赵方园，伊 卓，吕红梅，姚 峰，杨 捷，李 晶

（1. 中国石化 北京化工研究院，北京 100013；2. 中国石化 江苏油田分公司 工程技术研究院，江苏 扬州 225009）

在三次采油过程中，注入一定浓度的驱油聚合物溶液，可降低油水流度比，提高水驱波及效率，从而提高原油采收率［1-4］。目前在用驱油聚合物主要为部分水解聚丙烯酰胺（HPAM）［5-7］，HPAM具有较好的增黏性。然而，随着油藏地层盐浓度的增加，驱油聚合物的高分子链会发生卷曲和收缩，降低聚合物水动力学体积，减少波及体积，进而影响驱油效果。聚合物/表面活性剂二元复合驱在国内也有开展，但是二元复合驱在地层运移中存在色谱分离效应，尤其在低渗透油藏更为严重，大大影响其总体驱油效果［8-9］。

表面活性聚合物是指在高分子链结构中同时存在亲水基团和亲油基团，使溶液具有良好表面活性的一种新型功能型聚合物。一般采用氧化-还原复合引发体系，在一定温度下引发丙烯酰胺与表面活性单体进行共聚，得到表面活性聚合物［10-14］。表面活性聚合物与常规的高分子表面活性剂存在很大区别。高分子表面活性剂的性质更倾向于小分子表面活性剂，而表面活性聚合物主要表现聚合物的特性。高分子表面活性剂的分子量不高，一般小于2×106，且增黏性不强；而表面活性聚合物的分子量高于107，甚至超过1.5×107，具有较强的增黏性和黏弹性，同时可有效降低油水表界面张力，具有一定的洗油能力，达到一剂多用的效果［15］。表面活性聚合物作为驱油剂在三次采油领域具有更大的应用前景［16-17］。

本工作合成了不同分子量的表面活性聚合物，考察了聚合物的增黏性、耐温性、表/界面活性，并与HPAM 进行了对比；同时采用可视化实验驱油装置探讨了表面活性聚合物的驱油机理；通过室内物模实验进行了驱油效果评价。

1 实验部分

1.1 原料与仪器

表面活性聚合物：自制，含表面活性单体、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）等单元；对比试样HPAM：牌号HE62210，北京恒聚化工集团公司；NaCl，MgCl2，CaCl2：分析纯，天津市光复科技发展有限公司；地层模拟盐水：矿化度15 000 mg/L，其中Ca2+和Mg2+总质量浓度200 mg/L，其余为Na+和Cl-。

实验油样：江苏油田庄2 区块原油与白油按体积比3∶1 配成油样，80 ℃下黏度为20.4 mPa·s。

采用Brookfield 公司DV-Ⅲ型黏度计测试聚合物溶液表观黏度；采用Dataphysics 公司DCAT-21 型表面张力仪测定聚合物溶液的表面张力，测定温度25 ℃；采用科诺公司TX500C 型界面张力仪测定聚合物溶液的界面张力，测定温度80 ℃，实验用油为煤油；采用北京龙智达科技开发公司VIS-08 型乌氏黏度计测试聚合物的Mη，测定温度（30.0±0.5）℃；采用WATERS 公司UPLCHClass 型液相色谱分析仪测定聚合物中丙烯酰胺残余单体含量；采用江苏海安石油仪器公司驱油装置测定驱油效率；采用可视化实验驱油装置和微观驱油动态彩色图像量化处理系统研究微观驱油机理。

1.2 测试方法

表面活性聚合物和HPAM 的固含量、溶解时间、过滤因子、残余单体含量、表观黏度按Q/SH 1020 1572—2017［18］规定的方法测试。特性黏数按GB 12005.1—1989［19］规定的方法测试，采用公式Mη=145.8［η］1.515（［η］为聚合物的特性黏数）计算聚合物的Mη。

可视化实验驱油：先将微观模型水驱洗净后饱和油，以恒定的驱替速率（0.02 mL/min）水驱油至模型不出油为止，然后以恒定速率（0.02 mL/min）驱替聚合物溶液，观察驱替过程中的残余油变化，录取驱替过程中的动态图像，最后清洗模型，更换聚合物重复上述实验。

驱油效率实验：采用人造岩心（长304 mm，直径25 mm），岩心抽空后用地层模拟盐水进行饱和，测定空隙体积和水相渗透率（80 ℃），再用实验油样进行饱和，之后水驱至含水量达98%（φ），转注HPAM（注入量0.4 PV），驱替至含水量为98%（φ）为止，最后注入表面活性聚合物进一步驱油（注入量0.4 PV），最后水驱至含水量为98%（φ），分别计算两次聚合物的提高采收率和驱油效率。其中，实验用水为地层模拟盐水，注入速率0.3 mL/min。

2 结果与讨论

2.1 聚合物的基本参数

通过改变实验配方和工艺条件可得到系列不同分子量的表面活性聚合物试样，各试样的基本理化性能见表1。由表1 可以看出，表面活性聚合物的特性黏数在1 941 ～2 374 mL/g 之间，分子量在（1.03 ～1.33）×107之间，低于对比试样HPAM。表面活性聚合物具有不同的分子量说明通过改变实验配方可以对表面活性聚合物性能实现有效控制。此外，合成的表面活性聚合物具有优异的溶解性，均可在2 h 内完全溶解，且过滤因子均在1.1 以下，残余单体含量低，达到常规驱油聚合物指标要求（低于0.1%（w）），完全符合油田应用现场基本理化性能指标要求。

表1 表面活性聚合物与HPAM 的基本理化性能Table 1 Physical and chemical properties of surface active polymer and HPAM

2.2 表面活性聚合物的增黏性

对于江苏油田中低渗透油藏，在80 ℃下要达到满意的流度比和满足三次采油工业的现场应用要求，采用油田现场水配制，需要聚合物溶液质量浓度为1 500 mg/L 时，表观黏度应达到20 mPa·s以上。通过研究聚合物溶液表观黏度随质量浓度的变化关系来考察聚合物的增黏性，增幅越大，说明增黏性越优异。聚合物质量浓度对聚合物溶液表观黏度的影响见图1。从图1 可看出，聚合物溶液的表观黏度均随质量浓度的增加而逐渐增加，其中，随表面活性聚合物分子量的增加，表面活性聚合物溶液的表观黏度增幅增大。此外，对比表面活性聚合物与油田在用HPAM 产品可以看出，在高温80℃下，表面活性聚合物的增黏性明显优于HPAM。在质量浓度1 500 mg/L 下，表面活性聚合物溶液的表观黏度均达到40 mPa·s 以上，高于HPAM。这是因为，表面活性聚合物中引入的表面活性单体增强了大分子链间的相互作用，而且抗盐单元AMPS 也大大增强了高分子链的耐温性能，使表面活性聚合物的高分子链更舒展，拥有更大的水动力学体积，表现出更高的表观黏度。

图1 聚合物质量浓度对聚合物溶液表观黏度的影响Fig.1 Effect of mass concentration of polymer on apparent viscosity of polymer solution.

2.3 表面活性聚合物的耐温性

在聚合物盐溶液中，盐离子的存在会降低聚合物溶液的黏度，这是因为高分子链遇到盐离子会减弱分子内的电荷排斥作用而发生卷曲，引起高分子链末端距和水动力学体积的减小。溶液的表观黏度会随溶液中盐离子的浓度增加而降低。另外，二价金属离子（如Ca2+，Mg2+）与聚合物链中的羧酸根离子发生作用而聚集在一起，甚至生成沉淀，对聚合物溶液黏度影响更明显。在表面活性聚合物中引入磺酸基团和非离子的表面活性单体，会削弱盐离子的影响，本工作进一步研究了在矿化度15 000 mg/L 下，不同温度对共聚物溶液表观黏度的影响，结果见图2。由图2 可看出，随温度的不断升高，聚合物溶液的表观黏度逐渐降低，符合非牛顿流体的基本特征。本工作合成的表面活性聚合物，从25℃升至80 ℃，聚合物溶液黏度保留率在50%左右，高于HPAM 的黏度保留率，表现出良好的耐温性能。

图2 温度对聚合物溶液表观黏度的影响Fig.2 Effect of temperature on apparent viscosity of polymer solution.

2.4 表面活性聚合物的表/界面活性

采用去离子水将聚合物配制成不同质量浓度的聚合物溶液，在25 ℃下研究了质量浓度对聚合物溶液表面张力的影响，结果见图3。从图3 可看出，HPAM 为阴离子型聚合物，溶液的表面张力为70.2 mN/m，无表面活性，且不随质量浓度的变化而变化。表面活性聚合物溶液的表面张力均随质量浓度的增加而迅速下降，说明表面活性单体中长链亲油基团的引入降低了聚合物水溶液的表面自由能，且长链亲油基团可以有序地聚集在一起，自组装地分布在溶液表面，进而大大降低了溶液的表面张力。其中，5L-1 溶液的表面张力明显低于其他试样，当质量浓度为1 200 mg/L 时，表面张力降至34.6 mN/m，基本达到常规小分子表面活性剂的应用要求。此外，表面活性聚合物溶液的表面张力随聚合物分子量的增加而逐渐升高。这是因为分子量越高，大分子链间相互缠结能力越强，使活性基团在溶液表面的自组装能力减弱。

图3 聚合物质量浓度对溶液表面张力的影响Fig.3 Effect of mass concentration of polymer on surface tension of solution.

在80 ℃下测试不同质量浓度聚合物溶液的界面张力，变化规律见图4。从图4 可看出，表面活性聚合物溶液的界面张力均随质量浓度的增加而迅速下降，变化规律和原因与表面张力的影响相同。其中，质量浓度为1 200 mg/L 时，溶液的界面张力降至1.4 mN/m。

图4 聚合物质量浓度对溶液界面张力的影响Fig.4 Effect of mass concentration of polymer on interfacial tension of solution.

2.5 驱油机理研究

通过宏观岩心驱替实验可以得到各种驱油体系的采收率，但是不能动态观察驱替过程。水驱后的微观残余油尺度非常小，一般属于微米级，通过可视化实验驱油（玻璃刻蚀模型）可以直观地观察到流体在多孔介质中的流动特征和油水相间的相互作用，以及残余油的分布形态，为研究驱油过程和机理提供理论支持。目前，采用可视化实验驱油研究表面活性聚合物降低残余油的机理有关报道相对较少。本工作采用该模型对水驱后普通聚合物和表面活性聚合物的微观驱油机理进行了对比研究，进而有效揭示表面活性聚合物的驱油机理。

2.5.1 聚合物溶液对油膜的驱油机理

为了分析表面活性聚合物对油膜的驱油机理，对简化孔道中的油膜进行放大分析，HPAM 和表面活性聚合物5L-4 驱替油膜的微观过程分别见图5 和图6。

图5 HPAM 溶液的驱替油膜过程Fig.5 Displacement effect of HPAM solution on residual oil film

图6 5L-4 溶液的驱替油膜过程Fig.6 Displacement effect of 5L-4 solution on residual oil film.

由图5 可以看出，水驱后油膜附着在岩石壁面上，水驱过程的剪切力不足以使油膜脱离岩石壁面。当用HPAM 溶液驱替时，HPAM 具有较好的黏弹性，可降低油水流度比，由此引起HPAM 溶液在流动过程中产生的平行于油水界面并作用于油膜的“拖曳”力大于水相阻力。从微观模型实验观察到油膜的后部被驱动，并逐渐向前运移，使油膜的前部逐渐加厚，当加厚到一定程度时，HPAM溶液流动产生的“拖曳”力就会大于原油的黏着力，油膜前端的油就会形成油滴并与油膜脱离，油滴随着驱替液向前移动。经过HPAM 驱替后，油膜变薄，但仍存有较厚的油膜未被驱替出。

由图6 可见，水驱后，在表面活性聚合物5L-4 溶液的“拖曳”和洗脱作用下，油膜发生较大形变，驱替过程中观察到油膜凸起，前缘逐渐被拉长和洗脱。这是由于5L-4 溶液具有良好的表/界面活性和润湿性，降低了油水界面张力，使得油膜前缘逐渐脱离壁面，形成油滴被携带采出，最后油膜被全部驱替出。对比图5 和图6 可知，表面活性聚合物对油膜的驱替效果明显优于HPAM。

2.5.2 聚合物溶液对盲端残余油的驱油机理

图7 和图8 分别给出了水驱后，HPAM 和表面活性聚合物溶液对盲端残余油的微观驱替效果图。从图7 可以看出，采用HPAM 溶液驱替后，盲端残余油与驱替液的界面略呈“凹”形，这是由于HPAM 溶液具有一定的黏弹性，使主流的HPAM溶液能够“拖曳”采出盲端残余油顶部的少量油。从图8 可看出，当采用5L-4 溶液驱替时，可以看出在5L-4 溶液驱替过程中，大部分盲端残余油被“拖曳”采出，残留于盲端的残余油量较少。这是由于表面活性聚合物一方面具有普通聚合物的黏弹性，另一方面具有表面活性剂的表/界面活性，可降低油水界面张力和油滴的内聚力，大大提高洗油能力。

图7 HPAM 溶液对盲端残余油驱替效果Fig.7 Displacement effect of HPAM solution on residual oil in dead-end.

图8 5L-4 溶液对盲端残余油驱替效果Fig.8 Displacement effect of 5L-4 solution on residual oil in dead-end.

2.5.3 聚合物溶液对孤岛剩余油的驱替

水驱后不同聚合物溶液对孤岛残余油的微观驱替效果见图9 ～10。从图9 可知，HPAM 溶液对孤岛残余油的驱替作用不大，剩余油仍很多。从图10可知，当注入5L-4 溶液时，孤岛处残余油大部分被驱替采出，作用机理与对盲端残余油作用机理相同。

图9 HPAM 溶液对孤岛残余油驱替效果Fig.9 Displacement effect of HPAM solution on isolated-island residual oil.

图10 5L-4 溶液对孤岛残余油驱替效果Fig.10 Displacement effect of 5L-4 solution on isolated-island residual oil.

2.6 驱油效果评价

从驱油机理研究中可以发现，表面活性聚合物对残余油的驱油机理不同于普通聚合物HPAM，因此在注入HPAM 驱后仍具有进一步提高原油采收率的效果，该结论从表面活性聚合物与HPAM 的驱油效果评价（见表2）可得到充分证实。取两种黏度的聚合物进行室内驱油实验评价，将黏度相同的HPAM 与表面活性聚合物溶液依次注入进行驱油。从表2 可见，在水驱后，先注入HPAM 溶液，待含水率达到98%（φ），聚合物黏度分别为8.5，13.8 mPa·s 时的原油采收率提高分别为16.8%，19.7%，再注入5L-4 溶液驱替后，分别进一步提高原油采收率为8.4%和10.2%，表面活性聚合物表现出优异的驱油效果。

表2 表面活性聚合物与HPAM 的驱油效果评价Table 2 Displacement efficiency evaluation of surface active polymer and HPAM

3 结论

1）合成的表面活性聚合物具有优异的溶解性，过滤因子均在1.1 以下，残余单体含量低，达到常规驱油聚合物指标要求，符合油田应用现场基本理化性能指标要求。

2）表面活性聚合物具有优良的增黏性、耐温性以及表面活性，在质量浓度为1 200 mg/L 时，表面活性聚合物溶液的表面张力为34.6 mN/m 左右，性能优于HPAM，对膜状残余油、盲端残余油和孤岛剩余油均有很好的驱替和洗油等作用。

3）先经普通聚合物HPAM 驱替后，再注入表面活性聚合物可进一步提高原油采收率，表面活性聚合物表现出优异的驱油效果。