驱油用聚合物溶液的拉伸流变性能

韩玉贵,曹绪龙,宋新旺,赵 华,何冬月

(胜利油田分公司地质科学研究院,山东东营 257015)

驱油用聚合物溶液的拉伸流变性能

韩玉贵,曹绪龙,宋新旺,赵 华,何冬月

(胜利油田分公司地质科学研究院,山东东营 257015)

测试不同类型聚合物在不同质量浓度、不同盐度条件下拉伸流变性能.结果表明:随着聚合物溶液质量浓度的增大其拉伸黏度也增大,随着溶液中NaCl盐度增加而拉伸黏度减小,但不同类型聚合物拉伸黏度受质量浓度和盐度影响的强弱不同.通过对聚合物拉伸流变性能的测试,可以分析溶液中聚合物分子的存在状态及作用机理,进而指导油田用聚合物的筛选、质量控制及配方设计等;聚合物溶液在长细管岩心中的渗流运移规律明显不同,拉伸流变性能对于聚合物溶液在地层中的渗流运移特性起重要作用.

拉伸流变;聚合物溶液;黏弹性;多孔介质;长细管岩心

0 引言

早期的聚合物驱油机理认为聚合物的作用是通过增加驱替液流体黏度,降低水油流度比,增大波及体积,从而达到提高原油采收率的目的.张宏方等[1-6]研究提出聚合物驱不仅可以提高波及系数,而且还可以提高水波及域内的驱油效率.提高驱油效率的机理表现为:(1)本体黏度可以改善水油流度比,扩大波及体积;(2)油水界面黏度是聚合物溶液驱替膜状、孤岛状残余油的主要原因;(3)拉伸黏度使聚合物溶液存在弹性,是驱替盲端残余油及提高地下聚合物有效黏度的主要原因.尽管在这方面的认识尚不统一,但驱油用聚合物溶液流变性的重要程度显而易见.为此,人们研究聚合物溶液流变行为较多.特别关于聚合物溶液剪切流变性研究有较多报道[7-11],曹绪龙、窦立霞等[12-14]对聚合物油水界面流变性能也开展研究,得出超高分子 HPAM溶液界面黏弹性比疏水缔合型大,且前者黏弹模量大于后者的认识,但到目前为止油田用聚合物溶液拉伸流变性能研究还未见报道.

笔者对不同类型驱油用聚合物的拉伸流变性进行研究,以期探索溶液中聚合物分子的存在状态、分子间作用力强弱及微观驱油机理,指导聚合物驱、二元复合驱中聚合物的筛选、质量控制和配方设计及新型聚合物开发研制等.

1 实验

1.1 材料及仪器

聚合物 HPAM-1,特性黏度为1 546 mL/g,水解度为23.3%,山东东营长安化工集团生产,制备过程中分子链上引进一些疏水单体,所以该聚合物在溶液中存在一定的疏水缔合作用;聚合物 HPAM-2,特性黏度为2 592 m L/g,水解度为23.5%,日本进口;氯化钠,分析纯,天津市盛大化工销售有限公司生产.

HAA K CaBRE1拉伸流变仪,美国热电公司生产;MCR300高温高压流变仪,奥地利安东帕公司生产.

1.2 流变性测试

1.2.1 条件

拉伸流变测试条件:温度为30℃,测量板直径为6.0 mm,样品初始高度为3.0 mm,样品最终高度为15.0 mm;剪切表观黏度测试条件:温度为30℃,剪切速率为7.34 s-1.

1.2.2 过程

分别用蒸馏水配制质量浓度为500,1 000,1 500,3 000 mg/L的聚合物溶液,考察质量浓度对不同聚合物流变性的影响;分别用氯化钠质量分数为0,0.5%,1.0%,1.5%,2.0%溶液配制质量浓度为1 500 mg/L聚合物溶液,考察盐度(质量分数)对不同聚合物流变性的影响;分别用十二烷基磺酸钠质量分数为0,0.05%,0.10%,0.15%,0.20%溶液配制质量浓度为1 500 mg/L聚合物溶液,考察表面活性剂对不同聚合物流变性的影响.

1.3 岩心驱替

长细管岩心长度为16 m,内径为0.7 mm,均匀分布5个测压点,进口、出口各1个测压点,渗透率为20μm2,孔隙度为35%.先用2 mg/L NaCl水溶液饱和长细管岩心,然后利用1 500 mg/L聚合物溶液以0.25 m L/m in注入长细管岩心,检测不同测压口的压力,实验温度为75℃.

2 结果与讨论

2.1 质量浓度

2种不同质量浓度聚合物拉伸黏度应变曲线见图1.由图1可知,2种聚合物拉伸黏度随其质量浓度的增加而逐渐增大,但不同聚合物的拉伸黏度随质量浓度变化的幅度不同.分别取应变为10时所对应的拉伸黏度为基础,比较质量浓度对不同聚合物拉伸剪切表观黏度影响关系,见图2.由图2(a)可知,HPAM-1聚合物随质量浓度增加其拉伸黏度迅速增大,并且存在一个明显拐点,而 HPAM-2的只是缓慢增加,并没有明显拐点.

图1 2种不同质量浓度聚合物拉伸黏度与应变关系曲线

由图2(b)可知,随着质量浓度增加2种聚合物的剪切表观黏度没有出现明显的拐点,主要是由于溶液中聚合物分子间作用机理和存在状态不同引起的.就溶液间分子间作用力大小而言,一般分子间的疏水缔合作用大于分子之间的缠结作用,并且随着质量浓度增加,聚合物分子间的疏水缔合作用力迅速增大,而分子间的缠结作用没有较大增加,所以在破坏溶液中聚合物网状结构的低剪切速率下,疏水缔合或分子缠结作用而形成的网状结构造成聚合物动力学体积增大,对剪切黏度的贡献是等效的,聚合物相对分子质量越高,分子间越易发生缠结使其水动力学尺寸增大,剪切表观黏度也就越大;涉及破坏溶液中聚合物网状结构的拉伸流变测试时,聚合物分子间作用力更强、网状结构更牢固,其拉伸黏度就越大、弹性越强.

图2 不同聚合物拉伸、剪切表观黏度与质量浓度关系曲线

通过不同质量浓度聚合物拉伸流变性能测试,一方面可以了解单个聚合物在不同质量浓度条件下弹性大小,进而可以分析溶液中分子存在状态及作用机理,为聚合物驱微观机理解释、驱油配方设计提供直接证据;另一方面可以对不同聚合物类型进行鉴别.由2种黏度测试结果证明,通过拉伸流变性能测试可以更全面、客观了解聚合物溶液的性能,为油田用聚合物的筛选、质量控制、新型聚合物开发提供技术指导.

2.2 盐度

盐度对不同聚合物流变性影响的测试结果见图3.由图3可知,随着水中NaCl质量分数的增加,2种聚合物的拉伸黏度和松弛时间减小,但不同聚合物拉伸流变性受盐度影响强弱不同,这也是由聚合物类型不同导致在溶液中分子的存在状态及作用机理不同引起的.对于 HPAM-1聚合物,溶液中临时动态网状结构的形成是分子间缔合和分子间缠结共同作用的结果,随着溶液中盐度的增加,缠结作用大幅度减少,而分子间缔合作用能够缓冲盐对溶液中临时动态网状结构的破坏.由于分子链的卷曲,分子间缔合的概率逐渐减小,而分子内缔合概率增加,所以在盐度为1.0%时,是由分子间缔合作用为主向分子内缔合作用为主转化的临界点.

图3 水溶液中NaCl盐度对聚合物拉伸黏度的影响

2种聚合物拉伸黏度和剪切表观黏度随溶液中盐度变化的影响关系见图4.由图4可知,2种聚合物的拉伸黏度和剪切表观黏度受溶液中盐度的影响趋势基本相同,只是盐溶液中 HPAM-1聚合物的拉伸黏度和剪切表观黏度大于 HPAM-2的,原因是 HPAM-1聚合物分子间缔合作用能够减小盐对溶液中聚合物临时动态网状结构的破坏.

2.3 注入孔隙体积倍数

HPAM-1和 HPAM-2聚合物在长细管岩心运移时的沿程压力变化曲线见图5.由图5可知,通过驱替过程中长细管岩心沿程压力变化可以了解聚合物溶液在多孔介质中的渗流运移规律,HPAM-1聚合物溶液的注入造成入口(P1)和出口1(P2)处压力的急剧增加,后面的出口(P3,P4,P5,P6)较低,而HPAM-2聚合物溶液注入时,入口、出口1至出口5处的压力缓慢递减,这种现象的原因也是溶液中聚合物分子存在状态及分子间的作用大小不同造成的.

图4 不同聚合物黏度与盐度关系曲线

图5 2种聚合物在长细管岩心中运移时的沿程压力变化曲线

3 结束语

通过对 HPAM-1和 HPAM-2两种类型聚合物,在不同质量浓度、不同盐度条件下拉伸流变的评价和在长细管岩心中运移渗流规律的研究,发现溶液中聚合物分子间作用力对拉伸黏度起重要作用,因为分子间作用力决定分子间形成的临时交联网状结构的牢固程度,也同时反映其溶液弹性的大小.通过比较聚合物剪切表观黏度测试结果,拉伸流变能够更客观地反映溶液中聚合物分子存在状态及作用大小,同时反映溶液的弹性强弱,而溶液弹性强弱直接影响在多孔介质中的运移情况.通过拉伸流变性能测试可以更全面了解聚合物溶液性能,为微观驱油机理解释,油田用聚合物的筛选、质量控制、新型聚合物开发提供技术指导.

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Extensional rheological properties of polymer solution for oil driving/2011,35(2):41-45

HAN Yu-gui,CAO Xu-long,SONG Xin-wang,ZHAO Hua,HE Dong-yue
(Research Institute of Geology,Sheng liOilfield Com pany,SINOPEC,Dongying Shandong 257015,China)

Extensional rheological p roperties of two type polymer solution w ere studied in different concentration and in different salinity.The higher the polymers concentration,the higher extensional viscosity of polymers;the higher the NaCl solution concentration,the lower extensional viscosity,but the effect of concentration and salinity on the extensional viscosity was very different for different polymers.A s a result,by studying on extensional rheological p roperties of polymer so lution,w e can conjecture polymer molecular form and action mechanism each other in water.A t the same time,it can guide such activities as polymer choosing,quality controlling,and technique designing.The characteristics of seepage flow and migration were studied in long tubule core fo r different polymers.Result showed that the characteristics of seepage flow and m igration w as very different fo r two different type polymers.A ll this p roved that the extensional rheological p roperties of polymer solution is very important for chemical flooding.

extensional rheological p roperties;polymer solution;viscoelastivity;long tubule core

TE341

A

1000-1891(2011)02-0041-05

2010-06-23;审稿人:卢祥国;编辑:关开澄

国家科技重大专项(2008ZX05011)

韩玉贵(1978-),男,硕士,工程师,主要从事化学驱提高采收率技术方面的研究.