中低分“抗盐”聚合物性能及驱油效果

罗 锋

(大庆油田有限责任公司勘探开发研究院,黑龙江大庆 163712)

中低分“抗盐”聚合物性能及驱油效果

罗 锋

(大庆油田有限责任公司勘探开发研究院,黑龙江大庆 163712)

针对大庆油田矿场需求,采用扫描电镜(SEM)、黏度测试和人造岩心驱替实验等方法,分析P1,P2,P3,P4等4种新型中低分“抗盐”聚合物性能.结果表明:中低分“抗盐”聚合物(HPAM)分子在水溶液中形成空间网络结构,且有一定的分形生长自相似性.P1聚合物分子聚集成大范围的片状结构,骨架存在很小的细分支;P2和P3含有少量刚性基团,网络骨架存在少量的片状结构;P4聚合物分子结构形态比较均匀,分形生长的自相似性最强,没有片状骨架.随浓度的增加,相对于中分聚合物溶液,4种中低分“抗盐”聚合物溶液黏度增幅较大.聚合物溶液阻力因数、残余阻力因数和聚驱采收率受黏度和相对分子质量的影响,但相关性不强,这与中低分“抗盐”聚合物分子构型有关.水驱后直接采用中低分“抗盐”聚合物驱油时,可提高中分聚合物溶液采收率2.9%～4.4%.

中低分“抗盐”聚合物;分子结构形态;增黏性能;流动特性;驱油效果

截至2009年,大庆油田聚合物驱年产油量连续8a超过1000×104t,聚合物驱采收率增幅接近10%,聚驱后仍有近50%原油残留在地下[1-4],迫切需要采用新技术进一步提高采收率.此外,随着大庆油田开发向储量丰富而地质条件较差的油层转移[5-8],这些矿场需求对聚合物溶液性能提出新的、更高的要求.

人们已开发出诸如缔合聚合物、功能聚合物和活性聚合物等新型抗盐聚合物[9-11],但有关中低分“抗盐”聚合物性能评价方面,特别是分子结构形态的文献报道少见.针对大庆油田开发需求,笔者分析4种新型中低分“抗盐”聚合物的分子构型、增黏性、流动特性和驱油效果,为矿场应用提供理论依据,对大庆油田原油4000万t持续稳产关键技术研究具有参考意义.

1 实验

1.1 材料

1.1.1 聚合物

聚合物为部分水解聚丙烯酰胺干粉(HPAM),包括:(1)上海海博公司生产的2种“抗盐”聚合物,分别为SH500×104聚合物(P1)和SH1500×104聚合物(P3);(2)大庆再创公司生产的ZC700×104“抗盐”聚合物(P2);(3)北京恒聚公司生产的HJ2200×104“抗盐”聚合物(P4);(4)大庆炼化公司生产的1500× 104“中分”聚合物(P5).5种聚合物干粉理化性能检测结果见表1.

表1 5种聚合物干粉理化性能指标

1.1.2 油和水

实验用油为模拟油,由大庆第一采油厂脱气脱水原油与航空煤油混合而成,45℃条件下黏度为9～10 mPa·s.

实验用水为大庆第一采油厂注入污水,矿化度为4013mg/L.

1.1.3 物理模型

实验岩心为人造岩心[12],包括:(1)流动实验用均质人造物理模型,几何尺寸:4. 5cm×4.5cm×60.0cm,气测渗透率为830×10-3μm2,模型入口设有1个测压点,模型中间均匀设置2个测压孔,与2个端面一起构成3个测压区间,每个区间的长度为20cm(见图1).实验过程中,从模型一端注入驱油剂,定时测量驱替过程中各测压点压力,以评价聚合物溶液在多孔介质内的流动特性及传输运移能力;(2)驱油实验用人造二维纵向非均质正韵律岩心,几何尺寸:4.5cm×4.5cm×30.0cm,分为上、中、下3层,每层厚度为1.5cm,其渗透率分别为175×10-3,700×10-3,2500×10-3μm2,渗透率变异因数为0.72,平均气测渗透率为1000×10-3μm2.

1.2 设备

1.2.1 聚合物分子构型

采用Hitachi(日立)S-3400N扫描电镜观测聚合物分子结构形态,为保持与原水化状态一致,采用-70℃条件下冷冻升华方法制样,样品喷金;然后用扫描电镜观察,选择典型合适区域进行拍照.

1.2.2 驱替

流动和驱油实验采用无锡石油仪器厂生产岩心驱替实验装置测试.装置主要包括平流泵、压力传感器、岩心夹持器、手摇泵和中间容器等.除平流泵和手摇泵外,其他部分置于45℃恒温箱.

流动实验主要测试驱油剂的阻力因数和残余阻力因数.阻力因数和残余阻力因数是描述驱油剂提高波及效率能力的重要指标,是评价驱油剂流度降低和对后续水驱改向能力的重要指标,是大于1的无因次数[13].注入过程要求注液速度保持相同,液体注入量应为3～5倍岩心孔隙体积(PV)以上.实验过程注入速度为0.6mL/min,压力记录间隔为30min.

驱油实验步骤:

(1)在室温下,模型抽真空,饱和地层水,获取模型孔隙体积;

(2)在45℃条件下,模型饱和模拟油,计算含油饱和度;

(3)在45℃条件下,水驱到含水率98%,获得水驱采收率;

(4)在45℃条件下,注入聚合物溶液,后续水驱到含水率98%,计算采收率;

(5)在45℃条件下,后续水驱到含水率98%,计算采收率.

1.2.3 黏度测试

采用美国LVDV-Ⅱ+PRO布氏黏度计“0”号转子(剪切速率7.35s-1)测试.

1.3 温度

实验在45℃条件下进行.

图1 流动性实验模型的测压点分布

2 结果与分析

2.1 分子形态结构

采用注入污水配制编码为P1、P2、P3和P4的聚合物溶液进行扫描电镜(SEM)实验,质量浓度为200 mg/L,结果见图2.由图2可知,4种中低分“抗盐”聚合物分子形态结构存在差异,在水溶液中形成空间网络结构,且有一定的分形生长自相似性.这主要是由于聚丙烯酰胺部分水解后,大分子链上存在羧基负离子,邻近羧基之间存在静电相互排斥作用,使得聚合物分子链舒展程度增强,每一个分子链都取无规线团构象,不同聚合物分子链间又可相互贯穿,甚至缠绕,导致溶液中形成密度很大的具有不同尺寸孔洞的多层立体网状结构,且存在粗的主干和细的分支.这种网络结构既有支撑作用,又可吸附和包裹大量水分子产生形变阻力,显示部分水解聚丙烯酰胺溶液良好的增黏能力.在其他条件相同的情况下,对于这4种“抗盐”聚合物,相对分子质量越大,聚合物分子链越长,分子间作用力越大,分子空间网络结构越紧密,但分子结构网络越细.其中P1聚合物分子聚集成大范围的片状结构,骨架存在很小的细分支;P2和P3含有少量刚性基团,网络骨架存在少量的片状结构;P4聚合物分子结构形态比较均匀,分形生长的自相似性最强,没有片状骨架.

图2 聚合物分子结构形态(放大200倍)

2.2 增黏特性

采用注入污水配制聚合物溶液进行增黏特性测试,结果见表2.由表2可知,“抗盐”聚合物相对分子质量对聚合物溶液黏浓关系存在影响.在相同质量浓度条件下,P1聚合物(SH500×104)黏度最大, P5(中分聚合物)的最小.在测试质量浓度范围内,当聚合物质量浓度小于1g/L时,P3的黏度大于P2的;当质量浓度大于1g/L时,P3的黏度小于P2的.此外,与中分聚合物溶液相比,随质量浓度的增加,4种“抗盐”聚合物溶液黏度增幅较大,其中P1聚合物增幅最大,P4的相对最小.这主要与4种“抗盐”聚合物的分子结构形态有关,如P1聚合物分子聚集成大范围的片状结构,具有很强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,但这种结构的抗剪切性和耐温性不好.此外,对于中分聚合物溶液,分子间相互作用以物理缠绕为主.对于中低分“抗盐”聚合物,分子间相互作用除了有物理缠绕外,还有范氏力、氢键和分子间缔合作用力等,使其黏度高于中分聚合物溶液.

表2 不同质量浓度时聚合物的黏度mPa·s

2.3 流动实验

采用注入污水配制4种“抗盐”聚合物溶液,质量浓度为1g/L.注入岩心前,对所有聚合物溶液预剪切40s.5种聚合物流动实验结果见表3,相应动态特征曲线见图3～5.

表3 5种聚合物流动实验结果

图3 注入压力与注入孔隙体积倍数关系曲线

图4 测点1注入压力与注入孔隙体积倍数关系曲线

由表3可知,P1聚合物(SH500×104)阻力因数和残余阻力因数最大,其次是P3聚合物(SH1500×104),再次为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.相对于其余3种聚合物, P2聚合物溶液工作黏度最大,为37.5mPa·s.说明阻力因数和残余阻力因数与“抗盐”聚合物的相对分子质量和黏度没有直接关系.

由图3～5可知,在注入聚合物过程中,P1聚合物注入压力最大,其测点1和测点2注入压力最小;P3注入压力大于P2和P4的,其测点1和测点2注入压力最大;P4注入压力最小,其测点1和测点2注入压力仅大于P1的.这说明在注入聚合物过程中,P2聚合物在模型沿长度方向上滞留比较均匀,在岩心多孔介质之中的流动特性最好,传输和运移能力最好;P1聚合物流动特性、传输和运移能力最差.在后续水驱阶段,P1聚合物注入压力最大,P4的最小;P3测点1注入压力最大,P4的最小;P3测点2注入压力最大,P1的最小.这说明随着后续水的注入,滞留在岩心前端的聚合物随后续水运移至岩心后半段或被采出,在一定程度上增强聚合物流动特性.

因此,P2聚合物(ZC700×104)在岩心多孔介质中流动特性最好,传输和运移能力最强,其次是P3,再次是P4,P1.这主要是由于聚合物在岩心多孔介质中的流动特性、传输和运移能力与其分子结构形态有关.对于P1聚合物,其分子在水溶液中聚集成大面积的片状结构,分子刚性较强,柔性差,传输运移能力最差,驱替过程中聚合物分子主要滞留在岩心前端或者堵塞在岩心端面,注入压力升幅较大.对于P4聚合物,其分子链柔性较好,粗细均匀,由于其分子与岩心孔隙吼道配伍性较差,即聚合物分子直径小于孔喉尺寸,使得驱替过程中聚合物分子受到的阻力很小,很容易被采出,导致最终阻力因数和残余阻力因数最小.对于P2和P3聚合物,其分子结构含有少量的高位阻基团,分子链刚性增强,但以柔性为主.这种聚合物在注入过程中遇到小孔隙易被捕集,但可以通过较大的孔隙吼道,使其在传输运移能力较好的情况下,阻力因数和残余阻力因数较大.

图5 测点2注入压力与注入孔隙体积倍数关系曲线

2.4 驱油效果

驱油剂组成与流动实验相同,驱油效果实验结果见表4.由表4可以看出:(1)当采用单一段塞注入方式时,4种“抗盐”聚合物驱采收率增幅在12%以上,采收率增幅比中分聚合物溶液提高2.9%～4.4%,具有较好的驱油效果.(2) 4种“抗盐”聚合物溶液中,P2聚合物溶液增油效果最好.这是由于P2聚合物分子结构含有少量的高位阻基团,分子链刚性增强,但以柔性为主.其流动阻力较大,并且传输运移能力较强.在驱替过程中,聚合物分子能进入岩心深部,扩大波及体积效果较好.

表4 驱油实验结果%

3 结论

(1)聚合物(HPAM)分子在水溶液中形成空间网络结构,且有一定的分形生长自相似性.研究的4种“抗盐”聚合物中,P1聚合物分子聚集成大范围的片状结构,骨架存在很小的细分支;P2和P3含有少量刚性基团,网络骨架存在少量的片状结构;P4聚合物分子结构形态比较均匀,分形生长的自相似性最强,没有片状骨架.

(2)相对于中分聚合物,中低分“抗盐”聚合物溶液增黏性较好.

(3)阻力因数和残余阻力因数受到与“抗盐”聚合物的相对分子质量和黏度的影响,但相关性不强,主要与其分子形态结构有关.P2聚合物在岩心多孔介质中流动特性最好,传输和运移能力最强.

(4)当采用单一段塞注入方式时,4种中低分“抗盐”聚合物溶液采收率增幅比中分聚合物溶液高2.9%～4.4%,具有较好的增油效果.

[1] 王德民,程杰成,吴军政,等.聚合物驱油技术在大庆油田的应用[J].石油学报,2005,26(1):74-78.

[2] 王启民,冀宝发,隋军,等.大庆油田三次采油技术的实践与认识[J].大庆石油地质与开发,2001,20(2):1-6.

[3] 卢祥国,赵小京,高振环,等.聚合物驱后剩余油分布规律研究[J].石油学报,1996,17(4):55-61.

[4] 孙尚如,何先华,邬侠,等.聚合物驱后剩余油分布核磁成像实验研究[J].大庆石油地质与开发,2003,22(4):61-63.

[5] 李宜强,隋新光,李洁,等.纵向非均质大型平面模型聚合物驱油波及系数室内实验研究[J].石油学报,2005,26(2):77-84.

[6] 兰玉波,杨清彦,李斌会,等.聚合物驱波及系和驱油效率实验研究[J].石油学报,2006,27(1):65-68.

[7] 赵永胜,魏国章,陆会民,等.聚合物驱能否提高驱油效率的几点认识[J].石油学报,2001,22(3):43-46.

[8] 韩培慧,赵群,穆爽书,等.聚合物驱后进一步提高采收率途径的研究[J].大庆石油地质与开发,2006,25(5):81-84.

[9] 朱卓岩,欧阳坚,杨怀军,等.TS-65型耐温抗盐聚合物的合成和现场试验[J].新疆石油学院学报,2004,16(4):34-36.

[10] 孙刚,罗锋.中低相对分子质量抗盐聚合物的分子聚集及溶液特性[J].大庆石油学院学报,2007,31(6):44-48.

[11] 廖广志,孙刚.驱油用部分水解聚丙烯酰胺微观性能评价方法[J].北京大学学报,2003,39(6):815-820.

[12] 卢祥国,高振环,宋合龙,等.人造岩心制作及其影响因素实验研究[J].大庆石油地质与开发,1994,13(4):53-55.

[13] 卢祥国,高振环.高分子量聚合物的分子量对岩心渗透率的适应性研究[J].油田化学,1994,11(1):73-76.

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;审稿人:夏惠芬;编辑:任志平

中国石油天然气股份公司项目(0522-14)

罗 锋(1978-),男,工程师,主要从事油田开发方面的研究.