聚驅用疏水締合聚合物AP-P4油水固三相與水固兩相差異性實驗研究

李如茵 檀國榮 張 健

（1. 海洋石油高效開發國家重點實驗室，北京 100027；2. 中海油研究總院，北京 100027）

聚驅用疏水締合聚合物AP-P4油水固三相與水固兩相差異性實驗研究

李如茵1，2檀國榮1，2張 健1，2

（1. 海洋石油高效開發國家重點實驗室，北京 100027；2. 中海油研究總院，北京 100027）

目前，對海上油田聚驅用疏水締合聚合物吸附、分配行為所開展實驗僅限于在水固兩相體系之間，而實際油藏中有大量油相存在，尚無實驗方法對聚合物在多相間的分配規律進行測試。基于靜態吸附原理，建立了一套測定疏水締合聚合物AP-P4在油、水、固三相體系間分配規律的實驗方法，可以準確測定不同溶液濃度、礦化度條件下，疏水締合聚合物在三相間的分配規律。選擇精確的測試手段分別測定了水相與油相中聚合物的濃度，并與水固兩相體系靜態吸附結果進行了對比。實驗結果表明，盡管聚合物在油相中不溶解，但油相的引入造成了疏水締合聚合物在油水界面間出現了明顯的富集現象。該方法比傳統的兩相靜態吸附方法更全面、準確地揭示了各相間的相互作用、相互影響，有助于深化對疏水締合聚合物溶液性質的認識，為預測實際油藏化學驅過程中的吸附滯留行為、評估采出液處理過程中乳化相含聚量提供了理論支持。

疏水締合聚合物；三相體系；靜態吸附；分配系數；油水界面

引 言

目前，聚合物驅已成為油田提高采收率的重要手段。其中，疏水締合聚合物AP-P4在礦場應用中表現出的增黏、降低水相滲透率、改善水油流度比、擴大注入水在油層中的波及體積等能力已得到廣泛認可［1-3］。AP-P4的驅油過程是多重因素協同作用下的綜合表現。聚合物溶液在注入后，可能進入儲層、水相、原油或乳化油中，分布在每一個相態中的聚合物會表現出不同的吸附、滲流行為［4-5］。針對不同濃度的AP-P4溶液，前人已進行了大量的測試以及靜態、動態吸附實驗［1，6-16］，揭示了其流變性、黏彈性、耐溫性、耐鹽性、抗剪切性等性能。實驗結果證明，締合作用使得AP-P4具有與HPAM等線性水溶性聚合物不同的吸附行為［17］。不論巖心孔隙度高低與否，在注入聚合物溶液后，有效滲透率皆大幅降低［11，17-18］。然而，目前已知的 AP-P4 靜態吸附行為的實驗，僅僅停留在水溶液與固體介質兩相體系間開展，其實驗結果僅能反映聚合物在多孔介質中的吸附滯留情況。事實上，這并非聚合物濃度損失的唯一來源。化學驅過程中，部分聚合物疏水基團存在脫離水相的取向，在原油非極性基團作用下，易于聚集在油水界面間，水相內的聚合物濃度相應降低［19］。盡管疏水締合聚合物在油相中的溶解度極低，但原油的存在對AP-P4的溶解分配產生的影響不能忽視。目前水溶性的聚合物在油相中的存在方式無法使用儀器設備測定，界面處聚合物濃度的富集也難以定量測量。在已知的工作中，尚未找到在三相體系中測定聚合物分配規律的實驗方案。

為了準確、完整揭示AP-P4溶液注入實際油藏儲層后的去向、富集規律、平衡狀態等行為，以及它們的影響因素，筆者設計了能夠反映實際油藏特征的油、水、固三相共存時的靜態吸附實驗方法，并探索出適當、準確的手段對油相中的聚合物濃度進行測試。通過三相體系與兩相體系靜態吸附實驗結果的對比，可以獲得油相引入所引起的聚合物分配行為變化。

1 實驗

1.1 原料與儀器

藥品：冰醋酸、次氯酸鈉溶液、NaCl、CaCl2、MgCl2、NaHCO3、Na2SO4、二次水等。原油：綏中36-1 AⅡ綜合油，電脫水后備用。AP-P4干粉：分子量約107，水解度25.3%。固相吸附劑：純凈石英砂，100～160目，二次水洗凈后烘干備用。

儀器：破乳劑及電脫水性能測試儀（DPY-2C，江蘇姜堰市分析儀器廠）；COD消解器與紫外可見分光光度計。

1.2 油相、水相中AP-P4濃度的測定方法

體系達到相平衡后，分配規律的測定可以通過原油、水、石英砂三相中AP-P4的濃度來進行分析。在油、水、石英砂三相體系共存、平衡后，三相處于分層混合狀態。原油浮在上層，水相位于油相以下，石英砂浸潤在水相底部。為了測定每一相中聚合物的濃度，需要將混合體系進行分相操作，獲得至少兩相中所富集的聚合物濃度，才能夠分析了解聚合物在三相中的分配規律。分相后，水相中的聚合物溶液濃度可以直接進行測定，而油相與石英砂相的聚合物濃度無法直接測定。

考慮到聚合物易于溶解在水中，而在原油中溶解度極小，在本方法中，使用AP-P4的良溶劑——二次水作為萃取劑，與等量含聚原油混合、加熱至平衡，分液，獲得水相，隨后使用濁度法對水相進行聚合物含量定性鑒定，反復對油相萃取操作直至聚合物完全從油相中轉移至水相，最后對萃取后獲得的水相進行合并，測定聚合物濃度，便可以獲得原油中的聚合物含量。

選擇精確、穩定的方法測定AP-P4的濃度，是獲得準確結果的重要步驟。對于聚丙烯酰胺類聚合物濃度的測量方法，已有大量詳盡的研究［9，20-28］。油田現場與實驗室內常用的是淀粉—碘化鎘工作曲線法，而對于本實驗而言，該方法存在著吸光度不穩定，誤差較大等缺點，不能保證良好的重復性。總氮測量是一種高溫氧化—化學發光檢測法，可以測量水體中所有含氮化合物的總氮量［25］，適合實驗室內簡單體系的含氮化合物的精確測定。其實驗方法為：向溶液中加入氧化劑，在高溫下裂解液體樣品，使氮元素全部氧化至NO3-，再使用還原劑將其還原至NO2·，使用顯色劑生產紫色偶氮化合物，最后通過紫外分光光度計獲得精確濃度，計算氮元素含量。由于實驗室所使用的體系沒有黏土、不溶物等污濁成分，吸光結果精確，計算聚合物濃度的結果也準確可靠。

1.3 AP-P4在油相、水相與石英砂三相體系間的分配系數實驗

（1）根據綏中36-1油田注入水的離子濃度，配制2種礦化度模擬水，配方見表1。根據綏中36-1油田采出液的實際情況，設定實驗中的固液（水相）比為1:12，水油比為6:4。

表1 模擬水的成分

（2）針對兩種不同礦化度的模擬水A、B，分別配制一系列AP-P4溶液，目標濃度750～1 750 mg/L。依次計算各個溶液中的聚合物濃度，記為吸附前的初始濃度C01。

（3）向250 mL錐形瓶中稱入120.00 g聚合物溶液與10.00 g石英砂，震蕩混合均勻。稱取80.00 g脫水后的原油倒入錐形瓶中。體系穩定后，將自上而下地形成油、水、砂三相平衡體系。用濾紙將錐形瓶封口。

（4）將250 mL錐形瓶置于恒溫箱，為使體系達到平衡，在65 ℃下保持60 h。

（5）取出錐形瓶，用注射器取出中層水相清液，靜置，待少量懸浮石英砂沉淀完全。進行總氮測試，獲得結果為靜態吸附后水相的平衡濃度，記為Ce1。

（6）進行靜態吸附后油相聚合物的萃取與測定。將錐形瓶中的油相倒入電脫瓶中進行電脫水。

（7）稱取二次水40.00 g，電脫水后的原油40.00 g，倒入150 mL錐形瓶中，劇烈震蕩使兩相充分混合。

（8）將150 mL錐形瓶置于干燥箱中，在65 ℃下保持24 h。每隔一段時間劇烈震蕩錐形瓶，使得兩相充分接觸。

（9）用注射器取出150 mL錐形瓶下層水相。

（10）向水相中加入冰醋酸與次氯酸鈉溶液，濁度法定性測定水相中聚合物存在與否［28］，并通過總氮測量獲得聚合物濃度，記為Cw。

（11）用二次水將油反復清洗，并用濁度法測定聚合物萃取情況，至無明顯現象為止。

1.4 AP-P4在水相、石英砂兩相體系間的分配系數實驗

在已報道的研究工作中，通常使用聚合物溶液與石英砂形成的兩相體系來了解體系的吸附滯留性［17，29］。為了掌握充分的實驗資料，針對上述三相體系，進行對應的兩相空白體系靜態吸附實驗，以期將三相體系與兩相體系進行對比，觀察原油存在下聚合物在水相與石英砂之間的分配規律是否維持不變。

（1）配制2種礦化度模擬水，配方同表1。

（2）使用兩種不同礦化度的模擬水A、B，對應上文三相體系靜態吸附實驗的濃度與條件，分別配制一系列AP-P4溶液，目標濃度750～1 750 mg/L。依次計算各溶液中的聚合物濃度，記為吸附前的初始濃度C02，此處C02在配制時力求與對應C01等值。

（3）向250 mL錐形瓶中稱入120.00 g聚合物溶液與10.00 g石英砂，震蕩混合均勻。用濾紙將錐形瓶封口。

（4）將250 mL錐形瓶置于恒溫箱，在65 ℃下保持60 h。

（5）取出錐形瓶，用注射器取出中層水相清液，靜置至少量混雜石英砂沉淀完全。進行總氮測試，獲得結果為靜態吸附后水相的平衡濃度，記為Ce2。

2 實驗結果與討論

2.1 平衡濃度曲線

三相靜態吸附實驗與兩相靜態吸附實驗數據見圖1、圖2。C0曲線為發生吸附前，水相中聚合物的初始濃度，隨著吸附的發生，水相濃度逐漸降低；Ce1曲線為三相體系靜態吸附后，水相中剩余的AP-P4產生的平衡濃度；Ce2曲線為兩相體系靜態吸附后，水相中剩余的AP-P4產生的平衡濃度；Cw是油相中萃取出的AP-P4濃度，與Ce1等平衡濃度相差3個數量級，曲線的漲落趨勢非常微小，不代表分配過程的變化趨勢，可視為不溶解；ΔC是Ce1與Ce2的平衡濃度之差，描述了原油體系的加入，所引起的水溶液中聚合物濃度的轉移。在石英砂總量和吸附能力不變的前提下，這種轉移有兩個可能的去向，一是水相與油相之間的界面，二是水相與油相形成的乳液結構。可見，盡管原油中不能溶解聚合物，但原油的引入導致了聚合物的富集區域發生了明顯的轉移。在使用AP-P4驅油油田的采出液中，存在著大量油水界面間的混合中間層，通常是由聚合物、油、水組成的中間相，在一定時間內具有相對穩定的性質。相比于通常研究的水、石英砂兩相體系模型，這種實驗方法更精確地反映了真實情況。

圖1 模擬水A中兩相體系、三相體系靜態吸附實驗數據

圖2 模擬水B中兩相體系、三相體系靜態吸附實驗數據

2.2 等溫吸附曲線

靜態吸附過程中，聚合物由水相向石英砂表面轉移。兩種礦化度的模擬水中，聚合物在石英砂上的吸附情況見圖3。可以看出，AP-P4在石英砂表面的吸附量都隨溶液起始濃度的增大而增大，并出現臺階形增長過程，而且礦化度的升高導致聚合物在石英砂上的吸附量明顯上升。

圖3 兩相體系、三相體系等溫吸附曲線

2.3 聚合物AP-P4在水、砂相間分配系數

通過計算獲得AP-P4在水相、石英砂相間的分配系數，如圖4所示。可以看出，兩種礦化度體系所反映出的聚合物分配趨勢完全一致。由于AP-P4具有較好的耐鹽性，故此高礦化度時分配系數較高，水相中聚合物濃度較低，石英砂上吸附的濃度較高。這與已有報道的結果一致［7，14-16，30］。

圖4 兩相、三相體系中聚合物在水、砂兩相間的分配系數

2.4 聚合物AP-P4在油、水相間分配系數

AP-P4在油水兩相間的分配系數K可定義為AP-P4在油相中的濃度與水相中濃度的比值（K=Cw/Ce1）。根據上述實驗結果，計算出聚合物在油、水兩相間的分配情況，如圖5所示。可以看出，模擬水體系A中，聚合物在油水兩相間的分配系數K取值范圍為0.003～0.012 4；模擬水體系B中，聚合物在油水兩相間的分配系數K取值范圍為0.005～0.009。由于Cw數遠比Ce值低，計算出的分配關系可證實聚合物在油相中不溶解。

圖5 三相體系中聚合物在水、油兩相間的分配系數

2.5 疏水締合聚合物分子在多相介質間的分配機理

AP-P4在三相界面間的分配，服從聚合物吸附與憎水性吸附兩者的規律。疏水締合聚合物AP-P4是在傳統線性水溶性聚丙烯酰胺的結構基礎上，加入少量的疏水基團 （1%～5%）獲得的一種新型的水溶性聚合物。疏水基團是一類極性較弱的烷基基團，在極性較強的水相中由于無法形成氫鍵作用而具有較高的化學勢，溶解能力較差，有自發形成疏水微區的趨勢。當油相存在時，AP-P4分子則易于在疏水基團的取向作用下，發生向油相界面移動分配行為。AP-P4的非極性疏水基團傾向于伸向油相中，水溶性骨架結構則使其穩定在油水界面之間。

從等溫吸附曲線可以看出，AP-P4在石英砂上的吸附規律呈現臺階形上升，不符合Langmuir吸附規律［31］。聚合物分子在吸附劑上的吸附，來自聚合物鏈節的吸附作用［32-33］，AP-P4在石英砂表面的吸附過程為：（1）在聚合物溶液濃度較低時，發生單層吸附，吸附劑表面的位點多數被聚合物分子占據，表面能降低；（2）聚合物濃度上升，后續吸附的聚合物分子會受到來自石英砂表面吸附分子的排斥作用，導致表面能進一步升高，吸附曲線出現臺階；（3）溶液濃度繼續升高后，AP-P4分子之間存在締合作用使石英砂表面出現第二個吸附層，表面能繼續升高，等溫吸附曲線出現臺階。

2.6 三相與兩相介質間分配系數實驗差異性及應用價值

聚合物在油相中不溶解，因此傳統的聚合物靜態吸附實驗重點測試聚合物在水、固相兩相間的競爭富存關系。通過本實驗方法獲得的AP-P4在油、水、固三相介質間吸附、分配行為，可以看出，油相的存在顯著影響了AP-P4的取向與分配過程。使用本實驗方法獲得的水相聚合物濃度Ce1，與使用傳統靜態吸附實驗方法獲得的Ce2，存在著ΔC的差異。ΔC的數值在200 mg/L左右，隨水相濃度變化不大。本實驗方法更全面、準確地反映了聚合物進入儲層后，受到各種介質的作用力后所進行的取向與分配過程。

本實驗方法所獲得的數據，有助于模擬聚合物溶液驅替過程中的損失過程。聚合物注入地層后，黏度大、驅替能力強，經歷儲層內的吸附、滯留后，在臨近注入端的儲層孔隙表面達到吸附飽和，造成阻力系數與殘余阻力系數的升高，后續水驅產量上升。隨著聚合物溶液的運移，進入儲層深部的濃度逐步降低，在儲層內形成的飽和吸附量也隨之降低，改善儲層阻力系數、殘余阻力系數的能力逐漸減弱，驅油能力與后續水驅效率也隨之下降。本實驗方法所獲得的數據，可以結合數值模擬過程，有效地預測AP-P4 在驅油過程中溶液濃度降低的規律、改造儲層的能力，繼而準確分析驅油能力的變化。

AP-P4具有在油水兩相界面間富集的趨勢，因此采出液中存在著大量乳液中間層。在采出液處理過程中，為了防止電脫失效，提高破乳脫水效率，使原油含水率與污水含油率達標，需要對乳液中間層進行針對性的處理。本實驗方法考慮了原油引入對聚合物分配規律的影響，通過對比三相體系與兩相體系靜態吸附的結果，可以準確掌握乳化層中含聚濃度和聚合物富存狀態，為破乳劑施放的種類選擇和用量提供準確依據。

3 結論

（1）設計了一種測定疏水締合聚合物AP-P4在多相界面間分配規律的實驗方法，進行了油、水、固三相靜態吸附實驗，并同水、石英砂兩相靜態吸附實驗結果進行了對比；獲得了聚合物AP-P4在原油、水相、石英砂三相共存體系中的分配規律，并測定了分配規律隨礦化度、聚合物起始濃度的變化。

（2）觀察到了AP-P4在固相表面的多層吸附過程，吸附行為與AP-P4的分子間的疏水締合作用相關。同時，證實了AP-P4盡管存在疏水基團，但在油相中無溶解度。

（3）三相體系靜態吸附實驗中獲得的結果與聚合物在水、固兩相間的傳統靜態吸附實驗結果不同。實驗結果證明，盡管AP-P4在油相中沒有溶解度，但油相的存在使聚合物在界面間的分配規律發生了明顯的分配變化。相比之下，三相體系的靜態吸附實驗更接近真實情況。

（4）油相的出現使得水相聚合物濃度出現顯著降低，這一現象可歸結于聚合物在油水界面的富集。對乳化相的測定，有助于準確掌握采出液乳化層中含聚濃度和聚合物富存狀態，為破乳方式提供了依據。

（5）應用本文方法可以進行針對性的實驗與數值模擬，有效預測AP-P4溶液在驅油過程中濃度降低的規律，繼而準確分析驅油能力的變化。

（6）目前的研究內容僅限于特定的功能高分子在三相體系中的分配行為，更多不同分子結構聚合物在多相體系中的動態、靜態分配規律，需要進一步研究。

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（修改稿收到日期 2013-04-05）

Different distribution behavior of hydrophobic associated polymer AP-P4 between oil-water-solid three-phase system and water-solid two-phase

LI Ruyin1,2, TAN Guorong1,2, ZHANG Jian1,2

（1. State Key Laboratory of Offshore Oil Exploitation,Beijing100027,China; 2. Research Institute,CNOOC,Beijing100027,China）

At present, the experiments aimed at studying the adsorption and distribution behavior of hydrophobic associating polymer are conf i ned only to water-solid two-phase system in offshore oilf i eld. While there is a large number of oil actual existences in reservoir, and no experiment method is conducted to test the distribution behavior of hydrophobic associated polymer in multi-phase system. A set of experimental method has been established for the fi rst time in order to evaluate the distribution of water soluble hydrophobic associated polymer AP-P4 among oil, water and sand based on the static adsorption principle. The distribution law of the AP-P4 polymer in three-phase system under different solution concentration and different salinity conditions can be accurately determinate. The suitable analysis method has been selected to measure the concentration of polymer in oil phase and water phase. By comparison with water-solid two-phase static adsorption result, it showed that the oil-water interface was enriched in hydrophobically associating polymer because of introducing oil phase even though the polymer is not dissolved in the oil phase. Comparing to the conventional two-phase static adsorption method, the newly technique can more comprehensive, more accurately reveals the interaction and mutual inf l uence between the each phase, and contributes to deepen understanding the properties of hydrophobically associating polymer solution. The method also provides theoretical support for predicting the adsorption and retention in actual reservoir chemical fl ooding process, and evaluating emulsion polymer containing quantity in produced fl uid treatment process.

hydrophobically associating polymer; three-phase system; static adsorption; distribution coeff i cient; oil water contact

李如茵，檀國榮，張健.聚驅用疏水締合聚合物AP-P4油水固三相與水固兩相差異性實驗研究 ［J］. 石油鉆采工藝，2013，35（3）：80-85.

TE357.46

A

1000 – 7393（ 2013 ） 03 – 0080 – 06

國家科技重大專項“海上稠油化學驅油技術”（編號：2011ZX05024-004）。

李如茵，1982年生。2009年畢業于北京大學化學與分子工程學院，獲博士學位，現從事提高采收率相關技術研究，工程師。電話：010-84526448。E-mail：liry3@cnooc.com.cn。

〔編輯

朱 偉〕