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(yíng) 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(yíng) 257015)

測(cè)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(qiáng)弱不同.通過對(duì)聚合物拉伸流變性能的測(cè)試,可以分析溶液中聚合物分子的存在狀態(tài)及作用機(jī)理,進(jìn)而指導(dǎo)油田用聚合物的篩選、質(zhì)量控制及配方設(shè)計(jì)等;聚合物溶液在長(zhǎng)細(xì)管巖心中的滲流運(yùn)移規(guī)律明顯不同,拉伸流變性能對(duì)于聚合物溶液在地層中的滲流運(yùn)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(zhǎng)細(xì)管巖心

0 引言

早期的聚合物驅(qū)油機(jī)理認(rèn)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(dá)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(jī)理表現(xiàn)為:(1)本體黏度可以改善水油流度比,擴(kuò)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(rèn)識(shí)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(bào)道[7-11],曹緒龍、竇立霞等[12-14]對(duì)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(rèn)識(shí),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(bào)道.

筆者對(duì)不同類型驅(qū)油用聚合物的拉伸流變性進(jìn)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(qiáng)弱及微觀驅(qū)油機(jī)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(jì)及新型聚合物開發(fā)研制等.

1 實(shí)驗(yàn)

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(yíng)長(zhǎng)安化工集團(tuán)生產(chǎn),制備過程中分子鏈上引進(jìn)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(jìn)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(guó)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(cè)試

1.2.1 條件

拉伸流變測(cè)試條件:溫度為30℃,測(cè)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(cè)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(duì)不同聚合物流變性的影響;分別用氯化鈉質(zhì)量分?jǐn)?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?jǐn)?shù))對(duì)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?jǐn)?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(duì)不同聚合物流變性的影響.

1.3 巖心驅(qū)替

長(zhǎng)細(xì)管巖心長(zhǎng)度為16 m,內(nèi)徑為0.7 mm,均勻分布5個(gè)測(cè)壓點(diǎn),進(jìn)口、出口各1個(gè)測(cè)壓點(diǎn),滲透率為20μm2,孔隙度為35%.先用2 mg/L NaCl水溶液飽和長(zhǎng)細(xì)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(zhǎng)細(xì)管巖心,檢測(cè)不同測(cè)壓口的壓力,實(shí)驗(yàn)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(shí)所對(duì)應(yīng)的拉伸黏度為基礎(chǔ),比較質(zhì)量濃度對(duì)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(gè)明顯拐點(diǎn),而 HPAM-2的只是緩慢增加,并沒有明顯拐點(diǎn).

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(diǎn),主要是由于溶液中聚合物分子間作用機(jī)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(dòng)力學(xué)體積增大,對(duì)剪切黏度的貢獻(xiàn)是等效的,聚合物相對(duì)分子質(zhì)量越高,分子間越易發(fā)生纏結(jié)使其水動(dòng)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(cè)試時(shí),聚合物分子間作用力更強(qiáng)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更牢固,其拉伸黏度就越大、彈性越強(qiáng).

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(cè)試,一方面可以了解單個(gè)聚合物在不同質(zhì)量濃度條件下彈性大小,進(jìn)而可以分析溶液中分子存在狀態(tài)及作用機(jī)理,為聚合物驅(qū)微觀機(jī)理解釋、驅(qū)油配方設(shè)計(jì)提供直接證據(jù);另一方面可以對(duì)不同聚合物類型進(jìn)行鑒別.由2種黏度測(cè)試結(jié)果證明,通過拉伸流變性能測(cè)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(duì)不同聚合物流變性影響的測(cè)試結(jié)果見圖3.由圖3可知,隨著水中NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,2種聚合物的拉伸黏度和松弛時(shí)間減小,但不同聚合物拉伸流變性受鹽度影響強(qiáng)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(jī)理不同引起的.對(duì)于 HPAM-1聚合物,溶液中臨時(shí)動(dòng)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(duì)溶液中臨時(shí)動(dòng)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(shí),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(diǎn).

圖3 水溶液中NaCl鹽度對(duì)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(shì)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(duì)溶液中聚合物臨時(shí)動(dòng)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(zhǎng)細(xì)管巖心運(yùn)移時(shí)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(zhǎng)細(xì)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(yùn)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(shí),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(zhǎng)細(xì)管巖心中運(yùn)移時(shí)的沿程壓力變化曲線

3 結(jié)束語

通過對(duì) 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(píng)價(jià)和在長(zhǎng)細(xì)管巖心中運(yùn)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(duì)拉伸黏度起重要作用,因?yàn)榉肿娱g作用力決定分子間形成的臨時(shí)交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的牢固程度,也同時(shí)反映其溶液彈性的大小.通過比較聚合物剪切表觀黏度測(cè)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(shí)反映溶液的彈性強(qiáng)弱,而溶液彈性強(qiáng)弱直接影響在多孔介質(zhì)中的運(yùn)移情況.通過拉伸流變性能測(cè)試可以更全面了解聚合物溶液性能,為微觀驅(qū)油機(jī)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).

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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(guó);編輯:關(guān)開澄

國(guó)家科技重大專項(xiàng)(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.