羅 鋒

(大慶油田有限責(zé)任公司勘探開發(fā)研究院,黑龍江大慶 163712)

中低分“抗鹽”聚合物性能及驅(qū)油效果

羅 鋒

(大慶油田有限責(zé)任公司勘探開發(fā)研究院,黑龍江大慶 163712)

針對大慶油田礦場需求,采用掃描電鏡(SEM)、黏度測試和人造巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)等方法,分析P1,P2,P3,P4等4種新型中低分“抗鹽”聚合物性能.結(jié)果表明:中低分“抗鹽”聚合物(HPAM)分子在水溶液中形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),且有一定的分形生長自相似性.P1聚合物分子聚集成大范圍的片狀結(jié)構(gòu),骨架存在很小的細(xì)分支;P2和P3含有少量剛性基團(tuán),網(wǎng)絡(luò)骨架存在少量的片狀結(jié)構(gòu);P4聚合物分子結(jié)構(gòu)形態(tài)比較均勻,分形生長的自相似性最強(qiáng),沒有片狀骨架.隨濃度的增加,相對于中分聚合物溶液,4種中低分“抗鹽”聚合物溶液黏度增幅較大.聚合物溶液阻力因數(shù)、殘余阻力因數(shù)和聚驅(qū)采收率受黏度和相對分子質(zhì)量的影響,但相關(guān)性不強(qiáng),這與中低分“抗鹽”聚合物分子構(gòu)型有關(guān).水驅(qū)后直接采用中低分“抗鹽”聚合物驅(qū)油時(shí),可提高中分聚合物溶液采收率2.9%～4.4%.

中低分“抗鹽”聚合物;分子結(jié)構(gòu)形態(tài);增黏性能;流動特性;驅(qū)油效果

截至2009年,大慶油田聚合物驅(qū)年產(chǎn)油量連續(xù)8a超過1000×104t,聚合物驅(qū)采收率增幅接近10%,聚驅(qū)后仍有近50%原油殘留在地下[1-4],迫切需要采用新技術(shù)進(jìn)一步提高采收率.此外,隨著大慶油田開發(fā)向儲量豐富而地質(zhì)條件較差的油層轉(zhuǎn)移[5-8],這些礦場需求對聚合物溶液性能提出新的、更高的要求.

人們已開發(fā)出諸如締合聚合物、功能聚合物和活性聚合物等新型抗鹽聚合物[9-11],但有關(guān)中低分“抗鹽”聚合物性能評價(jià)方面,特別是分子結(jié)構(gòu)形態(tài)的文獻(xiàn)報(bào)道少見.針對大慶油田開發(fā)需求,筆者分析4種新型中低分“抗鹽”聚合物的分子構(gòu)型、增黏性、流動特性和驅(qū)油效果,為礦場應(yīng)用提供理論依據(jù),對大慶油田原油4000萬t持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)研究具有參考意義.

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

1.1.1 聚合物

聚合物為部分水解聚丙烯酰胺干粉(HPAM),包括:(1)上海海博公司生產(chǎn)的2種“抗鹽”聚合物,分別為SH500×104聚合物(P1)和SH1500×104聚合物(P3);(2)大慶再創(chuàng)公司生產(chǎn)的ZC700×104“抗鹽”聚合物(P2);(3)北京恒聚公司生產(chǎn)的HJ2200×104“抗鹽”聚合物(P4);(4)大慶煉化公司生產(chǎn)的1500× 104“中分”聚合物(P5).5種聚合物干粉理化性能檢測結(jié)果見表1.

表1 5種聚合物干粉理化性能指標(biāo)

1.1.2 油和水

實(shí)驗(yàn)用油為模擬油,由大慶第一采油廠脫氣脫水原油與航空煤油混合而成,45℃條件下黏度為9～10 mPa·s.

實(shí)驗(yàn)用水為大慶第一采油廠注入污水,礦化度為4013mg/L.

1.1.3 物理模型

實(shí)驗(yàn)巖心為人造巖心[12],包括:(1)流動實(shí)驗(yàn)用均質(zhì)人造物理模型,幾何尺寸:4. 5cm×4.5cm×60.0cm,氣測滲透率為830×10-3μm2,模型入口設(shè)有1個(gè)測壓點(diǎn),模型中間均勻設(shè)置2個(gè)測壓孔,與2個(gè)端面一起構(gòu)成3個(gè)測壓區(qū)間,每個(gè)區(qū)間的長度為20cm(見圖1).實(shí)驗(yàn)過程中,從模型一端注入驅(qū)油劑,定時(shí)測量驅(qū)替過程中各測壓點(diǎn)壓力,以評價(jià)聚合物溶液在多孔介質(zhì)內(nèi)的流動特性及傳輸運(yùn)移能力;(2)驅(qū)油實(shí)驗(yàn)用人造二維縱向非均質(zhì)正韻律巖心,幾何尺寸:4.5cm×4.5cm×30.0cm,分為上、中、下3層,每層厚度為1.5cm,其滲透率分別為175×10-3,700×10-3,2500×10-3μm2,滲透率變異因數(shù)為0.72,平均氣測滲透率為1000×10-3μm2.

1.2 設(shè)備

1.2.1 聚合物分子構(gòu)型

采用Hitachi(日立)S-3400N掃描電鏡觀測聚合物分子結(jié)構(gòu)形態(tài),為保持與原水化狀態(tài)一致,采用-70℃條件下冷凍升華方法制樣,樣品噴金;然后用掃描電鏡觀察,選擇典型合適區(qū)域進(jìn)行拍照.

1.2.2 驅(qū)替

流動和驅(qū)油實(shí)驗(yàn)采用無錫石油儀器廠生產(chǎn)巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)裝置測試.裝置主要包括平流泵、壓力傳感器、巖心夾持器、手搖泵和中間容器等.除平流泵和手搖泵外,其他部分置于45℃恒溫箱.

流動實(shí)驗(yàn)主要測試驅(qū)油劑的阻力因數(shù)和殘余阻力因數(shù).阻力因數(shù)和殘余阻力因數(shù)是描述驅(qū)油劑提高波及效率能力的重要指標(biāo),是評價(jià)驅(qū)油劑流度降低和對后續(xù)水驅(qū)改向能力的重要指標(biāo),是大于1的無因次數(shù)[13].注入過程要求注液速度保持相同,液體注入量應(yīng)為3～5倍巖心孔隙體積(PV)以上.實(shí)驗(yàn)過程注入速度為0.6mL/min,壓力記錄間隔為30min.

驅(qū)油實(shí)驗(yàn)步驟:

(1)在室溫下,模型抽真空,飽和地層水,獲取模型孔隙體積;

(2)在45℃條件下,模型飽和模擬油,計(jì)算含油飽和度;

(3)在45℃條件下,水驅(qū)到含水率98%,獲得水驅(qū)采收率;

(4)在45℃條件下,注入聚合物溶液,后續(xù)水驅(qū)到含水率98%,計(jì)算采收率;

(5)在45℃條件下,后續(xù)水驅(qū)到含水率98%,計(jì)算采收率.

1.2.3 黏度測試

采用美國LVDV-Ⅱ+PRO布氏黏度計(jì)“0”號轉(zhuǎn)子(剪切速率7.35s-1)測試.

1.3 溫度

實(shí)驗(yàn)在45℃條件下進(jìn)行.

圖1 流動性實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臏y壓點(diǎn)分布

2 結(jié)果與分析

2.1 分子形態(tài)結(jié)構(gòu)

采用注入污水配制編碼為P1、P2、P3和P4的聚合物溶液進(jìn)行掃描電鏡(SEM)實(shí)驗(yàn),質(zhì)量濃度為200 mg/L,結(jié)果見圖2.由圖2可知,4種中低分“抗鹽”聚合物分子形態(tài)結(jié)構(gòu)存在差異,在水溶液中形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),且有一定的分形生長自相似性.這主要是由于聚丙烯酰胺部分水解后,大分子鏈上存在羧基負(fù)離子,鄰近羧基之間存在靜電相互排斥作用,使得聚合物分子鏈?zhǔn)嬲钩潭仍鰪?qiáng),每一個(gè)分子鏈都取無規(guī)線團(tuán)構(gòu)象,不同聚合物分子鏈間又可相互貫穿,甚至纏繞,導(dǎo)致溶液中形成密度很大的具有不同尺寸孔洞的多層立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),且存在粗的主干和細(xì)的分支.這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)既有支撐作用,又可吸附和包裹大量水分子產(chǎn)生形變阻力,顯示部分水解聚丙烯酰胺溶液良好的增黏能力.在其他條件相同的情況下,對于這4種“抗鹽”聚合物,相對分子質(zhì)量越大,聚合物分子鏈越長,分子間作用力越大,分子空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)越緊密,但分子結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)越細(xì).其中P1聚合物分子聚集成大范圍的片狀結(jié)構(gòu),骨架存在很小的細(xì)分支;P2和P3含有少量剛性基團(tuán),網(wǎng)絡(luò)骨架存在少量的片狀結(jié)構(gòu);P4聚合物分子結(jié)構(gòu)形態(tài)比較均勻,分形生長的自相似性最強(qiáng),沒有片狀骨架.

圖2 聚合物分子結(jié)構(gòu)形態(tài)(放大200倍)

2.2 增黏特性

采用注入污水配制聚合物溶液進(jìn)行增黏特性測試,結(jié)果見表2.由表2可知,“抗鹽”聚合物相對分子質(zhì)量對聚合物溶液黏濃關(guān)系存在影響.在相同質(zhì)量濃度條件下,P1聚合物(SH500×104)黏度最大, P5(中分聚合物)的最小.在測試質(zhì)量濃度范圍內(nèi),當(dāng)聚合物質(zhì)量濃度小于1g/L時(shí),P3的黏度大于P2的;當(dāng)質(zhì)量濃度大于1g/L時(shí),P3的黏度小于P2的.此外,與中分聚合物溶液相比,隨質(zhì)量濃度的增加,4種“抗鹽”聚合物溶液黏度增幅較大,其中P1聚合物增幅最大,P4的相對最小.這主要與4種“抗鹽”聚合物的分子結(jié)構(gòu)形態(tài)有關(guān),如P1聚合物分子聚集成大范圍的片狀結(jié)構(gòu),具有很強(qiáng)的包裹和吸附水分子的能力,使得其溶液具有很好的增黏性能,但這種結(jié)構(gòu)的抗剪切性和耐溫性不好.此外,對于中分聚合物溶液,分子間相互作用以物理纏繞為主.對于中低分“抗鹽”聚合物,分子間相互作用除了有物理纏繞外,還有范氏力、氫鍵和分子間締合作用力等,使其黏度高于中分聚合物溶液.

表2 不同質(zhì)量濃度時(shí)聚合物的黏度mPa·s

2.3 流動實(shí)驗(yàn)

采用注入污水配制4種“抗鹽”聚合物溶液,質(zhì)量濃度為1g/L.注入巖心前,對所有聚合物溶液預(yù)剪切40s.5種聚合物流動實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3,相應(yīng)動態(tài)特征曲線見圖3～5.

表3 5種聚合物流動實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3 注入壓力與注入孔隙體積倍數(shù)關(guān)系曲線

圖4 測點(diǎn)1注入壓力與注入孔隙體積倍數(shù)關(guān)系曲線

由表3可知,P1聚合物(SH500×104)阻力因數(shù)和殘余阻力因數(shù)最大,其次是P3聚合物(SH1500×104),再次為P2聚合物(ZC700×104)和P4聚合物(HJ2200×104), P5聚合物(中分聚合物)的最小.相對于其余3種聚合物, P2聚合物溶液工作黏度最大,為37.5mPa·s.說明阻力因數(shù)和殘余阻力因數(shù)與“抗鹽”聚合物的相對分子質(zhì)量和黏度沒有直接關(guān)系.

由圖3～5可知,在注入聚合物過程中,P1聚合物注入壓力最大,其測點(diǎn)1和測點(diǎn)2注入壓力最小;P3注入壓力大于P2和P4的,其測點(diǎn)1和測點(diǎn)2注入壓力最大;P4注入壓力最小,其測點(diǎn)1和測點(diǎn)2注入壓力僅大于P1的.這說明在注入聚合物過程中,P2聚合物在模型沿長度方向上滯留比較均勻,在巖心多孔介質(zhì)之中的流動特性最好,傳輸和運(yùn)移能力最好;P1聚合物流動特性、傳輸和運(yùn)移能力最差.在后續(xù)水驅(qū)階段,P1聚合物注入壓力最大,P4的最小;P3測點(diǎn)1注入壓力最大,P4的最小;P3測點(diǎn)2注入壓力最大,P1的最小.這說明隨著后續(xù)水的注入,滯留在巖心前端的聚合物隨后續(xù)水運(yùn)移至巖心后半段或被采出,在一定程度上增強(qiáng)聚合物流動特性.

因此,P2聚合物(ZC700×104)在巖心多孔介質(zhì)中流動特性最好,傳輸和運(yùn)移能力最強(qiáng),其次是P3,再次是P4,P1.這主要是由于聚合物在巖心多孔介質(zhì)中的流動特性、傳輸和運(yùn)移能力與其分子結(jié)構(gòu)形態(tài)有關(guān).對于P1聚合物,其分子在水溶液中聚集成大面積的片狀結(jié)構(gòu),分子剛性較強(qiáng),柔性差,傳輸運(yùn)移能力最差,驅(qū)替過程中聚合物分子主要滯留在巖心前端或者堵塞在巖心端面,注入壓力升幅較大.對于P4聚合物,其分子鏈柔性較好,粗細(xì)均勻,由于其分子與巖心孔隙吼道配伍性較差,即聚合物分子直徑小于孔喉尺寸,使得驅(qū)替過程中聚合物分子受到的阻力很小,很容易被采出,導(dǎo)致最終阻力因數(shù)和殘余阻力因數(shù)最小.對于P2和P3聚合物,其分子結(jié)構(gòu)含有少量的高位阻基團(tuán),分子鏈剛性增強(qiáng),但以柔性為主.這種聚合物在注入過程中遇到小孔隙易被捕集,但可以通過較大的孔隙吼道,使其在傳輸運(yùn)移能力較好的情況下,阻力因數(shù)和殘余阻力因數(shù)較大.

圖5 測點(diǎn)2注入壓力與注入孔隙體積倍數(shù)關(guān)系曲線

2.4 驅(qū)油效果

驅(qū)油劑組成與流動實(shí)驗(yàn)相同,驅(qū)油效果實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4.由表4可以看出:(1)當(dāng)采用單一段塞注入方式時(shí),4種“抗鹽”聚合物驅(qū)采收率增幅在12%以上,采收率增幅比中分聚合物溶液提高2.9%～4.4%,具有較好的驅(qū)油效果.(2) 4種“抗鹽”聚合物溶液中,P2聚合物溶液增油效果最好.這是由于P2聚合物分子結(jié)構(gòu)含有少量的高位阻基團(tuán),分子鏈剛性增強(qiáng),但以柔性為主.其流動阻力較大,并且傳輸運(yùn)移能力較強(qiáng).在驅(qū)替過程中,聚合物分子能進(jìn)入巖心深部,擴(kuò)大波及體積效果較好.

表4 驅(qū)油實(shí)驗(yàn)結(jié)果%

3 結(jié)論

(1)聚合物(HPAM)分子在水溶液中形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),且有一定的分形生長自相似性.研究的4種“抗鹽”聚合物中,P1聚合物分子聚集成大范圍的片狀結(jié)構(gòu),骨架存在很小的細(xì)分支;P2和P3含有少量剛性基團(tuán),網(wǎng)絡(luò)骨架存在少量的片狀結(jié)構(gòu);P4聚合物分子結(jié)構(gòu)形態(tài)比較均勻,分形生長的自相似性最強(qiáng),沒有片狀骨架.

(2)相對于中分聚合物,中低分“抗鹽”聚合物溶液增黏性較好.

(3)阻力因數(shù)和殘余阻力因數(shù)受到與“抗鹽”聚合物的相對分子質(zhì)量和黏度的影響,但相關(guān)性不強(qiáng),主要與其分子形態(tài)結(jié)構(gòu)有關(guān).P2聚合物在巖心多孔介質(zhì)中流動特性最好,傳輸和運(yùn)移能力最強(qiáng).

(4)當(dāng)采用單一段塞注入方式時(shí),4種中低分“抗鹽”聚合物溶液采收率增幅比中分聚合物溶液高2.9%～4.4%,具有較好的增油效果.

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Performance evaluation of“salt-resisting”polymer solution with low-moderate molecular weight and its displacement effect/2010,34(4):77-81

LUO Feng
(Exploration and DevelopmentInstitute,Daqing OilfieldCorp.Ltd.,Daqing,Heilongjiang 163712,China)

In view of the field practical need,the solution performance of four new kinds“salt-resisting” polymer with low-moderate molecular weight has been studied by making use of scanning electron microscopy(SEM),viscosity and physical simulation experiment.The results show that the polymer molecular in solution is in the form of multi-layer stereoscopic random reticulation,with thick trunk and the sub-branch,and there is a certain self-similarity of fractal growth.The molecules of P1 polymer gathered into a big range of flaky structure with a small sub-frame support and P2 and P3 polymers contain a small amount of rigid groups,so there is a small amount of flaky network frame structure.The molecular structure of P4 polymer is most uniform,fractal growth was most self-similarity,and without flaky skeleton.With the increase of concentration,compared to low-moderate polymer solution,the increasing viscosities of four kinds of“salt-resisting”polymer solution were greater.The resistance factor,residual resistance factor and oil recovery of”salt-resisting”polymer are affected by and the viscosity and molecular weight,but the correlation is not strong,which is in connection with the molecular structure of“salt-resisting”polymer with low-moderate molecular weight.The four kinds of“salt-resisting”polymer solution has a great effect on increasing oil production.Compared with the low-moderate polymer flooding,the oil recovery increases from 2.9%to 4.4%.

“salt-resisting”polymer with low-moderate molecular weight;molecular configuration;viscosity performance;flow characteristics;displacement effect

book=4,ebook=379

TE357.46

A

1000-1891(2010)04-0077-05

2010-01-13;審稿人:夏惠芬;編輯:任志平

中國石油天然氣股份公司項(xiàng)目(0522-14)

羅 鋒(1978-),男,工程師,主要從事油田開發(fā)方面的研究.