聚合物驱在提高油气采收率上的应用与进展

张鲲鹏

摘 要：介绍了聚合物驱油原理，概括了聚合物驱所采用的聚合物品类，介绍了疏水缔合聚合物、两性聚合物及梳形聚合物的特点和发展概况，分析了提高采收率的系列方法。在新型驱油剂的研制过程中，要满足其苛刻的使用条件，开发出耐井下高温，不易在电解质溶液中被剪切破坏的高分子量聚合物驱油剂。

关 键 词：聚合物驱；采收率；聚丙烯酰胺

中图分类号：TE 39 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2016）04-0860-03

Abstract： The principle of polymer flooding was introduced. Types of the polymer used polymer flooding were summarized. The characteristics and development situation of hydrophobically associating polymers， amphoteric polymers and comb polymers were discussed. A series of enhanced oil recovery methods were analyzed. During the development of new oil-displacing agent， the agent has to meet the demanding using conditions， such as resistance to downhole high temperature， resistance to shear failure， and so on.

Key words： Polymer flooding； Recovery ratio； HPAM

石油是当今社会最重要的一种不可再生资源之一。保证石油的充足供给对于工业生产的正常运行，以及经济的发展，乃至国家的安全保障都有着十分重要的战略地位。随着近年来油气消费需求量的迅速提高，国内石油供给的份额越来越低。提高采油田油气采收率对于缓解我国石油压力至关重要。

油层采油过程分为三个阶段，一次采油是采油的初始阶段，主要靠天然压力出油，这一过程的采收率一般低于30%；目前发达国家的采油主要靠二次采油，二次采油是靠注水、注气等方式，采用水驱提高采收效果，但采收率依然低于50%；三次采油又称强化采油（EOR），常用的方式如采用高压蒸汽驱油，利用CO2、N2驱油，表面活性剂驱油，微生物驱油等。其中聚合物驱油可使采收率提高到80%左右，效果优异，目前我国大庆、胜利等油田材处于开采中后期，采出油含水率高，为了提高采收率，我国在油田开采过程中多使用 EOR 技术，以聚合物驱油最为广泛[1]。

1 聚合物驱油原理

在二次采油后，由于在岩石空隙的毛细管液阻效应，以及其本身表面的吸附性，在其中还保留有大量的未采出原油。一般情况下，油田油层岩石的原始润湿性为亲油性或偏亲油性，但是随着油田的水驱过程，油层岩石的性质开始改变，亲水性质得到加强，但一般情况下很难变为亲水性。聚合物驱可以有效降低油水界面张力将残余油取出。

聚合物主要是通过两方面的作用起到驱油效果。首先，由于聚合物的性质，可以吸附在岩石中的毛细管中，达到封堵水路的作用，而对油相的渗透率无明显影响，这是由于酰胺基与羧酸基的亲水憎油特征决定的。此外，高黏度的聚合物增大了水相的黏度，可以起到降低水相流度，从而起到减少水油流度比的作用。

2 驱油聚合物的分类

2.1 聚丙烯酰胺（HPAM）

聚丙烯酰胺（HPAM），特别是部分水解聚丙烯酰胺是目前使用最广泛的驱油剂及改性原料，由部分水解的丙烯酰胺单体合成的直链聚合物。水解度，即同一个分子中被水解的酰胺基物质的量占总酰胺基物质的量比，对聚合物的性能，如吸附、剪切和热稳定性等都非常重要。目前，由于油田实际生产的要求以及聚合物合成技术的进步，聚丙烯酰胺的相对质量已经可以达到2 500×l04，甚至3 000×104。

HPAM分子是一种长链结构高分子。微观结构中通常是无规则线团。聚丙烯酰胺通常表现出柔性，这是因为其次级结构不稳定，不能提供一定的强度。HPAM的不稳定性还体现在作为一种聚电解质，溶液中的离子会与其发生反应。这将会大大影响HPAM的分子构象，进而影响其使用性能。尤其是高温和高矿化度的油层环境中，更容易发生相分离，进而致使溶液黏度剧烈下降。

目前，即使的合成技术有了长足进步，合成的高相对分子质量的HPAM，在一定程度上解决了抗温抗盐的问题，但仍然解决不了聚合物溶液高速流经井底炮眼时长链大分子链段被剪切成若干小分子量的小链段的剪切作用，加之高温作用，存在着剪切变稀等缺点。

2.2 黄原胶

尽管HPAM的分子质量已经达到很高，在用量不高时溶液的表观黏度就可以满足油田使用要求，但当地层水矿化度较高和油层温度较高时，由于分子构像呈卷曲状态，溶液黏度仍然不高。因此，选择或研制开发刚性聚合物是一个重要途径。

黄原胶是用微生物黄单胞菌属茹菌素为原料生产的。其主链是由葡萄糖单体合成类似于纤维素一样的链构成。其主链上相间的结构单元上所连接的侧链是黄原胶结构的重要特征。由三糖系列的甘露糖-葡糖醛酸-甘露糖组成。

X射线衍射研究结果表明，黄原胶具有螺旋状的分子结构，其侧基沿着螺旋线折起来，从而形成刚性的柱状分子。因此，当水中的电解质浓度或温度增高时，在刚性作用下黄原胶分子不会像HPAM那样卷曲，导致溶液表观黏度降低。也就是说，生物程度上具有抗温抗盐性。也就是说，生物聚合物在一定程度上具有抗温抗盐性。

由于生产工艺以及其他技术原因，黄原胶生物聚合物的生产成本较高。这在一定度上影响了在油田上的大规模应用。无论是合成的HPAM还是生物聚合物黄原胶，都存在一定问题，因此，研制开发兼具耐热、抗腐蚀、抗剪切等优异性能且经济可行的聚合物是未来主流发展趋势。

2.3 疏水缔合聚合物

疏水缔合聚合物，又称缔合聚合物，是一种性能优异的新型聚合物，其解决了聚丙烯酰胺的缺点，以聚丙烯酰胺分子链主体为基础引入少量疏水基团。由于疏水基的存在，增强了分子间的作用力，使其在较低的浓度下也可体现出一定的黏度。此外，疏水缔合聚合物由于分子结构上的特点，其溶液耐盐、抗剪切等性能及对驱油效果的影响显著有别于部分水解聚丙烯酰胺。

McCormick等[2]研究了丙烯酰胺与N-烧基丙烯酰胺胶束发生聚合反应在水溶液中的特性，并且借助荧光法及紫外可见光谱法，证实了大分子链中疏水链段是以嵌段结构存在的。实验结果还表明存在于疏水基团中的微嵌段结构显著影响驱油剂的增稠作用，同时具备优良耐盐特性。

G.O.Yahaya[3]等使用引发剂过硫酸钾（KPS）、表面活性剂十六烷基三乙基溴化铵（CTAB），合成了疏水缔合型丙烯酰胺共聚物。共聚物中的疏水链段的比例可以通过合成过程中疏水基团原料的比例进行控制。其反应历程图1所示：

李亮等[4]采用胶束共聚法，通过在丙烯酰胺中加入疏水单体丙烯酸正辛酯合成一种新型疏水缔合水溶性聚合物，并且测试发现该聚合物耐温抗盐性能良好。

周妮等[5]采用自由基胶束共聚法，在丙烯酰胺主体中复配了两种单体，分别是N，N-二甲基丙烯酰胺（DMAM），其在聚合物分子种起到了疏水作用，另一种单体为2-丙烯酰氨基-2-甲基丙磺酸（AMPS）。实地应用测试结果表明，合成的三元驱油聚合物PAD黏度下降缓慢，且表现出优良的耐盐。

刘平德等[6]通过研究丙烯酰胺、烷基二甲基烯丙基氯化铵作为原料制备的共聚物的流变特性，发现随着溶液浓度提升，剪切速率对黏度恢复率的影响显著降低。

2.4 两性聚合物

两性聚合物是分子链上存在阳离子基团（叔胺、季胺盐）和阴离子基团（梭酸、磺酸基）的共聚物。由于将相等电荷数的阴、阳离子基团引入高分子链，致使其易由于阴、阳离子基团的相互吸引而在淡水中发生分子链收缩。在盐水溶液中，由于盐自身的电解释放出正负离子，与聚合物内阴、阳离子基团结合，降低聚合物自身基团间的相互吸引力。因此，两性聚合物在电解质溶液中使用时具有较高的黏度。

Kujawa等[7]以（2-甲基丙烯酞基）氧乙基三甲基氯化铵（MADQUAT）、丙烯酰胺（NaAMHPS）和丙烯酰胺（AM）为单体合成了疏水改性两性聚合物。孙宝珍[8]使用引发剂K2S2O8-Na2S03为引发剂，合成了三甲基烯丙基氯化铵两性离子聚合物。

伊卓[8]等合成了甲基丙烯酸-2-二甲氨基乙酯（DMAEMA）与甲基丙烯酸叔丁酯（tBMA）的嵌段共聚物。进行相对分子量测试后结果表明，制得产品的相对分子质量与设计目标值一致。

2.5 梳形聚合物

和两性聚合物不同，梳形聚合物是指在高分子的侧链上同时含有亲油基和亲水基，这两种基团相互排斥，分子间及内部均存在较强排斥力，整个分子铺展开来，高分子链在水溶液中排列成梳子形状（图2）。

Zhao等[9]通过对所制备的一种新型四元梳形活性聚合物的溶解性能研究时发现，两亲支链使聚合物在溶液中存在强烈的分子间疏水缔合作用，从而大幅提高梳形聚合物的耐温抗盐性能。

罗健辉[10]等人开发了KYPAM具有辫状侧链的梳形抗盐聚合物，并将其应用于生产中，这种聚合物主链上引入了含离子基团的成双侧链，使高分子链在水溶液中呈现出分散的梳形。多个有天安的生产实践表明，此聚合物1000mg/L的溶液黏度比超高分子量的HPAM 高出30%～40%；在溶液老化实验中，黏度保持好；在剪切稳定性实验中，效果优异。

3 聚合物驱提高采收率的影响因素

在确定聚合物驱后，聚合物溶液体系对聚合物驱效果就起着最为关键的影响，需要研究聚合物溶液体系与油藏的配伍性，配伍性主要体现在聚合物分子回旋半径与储层隙半径配伍、聚合物溶液质量浓度与渗透率配伍、聚合物溶液用量与剩余可动储量配伍，但在实际生产过程中，由于油层的情况较为复杂地层水矿化度存在不同，不能完全试用同一个模型，因此，聚合物驱过程中要完全实现上述原则是很困难的。

聚合物驱开发相对于水驱开发成本较高、周期短，因此需要掌握影响聚合物驱的各种因素，力争在开发的过程中控制好不利因素带来的影响，达到技术和经济效益的最大化。同样，聚合物驱采收率也是由波及体积和波及效率两个因素决定的。

此外，在聚合物驱采油的过程中，还有其他因素影响了采收率的提高，有油藏因素、水驱开发状况、聚合物溶液体系、生产过程中的跟踪调整、地面设备井下工艺和管理水平等因素，需要说明的是这些因素的影响并不是孤立的，很多情况下是这些因素综合作用的效果。

聚合物驱通常不是单独使用。聚合物驱后仍有大量残余油滞留在地层，针对这种情况可以使用聚合物表面活性剂复合驱、聚合物碱复合驱、二氧化碳驱、混相驱等方式来提高原油采收率[11]。

4 结束语

随着石油的开采，增加原油产量已成为亟待解决的问题。三次采油技术的应用推广极大的满足了对于能源的需求。聚合物驱油已经成为提高老油田原油采收率的主要手段。在新型驱油剂的研制过程中，要满足其苛刻的使用条件，开发出耐井下高温，不易在电解质溶液中被剪切破坏的高分子量聚合物驱油剂。此外还应考虑生产实际，尽量优化驱油用聚合物的生产条件，降低聚合物的合成生产成本，同时还应注意其他相应措施，利用多相驱、混合驱等方式综合提高采收率。

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