研究

榮光輝，陳章順，王舸，劉毅，陳立，張智博

(1. 中國石油長慶油田分公司第十二采油廠，陜西西安 710021；2. 中國石油長慶油田分公司第六采油廠，陜西西安 710021；3. 中國石油長慶油田分公司第一采油廠，陜西延安 716000；4. 中國石油長慶油田分公司第七采油廠，陜西西安 710021)

目前，化學(xué)驅(qū)采油技術(shù)是國內(nèi)外油田最常見且較有效的三次采油技術(shù)，主要以聚合物驅(qū)和復(fù)合驅(qū)為主。聚合物驅(qū)的技術(shù)關(guān)鍵是控制流度，當(dāng)流度比趨于統(tǒng)一時(shí)驅(qū)替效果最優(yōu)[1-3]。兩親性聚合物是指聚合物分子結(jié)構(gòu)中同時(shí)具有親水基團(tuán)和疏水基團(tuán)，使得聚合物具有水溶性，在溶于水后又能產(chǎn)生疏水締合物，同時(shí)還可以形成可逆性的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[4-6]。因此，兩親聚合物具有與一般水溶性聚合物(如水解聚丙烯酰胺HPAM)不同的獨(dú)特流變學(xué)性質(zhì)，同時(shí)具有較優(yōu)的增黏、耐溫、抗鹽和抗剪切性能。目前，隨著聚合物驅(qū)技術(shù)的不斷成熟和廣泛的工業(yè)化應(yīng)用，兩親性聚合物作為驅(qū)油劑已被用于國內(nèi)較多的油田中，并取得良好的效果[7]。未來還可以對(duì)適用于高溫、高鹽油藏的兩親性聚合物進(jìn)行深入研究，尤其是開發(fā)出具有高效增黏、耐高溫、抗高鹽性能的聚合物[8-9]。

筆者以聚苯乙烯-聚甲基丙烯酸兩親性高分子聚合物為研究對(duì)象，對(duì)其流變性、濾失性和乳化性進(jìn)行了研究，評(píng)價(jià)了其提高采收率的應(yīng)用前景。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用材料由長慶油田實(shí)驗(yàn)室提供。氯化鈉，w≥99%；甲苯，w=99%；環(huán)己烷，w=99%；巖心尺寸(直徑5 cm，長度30 cm)。為對(duì)比兩親性高分子聚合物與水解聚丙烯酰胺(HPAM)提高原油采收率的潛力，分別在實(shí)驗(yàn)室制備了水解聚丙烯酰胺Flopaam3430S和兩親性高分子聚合物PS2MA，兩者的分子量和組成成分見表1。驅(qū)替試驗(yàn)所用原油由某油田提供，API度為27.8，在使用前用環(huán)己烷稀釋，將其黏度調(diào)整為90 mPa·s，剪切速率為10 s-1。

表1 聚合物的組成

1.2 流變特性

流變特性采用Haake Mars Ⅲ旋轉(zhuǎn)流變儀進(jìn)行測量，測量溫度為20 ℃。溶液的制備方法是將聚合物溶解于不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的氯化鈉溶液中，然后在測量前至少攪拌10 h以得到均質(zhì)溶液，不需要共溶劑或加熱。溶液可以在幾個(gè)月內(nèi)基本保持穩(wěn)定(無沉淀或相分離現(xiàn)象)[10]。

1.3 乳化試驗(yàn)

將10 mL聚合物溶液和2 mL原油一起倒入容器中，通過手動(dòng)劇烈搖動(dòng)2 min，考察聚合物對(duì)原油乳化性能的影響。為了比較聚合物的乳化能力，還使用相同的工藝制備了(w)0.1%的聚合物溶液與10 mL甲苯的乳液，甲苯相通過加入一滴原油進(jìn)行著色，以增加與水相的對(duì)比度。并在光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行觀察，在顯微鏡下觀察乳化相之前，通過劇烈搖晃兩相乳液，然后將其靜置24 h。

1.4 過濾試驗(yàn)

過濾試驗(yàn)是用來評(píng)價(jià)不同濃度聚合物溶液通過微小孔隙的能力，使用的過濾裝置為微孔聚碳酸酯過濾器，聚合物溶液通過頂部的開口注入到容器中。關(guān)閉閥門后，加壓至0.2 MPa，整個(gè)過程保持壓力不變，打開底部閥門，利用燒杯收集過濾出的聚合物溶液，直到濾液的質(zhì)量大于200 g，關(guān)閉底部閥門，利用Fr=t2/t1計(jì)算過濾比Fr。t2為溶液質(zhì)量180 g增至200 g時(shí)所需的濾失時(shí)間；t1為溶液質(zhì)量20 g增至40 g時(shí)所需的濾失時(shí)間。

1.5 巖心驅(qū)替試驗(yàn)

在室溫條件下(25 ℃)，巖心飽和CO2后，以低速(約2 mL/h)注入(w)0.2%的氯化鈉溶液12 h以上，確保無空氣進(jìn)入到巖心中，之后在巖心中注入原油達(dá)到初始含油飽和度，再進(jìn)行注水，直至含水率達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)(孔隙體積PV數(shù)至少為2)，然后以1.25 mL/h的速率注入聚合物(PV數(shù)至少為2)；在驅(qū)替期間應(yīng)時(shí)刻記錄巖心的壓降。

2 結(jié)果和討論

2.1 流變性試驗(yàn)

兩親性高分子共聚物PS2MA在水溶液中形成較大的球狀膠束聚集體，由于親水嵌段的聚電解性質(zhì)，甲基丙烯酸的親水嵌段在溶液中被拉伸。聚集體在水溶液中相互重疊，導(dǎo)致體積較大，增稠性能顯著。兩親性高分子聚合物在水溶液中的聚集狀態(tài)見圖1，圖中黑線為疏水部分，藍(lán)線為親水部分。

圖1 PS2MA在水溶液中的聚集狀態(tài)示意

由文獻(xiàn)[11]可知，當(dāng)PS2MA溶解于質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.1%的NaCl溶液時(shí)，其在較大的剪切速率區(qū)間內(nèi)會(huì)出現(xiàn)剪切稀化，其在去離子水中的黏度與Flopaam3430S相當(dāng)。不同聚合物剪切黏度隨剪切速率變化見圖2。

圖2 不同聚合物剪切黏度隨剪切速率變化

由圖2可見：PS2MA的分子量雖遠(yuǎn)小于Flopaam3430S的分子量，但PS2MA可以和HPAM一樣實(shí)現(xiàn)流度控制級(jí)。

由文獻(xiàn)[12]可知，溶液中無機(jī)鹽的存在會(huì)導(dǎo)致聚合物發(fā)生剪切增稠現(xiàn)象，進(jìn)而影響聚合物驅(qū)油效果，因此，需要考察不同鹽度對(duì)聚合物黏度的影響。對(duì)制備的聚合物在NaCl溶液(w=0.5%為基準(zhǔn))中的剪切黏度進(jìn)行測量，并重新修正殘余黏度參數(shù)η。不同聚合物在不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)NaCl溶液中的殘余黏度值見表2。

表2 不同聚合物的殘余黏度值

由表2可見：鹽度對(duì)聚合物黏度影響較大。PS2MA在NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.0%時(shí)的殘余黏度值明顯要大于其NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%時(shí)的殘余黏度值。

2.2 乳化試驗(yàn)

由文獻(xiàn)[13]可知PS2MA共聚物在水溶液中可以生成一定量表面活性劑。聚合物與原油乳化性能試驗(yàn)結(jié)果表明，與兩親性高分子聚合物相比，F(xiàn)lopaam3430S聚合物作為乳化劑的效果明顯較差，形成的乳液通常較粗糙，在試驗(yàn)時(shí)間為2 h時(shí)，兩相溶液基本有分離的跡象。而PS2MA的效果要明顯好于Flopaam3430S，這與PS2MA溶液具有較高的表面活性結(jié)論一致。

2.3 過濾試驗(yàn)

為了確定制備聚合物的注入能力，分別通過孔徑為3，1.2 μm的2個(gè)過濾器進(jìn)行了過濾試驗(yàn)，當(dāng)過濾比的數(shù)值越接近于1，表明聚合物的注入能力越強(qiáng)，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 過濾試驗(yàn)結(jié)果

由表3可見：與PS2MA相比，雖然盡管Flopaam3430S的分子量較高，但是注入性能要好于PS2MA。

2.4 巖心驅(qū)替試驗(yàn)

在25 ℃下，采用PS2MA和Flopaam3430S聚合物溶液進(jìn)行了巖心驅(qū)油試驗(yàn)，結(jié)果見表4和圖3。

表4 巖心驅(qū)油試驗(yàn)結(jié)果

圖3 不同聚合物巖心驅(qū)替試驗(yàn)結(jié)果

由圖3可見：與水驅(qū)相比，使用Flopaam3430S聚合物增加的采收率約為5個(gè)百分點(diǎn)，而兩親性高分子共聚物的采收率增幅在27個(gè)百分點(diǎn)左右，最終采收率可達(dá)到80%。利用HPAM聚合物驅(qū)后，砂巖中稠油采收率增量為2%～35%。同時(shí)在試驗(yàn)中測量了巖心的壓降，PS2MA的壓降明顯更高，壓降增加說明在驅(qū)替過程中流動(dòng)阻力在增加。原因可能是由于聚合物滯留吸附了部分乳化的油。注入PV數(shù)達(dá)到1后，壓降值趨于穩(wěn)定。壓降越大，說明驅(qū)替效率越高。

3 結(jié)論

將PS2MA兩親性高分子聚合物與HPAM(Flopaam3430S)進(jìn)行了對(duì)比，得到以下結(jié)論。

1) PS2MA的黏度、乳化能力和驅(qū)油試驗(yàn)的采油率均好于Flopaam3430S。兩親性高分子聚合物在高鹽度下，具有顯著的增黏性能，同時(shí)還具有降低界面張力的特性，與Flopaam3430S不同的是，與原油形成的乳液比較穩(wěn)定。

2)巖心驅(qū)油試驗(yàn)結(jié)果表明：在相同濃度或相同剪切黏度下，PS2MA的驅(qū)油性能明顯優(yōu)于Flopaam3430S。

3)兩親性高分子聚合物更適合高鹽度聚合物驅(qū)，研究了兩親性聚合物在高鹽度條件下作為驅(qū)油劑的潛力。為了更好地評(píng)估該聚合物在提高原油采收率中的適用性，進(jìn)一步的研究應(yīng)該在更加接近真實(shí)油藏條件下進(jìn)行驅(qū)替試驗(yàn)，如使用含有Ca2+和Mg2+的鹽水。

4)兩親性高分子聚合物的分子量相對(duì)較小，但是在高鹽度下、同等質(zhì)量濃度和剪切黏度條件下的采收率明顯高于HPAM。該類型聚合物驅(qū)油機(jī)理不同于傳統(tǒng)的聚合物驅(qū)油機(jī)理，驅(qū)油效果要優(yōu)于傳統(tǒng)的聚合物驅(qū)油效果，主要原因可能是由于原油的乳化作用。