李勃

一種新型抗鹽聚合物的合成與性能評價(jià)

李勃

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

[摘要]為解決中低分子量部分水解聚丙烯酰胺抗鹽性差、污水配制溶液黏度不足的問題，針對有效滲透率200~500mD的中等滲透率油層，以丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸及自制疏水單體為主要原料，設(shè)計(jì)并合成了一種新型抗鹽聚合物，并對其性能進(jìn)行了評價(jià)。結(jié)果表明，新型抗鹽聚合物的增黏性好于相對分子量為1500萬的部分水解聚丙烯酰胺，采用現(xiàn)場污水配制溶液，在濃度為1000mg/L時(shí)，黏度可達(dá)58.2mPa·s。同時(shí)，該聚合物在地層剪切速率范圍內(nèi)(0~10s-1)可表現(xiàn)出剪切增黏性。此外，天然巖心物理模擬試驗(yàn)表明，該聚合物具有較高的工作黏度，同時(shí)具有較好的提高采收率能力。

[關(guān)鍵詞]抗鹽聚合物；提高采收率；性能評價(jià)

在對中低滲透率油層的聚合物驅(qū)研究中發(fā)現(xiàn)，部分水解聚丙烯酰胺(HPAM)已不能滿足需要，高分子量HPAM存在注入困難的問題，中低分子量HPAM雖然易于注入，但由于相對分子質(zhì)量較低，耐溫抗鹽性較差，采用污水配制溶液增黏性有限，導(dǎo)致流度控制能力不強(qiáng)，聚合物驅(qū)效果變差。所以，研制出相對分子量較低，同時(shí)具有較好提高采收率能力的新型抗鹽聚合物，已成為亟待解決的問題[1~3]。下面，筆者以丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)及自制疏水單體為主要原料，采用水溶液膠束聚合法合成了一種新型抗鹽聚合物，并對其性能進(jìn)行了評價(jià)。

1試驗(yàn)原料與儀器

1)試驗(yàn)原料。丙烯酰胺(工業(yè)品，江西昌九生化)、AMPS(工業(yè)品，山東壽光聯(lián)盟化工)、1500萬HPAM(工業(yè)品，大慶煉化公司)、大慶油田現(xiàn)場注入污水(總礦化度4680.1mg/L，(Ca2++Mg2+)濃度36.7mg/L)，疏水單體為實(shí)驗(yàn)室自制，其余原料均為市售分析純。

2)試驗(yàn)儀器。Brookfield-Ⅱ型黏度計(jì)(美國Brookfield公司)、ARES高級擴(kuò)展流變儀(美國TA公司)、QY-C11自動巖心驅(qū)油裝置(江蘇華安科研儀器有限公司)。

2聚合物合成

在1L反應(yīng)釜中，加入一定量的去離子水、丙烯酰胺、AMPS、疏水單體及表面活性劑，其中丙烯酰胺、AMPS與疏水單體的摩爾比為79.5∶20∶0.5,攪拌使其溶解，加入6mol/L NaOH調(diào)節(jié)pH值為8。通氮?dú)?0min后，控制反應(yīng)液溫度為20℃，加入適量的引發(fā)劑K2S2O8與NaHSO3引發(fā)聚合,此時(shí)反應(yīng)體系溫度逐漸升高，最終升至約70℃。待體系溫度降至室溫后結(jié)束反應(yīng)，將膠體產(chǎn)物切碎后烘干、粉碎，將粉末采用孔徑為1mm及0.2mm標(biāo)準(zhǔn)篩篩分，取中間粒度成分，即得新型聚合物樣品。

3試驗(yàn)方法

1)黏度檢測。采用Brookfield黏度計(jì)進(jìn)行，試驗(yàn)溫度為45℃，使用零號轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)速為6r/min。

2)流變性檢測。采用AERS高級擴(kuò)展流變儀進(jìn)行，試驗(yàn)溫度為45℃，測量系統(tǒng)為?50mm錐板，剪切速率范圍為0.1~700s-1。

3)流動試驗(yàn)。采用自動巖心驅(qū)油裝置進(jìn)行，試驗(yàn)溫度為45℃，將巖心在真空條件下飽和水，以2ml/min水驅(qū)測定滲透率，然后以0.2 ml/min聚合物驅(qū)至壓力平穩(wěn)，計(jì)算阻力系數(shù)，轉(zhuǎn)后續(xù)水驅(qū)至壓力平穩(wěn)，計(jì)算殘余阻力系數(shù)。

4)驅(qū)油試驗(yàn)。采用自動巖心驅(qū)油裝置進(jìn)行，試驗(yàn)溫度為45℃，將巖心在真空條件下飽和水，以2ml/min水驅(qū)測定滲透率，飽和模擬原油，老化12h以上。然后，以0.2ml/min進(jìn)行水驅(qū)，至采出液含水98%后停止水驅(qū)，計(jì)算水驅(qū)采收率，轉(zhuǎn)聚合物驅(qū)，注入定量聚合物溶液段塞，隨后進(jìn)行后續(xù)水驅(qū)，至采出液含水98%后結(jié)束試驗(yàn)，計(jì)算聚驅(qū)采收率提高值與總采收率。

4性能分析

4.1聚合物濃度對水溶液黏度的影響

圖1　聚合物濃度對水溶液黏度的影響

配制含不同濃度聚合物的NaCl水溶液4500mg/L，并檢測其黏度，作為對比，在同樣條件下檢測了1500萬HPAM的黏度，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，2種聚合物的水溶液黏度均隨濃度的增加而逐漸升高，隨在較大濃度范圍內(nèi)，新型聚合物的增黏性均好于1500萬HPAM。這主要是由于在水溶液中，不同聚合物分子鏈上的疏水基團(tuán)之間發(fā)生了疏水締合作用，增大了流體力學(xué)體積的緣故[4~6]。在聚合物濃度大于800mg/L時(shí)，隨著聚合物濃度的增加，新型聚合物黏度上升幅度變大，原因是由于此時(shí)分子間締合作用增強(qiáng)，這可保證注入液具有較高的黏度，而1500萬HPAM無法形成分子鏈間締合作用，黏度仍線性上升。在聚合物濃度較低時(shí)，新型聚合物黏度仍高于1500萬HPAM，這是由于在分子鏈上引入磺酸基提高了抗鹽性的緣故，這有利于注入液經(jīng)地層水稀釋后仍具有一定黏度，有利于提高驅(qū)油效果。

4.2礦化度對水溶液黏度的影響

配制含不同濃度NaCl的聚合物水溶液1000mg/L，并檢測其黏度。作為對比，在同樣條件下檢測了1500萬HPAM，同時(shí)考察了不同NaCl濃度下黏度相對于NaCl濃度950mg/L(模擬注入清水)下黏度的保留率，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，2種聚合物的水溶液黏度及黏度保留率均隨NaCl濃度的增加而逐漸降低，在較大NaCl濃度范圍內(nèi)，新型聚合物的增黏性均好于1500萬HPAM。這是由于鹽的加入對聚合物水溶液黏度有2個(gè)方面影響，一方面可通過屏蔽分子鏈上離子基團(tuán)間的電荷排斥作用而導(dǎo)致分子鏈卷曲，黏度降低；另一方面可增強(qiáng)分子鏈間疏水締合作用，黏度升高。對于新型聚合物，由于可形成分子鏈間疏水締合作用，同時(shí)其離子基團(tuán)為弱堿性的磺酸基陰離子，受屏蔽作用較小，故隨著NaCl濃度的增加，黏度下降幅度較小，在較高礦化度下仍具有較高的黏度保留率[7]。而對于1500萬HPAM，由于無法形成分子鏈間疏水締合作用，同時(shí)其離子基團(tuán)為強(qiáng)堿性的羧酸基陰離子，受屏蔽作用較大，故隨著NaCl濃度的增加，黏度大幅下降，黏度保留率較低。新型聚合物較高的黏度保留率，使其能夠采用污水配制注入液，這樣有利于降低生產(chǎn)成本。

4.3水溶液流變性

配制含不同濃度NaCl的聚合物水溶液1000mg/L并檢測其流變性，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，在低剪切速率下(<10s-1)，隨著剪切速率的增加，不同NaCl濃度的新型聚合物水溶液黏度均逐漸增加，具有剪切增黏性，這有利于注入液在地層中具有較高的工作黏度。繼續(xù)增加剪切速率，其水溶液黏度則逐漸降低。這是由于在鹽水溶液中，低剪切速率下新型聚合物存在部分分子內(nèi)締合，隨著剪切速率的增加而逐漸破壞，轉(zhuǎn)變?yōu)榉肿娱g締合，水溶液黏度增加，繼續(xù)增加剪切速率，分子間締合逐漸破壞，同時(shí)分子鏈沿剪切力場方向取向，水溶液黏度逐漸降低[8,9]。隨著NaCl濃度的增加，增黏峰值出現(xiàn)在更高的剪切速率處且更加明顯，這是由于隨著鹽濃度增加，分子內(nèi)締合逐漸增強(qiáng)，在降低了低剪切速率下黏度的同時(shí)，還需要更強(qiáng)的剪切作用才能夠?qū)⑵淦茐腫10]。

圖2　礦化度對聚合物水溶液黏度的影響　　　　　　　　　　　　圖3　新型聚合物水溶液流變性

4.4流動性能

表1　聚合物流動試驗(yàn)結(jié)果表

采用?2.5cm×10cm天然柱狀巖心考察新型聚合物與1500萬HPAM的流動性能，采用污水配制注入液，濃度為1000mg/L，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。由表1可知，新型聚合物具有較高的阻力系數(shù)，這樣可以獲得較高的工作黏度，同時(shí)相比于阻力系數(shù)，具有較低的殘余阻力系數(shù)，這樣有利于注入施工。

4.5驅(qū)油能力

采用?2.5cm×10cm天然柱狀巖心考察新型聚合物與1500萬HPAM的驅(qū)油能力，采用污水配制注入液，濃度為1000mg/L，注入量為0.57PV，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。由表2可知，新型聚合物驅(qū)平均可提高采收率12.85%，而1500萬HPAM聚合物驅(qū)平均可提高采收率9.09%，說明新型聚合物具有較好的提高采收率能力。

表2　聚合物驅(qū)油試驗(yàn)結(jié)果表

5結(jié)論

1)新型聚合物具有較好的增黏性,1000mg/L的現(xiàn)場污水溶液黏度可達(dá)58.2mPa·s，適用于現(xiàn)場污水配制注入液。

2)新型聚合物比1500萬HPAM的工作黏度要高,具有較好的流動性能。

3)與1500萬HPAM相比，采用新型聚合物聚驅(qū)采收率平均可多提高近4%，說明其具有較好的提高采收率能力。

[參考文獻(xiàn)]

[1]王啟民，冀寶發(fā)，隋軍，等.大慶油田三次采油技術(shù)的實(shí)踐與認(rèn)識[J].大慶石油地質(zhì)與開發(fā)，2001，20(2)：1~8.

[2]王玉普，羅健輝，卜若穎，等.三次采油用抗溫抗鹽聚合物分析[J].化工進(jìn)展，2003，22(3)：271~274.

[3]陳鵬，邵振波，劉英杰.中、低滲透率油層聚合物相對分子質(zhì)量的確定方法[J].大慶石油地質(zhì)與開發(fā)，2005，24(3)：95~96.

[4]方道斌，郭睿威，哈潤華.丙烯酰胺聚合物[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[5]張麗萍.疏水締合水溶性聚合物的研究進(jìn)展[J].油氣田地面工程，2007，26(6)：10~11.

[6]王高杰，王春亮，陳正濤.一種新型水溶性兩性聚合物的合成與性能評價(jià)[J].長江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版)，2014，11(16)：63~65.

[7]Candau F,Selb J.Hydrophobically-modified polyacrylamides prepared by micellar polymerization[J]. Advances in Colloid and Interface Science，1999，79(1)：149~172.

[8]王貴江，姜勇，歐陽堅(jiān)，等.疏水締合三元共聚物的合成及其性能[J].石油化工，2009，38(9)：984~988.

[9]李林輝，郭擁軍，羅平亞，等.一種疏水締合水溶性聚合物的合成及其溶液性能[J].應(yīng)用化學(xué)，2003，20(11)：1048~1051.

[10]孫煥泉，張春玲，陳靜，等. 疏水締合效應(yīng)對聚丙烯酰胺類水溶液結(jié)構(gòu)和流變性質(zhì)的影響[J].高分子學(xué)報(bào)，2006，19(6)：810~814.

[編輯]李啟棟

[引著格式]杜全偉,劉慶旺.表面活性劑APG-12的合成與表征研究[J].長江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版)，2015,12(16)：18~20，38.

14 Application of Clay-free Polymer Drilling Fluid in Block Panyu 35-2

Yao Lei(ShenzhenBaseofDepartmentofOilfieldChemistry,ChinaOilfieldServicesLimited,Shenzhen518067)

Cheng Xiaoning(ChangqingDownholeOperationCompany,ChuanqingDrillingEngineeringCo.,Xi’an710000)

Abstract：Clay-free drilling fluid system has been widely applied in land drilling, the technology is relatively mature.The clay-free drilling system has the characteristics of low density and low solid content, high range of rheological adjustment and beneficial for improving rate of penetration, it is frequently used as a spud-in fluid. In view of the formation characteristics of Well 1 of Block Panyu 35-2,starting from technical difficulties，on the basis of laboratory research and combined with field drilling fluid treatment measures，a clay-free polymer drilling fluid is used in drilling.It Successfully solves the problems including shale hydrating and making pulp，sand carrying difficultly, easy collapse of mudstone in the middle of Zhujiang Formation in 311.15m of Well No.1 of Block Panyu 35-2.It ensures the smooth running of drill pipes and casings.

Key words：clay free；polymer drilling fluid；ratio of yield point to plastic viscosity；South China Sea；application

[引著格式]李勃.一種新型抗鹽聚合物的合成與性能評價(jià)[J].長江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版)，2015,12(16)：8~10，17.

[通信作者]劉慶旺(1964-)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，現(xiàn)主要從事油氣井工程方面的教學(xué)與研究工作；E-mail:liuqingwang@163.com。

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[文章編號]1673-1409(2015)16-0008-03

[中圖分類號]TE39

[作者簡介]李勃(1981-)，男，工程師，現(xiàn)主要從事三次采油方面的研究工作； libo123@petrochina.com.cn。 陸小兵(1984-)，男，工程師，現(xiàn)主要從事油氣田開發(fā)與開采技術(shù)方面的研究工作；E-mail: lxb31cq@petrochina.com.cn。

[基金項(xiàng)目]中國石油天然氣股份有限公司重大科技專項(xiàng)(2011E-1207)。 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51734071)。 國家科技重大專項(xiàng)(2010F-0402)。

[收稿日期]2015-02-26 2015-02-28 2015-02-16