高分子聚合物相对分子质量控制装置的设计与应用

1大庆油田工程有限公司 2天津大学 3大庆油田采油一厂

高分子聚合物相对分子质量控制装置的设计与应用

董燕1张吕鸿2王梓栋1王秋艳3

1大庆油田工程有限公司 2天津大学 3大庆油田采油一厂

在聚合物分层注入技术取得显著效果的同时，驱油过程中聚合物相对分子质量匹配问题也日益尖锐。基于聚合物机械降解原理，设计了一种新型多孔材料聚合物相对分子质量调节装置，可以实现井间聚合物溶液分质注入的目的，在实现相对分子质量有目的性调控前提下，流体流经该装置时受到的剪切力是均匀的，得到的相对分子质量也是相同的，解决了注入聚合物相对分子质量均匀匹配的问题。

聚合物驱；多孔介质；相对分子质量控制装置；分质注入

随着聚合物驱开发对象从主力油层转向二类油层，注入井及其注入过程中需要注入不同相对分子质量的聚合物，驱油过程中对聚合物相对分子质量匹配要求越来越迫切。如何实现油藏高渗透层注入高相对分子质量聚合物溶液，油藏低渗透层注入低相对分子质量聚合物溶液，是分层分段注聚技术发展的主要趋势[1-2]。

1剪切机理及相对分子质量控制装置设计

1.1 设计原理

聚合物在化学降解或者微生物降解的过程中不容易控制，且降解产物不稳定，因此该相对分子质量控制装置是基于聚合物机械降解机理设计的[3]。聚丙烯酰胺是一种非牛顿流体，兼具黏性和弹性的特点，其高分子链具有柔性链的结构特性。当聚合物溶液流动时，因流动速度的急剧变化，体系中聚合物分子会沿流动方向被拉长。当聚合物分子被拉伸到一定程度，超过聚合物分子链的承受强度时，作用在聚合物分子链上的力能够导致分子链分解、断裂，使分子形态和尺寸发生变化，从而造成聚驱相对分子质量的减小，黏度降低，发生机械降解；当聚合物流经多孔介质的时候，受到均匀的剪切力从而使得高相对分子质量的聚合物发生不同程度的降解，得到相对低的相对分子质量以满足分质注入的目的。该相对分子质量调节装置可以实现相对分子质量调节范围在20%～50%的要求。

1.2 装置结构

图1是聚合物相对分子质量控制装置结构示意图。通过阀杆将装置的不同部件和基座相连接，该设备主要的结构是剪切聚合物流体的多孔介质调节元件和调节流体流过介质面积的阀瓣。纵剖面圆形的阀瓣是两半结构，两半阀瓣合在一起后通过螺栓固定，且两半阀瓣之间固定有多孔介质调节元件，因此通过调节阀瓣的关闭可以实现剪切调控，操作简单方便，且易安装拆卸。

图1 新型高分子聚合物相对分子质量控制装置结构

影响剪切效果的关键部分是调节元件，本实验使用的是不同孔径多孔金属材料。根据相对分子质量大小及降解要求，调节多孔金属元件的体积空隙分率、孔径及高分子聚合物溶液的流量，从而改变聚合物溶液流经调节装置的剪切速率，实现相对分子质量的改变。

该聚合物相对分子质量控制装置可以固定在聚合物注入站的注入泵出口处，配置适宜的多孔介质调节元件的孔径和长度，可使来自配制站的各种相对分子质量的聚合物溶液经过个性化调节装置后，聚合物溶液的相对分子质量及黏度趋于一致，并得到所需相对分子质量和黏度的聚合物溶液，实现1座注入站可同时注入多种相对分子质量的聚合物。

2实验结果与分析

2.1 室内实验测试结果与分析

大量的测试实验表明，聚丙烯酰胺溶液的相对分子质量、浓度、多孔介质的孔径以及流量对剪切效果有显著影响。因为这些因素能够影响黏弹性流体在多孔介质中流动的剪切速率大小。根据Littmanm的剪切力以及相关公式可知，影响剪切力大小主要有孔径、流量和孔隙度，实验中用的孔隙率是95%。

实验主要研究了聚合物相对分子质量和孔径对聚合物剪切效果的影响，如图2和图3所示。

图2 相对分子质量对HPAM溶液黏度损失率的影响

图3 孔径对HPAM溶液黏度损失率影响

通过试验测试可知，相对分子质量越大，流速越大，相对分子质量损失越大；孔径越小，剪切效果越明显，黏度损失越大。实验表明，多孔介质可以满足聚合物相对分子质量的降低要求，根据实际油田环境不同的岩层结构可以选用不同的参数。

2.2 现场应用测试结果与分析

将该相对分子质量控制装置在大庆油田ZD22—5E47和ZD22—E53两处不同地层结构的井田进行测试。通过0.3～0.8 m3/h之间不同的流速测试，以及不同大小相对分子质量的聚合物溶液作为初始进口流体，在油田基地做了相关测试，结果见图4。

图4 在ZD22—5E47井田相对分子质量随流量的变化关系

从现场测的数据可以得出：流速越大，相对分子质量降低的程度越大，表明聚合物被机械降解的程度越大，同时进入设备的聚合物流体初始相对分子质量越大，经过该设备后相对分子质量的损失程度越大。而且，在不同的两个井田之间，相同条件下的相对分子质量损失基本相同，这说明该相对分子质量控制装置受不同地质的影响非常小。整个过程设备两端的压降相对很低，最大的压差在0.37 MPa，符合设备的工作要求。

3实验结果

（1）通过改变多孔介质的孔径和开孔率、元件的长度以及流速等变量，可以实现聚合物溶液不同程度的降解，获得所需要的相对分子质量大小。

（2）基于机械剪切原理研制的新型相对分子质量控制装置，可以将相对分子质量降低20%～50%，最大压降0.37 MPa，能够满足油田对于聚合物相对分子质量的要求。

（3）新型相对分子质量控制装置一次性投入比较低，且具有可拆卸、安装及操作方便的特点。

[1]段宏，梁福民，刘兴君，等．三元复合驱偏心分注技术[J]．石油钻采工艺，2006，28（2）：62-65.

[2]单晶，马宏伟，袁云，等．聚合物驱井下单管多层分注工艺[J]．石油钻采工艺，2005，27（3）：36-37.

[3]王梓栋，董燕，邢均．聚合物分子量调节装置：ZL2012 2

0625323.6 [P]．2013-04-17.

（栏目主持 李艳秋）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.8.005

2015-02-03