马来酸十六双酯磺酸钠-丙烯酰胺聚合物驱油剂的室内性能研究

殷代印，仲玉仓

（东北石油大学 石油工程学院，黑龙江 大庆 163318）

化学驱三次采油是提高采收率最有效的方法之一，单一的表面活性剂驱能有效降低界面张力，但不能提高驱替相的黏度；表面活性剂/聚合物、碱/表面活性剂/聚合物复合体系虽然提高了驱替相的黏度，但是碱的加入会造成采油系统结垢严重，采出液乳化困难，并且色谱分离效应又会影响驱油效果［1-4］。因此研究者们更加关注新型高效表面活性剂的开发与研究。表面活性聚合物是一种新型聚合物，一般是通过共聚作用在疏水缔合丙烯酰胺类聚合物分子的主链上引入亲水基团，形成分子结构中同时存在亲水基团和亲油基团的高分子化合物，它的水溶液不仅具有良好的界面活性，还具有较强的增黏作用，避免了多种化学药剂同时使用时发生的色谱分离问题［5-9］。龚涛等［10-11］发现马来酸酯型表面活性剂不会在共聚早期完全聚合，在乳液聚合中不易形成均聚物，具有较高的研究价值。

本工作对表面活性聚合物马来酸十六双酯磺酸钠-丙烯酰胺聚合物（SH-16-AM）的性能和驱油效果进行了评价，以期为矿场实验提供可靠的理论依据。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

原油：大庆油田第四采油厂输出原油，45 ℃下的黏度为9.8 mPa·s，密度为0.867 g/cm3；污水：大庆油田第四采油厂采出污水，总矿化度为4 955.9 mg/L，水质分析结果见表1；SH-16-AM：东北石油大学提高采收率研究院自制；NaCl：分析纯，沈阳华东试剂厂；聚丙烯酰胺（HPAM）：大庆炼化厂；蒸馏水：实验室自制；实验岩心：2.5 cm×30 cm的柱状人造均质岩心，东北石油大学人造岩心制备实验室。

表1 油田采出污水水质组成Table 1 Composition of oilfield produced sewage

DV-Ⅲ型黏度计：美国Brookf i eld公司；HW-4A型恒温箱：海安华达石油仪器有限公司；F1104N型电子天平：上海方瑞仪器有限公司；Texas-500型旋滴界面张力仪：美国科诺工业有限公司；2000系列ISCO泵：美国Teledyne ISCO公司；压力传感器、环压泵、搅拌器、岩心夹持器、管件、阀门、各种驱替液容器等均由南通市飞宇石油科技有限公司提供。

1.2 实验方法

利用旋滴界面张力仪分别测定45 ℃恒温条件下原油和不同浓度聚合物溶液之间的界面张力；利用黏度计测定一定条件下不同体系的黏度［12-13］。

耐盐性能评价实验：先用蒸馏水配制不同浓度的NaCl溶液，再以NaCl溶液为溶剂配制1 500 mg/L的聚合物溶液，利用黏度计测定45 ℃恒温条件下不同聚合物溶液的黏度。

聚合物驱油实验：1）人造均质岩心在室温下饱和地层水，测定渗透率并计算注入孔隙体积倍数；2）45 ℃下饱和原油，计算初始含油饱和度，并将岩心置于恒温箱内老化24 h；3）45 ℃下用地层水驱替至岩心含水率为98%，计算水驱采出程度；4）转注0.45 PV化学段塞，静置48 h，最后继续水驱至产出液含水率为98%时结束实验，计算微乳液驱采出程度。驱替过程中注入速度为0.30 mL/min。

2 结果与讨论

2.1 界面张力

降低油水界面张力的能力是评价化学驱提高原油采收率能力的重要指标。不同浓度的聚合物溶液与大庆原油的界面张力见表2。

表2 不同浓度的聚合物溶液与大庆原油的界面张力Table 2 Interfacial tensions between polymer solutions at different concentrations and Daqing crude oil

由表2可见，SH-16-AM溶液与大庆原油的界面张力随浓度的增大呈先降低后升高的趋势，这是由于SH-16-AM分子间同时存在亲水基团和疏水基团，所以SH-16-AM可以在一定程度上降低油水界面张力，但SH-16-AM分子较大，不能像常规的表面活性剂那样在油水界面上紧密排列，因此SH-16-AM降低油水界面张力的能力有限。当SH-16-AM浓度达到饱和浓度时，体系的界面张力降至最低值，再继续增大SH-16-AM浓度，过量的SH-16-AM分子会破坏油水界面张力膜的稳定性，使体系的界面张力增大，这与常规表面活性剂降低油水界面张力的规律相符合；HPAM不具有表面活性，无法有效降低油水界面张力，与大庆原油的界面张力相对较高，且随着溶液浓度的增大略有增大。从实验结果可以看出，当SH-16-AM溶液质量浓度为1.5 g/L时，可将油水界面张力降至最低，为1.008 mN/m。

2.2 增黏性能

聚合物驱能够大幅提高采收率主要是依靠黏度较大的聚合物溶液控制油水流度比，扩大波及体积。因此，SH-16-AM驱油体系的增黏性能显得尤为重要。聚合物溶液的黏度与浓度的关系见图1。

图1 聚合物溶液的黏度与浓度的关系Fig.1 Relationship between viscosity and concentration of polymer solution.

由图1可知，聚合物溶液的黏度随着浓度的增加而增加，当聚合物溶液的质量浓度为2.0 g/L时，SH-16-AM溶液的黏度为133.5 mPa·s，远高于HPAM溶液的84.0 mPa·s。这是因为当SH-16-AM浓度较低时，由于分子内的缔合作用，聚合物分子链较为卷曲，表现为黏度较小；当SH-16-AM浓度增大时，分子碰撞几率增加，由于分子间的缔合作用，分子间疏水链会相互聚集缠绕并形成网格结构，表现为溶液黏度增大。当聚合物溶液浓度较低时，SH-16-AM溶液的黏度略大于HPAM溶液；但当聚合物溶液浓度增大时，SH-16-AM溶液黏度的增大幅度要大于HPAM溶液，说明SH-16-AM具有较好的增黏性能。

2.3 耐盐性能

大庆油田采出水普遍矿化度较低，Ca2+和Mg2+的质量浓度不超过50 mg/L，但Na+质量浓度略高，为1 000～1 500 mg/L，因此有必要考察NaCl对SH-16-AM溶液黏度的影响，实验结果见图2。

图2 聚合物溶液的黏度与NaCl浓度的关系Fig.2 Relationship between viscosity of polymer solution and NaCl concentration.

由图2可知，SH-16-AM和HPAM溶液的黏度均随NaCl浓度的增加而降低，当NaCl质量浓度从0 增大到2.0 g/L时，SH-16-AM溶液的黏度从169.7 mPa·s降至64.0 mPa·s。这是因为当溶液中金属阳离子的浓度增大时，会与聚合物分子中的疏水基团发生静电斥力，破坏聚合物分子在溶液中形成的网状结构，表现为黏度降低；在相同NaCl浓度下，SH-16-AM溶液的黏度大于HPAM溶液的黏度，可见亲水基团的引入增大了丙烯酰胺类聚合物的抗盐性。

2.4 耐剪切能力

聚合物在注入地层之前要经过配制、搅拌、泵送多个环节，会使聚合物分子链断裂，导致注入液浓度降低，因此聚合物耐剪切能力的考察也尤为重要［14］。在45 ℃恒温和剪切速率0～200 s-1范围内测定质量浓度为1.5 g/L的聚合物溶液的黏度，实验结果见图3。

图3 聚合物溶液的黏度与剪切速率的关系Fig.3 Relationship between viscosity of polymer solution and shear rate.

由图3可见，SH-16-AM溶液和HPAM溶液的黏度均随剪切速率的增加而降低，当剪切速率为0～100 s-1时，SH-16-AM溶液和HPAM溶液的黏度降幅较大；当剪切速率为100～200 s-1时，SH-16-AM溶液和HPAM溶液的黏度的下降趋于平缓。当剪切速率从0增至200 s-1时，SH-16-AM溶液的黏度从81.1 mPa·s降至36.1 mPa·s，黏度保留率为44.51%，高于HPAM溶液的26.62%，表现出很好的耐剪切性能。

2.5 耐温性能

利用大庆油田采出污水配制表面活性聚合物溶液，在不同温度下测量体系的黏度，考察聚合物的耐温性能，实验结果见图4。

图4 聚合物溶液的黏度与温度的关系Fig.4 Relationship between viscosity of polymer solution and temperature.

由图4可见，SH-16-AM溶液和HPAM溶液的黏度均会随着剪切温度的升高而降低，但在剪切温度一定时，SH-16-AM溶液的黏度仍大于HPAM溶液。当剪切温度从20 ℃升至60 ℃时，SH-16-AM溶液的黏度从132.8 mPa·s降至57.8 mPa·s，黏度保留率为43.52%，高于HPAM溶液的28.23%，表现出较好的耐温性能。

2.6 抗老化性能

利用大庆油田采出污水配制表面活性聚合物溶液，在45 ℃恒温条件下测量体系的黏度，考察聚合物的抗老化性能，实验结果见图5。

图5 聚合物溶液的黏度与老化时间的关系Fig.5 Relationship between viscosity of polymer solution and aging time.

由图5可见，SH-16-AM溶液和HPAM溶液的黏度均会随老化时间的延长而降低，并且老化前期SH-16-AM溶液黏度的下降幅度小于老化后期，在经过30 d的老化时间后，SH-16-AM溶液的黏度从77.0 mPa·s降至54.4 mPa·s，黏度保留率为70.65%，高于HPAM溶液的45.87%，表现出较好的抗老化性能。

2.7 驱油效果评价

按照表3的实验方案进行表面活性剂驱油实验，实验结果见表3。

表3 室内岩心聚合物驱油实验方案及实验结果Table 3 Experimental program and results of laboratory core polymer flooding

由表3可见，聚合物驱可在水驱基础上进一步提高采收率，SH-16-AM聚合物驱阶段采出程度平均值为21.5%，比HPAM高约6百分点，最终采收率达到60%左右。在聚合物溶液浓度相同时，SH-16-AM聚合物驱的阶段采出程度高于HPAM；在聚合物溶液黏度相差不大时，SH-16-AM聚合物驱的阶段采出程度高于HPAM。这说明SH-16-AM溶液在驱油过程中能够更大幅度地降低油水流度比，扩大波及体积，同时还能发挥出表面活性聚合物的表面活性，起到降低界面张力的作用，具有一定的洗油能力，因此最终采收率较高。

3 结论

1）SH-16-AM具有良好的界面活性，在质量浓度为1.5 g/L时，可将大庆采出油水界面张力降至1.008 mN/m。

2）SH-16-AM具有较好的增黏性，在质量浓度为2.0 g/L时，SH-16-AM溶液的黏度为133.5 mPa·s。

3）与HPAM相比，SH-16-AM具有更好的耐盐性、耐剪切能力、耐温性和抗老化性能。

4）室内岩心实验结果表明，在水驱基础上SH-16-AM聚合物驱的阶段采出程度为21.5%，将最终采收率提高至60%左右，比传统的HPAM聚合物驱提高了6百分点左右。

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