疏水单体含量对疏水缔合聚合物渗流特性的影响

冯茹森，唐昊，孙建辉，周洋，蒲迪，郭拥军

(1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川 成都 610500;2.西南石油大学 化学化工学院，四川 成都 610500;3.安徽省天然气开发股份有限公司，安徽 合肥 230000)

聚合物驱是一种重要的三次采油技术，用聚合物水溶液为驱油剂，以增加注入水的粘度，提高其波及效率，从而达到提高原油采收率的目的［1-2］。疏水缔合聚合物是目前理想的抗盐抗温和抗剪切的新型聚合物，在疏水缔合水溶性聚合物的水溶液中，疏水基团之间由于疏水作用而发生聚集，使聚合物链产生缔合;在缔合浓度(CAC)以下，主要形成分子内缔合，其结果是使线团收缩，流体力学体积减少;在CAC 以上，则主要形成以分子间缔合为主的超分子结构而具有较好的增粘性［3-4］。在采油过程中，疏水缔合聚合物在油藏中的渗流特性影响着采收率的高低:如聚合物的分子量、分子尺寸、疏水单体含量等影响着聚合物在油藏中的渗流特性，从而影响流度比、水相渗透率和波及体积［5］。

叶仲斌等［6］报道了关于疏水缔合聚合物在高渗透多孔介质中阻力系数和残余阻力系数与疏水单体含量成正比，而在低渗条件下未见有报道。本文排除其它的因素(分子量、矿化度)干扰，采用新的实验室自制平板夹砂渗流模型，研究了同剪切粘度的三种不同疏水基含量的疏水缔合聚合物在平板夹砂渗流模型中的渗流特性，探索了不同渗透率下阻力系数和残余阻力系数与疏水基含量的变化规律;并试图研究疏水单体含量的疏水缔合聚合物、渗流特性和聚集体尺寸三者之间的关系。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

石英砂(60 目、100 目、140 目);纯水;NaCl，分析纯;DP 系列聚合物(见表1)。

表1 聚合物物性Table 1 The properties of the DPs

S312 恒速搅拌器;EMS-20 恒温水浴磁力搅拌器;电子分析天平;D-250L 恒速恒压泵;核微孔滤膜(孔径为3 μm);平板夹砂渗流模型、微孔滤膜法装置均为自制;Physica MCR301 高级流变仪;Peltier 加热系统。

1.2 聚合物溶液的制备

提纯后的聚合物干粉样，在恒温水浴50 ℃条件下，用5 000 mg/L 的NaCl 溶液(过500 目筛)配制DP 系列疏水缔合聚合物母液，浓度为5 000 mg/L。充分溶解后静止24 h。稀释成所需浓度的目标溶液，并过500 目筛，静止8 h 后待用。

1.3 实验方法

1.3.1 剪切粘度测试 在45 ℃下，通过高级流变仪锥板转子系统CP75-1，剪切速率扫描范围0.001～100 s－1;取点方式:Ramp log+Points/decade，每个数量级取10 个点;测试前设定20 s－1预剪切3 min，静置20 min。同时，由于样品的测试时间过长(40 min)，为了避免水分蒸发造成的测量误差，在测量系统边缘(锥板转子系统)进行滴加二甲基硅油处理。

1.3.2 渗流实验 ①选取所需目数的石英砂进行填砂，并用模拟盐水饱和，30 min 后测定其湿重，确定其孔隙体积(即PV)及孔隙度，确定三个平板的总PV 值;②在45 ℃下，通过去离子水驱测定平板夹砂渗流模型水测渗透率K;③将模拟盐水和目标浓度疏水缔合聚合物溶液分别装入中间容器;④将三个相近渗透率的平板夹砂渗流模型按照图1 串联，进行聚合物渗流传导实验，渗流速率3 m/d;⑤通过链接好的压力传感器，电脑自动记录不同时间下的准确压力值;⑥待进口端注入压力稳定5PV 后转后续水驱，注入压力稳定1PV 后结束实验;⑦绘制注水压力、注聚压力和后续注水压力与PV 数之间的关系曲线。

图1 聚合物溶液渗流特性实验流程示意图Fig.1 The schematic diagram of the seepage characteristics experiment process of polymer solution

1.3.3 微孔滤膜过滤实验 ①将配制好的聚合物目标浓度溶液装入中间容器，同时，用去离子水将核微孔滤膜润湿，小心平铺于滤膜夹持器的支撑面上，要求没有卷曲折叠等情况，使用的滤膜孔径为3 μm;②将中间容器和滤膜夹持器放置于45 ℃恒温箱内(图2);在整个回路都密封性能良好的情况下，打开稳压装置上的减压阀门，待压力传感器的数值达到0.01 MPa 时，打开出液端阀门，使聚合物开始流入集液器中;③通过计算机自动记录不同时间过滤液流出质量，最终进行数据处理与分析。

图2 聚合物溶液滤过实验流程示意图Fig.2 The schematic diagram of the filtration experiment process of polymer solution

2 结果与讨论

2.1 不同疏水单体含量的疏水缔合聚合物剪切粘度

最终选取的在45 ℃下不同疏水单体含量疏水缔合聚合物DP 系列相近剪切粘度体系见图3。

图3 DP 系列剪切粘度变化曲线Fig.3 The curves of viscosity of the DPs with shear rate

筛选此体系时，浓度点应选取临界缔合浓度值之上，由于在临界缔合浓度值之下分子内缔合作用较弱，不能体现出疏水缔合聚合物的良好性能，同时考虑到后续渗流特性实验的注入性能和驱油实验差异明显性等因素，最终选取相近剪切粘度体系其表观粘度在45 ℃、剪切速率为7.34 s－1条件下为80 mPa·s 左右，DP-0、DP-1 和DP-2 在此筛选体系下的浓度分别为2 500，2 350，2 600 mg/L。

2.2 DP 系列同粘度体系不同渗透率条件下的渗流特性

2.2.1 渗透率6.1 μm2条件下的渗流特性 测定结果见图4 及表2。

图4 渗透率6.1 μm2 条件下DP 系列在模型中的压力与PV 数关系曲线Fig.4 The curves of the number of PV versus pressure for the DPs in 6.1 μm2

表2 渗透率6.1 μm2 条件下DP 系列渗流特性实验结果Table 2 The results of seepage characteristics of the DPs in 6.1 μm2

由图4 和表2 可知，对于平板夹砂渗流物理模型而言，当渗透率达到6.1 μm2时，不同疏水单体含量疏水缔合聚合物同剪切粘度体系DP-1、DP-2 和DP-0 的注入压力比较容易达到平衡，阻力系数RF和残余阻力系数RRF 的变化曲线也基本一致。但疏水缔合聚合物相比聚丙烯酰胺有着更高的阻力系数和残余阻力系数，并且随着疏水基含量的增加，聚合物溶液在多孔介质中渗流时，压力达到稳定时所需注聚PV 数也相应增加，其PV 数分别为4，4.9，7.8PV;由于疏水基含量的增加，石英砂对聚合物溶液吸附能力有所增加，导致注聚PV 数也相应增加。由模型1 可知，随着疏水基含量的增加，阻力系数随之增加，其值分别为7.25、8.5、14.48，因为疏水基含量增加，聚合物形成的流体力学半径就越大，在模型中产生的空间阻力越大，导致产生的阻力系数也相应增加［7-8］。

从粘度保留率可知，在渗透率达到6.1 μm2时，由于注入性良好，DP 系列粘度保留率均在90%以上，并且随着疏水单体含量的增加，聚合物溶液的粘度保留率有所下降，因为疏水基含量的增加，石英砂对聚合物溶液吸附能力有所增加;另外，聚合物在石英砂中存在剪切作用，对聚合物粘度有着剪切稀释的作用，然而聚集体尺寸越大受到的剪切作用越大，导致最后的粘度保留率有所下降。

2.2.2 渗透率3.1 μm2条件下渗流特性 测定结果见图5 和表3。

由图5 和表3 可知，DP-0 在模型中压力变化趋势与渗透率6.1 μm2相似;DP-1 和DP-2 的各模型间的压力值均先随注入量增大而快速增大，而后缓慢增加，疏水单体含量越大，达到平衡的所需PV 数也越大，特别是缓慢增加段的PV 数越大。其中，疏水单体含量最小的DP-1 注入约6PV 后压力值基本达到稳定，且3 个模型的阻力系数也基本接近;疏水单体含量较高的DP-2 压力值稳定时，注入量分别约为8.6PV，然而模型3 的阻力系数大于模型1 和2的阻力系数，根据已有文献报道，疏水缔合聚合物在多孔介质中存在剪切拉伸，导致粘度增加，从而使通过各模型间聚合物粘度不一致，因此造成阻力系数之间的差异;另一可能原因是，疏水缔合聚合物在多孔介质中流动时，聚集体尺寸发生变化，导致阻力系数出现差异性。

图5 渗透率3.1 μm2 条件下DP 系列在模型中的压力与PV 数关系曲线Fig.5 The curves of the number of PV versus pressure for the DPs in 3.1 μm2

表3 渗透率3.1 μm2 条件下DP 系列渗流特性实验结果Table 3 The results of seepage characteristics of the DPs in 3.1 μm2

2.2.3 渗透率1.1 μm2条件下渗流特性 测定结果见图6 和表4。

图6 透率1.1 μm2 条件下DP 系列在模型中的压力与PV 数关系曲线Fig.6 The curves of the number of PV versus pressure for the DPs in 1.1 μm2

由图6 可知，在此渗透率下，DP-0 在3 个模型中的RF 和RRF 随注入量的变化基本一致，注入量约为5PV 后，压力值达到稳定;DP-1 和DP-2 在各模型间的压力值均先随注入量增大而快速增大，而后缓慢增加，疏水单体含量越大，达到平衡的所需PV数也越大，特别是缓慢增加段的PV 数越大。其中，疏水单体含量最小的DP-1 注入约6.2PV 后，压力值基本达到稳定;疏水单体含量较高的DP-2，压力稳定的注入量分别约9.3PV。

由表4 可知，DP-1 和DP-2 在模型3 中的阻力系数均大于模型1 和2 的阻力系数，不过相比渗透率3.1 μm2条件下，3 个模型的阻力系数差异幅度有所增加，DP-2 尤为明显，进而可以说明在更低渗透率下串联平板可视模型中疏水缔合聚合物存在的阻力系数的差异性越明显，因为可能渗透率降低到此程度时，疏水缔合聚合物，尤其是疏水单体含量较高疏水缔合聚合物的流体力学半径比该渗透率下的孔径较大或者相当，导致聚合物在石英砂中受到剪切稀释更加明显，因此聚合物溶液注入性能开始变差，从而导致流出液粘度下降［9］。

表4 渗透率1.1 μm2 条件下DP 系列渗流特性实验结果Table 4 The results of seepage characteristics of the DPs in 1.1 μm2

2.3 相近剪切粘度体系DP 系列聚集体尺寸微孔滤膜法

测定结果见图7 和表5。

由图7 和表5 可知，在相同压差相同滤膜孔径的情况下，随着疏水单体含量的增加，DP 系列同剪切粘度体系聚合物溶液在相同时间内，其流量由13.94 g/min 逐次减少到2.51 g/min，表明聚合物溶液的聚集体尺寸随疏水单体含量的增加而增大，同时解释了为什么在相同渗透率及相同渗流流速的条件下，随着疏水单体含量的增加，聚合物溶液在多孔介质渗流时产生的阻力系数也越高的这一现象［10］。

图7 DP 系列聚合物过滤质量随时间变化曲线Fig.7 The curves of filtration quality of the DPs with flow time

表5 DP 系列聚合物核微孔滤膜过滤实验结果Table 5 The results of nuclear microporous membrane filtration experiment for the DPs

3 结论

采用平板夹砂渗流模型及微孔滤膜装置研究了不同疏水单体含量的疏水缔合聚合物在平板模型中的渗流特性，结果表明:①随着疏水单体基含量的增加，三种疏水缔合聚合物在串联平板夹砂模型中产生的阻力系数及残余阻力系数都也相应增加，其阻力系数大小顺序为RFDP-0＜RFDP-1＜RFDP-2;其残余阻力系数大小趋势与阻力系数相一致;其注入聚合物达到稳定时所需时间也与阻力系数变化趋势相一致;②通过微孔滤膜过滤法定性可以判定:随着疏水单体含量的增加，3 种疏水缔合聚合物的流体力学半径也相应随着增大，其大小顺序为RDP-0＜RDP-1＜RDP-2;③在同粘度下的三种不同疏水单体含量的疏水缔合聚合物在三个串联平板夹砂渗流模型中造成三个平板间的阻力系数和残余阻力系数之间的差异是因为聚集体尺寸大小不同。

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