聚丙烯酰胺相對分子質量對凍膠穩定性的影響研究

唐延彥

中國石化勝利油田分公司石油工程技術研究院，山東東營 257000

堵水調剖技術是油田開發過程中一項重要的工藝技術[1]，可有效控制地層水及注入水對油井的影響，降低油井含水，提高油層的動用程度，增加油田的可采儲量，最終達到提高采收率的目的。目前的水驅油藏堵調技術以凍膠類堵劑為主，單井增油相對較高，有效期200 d左右。

聚丙烯酰胺作為調剖劑被認為是油田上應用最經典、最常用的技術方法[2]。比較有代表性的是HPAM/Cr3+(無機絡離子)，所用交聯劑是六價鉻經氧化還原反應得到的三價無機鉻離子，在體系中添加不同的熱穩定劑及其他添加劑又可得到中溫、高溫鉻凍膠及混合型凍膠等多種產品[3]。目前主導使用體系為聚合物凍膠體系，采用的是驅油用的聚合物，存在初始黏度高、不易注入、交聯后不穩定、封堵有效期短、效果變差等問題。

1 驅油用聚丙烯酰胺交聯的弱點

1.1 驅油用聚合物的接枝影響交聯效果

隨著油田的不斷開發，化學驅油藏溫度、礦化度逐漸升高，驅油用聚合物由直鏈高分子逐漸轉變為接枝共聚增加聚合物的黏度[4]。接枝共聚聚合物由于支鏈的增加，容易影響交聯效果。同時由于接枝聚合物水動力學尺寸增加，對于滲透率偏低的儲層注入不適應。

1.2 驅油用聚合物相對分子質量高過炮眼剪切嚴重

油層地下聚合物流動是一個非均勻流場[5]，近井地帶和遠井流動區域的流動狀態差別比較大，比如，地層滲透率為1 D時，在近井地帶剪切速率為28 000 s-1，而在距離井筒1 m處，剪切速率為140 s-1左右，表1是距離井筒不同半徑處聚合物在多孔介質中流動的剪切速率與炮眼處的流動剪切速率對比。

表1 地層滲透率為1 D時炮眼及距井不同半徑(r)處聚合物的剪切速率

由表1看出，炮眼處剪切速率為28 000 s-1，相對分子質量越高的聚合物剪切越嚴重，交聯受到的影響也越大。

2 聚丙烯酰胺相對分子質量對凍膠穩定性的影響

合成不同相對分子質量、水解度的聚丙烯酰胺，采用孤東東三聯注入水配制不同濃度的聚丙烯酰胺溶液，與酚醛交聯劑交聯，測試成膠前后黏度變化、成膠強度、分水率、抗剪切性及封堵性能。

2.1 相對分子質量對聚丙烯酰胺黏度的影響

用孤東東三聯注入水配制不同濃度的聚丙烯酰胺溶液，用布什黏度計測試不同濃度時不同相對分子質量聚丙烯酰胺溶液的黏度，結果見圖1。

圖1 相對分子質量不同的聚丙烯酰胺黏度曲線

由圖1可以看出，隨著聚合物相對分子質量的增大，聚丙烯酰胺溶液的黏度逐漸增大。而且，隨著溶液濃度的增大，聚丙烯酰胺溶液的黏度也隨之增大。

2.2 相對分子質量對聚丙烯酰胺凍膠強度的影響

用孤東東三聯注入水配制不同濃度的聚丙烯酰胺溶液，采用酚醛交聯劑，按照聚合物與交聯劑濃度比為10∶9的比例加入，攪拌均勻后放入70 ℃烘箱中，放置15 d后，用流變儀測試70 ℃，0.1 Pa、0.2 Hz條件下，相對分子質量不同的聚丙烯酰胺凍膠體系的復合黏度見圖2。

圖2 相對分子質量不同的聚丙烯酰胺與酚醛交聯后黏度

由圖2可以看出，相對分子質量較低時，交聯黏度隨著聚丙烯酰胺相對分子質量的增大而逐漸增大，但相對分子質量達到2 000萬之后，交聯黏度下降，這是因為分子鏈中支鏈的影響導致交聯效果變差，黏度降低。

2.3 相對分子質量對聚丙烯酰胺凍膠熱穩定性的影響

用孤東東三聯注入水配制3 000 mg/L的聚丙烯酰胺溶液，采用酚醛交聯劑，按照聚合物與交聯劑濃度比為10∶9的比例加入，攪拌均勻。將配好的溶液加入一系列50 mL的安瓿瓶中，瓶中加入40 mL左右，放置于70 ℃烘箱中，每隔20 d取一只安瓿瓶測量樣品，用流變儀測試70 ℃時，0.1 Pa、0.2 Hz條件下的復合黏度，并繪制曲線，黏度下降至80%所對應的時間為交聯熱穩定時間。

表2 不同相對分子質量聚丙烯酰胺凍膠體系的交聯熱穩定時間

聚丙烯酰胺凍膠體系的交聯熱穩定性較好，可以達到200 d以上，相對分子質量在1 000萬～1 500萬左右時，熱穩定性好。

2.4 相對分子質量對聚丙烯酰胺凍膠抗剪切性的影響

同樣方法配制聚丙烯酰胺凍膠溶液，放置于70 ℃烘箱中5 d，后注入單管填砂管巖心中進行多輪次剪切，測試剪切后凍膠體系的黏度。將聚合物凍膠溶液解注入巖心管進行四輪剪切，對比相對分子質量的聚丙烯酰胺凍膠的黏度保留率，結果見圖3。

圖3 不同相對分子質量聚丙烯酰胺凍膠體系的剪切黏度保留率

將不同相對分子質量的聚丙烯酰胺剪切前后與酚醛交聯劑交聯，剪切后, 將產出的聚合物凍膠溶液放入70 ℃烘箱中15 d，用流變儀測試剪切后凍膠體系的黏度見表3。

表3 不同相對分子質量聚丙烯酰胺剪切前后與酚醛交聯形成的凍膠體系黏度

由表3可以看出，相對分子質量過低或過高時，聚合物抗剪切性能均較差，剪切后的成膠強度均較低。

2.5 相對分子質量對聚丙烯酰胺凍膠封堵性能的影響

相對分子質量為500萬的聚丙烯酰胺與酚醛樹脂交聯后，強度相對較低，有效期略短，因此物模實驗時選用的相對分子質量為1 000萬，1 500萬，2 000萬的聚丙烯酰胺。巖心尺寸φ(2.5 cm×40 cm)，巖心的滲透率約1.5 μm2，巖心封堵實驗結果見表4。

表4 巖心封堵實驗結果

從表4可以看出，成膠前調剖劑溶液在巖心中的流動性較好，注入性好，注入到巖心中后，阻力系數、殘余阻力系數高，說明體系封堵效果較好，其中聚丙烯酰胺相對分子質量為1 000萬、1 500萬時，凍膠體系封堵率相對較高。

3 結論

1)現場用聚合物凍膠體系采用的是驅油用的聚合物，存在初始黏度高、不易注入、耐溫抗鹽性差等問題，交聯后不穩定，耐溫性差。

2)室內試驗研究表明，聚合物相對分子質量為800萬～1 500萬，聚合物初始黏度低，成膠后強度高，熱穩定性好，抗剪切能力高，封堵效果好。