溫敏型聚合物驅油性能研究

徐輝，祝仰文，宋敏，龐雪君，孫秀芝

（1.中國石化勝利油田分公司勘探開發研究院，山東東營257015；2.中國石化勝利油田分公司油氣開發管理中心，山東東營257000）

勝利油田適合化學驅油藏資源豐富，一類油藏和二類油藏溫度≤80 ℃，礦化度≤30 000 mg/L，鈣鎂離子含量≤400 mg/L，常規分子量在2 000×104左右的部分水解聚丙烯酰胺驅油效果顯著。三類油藏儲量達到6.1×108t，但由于溫度和礦化度都較高（溫度＞80 ℃，礦化度＞30 000 mg/L，鈣鎂離子含量＞400 mg/L），常規聚合物在三類油藏條件下增黏性大幅降低[1]，驅油效果變差。因此，研發新型耐溫抗鹽聚合物成為解決勝利油田高溫高鹽三類油藏化學驅提高采收率的關鍵。

為了提高聚合物在高溫高鹽油藏條件下的增黏性能和驅油性能，同時考慮聚合物在現場應用的成本，目前最常用的方法就是在合成過程中引入少量的締合類和AMPS抗鹽類單體[2-8]，引入締合類單體合成的締合聚合物雖然黏度大幅增加，但在地層吸附量比常規聚合物明顯增多，注入性存在一定問題；引入AMPS單體合成的多元共聚物，耐鹽和抗鈣鎂離子能力大幅提高，但只有在引入較多AMPS條件下才能實現高增黏特性，因此，經濟性稍差。溫敏聚合物是通過接枝或共聚反應向水溶性聚合物主鏈上引入具有臨界溶解溫度側鏈而制備的一種水溶性聚合物，自從法國巴黎第六大學HOURDERT 首次提出并合成出溫敏型共聚物以來，這類聚合物已經大量應用在化學、生物、紡織等各個領域，且在油田鉆井、水處理行業也開展了相關研究，謝璐瑤利用聚醚與丙烯酰胺、丙烯酸接枝共聚得到系列熱增黏共聚物，結果表明，聚合物濃度越高，相對分子質量越高，熱增黏性能越好，熱締合溫度也越低[9]。馬超研究了溫敏型聚合物在稠油污水中的絮凝作用，結果表明，溫敏型聚合物對稠油污水的乳化油和固相懸浮物的去除率較陽離子聚合物高[10]。郭錦棠研究了溫敏增稠固井水泥外加劑的合成與性能，結果表明，溫敏增稠聚合物能明顯改善水泥漿在高溫高壓條件下的穩定性[11]。目前對溫敏型聚合物的研究在三次采油中也有相關研究[12]，但對黏彈性聚合物的黏彈性、注入性和驅油效果研究較少。為此，選擇了常規AM-NaAA聚合物和溫敏型AM-NaAA-RTM 三元共聚物，對比了這兩種聚合物的基本物化性能、增黏性、耐溫性，重點研究了溫敏型三元共聚物溶液的黏彈性和驅油性能。通過研究，能夠為高溫高鹽三類油藏聚合物的研發和應用提供借鑒。

1 實驗器材與方法

1.1 實驗器材

實驗試劑：常規驅油用聚合物AM-NaAA（北京恒聚公司生產，分子量2 500×104左右）；溫敏型三元共聚物AM-NaAA-RTM（法國愛森公司生產，分子量1 600×104左右）。

實驗用水：總礦化度為32 868 mg/L（Ca2+與Mg2+之和為874 mg/L）屬于勝利油區三類油藏模擬水。

實驗儀器：磁力攪拌器及轉子、烏氏黏度計、水解度測定儀、安東帕MCR301 流變儀、室內物理模擬試驗評價裝置。

1.2 實驗方法

聚合物溶液配制：取一定質量的聚合物干粉，用勝利油田三類模擬水配制濃度為5 000 mg/L的母液，熟化1 d后，稀釋成不同濃度的目標溶液。

聚合物基本物化性能評價：取兩種干粉，分別測試干粉的溶解時間，水解度，特性黏數，并測試聚合物濃度在1 500 mg/L時的表觀黏度。

聚合物溶液增黏性、耐溫性及黏彈性評價：用勝利油田三類模擬水配制成不同質量濃度的聚合物溶液，在實驗溫度為85 ℃的條件下，測試溶液的增黏性和黏彈性，同時在溫度為25～85 ℃下測試聚合物的耐溫性能。

聚合物溶液在巖心中運移性能：選取滲透率為1 500×10-3μm2人造膠結巖心，首先利用模擬水飽和巖心，接著進行水驅，待水驅壓力平衡后，注入聚合物溶液，注聚壓力平衡后，再進行后續水驅，后續水驅壓力平衡后，結束實驗。

聚合物溶液驅油效果評價：首先利用模擬水飽和巖心，然后水驅至含水率為95%，接著注入勝利油田三類油藏模擬水配制的兩種聚合物溶液，最后進行后續水驅至含水率為100%。實驗溫度為85 ℃；注入水礦化度為32 868 mg/L；巖心模型為人造膠結巖心，長度為30 cm，直徑為2.5 cm，滲透率為1 500×10-3μm2；注入段塞孔隙體積倍數為0.3；注入速度為0.25 mL/min；注入聚合物溶液質量分數為0.15%。

2 實驗結果與分析

2.1 基本物化性能

分別對常規AM-NaAA二元共聚物，AM-NaAARTM溫敏型三元共聚物溶解時間、特性黏數、水解度和表觀黏度等基本物化性能進行評價和測試，測試結果見表1。

由表1 可知，常規AM-NaAA 聚合物和AMNaAA-RTM溫敏聚合物水解度基本相當，且2個聚合物都能在2 h內完全溶解，但AM-NaAA-RTM聚合物由于引入了溫敏型單體形成了三元共聚物，三個共聚物單體間競聚率差異較大，因此，特性黏數低于常規AM-NaAA，但由于溫敏單體的存在導致AM-NaAARTM在高溫條件下增黏性更好，相對于常規聚合物，85 ℃條件下溫敏型聚合物表觀黏度增加1倍以上。

表1 兩種聚合物干粉基本物化性能對比Table 1 Comparison of basic physical and chemical properties of two kinds of polymer dry powder

2.2 增黏性

取勝利三類模擬水配制濃度為5 000 mg/L 的母液，熟化1 d 后，稀釋成濃度為1 000～2 500 mg/L 的目標液，評價2個聚合物在勝利油田三類模擬水配制條件，及85 ℃下溶液的黏濃曲線。

由圖1 得出，兩種聚合物隨著濃度的增加，黏度呈上升趨勢，通過擬合黏濃曲線表明，濃度C和黏度η都呈冪函數關系，冪函數方程為η=KCn，從冪函數方程系數K和冪率指數n的對比可知，2 個聚合物n值相差不大，表明2 個聚合物隨著濃度的增加，增黏趨勢基本相同，但AM-NaAA-RTM 聚合物K值相對于常規聚合物提升2 倍以上，表明不同濃度條件下，AM-NaAA-RTM溫敏聚合物在水溶液中增黏能力都有大幅提升，有利于擴大聚合物在地層中的波及。

2.3 耐溫性

取勝利三類模擬水配制濃度為5 000 mg/L 的母液，熟化1 d 后，稀釋成濃度為1 500 mg/L 的目標液，評價2個聚合物的黏度隨溫度的變化。

由圖2可知，常規AM-NaAA 聚合物由于不含有溫敏型功能單體，隨著溫度的增加，聚合物分子運動變快，分子鏈慢慢解纏繞，黏度逐漸降低，從25 ℃升溫至85 ℃，黏度降低超過65%，耐溫性較差。而溫敏聚合物AM-NaAA-RTM 引入了RTM 溫敏型功能單體，其分子量比常規AM-NaAA聚合物低，因此，在低溫條件下，AM-NaAA-RTM 黏度低于常規AMNaAA聚合物。當溫度慢慢升高至60 ℃左右時，溫敏單體和水產生的氫鍵作用減弱，側鏈疏水性增強，親水和疏水保持平衡，分子在水溶液中保持兩性狀態，黏度整體保持穩定；當溫度高于60 ℃時，溫敏單體的疏水側鏈發生分子間締合作用，疏水性強于親水性，疏水側鏈拉著聚合物分子間形成物理交聯網絡結構，水動力學體積增大，聚合物表現出溫增黏的特性；在70 ℃以上時，AM-NaAA-RTM 聚合物黏度高于常規AM-NaAA 聚合物，且隨著溫度的增加，溫敏型聚合物黏度增加趨勢更明顯；至85 ℃時，黏度相對于常規聚合物提高1 倍以上，具有明顯的耐高溫性能。

圖1 兩種聚合物溶液增黏性對比Fig.1 Comparison of viscosity-increasing property of two polymer solutions

圖2 兩種聚合物溶液耐溫性對比Fig.2 Comparison of temperature resistance property of two polymer solutions

2.4 黏彈性

聚合物的黏彈性主要研究聚合物的威森伯格數，威森伯格（Weissenberg）數定義為第一法向應力差與切應力的比值，即

其中，第一法向應力差N1為彈性量，切應力τ為黏性量，因此，威森伯格數We反映溶液彈性的相對大小。當We很大時，流動特征主要由第一法向應力差決定，即彈性起主要作用；當We很小時，流動特征主要由黏性力決定。這樣通過We可得到黏彈性流體在流動過程中彈性和黏性所起的作用，因此，它能夠更好地反映聚合物溶液的黏彈性能。

取勝利三類模擬水配制濃度為5 000 mg/L 的母液，熟化1 d 后，稀釋成濃度為1 500 mg/L 的目標液，利用流變儀測試得到2 個聚合物的第一法向應力差N1和切向力τ，通過式（1）得到聚合物溶液的威森伯格數。

由圖3 可知，高溫條件下，由于AM-NaAA-RTM溫敏聚合物疏水的側鏈發生分子間締合作用，聚合物分子間形成物理交聯，因此，分子間相互作用更強，威森伯格數更大，彈性更好。而常規AM-NaAA聚合物由于高溫條件下分子間解纏繞作用增加，導致聚合物分子間相互作用降低，威森伯格數降低，彈性變小，因此，AM-NaAA-RTM 聚合物彈性好于常規AM-NaAA聚合物，由于彈性對于提高聚合物在地層中驅油效率具有重要的作用，因此，溫敏型聚合物在高溫條件下具有更高的驅油效率[13-17]。

圖3 兩種聚合物溶液威森伯格數對比Fig.3 Comparison of We of two polymer solutions

2.5 巖心運移性能

取勝利三類模擬水配制濃度為5 000 mg/L 的母液，熟化1 d 后，稀釋成濃度為1 500 mg/L 的目標液，利用人造膠結巖心，研究2個聚合物在巖心中滲流運移性能。

由圖4 可知，AM-NaAA-RTM 溫敏聚合物雖然引入了RTM溫敏單體，但在注入聚合物2PV之后，注入壓力就逐漸達到平衡，在巖心中具有良好的滲流運移特性，且平衡壓力高于常規AM-NaAA 聚合物，在巖心中擴大波及的能力更強，因此，溫敏單體的引入并未影響溫敏型聚合物的注入性能，且具有更好地擴大波及的能力。

圖4 兩種聚合物巖心中滲流運移性能對比Fig.4 Comparison of percolation and migration performance of two polymers in core

2.6 驅油效果

取勝利三類模擬水配制濃度為5 000 mg/L 的母液，熟化1 d 后，稀釋成濃度為1 500 mg/L 的目標液，研究2個聚合物在巖心中實際驅油性能。

由圖5 和圖6 可知，水驅平衡之后注入AMNaAA-RTM 溫敏聚合物，由于高溫條件下AMNaAA-RTM 黏度和彈性更高。因此，相對于常規AM-NaAA聚合物注入壓力更高，注聚后含水漏斗下降的更深，最終采收率更高，具有更好地提高采收率能力（表2）。

圖5 AM-NaAA-RTM溫敏聚合物驅油曲線Fig.5 Flooding curve of temperature sensitive polymer AMNaAA-RTM

圖6 AM-NaAA聚合物驅油曲線Fig.6 Flooding curve of AM-NaAA polymer

表2 AM-NaAA-RTM和AM-NaAA聚合物驅油效果對比Table 2 Comparison of flooding effect of AM-NaAARTM and AM-NaAA

3 結論及認識

對AM-NaAA-RTM溫敏型三元共聚物的基本物化性能、增黏性、耐溫性、黏彈性、巖心運移性能和驅油效果進行研究分析，結果表明：

1）溫敏型多元共聚物由于引入了溫敏型單體，其分子量比常規AM-NaAA 聚合物低，低溫條件下，黏度低于常規AM-NaAA聚合物，但由于在高溫條件下溫敏單體發生分子間相互作用，因此，高溫條件下黏度和彈性更高，擴大波及的能力更強。

2）溫敏型聚合物在巖心中具有良好的滲流運移能力，驅油效果相對于AM-NaAA聚合物更高，是一種非常有前景且適用于高溫高鹽油藏的新型驅油劑。