耐温抗盐聚合物溶液的黏弹性试验研究

余晓玲,王进涛,吕红梅

(中国石化江苏油田分公司石油工程技术研究院，江苏扬州 225009)

传统驱油理论认为，聚合物只是通过增加注入水的黏度，降低油水流度比，扩大注入水在油层中的波及体积来提高原油采收率，但聚合物驱并不能提高微观驱油效率。郭尚平[1]等利用微观渗流模型得出，聚合物提高驱油效率的机理是由于聚合物溶液与油的剪切应力大于水与油的剪切应力。王德民等[2]根据微观渗流试验,分析了聚合物溶液提高微观驱油效率的机理。基于此，笔者对耐温抗盐性聚合物PAM1、PAM2黏弹性影响因素进行研究；并利用岩心流动试验，对聚合物的黏弹性对驱油效率的影响以及聚合物的弹性与黏性对驱油效率的作用进行比较。

1　室内试验

1.1　原料和仪器

无机盐类为分析纯；SHSA-01为阴非离子型表面活性剂；聚合物为耐温抗盐聚合物，参数见表1。聚合物配置用水为真35清水。

RS600流变仪，德国Haake公司；搅拌器，电子天平和岩心驱替装置等。

表1　聚合物试样配制

1.2　流变性测量方法

由于聚合物溶液浓度较低，若采用锥板系统，在测试温度下，水分易挥发，导致黏弹性测试无法继续进行,故采用德国Haake公司生产的RS600流变仪及相配的Z38同轴圆筒测量系统，测量聚合物溶液的各项流变参数。

1.3　动态振荡剪切理论模型

在动态振荡剪切测量中对给定黏弹性液样施加一个小振幅的振荡应力，以保证液样处在线性黏弹区[3-4]。在控制应变流变仪中，用正弦时间函数的方式施加应变：

γ=γ0sin(wt)

相应输出的依赖于时间的应力是：

τ=τ0sin(wt+δ)

式中，γ0为最大应变，τ为最大应力，角频率w=2πf，f为振荡频率。黏弹性流体的损耗模量(G″)和储能模量(G′)可表示为：

复合模量G*=G′+iG″

储存模量G′=G*+cosδ

损耗模量G″=G*+sinδ

聚合物弹性好，结构好，其储能模量大；结构破坏，储能模量下降，为损耗模量，意味着初始流动所用的能量是不可逆损耗，已转化为剪切热，若其主要是黏性的，那么损耗模量大。

1.4　驱油效率测定

在填砂管物理模拟中使用真35注入水，原油为脱水原油，模拟油藏温度78 ℃， 人工填两根砂管，水测渗透率分别为500×10-3μm2，560×10-3μm2，以0.3 mL/min的流量在78 ℃烘箱中饱和真35脱水原油，至出口端没有水流出为止。记录饱和油的体积和含油饱和度。然后将饱和油的填砂管放入78 ℃烘箱中老化2 d。以0.5 mL/min的流量水驱油，至填砂管的出液含水率大于98%，计算水驱采收率；再以0.4 mL/min的流量注入0.5 PV一定浓度的聚合物溶液，记录填砂管出口端的出液量及出油量，计算聚合物驱比水驱提高的采收率值。

继续以0.5 mL/min的流量水驱，至出液含水率大于98%，计算后续水驱的采收率，并比较各个阶段的驱油效率。

2　结果及讨论

聚合物溶液动态剪切黏弹性测试需要选择线性黏弹区域[4]，即聚合物溶液复合模量基本不发生变化的区域，从而确定频率扫描试验的应力，试验固定频率0.1 Hz进行应力振幅扫描以确定线性黏弹区域的应力值，再根据应力值进行频率扫描，频率扫描范围为10～0.01 Hz，进行聚合物溶液黏弹性影响因素研究。

2.1　聚合物溶液的线性黏弹区

在50 ℃下，在应力为0.001～0.1 Pa，频率为0.1 Hz下对一定浓度 的PAM1、PAM2、62210聚合物溶液进行应力扫描，结果见图1。

图1　聚合物溶液线性黏弹区

从图1可以看出，在应力为0.001～0.06 Pa，复合模量|G*|曲线趋于平缓，因此0.001～0.06 Pa即为该聚合物溶液线性黏弹区。

2.2　相对分子质量对聚合物溶液黏弹性的影响

通过应力扫描，取应力值0.01 Pa，振荡频率10～0.01 Hz对聚合物PAM1、PAM2的水溶液进行频率扫描，考察相对分子质量大小对聚合物溶液黏弹性的影响，其中聚合物浓度为1 000 mg/L，结果见图2。

图2　相对分子质量对聚合物溶液黏弹性的影响

从图2可以看出，随着振荡频率的升高，溶液的弹性模量G′和黏性模量G″都相应增大，即黏弹性具有增大特性。在一定频率范围，相对分子质量大的聚合物PAM2溶液的G′和G″均分别高于的PAM1的G′和G″，对两种聚合物溶液，都存在一个特定频率，在此频率处两条模量曲线相交，频率低于此值时溶液的黏性G″大于弹性G′；高于此频率时弹性响应G′超过黏性响应G″，即G′大于G″。在相对低的频率区，溶液的黏性占主导，在相对高的频率区弹性占优势。聚合物相对分子质量越高，两条曲线相交的频率越低，说明高相对分子质量聚合物溶液的弹性响应在较低频率时就超过了黏性响应。由此可知，聚合物相对分子质量大小、分子结构以及剪切速率均可改变溶液的黏弹性。

2.3　聚合物浓度的影响

考察了聚合物PAM2溶液浓度分别为1 000 mg/L， 1 500 mg/L时黏弹性的变化情况。结果见图3。

图3　聚合物浓度对黏弹性影响

由图3可知，对同一种聚合物而言，浓度越大，储能模量及损耗模量均有不同程度的增加，且储能模量即弹性效应在频率较低(小于1 Hz)时，表现更为明显。聚合物浓度越大，聚合物分子缠结越严重，在一定的频率范围表现出较强的弹性效应。

2.4　温度的影响

在应力为0.001～0.1 Pa，频率为0.1 Hz下对浓度为1 000 mg/L聚合物PAM2溶液进行应力扫描，确定其线性黏弹区。以应力为0.02 Pa，频率为10～0.01 Hz在30～80 ℃下进行频率扫描，考察温度对聚合物溶液黏弹性的影响，此时考察损耗模量和储能模量的加和，即复合模量G*，试验结果见图4。

图4　温度对聚合物溶液黏弹性的影响

从图4可以看出，随着温度的升高，聚合物溶液复合模量降低，对于同一频率来说，温度越低，复合模量越高。这是由于随着温度的升高，聚合物分子或分子链为维持其最小的能量状态，水解度增大，聚合物的储能模量、损耗模量都缓慢减小，这种变化类似于聚合物的黏温曲线的变化。但总体来说，温度的变化对聚合物黏弹性影响幅度不大。

2.5　矿化度对聚合物黏弹性的影响

用NaCl配制矿化度为1 500，5 000，10 000 mg/L的PAM2聚合物溶液，对其进行应力扫描，应力为0.001～0.1 Pa，试样溶液线性黏弹区为0.004～0.03 Pa。为便于比较，均取应力为0.01 Pa对其进行频率扫描，频率为10～0.01 Hz。在50 ℃下考察不同矿化度下的聚合物溶液模量的变化，模拟聚合物溶液与地层水混合后溶液黏弹性的变化，试验结果见图5。随着矿化度即钠离子的增加，聚合物溶液损耗模量G”以及储能模量G’均逐渐下降，聚合物溶液的黏性和弹性不断减弱；矿化度较低(1 500 mg/L)时复合模量为矿化度较高(10 000 mg/L)的一个数量级。PAM2为部分水解聚丙烯酰胺，为阴离子型聚合物，随着钠离子浓度增高，由于电荷的屏蔽作用，聚合物内的排斥力减小，使其缠绕度降低，聚合物溶液的黏弹性也随着降低。

图5　矿化度对聚合物溶液黏弹性的影响

2.6　表面活性剂的影响

在化学驱中，常为聚合物与表面活性剂组成二元驱进行矿场试验。在聚合物中加入一定量的表面活性剂，用真35清水配制聚合物PAM1、PAM2溶液浓度为1 500 mg/L，阴非离子型表面活性剂SHSA-01质量分数为0.05%、0.1%、0.15%、0.3%的混合溶液，进行黏弹性测试，测试温度为50 ℃，考察表面活性剂的加入对聚合物溶液黏弹性的影响，试验结果见图6。

图6　表面活性剂SHSA-01加入对聚合物溶液黏弹性的影响

由图6可知，表面活性剂用量增加，聚合物溶液黏性模量和弹性模量均有不同程度的下降，但下降幅度相对较小。可见，表面活性剂对聚合物黏弹性影响不太大。

2.7　聚合物黏弹性对驱油效率的影响

为了考察聚合物黏弹性对驱油效率的影响，饱和油后先水驱，再分别对填砂管注入注入0.5 PV的1 000 mg/L及1 500 mg/L的PAM2溶液，再进行后续水驱。注入1 000 mg/L聚合物PAM2驱油试验结果见图7，1 500 mg/L聚合物PAM2驱油试验结果见图8。

图7　注入1 000 mg/L聚合物PAM2采收率及注入压力变化曲线

图8　注入1 500 mg/L聚合物PAM2采收率及注入压力变化曲线图

试验结果表明，原始水驱至采收率38%左右时，填砂管不再出油，含水率达到98%以上，水驱失效。注入0.5 PV聚合物溶液后，开始后续水驱，后续水驱压力较原始水驱明显增大，出水量减少，采收率均有提高，且随着聚合物溶液浓度增加，即黏弹性的增加，主要是聚合物溶液弹性贡献大，浓度大的聚合物溶液弹性模量占优势，而浓度低的聚合物溶液黏性模量占优势，注入1 500 mg/L时PAM2采收率提高了15.4%，而注入1 000 mg/L提高采收率为11.3%。

3　结论及建议

1)聚合物相对分子质量、试验温度、矿化度对聚合物溶液黏弹性具有影响；

2)在矿化度、温度、频率一定时，聚合物相对分子质量、浓度越高，聚合物溶液黏度越大，因而其黏弹性越大。在低黏度时，聚合物溶液的黏性大于弹性或黏弹性差异不大，高黏度时弹性比黏性大。

3)对同一种聚合物，聚合物溶液浓度越大，黏度越大，弹性也越大，聚合物溶液弹性模量在驱油过程中起主导作用，驱油效果越好。

[1]郭尚平，黄延章.物理化学渗流微观机理[M].北京：科学出版社，1990：100-102.

[2]夏慧芬，王德民.粘弹性聚合物溶液提高微观驱油效率的机理研究[J].石油学报，2001，22(4)：60-65.

[3]李道山，康万利，朱洪军.聚丙烯酰胺水溶液粘弹性研究[J].油田化学，2003，20(4)：347-350.

[4]佟曼丽.聚合物稀溶液在多孔介质中的粘弹效应[J].天然气工业，1987，7(1)：64-71.