疏水單體含量對疏水締合聚合物滲流特性的影響

馮茹森，唐昊，孫建輝，周洋，蒲迪，郭擁軍

(1.油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，四川 成都 610500;2.西南石油大學 化學化工學院，四川 成都 610500;3.安徽省天然氣開發股份有限公司，安徽 合肥 230000)

聚合物驅是一種重要的三次采油技術，用聚合物水溶液為驅油劑，以增加注入水的粘度，提高其波及效率，從而達到提高原油采收率的目的［1-2］。疏水締合聚合物是目前理想的抗鹽抗溫和抗剪切的新型聚合物，在疏水締合水溶性聚合物的水溶液中，疏水基團之間由于疏水作用而發生聚集，使聚合物鏈產生締合;在締合濃度(CAC)以下，主要形成分子內締合，其結果是使線團收縮，流體力學體積減少;在CAC 以上，則主要形成以分子間締合為主的超分子結構而具有較好的增粘性［3-4］。在采油過程中，疏水締合聚合物在油藏中的滲流特性影響著采收率的高低:如聚合物的分子量、分子尺寸、疏水單體含量等影響著聚合物在油藏中的滲流特性，從而影響流度比、水相滲透率和波及體積［5］。

葉仲斌等［6］報道了關于疏水締合聚合物在高滲透多孔介質中阻力系數和殘余阻力系數與疏水單體含量成正比，而在低滲條件下未見有報道。本文排除其它的因素(分子量、礦化度)干擾，采用新的實驗室自制平板夾砂滲流模型，研究了同剪切粘度的三種不同疏水基含量的疏水締合聚合物在平板夾砂滲流模型中的滲流特性，探索了不同滲透率下阻力系數和殘余阻力系數與疏水基含量的變化規律;并試圖研究疏水單體含量的疏水締合聚合物、滲流特性和聚集體尺寸三者之間的關系。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

石英砂(60 目、100 目、140 目);純水;NaCl，分析純;DP 系列聚合物(見表1)。

表1 聚合物物性Table 1 The properties of the DPs

S312 恒速攪拌器;EMS-20 恒溫水浴磁力攪拌器;電子分析天平;D-250L 恒速恒壓泵;核微孔濾膜(孔徑為3 μm);平板夾砂滲流模型、微孔濾膜法裝置均為自制;Physica MCR301 高級流變儀;Peltier 加熱系統。

1.2 聚合物溶液的制備

提純后的聚合物干粉樣，在恒溫水浴50 ℃條件下，用5 000 mg/L 的NaCl 溶液(過500 目篩)配制DP 系列疏水締合聚合物母液，濃度為5 000 mg/L。充分溶解后靜止24 h。稀釋成所需濃度的目標溶液，并過500 目篩，靜止8 h 后待用。

1.3 實驗方法

1.3.1 剪切粘度測試 在45 ℃下，通過高級流變儀錐板轉子系統CP75-1，剪切速率掃描范圍0.001～100 s－1;取點方式:Ramp log+Points/decade，每個數量級取10 個點;測試前設定20 s－1預剪切3 min，靜置20 min。同時，由于樣品的測試時間過長(40 min)，為了避免水分蒸發造成的測量誤差，在測量系統邊緣(錐板轉子系統)進行滴加二甲基硅油處理。

1.3.2 滲流實驗 ①選取所需目數的石英砂進行填砂，并用模擬鹽水飽和，30 min 后測定其濕重，確定其孔隙體積(即PV)及孔隙度，確定三個平板的總PV 值;②在45 ℃下，通過去離子水驅測定平板夾砂滲流模型水測滲透率K;③將模擬鹽水和目標濃度疏水締合聚合物溶液分別裝入中間容器;④將三個相近滲透率的平板夾砂滲流模型按照圖1 串聯，進行聚合物滲流傳導實驗，滲流速率3 m/d;⑤通過鏈接好的壓力傳感器，電腦自動記錄不同時間下的準確壓力值;⑥待進口端注入壓力穩定5PV 后轉后續水驅，注入壓力穩定1PV 后結束實驗;⑦繪制注水壓力、注聚壓力和后續注水壓力與PV 數之間的關系曲線。

圖1 聚合物溶液滲流特性實驗流程示意圖Fig.1 The schematic diagram of the seepage characteristics experiment process of polymer solution

1.3.3 微孔濾膜過濾實驗 ①將配制好的聚合物目標濃度溶液裝入中間容器，同時，用去離子水將核微孔濾膜潤濕，小心平鋪于濾膜夾持器的支撐面上，要求沒有卷曲折疊等情況，使用的濾膜孔徑為3 μm;②將中間容器和濾膜夾持器放置于45 ℃恒溫箱內(圖2);在整個回路都密封性能良好的情況下，打開穩壓裝置上的減壓閥門，待壓力傳感器的數值達到0.01 MPa 時，打開出液端閥門，使聚合物開始流入集液器中;③通過計算機自動記錄不同時間過濾液流出質量，最終進行數據處理與分析。

圖2 聚合物溶液濾過實驗流程示意圖Fig.2 The schematic diagram of the filtration experiment process of polymer solution

2 結果與討論

2.1 不同疏水單體含量的疏水締合聚合物剪切粘度

最終選取的在45 ℃下不同疏水單體含量疏水締合聚合物DP 系列相近剪切粘度體系見圖3。

圖3 DP 系列剪切粘度變化曲線Fig.3 The curves of viscosity of the DPs with shear rate

篩選此體系時，濃度點應選取臨界締合濃度值之上，由于在臨界締合濃度值之下分子內締合作用較弱，不能體現出疏水締合聚合物的良好性能，同時考慮到后續滲流特性實驗的注入性能和驅油實驗差異明顯性等因素，最終選取相近剪切粘度體系其表觀粘度在45 ℃、剪切速率為7.34 s－1條件下為80 mPa·s 左右，DP-0、DP-1 和DP-2 在此篩選體系下的濃度分別為2 500，2 350，2 600 mg/L。

2.2 DP 系列同粘度體系不同滲透率條件下的滲流特性

2.2.1 滲透率6.1 μm2條件下的滲流特性 測定結果見圖4 及表2。

圖4 滲透率6.1 μm2 條件下DP 系列在模型中的壓力與PV 數關系曲線Fig.4 The curves of the number of PV versus pressure for the DPs in 6.1 μm2

表2 滲透率6.1 μm2 條件下DP 系列滲流特性實驗結果Table 2 The results of seepage characteristics of the DPs in 6.1 μm2

由圖4 和表2 可知，對于平板夾砂滲流物理模型而言，當滲透率達到6.1 μm2時，不同疏水單體含量疏水締合聚合物同剪切粘度體系DP-1、DP-2 和DP-0 的注入壓力比較容易達到平衡，阻力系數RF和殘余阻力系數RRF 的變化曲線也基本一致。但疏水締合聚合物相比聚丙烯酰胺有著更高的阻力系數和殘余阻力系數，并且隨著疏水基含量的增加，聚合物溶液在多孔介質中滲流時，壓力達到穩定時所需注聚PV 數也相應增加，其PV 數分別為4，4.9，7.8PV;由于疏水基含量的增加，石英砂對聚合物溶液吸附能力有所增加，導致注聚PV 數也相應增加。由模型1 可知，隨著疏水基含量的增加，阻力系數隨之增加，其值分別為7.25、8.5、14.48，因為疏水基含量增加，聚合物形成的流體力學半徑就越大，在模型中產生的空間阻力越大，導致產生的阻力系數也相應增加［7-8］。

從粘度保留率可知，在滲透率達到6.1 μm2時，由于注入性良好，DP 系列粘度保留率均在90%以上，并且隨著疏水單體含量的增加，聚合物溶液的粘度保留率有所下降，因為疏水基含量的增加，石英砂對聚合物溶液吸附能力有所增加;另外，聚合物在石英砂中存在剪切作用，對聚合物粘度有著剪切稀釋的作用，然而聚集體尺寸越大受到的剪切作用越大，導致最后的粘度保留率有所下降。

2.2.2 滲透率3.1 μm2條件下滲流特性 測定結果見圖5 和表3。

由圖5 和表3 可知，DP-0 在模型中壓力變化趨勢與滲透率6.1 μm2相似;DP-1 和DP-2 的各模型間的壓力值均先隨注入量增大而快速增大，而后緩慢增加，疏水單體含量越大，達到平衡的所需PV 數也越大，特別是緩慢增加段的PV 數越大。其中，疏水單體含量最小的DP-1 注入約6PV 后壓力值基本達到穩定，且3 個模型的阻力系數也基本接近;疏水單體含量較高的DP-2 壓力值穩定時，注入量分別約為8.6PV，然而模型3 的阻力系數大于模型1 和2的阻力系數，根據已有文獻報道，疏水締合聚合物在多孔介質中存在剪切拉伸，導致粘度增加，從而使通過各模型間聚合物粘度不一致，因此造成阻力系數之間的差異;另一可能原因是，疏水締合聚合物在多孔介質中流動時，聚集體尺寸發生變化，導致阻力系數出現差異性。

圖5 滲透率3.1 μm2 條件下DP 系列在模型中的壓力與PV 數關系曲線Fig.5 The curves of the number of PV versus pressure for the DPs in 3.1 μm2

表3 滲透率3.1 μm2 條件下DP 系列滲流特性實驗結果Table 3 The results of seepage characteristics of the DPs in 3.1 μm2

2.2.3 滲透率1.1 μm2條件下滲流特性 測定結果見圖6 和表4。

圖6 透率1.1 μm2 條件下DP 系列在模型中的壓力與PV 數關系曲線Fig.6 The curves of the number of PV versus pressure for the DPs in 1.1 μm2

由圖6 可知，在此滲透率下，DP-0 在3 個模型中的RF 和RRF 隨注入量的變化基本一致，注入量約為5PV 后，壓力值達到穩定;DP-1 和DP-2 在各模型間的壓力值均先隨注入量增大而快速增大，而后緩慢增加，疏水單體含量越大，達到平衡的所需PV數也越大，特別是緩慢增加段的PV 數越大。其中，疏水單體含量最小的DP-1 注入約6.2PV 后，壓力值基本達到穩定;疏水單體含量較高的DP-2，壓力穩定的注入量分別約9.3PV。

由表4 可知，DP-1 和DP-2 在模型3 中的阻力系數均大于模型1 和2 的阻力系數，不過相比滲透率3.1 μm2條件下，3 個模型的阻力系數差異幅度有所增加，DP-2 尤為明顯，進而可以說明在更低滲透率下串聯平板可視模型中疏水締合聚合物存在的阻力系數的差異性越明顯，因為可能滲透率降低到此程度時，疏水締合聚合物，尤其是疏水單體含量較高疏水締合聚合物的流體力學半徑比該滲透率下的孔徑較大或者相當，導致聚合物在石英砂中受到剪切稀釋更加明顯，因此聚合物溶液注入性能開始變差，從而導致流出液粘度下降［9］。

表4 滲透率1.1 μm2 條件下DP 系列滲流特性實驗結果Table 4 The results of seepage characteristics of the DPs in 1.1 μm2

2.3 相近剪切粘度體系DP 系列聚集體尺寸微孔濾膜法

測定結果見圖7 和表5。

由圖7 和表5 可知，在相同壓差相同濾膜孔徑的情況下，隨著疏水單體含量的增加，DP 系列同剪切粘度體系聚合物溶液在相同時間內，其流量由13.94 g/min 逐次減少到2.51 g/min，表明聚合物溶液的聚集體尺寸隨疏水單體含量的增加而增大，同時解釋了為什么在相同滲透率及相同滲流流速的條件下，隨著疏水單體含量的增加，聚合物溶液在多孔介質滲流時產生的阻力系數也越高的這一現象［10］。

圖7 DP 系列聚合物過濾質量隨時間變化曲線Fig.7 The curves of filtration quality of the DPs with flow time

表5 DP 系列聚合物核微孔濾膜過濾實驗結果Table 5 The results of nuclear microporous membrane filtration experiment for the DPs

3 結論

采用平板夾砂滲流模型及微孔濾膜裝置研究了不同疏水單體含量的疏水締合聚合物在平板模型中的滲流特性，結果表明:①隨著疏水單體基含量的增加，三種疏水締合聚合物在串聯平板夾砂模型中產生的阻力系數及殘余阻力系數都也相應增加，其阻力系數大小順序為RFDP-0＜RFDP-1＜RFDP-2;其殘余阻力系數大小趨勢與阻力系數相一致;其注入聚合物達到穩定時所需時間也與阻力系數變化趨勢相一致;②通過微孔濾膜過濾法定性可以判定:隨著疏水單體含量的增加，3 種疏水締合聚合物的流體力學半徑也相應隨著增大，其大小順序為RDP-0＜RDP-1＜RDP-2;③在同粘度下的三種不同疏水單體含量的疏水締合聚合物在三個串聯平板夾砂滲流模型中造成三個平板間的阻力系數和殘余阻力系數之間的差異是因為聚集體尺寸大小不同。

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