适用于海上S油田的速溶聚合物室内实验研究*

高 尚，代磊阳，符扬洋，张丽平，刘长龙

（中海石油（中国）有限公司天津分公司 渤海石油研究院，天津300459）

目前，我国对石油的需求量在稳步上升，油气供需矛盾日益突出，使得海上油田成为国家石油产量增长和接替的重要组成部分。渤海海域稠油油田众多，提高海上稠油油藏采收率，实现稳产、高产对中国海上油田的可持续发展、实现国家能源安全具有重大意义[1]，但海上油田与陆上油田不同，必须考虑海上油田的特点[2]。

渤海海域的油田多为疏松砂岩稠油油藏，因必须考虑防砂问题，层系划分较粗，在开发过程中出现了诸多注采矛盾，使得“稳油控水”工艺面临很大挑战[3,4]。近几年，聚合物驱油技术成为了国内油气田开发在中后期高含水时“稳油控水”工艺的重要技术，在渤海多个油田进行了矿场试验，试验证明，该技术能够为海上油田大幅度提高采收率做出有效贡献[5-8]。

依据海上油田的特殊性要求，聚合物应当具有良好的增粘性、耐盐性、抗剪切性和长期稳定性；海上平台空间狭小，大量配置聚合物难度较大，需要改善聚合物的溶解性[9,10]。因此，研究既具有海上要求的优良性能，又能实现快速溶解的聚合物对进一步提高采收率有着重要作用。本文针对渤海SZ36-1油田，对速溶聚合物（简称SR聚合物）的溶解性、增粘性、稳定性、流变性及成胶性进行了实验研究。

1 实验部分

1.1 材料和仪器

实验环境 模拟渤海SZ36-1油田油藏温度，65℃；

地层水矿化度组成 根据油藏地层水的离子组成，通过在去离子水中加入矿物质模拟SZ36-1混注水；

实验原油SZ36-1油田脱气脱水原油，粘度为70mPa·s（65℃）；

主要仪器ZNN-D6型六速旋转粘度计、HAAKE-RS600流变仪、waring搅拌器、聚合物搅拌器、电子天平等。

1.2 实验方案

（1）溶解时间测定

实验仪器 搅拌器、电子天平、粘度计

实验条件65℃、模拟水

配置5000mg·L-1的聚合物母液，每隔5、10、15、20、30、40、60、90、120min取出大约10mL；测定其粘度，当粘度开始趋于稳定的时间视为聚合物的溶解时间。

（2）粘浓关系测定

实验仪器 搅拌器、电子天平、粘度计

实验条件65℃、模拟水

将5000mg·L-1的聚合物母液分别稀释至1000、1500、2000、2500、3000mg·L-1；测定稀释液体系粘度，并绘制粘浓关系曲线。

（3）老化稳定性测定

温 度 稳 定 性 将 浓 度 为1000、1500、2000、2500、3000mg·L-1的SR聚合物分别放置于常温、65、80℃下，分别经过12、24、72、120、168、360、720h后取出测定粘度。

剪 切 稳 定 性 将 浓 度 为1000、1500、2000、2500、3000mg·L-1的SR聚合物用waring搅拌器1档10s、1档20s剪切，将剪切后的聚合物置于65℃下，分别经过12、24、72、120、168、360、720h后取出测定粘度。

（4）流变性测定

剪 切 稀 释 性 将 浓 度 为1000、1500、2000、2500、3000mg·L-1的SR聚合物放置于65℃下，在30d内测定其粘度随剪切速率的变化。

粘 弹 性 将 浓 度 为1000、1500、2000、2500、3000mg·L-1的SR聚合物放置于65℃下，在30d内测定其粘弹性。

（5）成胶性能测定 按照不同交联比配置微凝胶，按照目测代码法测定成胶时间及破胶时间，并测定凝胶强度。

2 结果与讨论

2.1 溶解性

用模拟水配置浓度为5000mg·L-1的SR聚合物，溶解曲线见图1。

图1 5000mg·L-1 SR聚合物的溶解时间Fig.1 SR polymer dissolution time at 5000mg·L-1

由图1可知，5000mg·L-1的SR聚合物在20～25min内即可达到溶解平衡，且在配置过程中没有“鱼眼”与明显的爬杆现象发生，满足渤海油田海上平台运用的要求。将5000mg·L-1的聚合物母液分别稀释至1000、1500、2000、2500、3000mg·L-1，测定不同浓度下的聚合物粘度，见图2。

图2 粘浓关系曲线Fig.2 Viscosity-concentration relationship curve

由图2可知，在相同配置水条件下，随着聚合物浓度增加，聚合物粘度增大。当浓度低于3000mg·L-1时，随着浓度的增加，SR聚合物的粘度缓慢增加，当超过3000mg·L-1，聚合物粘度急剧增加，其原因是该聚合物分子量较低，当浓度低于3000mg·L-1时，主要是分子量在起作用，使溶液粘度缓慢上升，当浓度高于3000mg·L-1时，分子间作用增强，使得溶液粘度增加。

2.2 老化稳定性

测定浓度为1000、1500、2000、2500、3000mg·L-1的SR聚合物在不同温度、不同剪切方式后溶液的老化稳定性。

（1）温度稳定性

图3 不同温度下SR聚合物的老化稳定性Fig.3 Aging stability of SR polymer at different temperatures

由图3可知，浓度为2000mg·L-1的SR聚合物稳定性最差，即使是常温下也会快速降粘，然而在65与80℃下最终呈现出粘度回升现象，可能是该聚合物虽然能够快速溶解，达到平衡，但是很难分散均匀，温度升高导致聚合物溶解度增大，最终呈现出粘度上升的现象；粘度保留率基本随浓度的增加而减小，2500与3000mg·L-1的聚合物体现出了高分子溶液特性，随着老化时间的增加，溶液粘度降低，最终趋于稳定。

将不同浓度的聚合物置于不同温度下，12h后取出测定粘度，不同浓度的溶液在不同温度下的粘度变化见图4。

图4 放置12h后不同温度不同浓度的粘度曲线Fig.4 Viscosity curve of different temperature and different concentration after 12h

由图4可知，由于分子量低的缘故，当浓度低于2500mg·L-1时，聚合物粘度对温度的依赖性不高，且浓度2000mg·L-1的聚合物比浓度1500mg·L-1的聚合物更不稳定。

（2）剪切稳定性 将浓度为1000、1500、2000、2500、3000mg·L-1的SR聚合物分别用waring搅拌器1挡10s、1挡20s剪切，模拟近井地带机械剪切下聚合物的降解。剪切后聚合物的老化稳定性见图5，剪切消泡后聚合物的降粘率见表1。

图5 不同剪切条件后聚合物的老化稳定性Fig.5 Aging stability of polymers after different shear conditions

表1 不同剪切条件下聚合物的降粘率Tab.1 Aging stability of polymers after different shear conditions

由图5和表1可知，经waring搅拌器剪切后，降粘率与浓度成正比，然而1挡10s剪切与1挡20s剪切的降粘率差距不是很大，剪切过后的SR聚合物在老化过程中出现了粘度上升、下降的波动，但最终趋于平衡，说明虽然剪切作用会使得粘度降低，但分子间会产生新的作用，使得溶液粘度升高。

不同条件下不同浓度的最大降粘率与最终粘度保留率见表2，各个浓度在不同条件下的老化粘度曲线见图6。

表2 不同条件下的聚合物稳定性Tab.2 Polymer stability at different conditions

由表2可知，浓度为2500与3000mg·L-1的溶液，在老化过程中虽有粘度小幅度回升现象，但最终降粘率即是最大降粘率，且降粘曲线趋于平衡；浓度为2000mg·L-1的溶液，在各个条件下均出现粘度大幅上升的现象，且几乎在360～720h之间发生，使得最终粘度保留率较高；浓度为1500mg·L-1的溶液，在80℃与剪切条件下有小幅度的粘度回升，但增加不大。

图6 不同浓度不同条件下聚合物的降粘曲线Fig.6 Viscosity reduction curve of polymer at different concentration and different conditions

由图6可知，聚合物浓度为1500mg·L-1时，溶液极其不稳定，不能够满足实际油田应用；聚合物浓度为2000mg·L-1时，溶液在360h后出现了大幅增粘，而浓度为2500与3000mg·L-1的溶液在老化过程中则体现出了规律的降粘、稳定，在油藏温度下降粘不大，适应SZ36-1油藏，但在80℃下粘度损失率很大，不适合超高温油藏。

2.3 流变性

（1）剪切稀释性 用流变仪测定SR聚合物的剪切稀释性，模拟聚合物在岩心剪切中的稳定性，宏观的评价聚合物的分子结构。

由图7可知，随着剪切速率的增加，SR聚合物的粘度整体呈现出先降低后增加的趋势，在很低的剪切速率下，即呈假塑性流体，分子链间相互缠结、范德华力相互作用形成链间瞬态物理交联，这些交联点在分子热运动下不断解体和重建，SR聚合物在低剪切速率下，物理交联点被破坏的速度大于重建的速度，分子链段沿流场方向取向，溶液粘度下降；剪切速率继续增加，物理交联点被破坏完全来不及重建，分子链被拉伸但是没有断裂，粘度下降到最小值并平衡一段时间，到达第二牛顿区；在高剪切速率区间，高剪切应力引起聚合物分子链扩张伸展，可以使一部分的分子内作用力转换成分子间作用力，粘度增加，表现出剪切增稠性能。将开始剪切增稠的剪切速率称为临界速率，聚合物浓度越高，临界速率越大，且第二牛顿区越短，因为在高浓度下，剪切速率很高时，由于流动摩擦发热和流动的不稳定性，通常达不到第二牛顿区。在临界浓度以下，在老化过程中均检测到了粘度波动现象，其原因是溶液分子量低、不稳定，在剪切作用下分子内的作用力与分子间的作用力不断转换导致了波动现象。

图7 不同浓度下聚合物的剪切稀释性Fig.7 Shear thinning of polymers at different concentrations

（2）粘弹性

图8 1500mg·L-1 SR聚合物的粘弹性曲线Fig.8 Viscoelastic curve of SR polymer at 1500mg·L-1

图9 3000mg·L-1 SR聚合物的粘弹性曲线Fig.9 Viscoelastic curve of SR polymer at 3000mg·L-1

由图8、9可知，随着浓度的增加，SR聚合物溶液的储能模量和耗能模量均不断增大，说明浓度越高，SR聚合物溶液的粘弹性越显著；在老化过程中，储能模量和耗能模量几乎与频率成正比，说明频率越高，SR聚合物的粘弹性越好。然而各个浓度的耗能模量基本上均大于储能模量，在老化过程中偶尔有曲线相交、储能模量大于耗能模量的现象，说明该SR聚合物的分子链柔顺，分子间相互作用力小，在较低温度下即可发生粘性流动；在油藏温度下老化，材料有弹性响应，意味着该聚合物不仅能够快速配置与注入油藏，在长时间油藏环境中弹性增强，对驱替与调剖有着重要作用。

（3）成胶性 因该SR聚合物粘度较低、分子量较低，从经济角度上更适合作为调剖剂运用，用酚醛交联剂进行交联，当交联比为2∶1、8∶3、4∶3、3∶2、3∶10时均无法成胶，最终确定成胶比1∶1。

由表3可知，随着聚合物浓度的增加，成胶时间逐渐增加，成胶强度逐渐减小，破胶时间逐渐缩短，有作为堵水调剖剂的价值。

表3 SR聚合物的成胶性能Tab.3 Gel-forming properties of SR polymer

3 结论

（1）该SR聚合物具有很好的溶解性与增粘性，在20～25min内即可达到溶解平衡，当浓度超过3000mg·L-1时，能够快速增粘，在高温下能够增大聚合物的溶解度，可以实现再次增粘；

（2）因分子量较低的缘故，低浓度的聚合物溶液对温度的依赖性不高，高浓度的聚合物溶液随着温度升高，粘度降低，但是在老化过程中较为稳定，耐温性良好；

（3）浓度为1500mg·L-1的聚合物溶液极其不稳定，抗剪切性能较差，浓度为2000mg·L-1的溶液在各个条件下均出现粘度大幅上升的现象，使得最终粘度保留率较高，2500与3000mg·L-1的溶液虽然没有增粘现象，但也体现出了良好的抗剪切性；

（4）该SR聚合物因分子量较低，在老化过程中存在粘度波动的不稳定现象，但是通过剪切速率谱图可以看出，在较高的剪切速率下聚合物的分子链被拉伸，始终没有断裂，在高剪切速率下体现出了剪切增稠现象，在频率谱图中，溶液大部分时间呈现粘性，但是在老化过程中有弹性响应，意味着该聚合物在长时间油藏环境中弹性增强；

（5）聚合物在交联比为1∶1的条件下能够成胶，有作为堵水调剖剂的价值。