徐 辉

(中国石化胜利油田分公司地质科学研究院)

超高分子缔合聚合物溶液特性及驱油性能研究

徐 辉

(中国石化胜利油田分公司地质科学研究院)

超高分子缔合聚合物是一种新型的驱油聚合物，该聚合物既有较高的相对分子质量且分子间又有一定的缔合作用，和常规驱油聚合物相比它具有不同的驱油性能和聚集体形态。为此选择了一种超高分子缔合聚合物，通过安东帕流变仪，冷冻蚀刻扫描电镜和驱油物理模拟流程分别研究了它的增黏性、黏弹性、聚集体形态、调剖及驱油性能。研究结果表明：相对于常规聚合物，超高分子缔合聚合物具有更好的增黏性和黏弹性，且在胜利油田高温高盐油藏条件下表现出优良的驱油效果，具有良好的应用前景。

增黏性 黏弹模量 聚集体形态 冷冻蚀刻扫描电镜 驱油性能

近几年来，聚合物驱油技术在胜利油田的应用很广泛，不但取得了令人瞩目的进展，而且技术水平也日趋成熟。但随着油藏条件变得越来越恶劣，现有的驱油聚合物性能已经无法满足高温高盐油藏进一步提高采收率的需要，因此有必要对现有的驱油聚合物的性能进行改进。有些聚合物是通过在聚丙烯酰胺侧链上引入能抑制酰胺基团水解的结构单元如乙烯基吡咯烷酮来提高聚合物的热稳定性[1-3]，有些聚合物是引入强水化性的离子基团如烯丙基磺酸、丙烯磺酸丙酯、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)来提高聚合物的耐温抗盐性[4-6]，有些聚合物是通过在聚丙烯酰胺侧链同时引入亲油基团和亲水基团，利用亲油基团和亲水基团的相互排斥，使分子内和分子间的卷曲、缠结减少，高分子链在水溶液中排列成梳子形状[7-8]，进一步增强聚合物的耐温抗盐性。疏水缔合聚合物由于疏水基团在水溶液中会产生相互聚集，有较强的增黏性，成为研究的热点[9-15]。早期的疏水缔合聚合物由于引进了较多的长碳链疏水单体，在合成时疏水单体和丙烯酰胺单体的竞聚速率差别较大，因此合成出的聚合物很难具有较高的相对分子质量，属于高缔合相对低分子质量的聚合物，虽然具有良好的增黏性能，但其驱油性能还存在一定的争议。目前，通过合成技术的改进，合成出了具有较高相对分子质量的疏水缔合聚合物，这种超高分子疏水缔合聚合物由于既引入了疏水基团，又具有较高的相对分子质量，因此它既有缔合聚合物高增黏的特性，较大的流体力学体积[16]，又有常规高相对分子质量聚丙烯酰胺较高的特性黏数，有可能解决胜利油田高温高盐油藏进一步提高采收率的难题。但关于超高分子缔合聚合物的溶液特性和聚集体形态目前研究较少，为此，选择了一种超高分子缔合聚合物，通过安东帕流变仪和冷冻蚀刻扫描电镜及驱油物理模拟流程研究了聚合物的增黏性、黏弹性[17-18]、聚集体形态及驱油效果，明确了其溶液特性及驱油性能。

1 实验部分

1.1实验材料及仪器

常规部分水解聚丙烯酰胺HPAM(相对分子质量2 300万)，超高分子缔合聚合物AP-P5(相对分子质量1 800万)，胜利油田二类模拟水(矿化度19 334 mg/L，钙镁离子质量浓度500 mg/L)。

安东帕流变仪，冷冻蚀刻扫描电镜(CARL ZEISS SMT)，驱油物理模拟流程。

1.2实验条件及方法

(1) 聚合物溶液的配制。用胜利油田二类水配制质量浓度为5 000 mg/L的母液，再用二类水稀释为不同质量浓度的聚合物溶液。

(2) 实验温度85 ℃。

(3) 增黏性测试：在实验温度条件下，利用安东帕流变仪测试不同浓度聚合物溶液的增黏曲线。

(4) 黏弹性测试：固定扫描频率为1 Hz，利用安东帕流变仪研究聚合物溶液在线性黏弹区内的黏性模量和弹性模量。

(5) 微观聚集形态测试：利用冷冻蚀刻扫描电镜观察聚合物溶液的聚集体形态。

(6) 调剖及驱油效果评价：在实验温度下，利用驱油物理模拟流程，研究非均质双管填砂岩心聚合物溶液的调剖性能和单管填砂岩心聚合物溶液的驱油性能。

2 实验结果及讨论

2.1超高分子缔合聚合物溶液增黏性评价

由于聚合物驱提高采收率的机理主要是通过增加驱替水的黏度、降低水相的流度，从而大大地降低油水流度比，缓减“指进”现象，改善油层横向及微观孔隙结构的非均质状况，因此聚合物的黏度越高，其改善油水流度比的能力越强，驱油性能越好。本实验考察了在胜利油田二类水配制下不同浓度的超高分子缔合聚合物溶液和常规HPAM溶液的增黏性能。

由图1可知，随着浓度的增加，超高分子缔合聚合物溶液相对于常规HPAM具有更好的增黏性能，而且浓度越高，超高分子缔合聚合物溶液的增黏性能越好，它降低油水流度比和扩大地层波及体积的能力越强；同时发现，超高分子缔合聚合物溶液由于相对分子质量较高且含有一定量的缔合单体，因此相对于传统的低相对分子质量高缔合的聚合物，并没有明显的临界缔合浓度[19-21]，增黏曲线黏度增加较平缓，没有出现突变点。

2.2超高分子缔合聚合物黏弹性评价

研究表明，驱油效率受聚合物溶液黏弹性的影响较大，王德民等[22]通过岩心驱油实验指出聚合物溶液提高岩心微观驱油效率的主要因素为流体的弹性；王刚等[13]研究指出对油膜类残余油，聚合物溶液弹性可以提高其微观驱油效率。为了研究超高分子缔合聚合物溶液的黏弹性，本研究考察了用蒸馏水和盐水配制时，超高分子缔合聚合物和常规驱油聚合物溶液在振荡条件下的黏弹模量。

2.2.1蒸馏水配制下黏弹性测试

蒸馏水配制条件下，考察对比质量浓度为2 000 mg/L的超高分子缔合聚合物溶液和常规HPAM的黏弹性。

由图2的试验结果可以得出，由于蒸馏水溶液的极性较小，超高分子缔合聚合物的疏水单体在蒸馏水中不容易产生较强的缔合作用，因此在蒸馏水配制条件下，无论是超高分子缔合聚合物溶液还是常规的HPAM，都是以分子链间的缠绕所产生的黏弹模量为主，而超高分子缔合聚合物溶液的相对分子质量要小于常规的HPAM，因此在蒸馏水条件下，超高分子缔合聚合物溶液AP-P5的黏弹模量小于常规HPAM。

2.2.2盐水配制条件下黏弹性测试

考察矿化度为19 334 mg/L，钙镁离子质量浓度为500 mg/L的盐水配制条件下，质量浓度为2 000 mg/L的超高分子缔合聚合物溶液和常规HPAM的黏弹性对比。

由图3可以看出，在盐水条件下，无论是超高分子缔合聚合物溶液还是常规的HPAM，两者的黏弹模量相对于蒸馏水配制条件都有大幅度的下降。这主要是由于盐对聚合物中COO-的屏蔽，使聚合物溶液的分子链产生卷曲所致。但在盐水条件下，超高分子缔合聚合物溶液的黏弹模量都高于常规的HPAM，主要是由于盐水溶液的极性远高于蒸馏水，因此超高分子溶液的疏水单体在盐水中能够产生较强的缔合作用，增强聚合物的黏性和弹性模量。因此，在盐水溶液中，超高分子缔合聚合物溶液的黏弹模量相对于HPAM有较大的优势，由于现场所用聚合物溶液一般都用具有一定矿化度的水配制，因此在高矿化度条件下，超高分子缔合聚合物溶液的高弹性有利于现场聚合物驱油效率的提高。

2.3超高分子缔合聚合物溶液聚集体形态研究

由于聚合物是通过在水溶液中分子链缠绕所形成的聚集体来进行增黏，因此对聚合物溶液微观聚集体形态的研究有助于更好地认识聚合物溶液的微观增黏机理。由于超高分子缔合聚合物既具有较高的相对分子质量又具有一定的缔合强度，因此其水溶液聚集体形态和常规的HPAM溶液具有一定的区别，为了说明两者结构的区别，用冷冻蚀刻扫描电镜对超高分子缔合聚合物AP-P5溶液和常规聚合物HPAM溶液结构进行观察和比较。实验采用蔡斯扫描电镜和英国QUORUM的冷台连用对聚合物溶液的聚集体形态进行观察。先利用冷台对聚合物溶液进行即时冷冻保持溶液的聚集体形态，对冷冻的聚合物进行升华和喷金之后，利用蔡斯扫描电镜对聚合物溶液的聚集体形态进行观察。

由图4和图5可以看出，相同浓度和相同放大倍数的超高分子缔合聚合物溶液和常规HPAM聚合物溶液的聚集体形态有一定的差别。首先常规HPAM溶液的网状结构呈现出比较有规则的六边形的网状结构，网状结构的边长大约为2 μm，而超高分子缔合聚合物溶液除含有大的网状结构之外，在大的网状结构之间还连有小的不规则的网状结构，这是因为超高分子缔合聚合物溶液除了有分子间的相互缠绕和羧酸根离子基团的相互排斥之外，大分子链之间还产生相互缔合作用，导致了分子链之间产生了不规则的网状结构，因此由分子链缔合和相互缠绕的共同作用形成了超高分子缔合聚合物溶液的微观增黏机理。

2.4超高分子缔合聚合物调剖及驱油效果评价

聚合物溶液调剖效果及驱油性能评价是考察聚合物应用效果的一个重要参数，因此本研究考察了超高分子缔合聚合物AP-P5和常规HPAM在胜利油田二类模拟水油藏条件下，双管非均质石英砂充填岩心(长30 cm、直径2.5 cm、高低管渗透率级差为5 μm2∶1 μm2)的调剖效果和单管石英砂充填岩心(长30 cm、直径2.5 cm、岩心渗透率1.5 μm2)驱油效果对比。

2.4.1超高分子缔合聚合物溶液调剖效果评价

在高低管渗透率级差为5 μm2∶1 μm2的双管条件下，水驱后，分别注入0.3 PV超高分子缔合聚合物和常规HPAM溶液，最后进行后续水驱，流量稳定后，考察高低渗管分流量的对比。

图6和图7的试验结果表明，在后续水驱流量稳定之后，超高分子聚合物溶液高渗管和低渗管分流量之比为4∶1，而常规HPAM溶液高渗管和低渗管分流量之比为9∶1。因此，相对于常规HPAM溶液，超高分子缔合聚合物溶液具有更好的调剖效果。由于，目前胜利油田强注水开发后，油藏非均质性越来越高，因此超高分子缔合聚合物溶液相对于常规HPAM溶液具有更好的扩大波及的能力。

2.4.2超高分子缔合聚合物溶液驱油效果评价

在渗透率为1.5 μm2的单管实验条件下，水驱后，分别注入0.3 PV超高分子缔合聚合物溶液和常规HPAM溶液，最后进行后续水驱，考察两者提高采收率的能力(见图8和图9)。

表1 超高分子缔合聚合物溶液和常规HPAM溶液驱油效果对比Table1 DisplacementefficiencycontrastofultrahighmolecularweightassociationpolymerandcommonHPAM聚合物溶液水驱采收率/%最终采收率/%聚合物驱提高采收率/%常规HPAM62.574.712.2超高分子缔合聚合物63.379.816.5

由表1的驱油效果对比可知，超高分子缔合聚合物溶液具有更好的提高采收率的效果，相同的实验条件下，在聚驱后再进行后续水驱，由于超高分子缔合聚合物溶液分子链间的缔合作用，在地层中除了具有驱油还兼具一定的调剖作用，其最终提高采收率16.5%，高于常规HPAM溶液的12.2%。

3 结论及认识

(1) 通过对超高分子缔合聚合物溶液的增黏性和黏弹性的研究表明，在保持聚合物较高的分子质量之外，通过引入一些缔合单体而形成的超高分子缔合聚合物可进一步提高聚合物的增黏性和黏弹性，进而提高聚合物的波及体积及驱油效率，驱油性能更好。

(2) 超高分子缔合聚合物具有良好的调剖性能和驱油效果，对于高温高盐油藏进一步提高采收率具有良好的应用前景。研究发现，对高温高盐油藏，水驱之后再注入超高分子缔合聚合物溶液，能够明显改善高低渗管分流量，大幅度提高水驱后油藏采收率，是一种具有良好应用前景的新型驱油剂。

(3) 通过冷冻蚀刻扫描电镜研究了超高分子缔合聚合物溶液和常规驱油聚合物聚集体形态和微观增黏机理的差别。研究发现，常规聚合物溶液的增黏机理是通过分子间的相互缠绕和羧酸根的相互排斥进行增黏，而超高分子缔合聚合物溶液的增黏机理除了上述两种作用之外，还有分子链之间的缔合作用，因此增黏性更强。

(4) 本实验只是通过冷冻蚀刻扫描电镜对超高分子缔合聚合物溶液的微观聚集形态进行了研究，研究方法还不全面，建议进一步通过原子力显微镜和动态光散射的方法对超高分子缔合聚合物溶液的微观结构和水动力学尺寸进行研究，以便从微观上更好地认识超高分子缔合聚合物溶液和常规聚合物溶液的差别。

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Solutioncharacterizationanddisplacementefficiencyresearchofultrahighmolecularweightassociationpolymer

XuHui

(GeoscienceResearchInstituteofShengliOilfieldCompany，Sinopec,Dongying257015,Shandong,China)

Ultra high molecular weight association polymer is a new kind of oil displacement polymer. Compared with common HPAM, it is qualified with high molecular weight and some degree of association action. It is different from the common oil displacement polymer with its morphology of the aggregate and displacement efficiency. A kind of ultra high molecular weight association polymer was chosen. Through Anton Paar rheometer test, CRYO-SEM test and flooding physical simulation process test, the viscosifying ability, viscoelastic behavior, morphology of the aggregate, profile control and displacement efficiency were evaluated. The results showed that compared with common HPAM, the ultra high molecular weight association polymer was qualified with better viscosifying ability, better viscoelastic behavior under salty water condition. It also showed a good oil displacement effect at high temperature and high salinity reservoir in Shengli oilfield, and it has a good application prospect.

viscosifying ability, viscoelastic modulus, morphology of the aggregate, CRYO-SEM, displacement efficiency

TE357.46+1

：ADOI: 10.3969/j.issn.1007-3426.2014.01.013

2013-09-20；编辑：冯学军

国家科技重大专项“胜利油田特高含水期提高采收率技术”(2011ZX05011)。

徐辉，男，工程师，江苏人，博士，现主要从事三次采油研究。E-mail:44053012@qq.com