高浓度聚合物体系稳定性及驱油效果评价

高浓度聚合物体系稳定性及驱油效果评价
张玉丰;吴晓东;马文衡
【摘要】高浓度聚合物驱油技术是一种新型的大幅度提高原油采收率的方法,但是高浓度聚合物体系的黏度稳定性及体系的驱油效果是目前矿场需要了解的问题.在室内试验的基础上,进行了高浓度聚合物体系黏度稳定性评价,并对体系的浓度和相对分子质量对驱油效果的影响进行研究.试验表明:时间对体系黏度有一定影响,而且随着体系浓度的增加,时间对体系黏度的影响逐渐减小;在剪切速率和剪切时间分别一定的条件下,体系的降解率随着相对分子质量的增加而降低,随体系浓度的增加而增加,但是高浓度体系的保留黏度大;聚合物浓度越高、相对分子质量越高,驱油效果越好.
【期刊名称】《石油钻采工艺》
【年(卷),期】2007(029)002
【总页数】5页(P69-72,75)
【关键词】高浓度聚合物体系;黏弹性;驱油效果;稳定性
【作者】张玉丰;吴晓东;马文衡
【作者单位】中国石油大学石油工程教育部重点实验室,北京,102249;中国石油大学石油工程教育部重点实验室,北京,102249;华北油田公司采油工艺研究院,河北任丘,062552
【正文语种】中文
【中图分类】TE357.46
大庆油田综合含水接近甚至超过90%，目前维持大庆油田稳产的主要手段是三次采油技术[1,2]，尤其是聚合物驱油技术应用最为广泛[3]。

王德民等[4]根据岩心试验结果，认为具有黏弹性的聚合物溶液可以提高驱油效率，残余油饱和度降低的原因是黏弹性流体的“拉、拽”作用，由此提出具有高黏弹性的高浓度聚合物驱油技术[5]。

最近研究认为[6]，高浓度可以使聚合物驱采收率在水驱的基础上提高20%OOIP(三元复合驱水平)以上，并且克服了碱对地层污染的缺陷。

本文通过室内试验对高浓度聚合物体系的稳定性和驱油效果进行了评价，并且对喇嘛甸油田应用聚合物体系的浓度和相对分子质量进行了优选。

1 性能评价
1.1 黏度稳定性
1.1.1 试验原料和试验步骤
(1)主要试验原料：高分子聚合物，相对分子质量2589.3万，固相含量90.53%，水解度20.2%。

模拟盐水矿化度900 mg/L。

(2)溶液黏度测定：美国博力飞V5.0黏度计，剪切速率7.31 s-1。

(3)试验步骤：用模拟盐水配制3种浓度分别为2500 mg/L、1800 mg/L、1000 mg/L的母液，然后取一定量的溶液测定其黏度，将其他溶液分别装满250 mL磨口瓶中，用蜡将瓶口密封，放入45 ℃恒温箱中，最后按设定的时间取样进行黏度测定。

1.1.2 结果及分析聚丙烯酰胺类聚合物高温失效机理现在看法还不尽一致，主要认为是由于热、氧、剪切、高矿化度和微生物5大因素及其协同作用呈现的综合结果。

主要研究了聚合物体系黏度随时间的变化关系，试验结果见图1和表1。

图1 高浓度聚合物体系黏度随时间的变化
从图1和表1可见，不论高浓度还是低浓度的聚合物溶液，在15 d内黏度变化都不大，黏度保留率变化很小，这主要是因为模拟盐水中溶解氧含量很少，溶液的温度不高，聚合物主链不易断裂，溶液中自由基活性很低，同时溶液中细菌含量低，才使得溶液黏度在一段时间内保持了黏度的稳定。

而随着时间的增加，体系的黏度略有降低，特别是30 d后，体系黏度下降明显。

其主要原因是随着时间的增加，溶液中的细菌等生物大量繁殖，细菌等的存在对溶液产生生物降解作用，使溶液黏度下降。

随着聚合物浓度的增加，时间对体系黏度的影响逐渐减小。

表1 聚合物体系细菌含量样品浓度/mg·L-1细菌含量/104株·mL-11 d3 d5 d15
d30 d60
d10001.122.173.265.563297018001.252.854.415.626.48.225001.193.284.42 5.736.87.9
1.2 剪切特性
聚合物的抗剪切性是聚合物驱油方案设计中重要指标之一。

对3种分子类型、2种浓度聚合物的抗剪切性进行了室内试验研究。

样品采用大庆油田采油六厂喇4-4#站清水配制，聚合物为高分子质量(1600万～1900万)、超高分子质量(1900万～2500万)和抗盐聚合物(2700万以上)，所用
聚合物均为大庆炼化公司生产。

1.2.1 黏度与剪切速度的关系用高速搅拌器将配置好的聚合物溶液在不同转速下剪切1 min，样品黏度用LV2#转子在30 r/min条件下进行测量，试验结果见表2。

表2 聚合物体系黏度与剪切速度的关系聚合物类型浓度/mg·L-10 r/min黏度
/mPa·s降解率/%10 000 r/min黏度/mPa·s降解率/%14 000 r/min黏度/mPa·s 降解率/%18 000 r/min黏度/mPa·s降解率/%24 000 r/min黏度/mPa·s降解率/%高分子质量
2500617049320.1046025.4442131.7738138.252000455038415.6035721.54
32728.1328537.36超高分子质量
2500628055112.2650319.9043430.8942831.85200046204306.9336121.863 4225.9731531.82抗盐
250068306406.306228.9355019.4754719.91200050504971.584628.514301 4.8540220.40
从表2可以看出，聚合物溶液的黏度均随剪切速度的增加而降低。

另外，在剪切速度增加时，高浓聚合物溶液的浓度越大，降解率越大，但剪切后的保留黏度高，如高相对分子质量聚合物受10 000 r/min的剪切，当浓度为2000 mg/L时，黏度为384 mPa·s，而浓度为2500 mg/L时，黏度为493 mPa·s；聚合物相对分子质量越大，降解率越小，保留黏度越大。

1.2.2 黏度与剪切时间关系在相同剪切速度(18 000 r/min)下，将聚合物溶液剪切不同的时间，测量样品的黏度，试验结果见表3。

从表3可以看出，聚合物溶液体系的黏度随剪切时间的增加而降低。

另外，在剪切时间增加时，高浓度聚合物溶液的浓度越大，剪切后溶液的降解率越大，但保留黏度也越大；而聚合物的相对分子质量越大，剪切后溶液的降解率越小，保留黏度越大。

表3 聚合物体系黏度与剪切时间的关系分子类型浓度/mg·L-10 min黏度/mPa·s 降解率/%1 min黏度/mPa·s降解率/%2 min黏度/mPa·s降解率/%5 min黏度/mPa·s降解率/%10 min黏度/mPa·s降解率/%高分子质量2500617042131.7737738.9030750.2424959.642000455032728.1329036.26 24346.5920355.38超高分子质量
2500628043430.8939936.4635144.1131050.642000462034225.9733028.57 30334.4228238.96抗盐
2500683055019.4751824.1645333.6838743.342000505043014.8538823.17
31637.4326447.72
由以上分析可知，随着相对分子质量的增加，降解率降低，聚合物抗剪切性能变好。

因此在同样剪切条件下高分子质量聚合物能够保持较高的黏度；随着体系浓度的增加，虽然降解率增加，但是保留黏度大。

1.3 黏弹性
聚合物溶液提高原油采收率机理是其黏弹性作用的结果，因此，黏弹性是体系驱油效果的重要指标。

通过室内试验对大庆油田第六采油厂拟采用聚合物溶液的黏弹性进行了研究。

所用聚合物与剪切试验中的相同，配制水为喇4-4#站清水，在HAAKE RS-150流变仪上进行了黏弹性参数的测定，测定参数包括：剪切黏度和
第1法向应力差。

测定结果见图2和图3。

图2 聚合物类型及浓度对体系黏度的影响
图3 聚合物类型及浓度对体系法向应力差的影响
由图2可以看出，剪切黏度随着剪切速率的增加而降低；浓度越高、相对分子质
量越大，在同一剪切速率下其剪切黏度越高。

由图3可以看出，法向应力差随着
剪切速率的增加而增大；浓度越高、相对分子质量越大，在同一剪切速率下其法向应力差越大。

由高浓聚合物体系性能评价试验可知，驱油方案设计中，在现场注入压力允许的条件下，应尽量使用高相对分子质量和高浓度的聚合物溶液。

2 驱油效果评价
为了进一步探索高浓度聚合物驱的可行性，研究挖掘聚合物驱技术潜力的有效途径，同时也为了解不同相对分子质量和不同浓度聚合物驱的效果，进行了常规聚合物驱中期转注高浓度聚合物的物理模拟试验研究。

2.1 常规聚合物注入中期转注不同相对分子质量及浓度聚合物溶液
为了研究不同种类聚合物浓度驱油效果，在室内开展了中分、高分、超高分、抗盐聚合物体系驱油试验。

2.1.1 试验条件
(1)模型：采用尺寸为Ø2.5 cm×10 cm人造柱状均质岩心，气测渗透率
kg=1000×10-3 μm2左右。

(2)试验用油：采用大庆油田采油六厂原油和煤油配制的模拟油，模拟油黏度在45 ℃条件下为10 mPa·s左右。

(3)试验用水：饱和模型用水矿化度为6778 mg/L，配制聚合物用水为大庆油田采油六厂清水，驱替水矿化度为3700 mg/L。

(4)试验用聚合物：采用中分子、高分子、超高分子及抗盐聚合物，相对分子质量
分别为1300万、(1600～1900)万、2100万、2751万。

(5)试验温度：45 ℃。

2.1.2 结果与分析试验结果见表4。

从表4中可以看出，抗盐高浓度聚合物驱油效果好于超高分子、高分子及中分子聚合物驱。

此外，较高相对分子质量的聚合物的驱油效果明显好于较低相对分子质量聚合物的驱油效果，其主要原因是较高相对分子质量的聚合物具有较好的黏弹性，这对于扩大聚合物驱的波及体积和提高聚合物的驱油效率是十分有利的。

采用抗盐聚合物注入浓度2000 mg/L和2500 mg/L 时，提高采收率均可达到20%OOIP以上。

因此，现场使用的最佳聚合物为抗盐
聚合物。

2.2 常规聚合物注入中期(0.35 PV)转注高浓度聚合物溶液
2.2.1 试验条件
(1)模型：采用变异系数为0.72的石英砂环氧胶结两维纵向非均质正韵律人造物理模型，模型尺寸为4.5 cm×4.5 cm×30 cm,分为上中下3层,每层厚度为1.5 cm。

模型由环氧树脂胶结经压力机压制而成，气测渗透率kg为1000×10-3 μm2左右。

(2)试验用聚合物：大庆助剂厂生产的聚丙烯酰胺(相对分子质量1700万)以及抗盐聚合物。

(3)试验用油、试验用水和试验温度同2.1.1。

2.2.2 结果与分析在聚合物用量同为2020 mg/(L·PV)的条件下试验结果见表5。

从表5中可以看出，在试验方案相同的情况下，随着抗盐聚合物浓度的增大，聚
合物驱采收率和总采收率均增高，但增加幅度逐渐减小。

分析原因在于随着抗盐聚合物浓度的增加，高浓度聚合物体系的黏弹性增加，使得孔吼中的残余油两端均被抗盐聚合物溶液不同程度地“拽”出，降低了孔隙中的残余油饱和度，提高了波及效率。

而当抗盐聚合物浓度超过2500 mg/L时，浓度过高时封堵了大部分孔道使得后续流体无法进入这些孔隙，因此不能发挥提高采收率的作用。

表4 不同相对分子质量及浓度聚合物体系驱油试验结果岩心号孔隙度/%含油饱和
度/%气测渗透率/10-3 μm2浓度/mg·L-1类型水驱采收率/%聚驱采收率/%最终
采收率/%备注DVY1-722.4573.169971000中分子34.2518.7452.99非均质岩
心DVY4-623.5473.6010022500抗盐34.1636.5870.74渗透率变异系数
0.72,DVY1-122.0974.529542500超高分子34.0032.4666.464.5 cm×4.5
cm×30 cmDVY1-323.5674.369702500高分子34.7030.6765.37DVY1-
622.5972.909862000抗盐35.3635.2070.56DVY1-523.6873.779892000超高34.4032.3766.77DVY1-422.8472.499742000高分分子33.6829.3062.9902-1127.8670.409982500抗盐45.0028.5073.50均质岩心02-
2026.5670.589952500超高分子44.8024.0468.84Ø2.5 cm×10 cm02-
2525.7873.309832500高分子45.6022.2067.8002-7225.6376.329672000抗
盐43.7226.4170.1302-1826.2774.359972000超高分子41.1623.2764.4702-
2726.3775.239102000高分子42.1321.2763.4002-2826.2174.829741000中分子48.5714.3562.92
表5 不同浓度抗盐聚合物体系驱油试验结果岩心编号渗透率/10-3 μm2孔隙度/%含油饱和度/%试验方案水驱采收率/%聚驱采收率/%总采收率/%L-
498225.173.41000 mg/L,1700万聚合物0.35 PV37.235.772.91000 mg/L,抗盐聚合物1.67 PVL-3105924.775.81000 mg/L,1700万聚合物0.35
PV36.840.577.31500 mg/L,抗盐聚合物1.113 PVL-2105024.474.071000
mg/L,1700万聚合物0.35 PV37.440.878.22000 mg/L,抗盐聚合物0.835 PVL-594624.3776.31000 mg/L,1700万聚合物0.35 PV37.141.478.52500 mg/L,抗盐聚合物0.668 PVL-196024.275.21000 mg/L,1700万聚合物0.35
PV37.241.578.73000 mg/L,抗盐聚合物0.557 PV
3 结论
(1)随着剪切时间和剪切速率的增大，高浓度聚合物体系降解率增大，黏度降低。

(2)随着相对分子质量的增加，降解率降低，聚合物抗剪切性能变好；随着体系浓度的增加，虽然降解率增加，但是保留黏度大。

(3)随着体系浓度的增大，高浓度聚合物溶液的驱油效果变好，但采收率提高的幅度降低。

(4)抗盐聚合物为最佳聚合物，2500 mg/L为最佳浓度；在实际生产中，如果注入压力允许，应尽量选用高相对分子质量和高浓度的聚合物溶液作为驱替液。

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