孟祥海,張云寶,李艷雯,李 翔,侯永利

(1.中海油(中國）有限公司天津分公司生產(chǎn)部,天津300452;2.中海油田服務(wù)股份有限公司油田生產(chǎn)事業(yè)部,天津 300450）

海上油田不同種類聚合物黏彈性能實驗研究

孟祥海1,張云寶2,李艷雯2,李 翔2,侯永利2

(1.中海油(中國）有限公司天津分公司生產(chǎn)部,天津300452;2.中海油田服務(wù)股份有限公司油田生產(chǎn)事業(yè)部,天津 300450）

隨著三次采油技術(shù)應(yīng)用規(guī)模的不斷擴大,聚合物驅(qū)油技術(shù)己成為油田開發(fā)的必然選擇。聚合物驅(qū)油方法是在注入水中添加一定濃度聚合物,從而改變注入水的黏彈性能來提高注水波及體積和驅(qū)替效率的一種采油方法?？梢?聚合物驅(qū)油技術(shù)本質(zhì)就是聚合物溶液的黏彈效應(yīng),依據(jù)油田開發(fā)的實際需求,通過室內(nèi)實驗和理論分析,對不同種類驅(qū)油用聚合物分子形態(tài)及其黏彈性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究與分析,結(jié)果表明不同種類聚合物溶液黏彈性和流變性差異較大,ZKY618-2和DQ-KY聚合物性能相對較優(yōu)。

聚合物;黏彈性;流變性;海上油田

石油開采數(shù)據(jù)表明,聚合物驅(qū)的采收率高于水驅(qū)的采收率,當(dāng)前業(yè)界普遍認(rèn)為是由于水中加入了聚合物,增大注入水的黏度,改善了驅(qū)替相與被驅(qū)替相的流度比,擴大了注入水波及系數(shù)所致;但同時,王德民院士等報道[1-3],聚合物的彈性不同程度增大了注入水的驅(qū)替效率;可見單一運用聚合物的黏性或者彈性進(jìn)行優(yōu)選聚合物品種是片面的,從聚合物黏彈性進(jìn)行綜合評價,優(yōu)選適合目標(biāo)井組的聚合物更具實際意義。聚合物黏彈性研究內(nèi)容屬于流變學(xué)范疇[4,5],流變學(xué)研究測定所采用的主要有三種基本運動學(xué)形式,第一種為穩(wěn)態(tài)剪切流動;第二為非穩(wěn)態(tài)剪切流,即動態(tài)流動;第三種為拉伸流;三種運動學(xué)形式都有其相應(yīng)的材料函數(shù)作為流變測定的研究目標(biāo)。本文主要通過穩(wěn)態(tài)剪切和非穩(wěn)態(tài)剪切流動方式對六種聚合物進(jìn)行黏彈性評價,優(yōu)選適合目標(biāo)井組的聚合物。

1 實驗條件

1.1 實驗材料

根據(jù)聚合物驅(qū)油機理,參考國內(nèi)外幾十種聚合物的主要性能指標(biāo),選取6種驅(qū)油用聚合物進(jìn)行黏彈性能對比實驗,其主要理化性能指標(biāo)見表1。

表1 聚合物理化性能指標(biāo)檢測結(jié)果Tab.1 Test results of physical and chemical properties of polymer

聚合物均為部分水解聚丙烯酰胺,實驗用水為渤海油田某區(qū)塊用水,具體水質(zhì)分析結(jié)果見表2。聚合物水溶液質(zhì)量濃度為1 000 mg/L,實驗溫度為70℃。

表2 水質(zhì)分析結(jié)果Tab.2 Water quality analysis results

1.2 實驗儀器

聚合物溶液黏彈性評價采用RS600應(yīng)力流變儀測定。

2 結(jié)果分析

2.1 穩(wěn)態(tài)剪切流動

聚合物的流變性能通過穩(wěn)態(tài)剪切流動測試來表征,“穩(wěn)態(tài)剪切流動實驗”是指在比較寬的剪切速率范圍內(nèi)研究聚合物溶液的黏性和彈性的變化,在穩(wěn)態(tài)簡單剪切流動中,剪切黏度是聚合物溶液黏性的表征,第一法向應(yīng)力差是聚合物溶液彈性的表征。

2.1.1 黏性表征

DQ-KY、FG-SNF、BJ-HJ、RB-SL、ZKY618-2 和XN-DH等6種聚合物溶液的視黏度與剪切速率關(guān)系曲線見圖1。從圖1可以看出,隨著剪切速率增大,在較低剪切速率范圍內(nèi),聚合物溶液視黏度急劇下降,表現(xiàn)出假塑性流體特征。在剪切速率達(dá)到一定值時,聚合物溶液視黏度基本穩(wěn)定,表現(xiàn)出牛頓流體特征。該性質(zhì)主要體現(xiàn)聚合物內(nèi)部分子相互作用的結(jié)果,黏性越大,擴大波及效果越強,相比而言DQ-KY聚合物更利于擴大注入水波及體積。

圖1 視黏度與剪切速度關(guān)系曲線Fig.1 Relationship of apparent viscosity and shear rate

2.1.2 彈性表征

6種聚合物溶液的第一法向應(yīng)力差與剪切速率關(guān)系曲線見圖2。

圖2 第一法向應(yīng)力與剪切速率變化關(guān)系Fig.2 Relationship of first normal stress and shear rate

第一法向應(yīng)力差是聚合物彈性表現(xiàn)的實質(zhì)原因,從圖2可以看出,六種聚合物第一法向應(yīng)力差均是隨著剪切速率的增加而增大,其中BJ-HJ聚合物在剪切速率達(dá)到100 s-1以上時,第一法向應(yīng)力仍存在并保持繼續(xù)增大趨勢;DQ-KY和ZKY618-2聚合物在0～100 s-1剪切速率范圍內(nèi),表現(xiàn)值相對較大,這使得該兩種聚合物具有更好的彈性表現(xiàn),更有利于注入介質(zhì)波及范圍內(nèi)驅(qū)替效率的提高。

2.2 動態(tài)剪切流動

動態(tài)黏彈性研究不是施加恒定應(yīng)力產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)流動,而是給黏彈性樣品施加振蕩應(yīng)力或振蕩應(yīng)變。用旋轉(zhuǎn)流變儀進(jìn)行振蕩實驗,轉(zhuǎn)子不再朝一個方向連續(xù)旋轉(zhuǎn),而是以正弦時間函數(shù)的方式左右交替地偏轉(zhuǎn)一個小角度。被剪切的樣品,被強制地以同樣的正弦函數(shù)方式應(yīng)變,在樣品中產(chǎn)生阻抗應(yīng)力,應(yīng)力振蕩振幅與實驗樣品的特性有關(guān)。以下為黏彈性流體受振蕩應(yīng)力時的黏彈性響應(yīng),其應(yīng)力與應(yīng)變響應(yīng)相差0～90°之間,復(fù)合模量 G＊代表物質(zhì)反抗施加應(yīng)變的總阻力:

式中:G′為儲能模量,代表彈性能量的存儲,可以恢復(fù)。如樣品彈性、結(jié)構(gòu)好,則其儲能模量 G′大;結(jié)構(gòu)破壞,儲能模量 G′下降。G″為損耗模量,意味著初始流動所用能量是不可逆損耗,已轉(zhuǎn)換為剪切熱。如樣品主要為黏性,則其損耗模量 G″大。

2.2.1 儲能模量與振蕩頻率關(guān)系

6種聚合物溶液的儲能模量與振蕩頻率關(guān)系曲線見圖3。

圖3 儲能模量與震蕩頻率關(guān)系曲線Fig.3 Relationship of storage modulus and oscillation frequency

從圖3曲線的變化趨勢可以看出,在較低的頻率范圍內(nèi),XN-DH、ZKY618-2和DQ-KY聚合物溶液的儲能模量隨著振蕩頻率的增大而下降,但隨著頻率的繼續(xù)增大,儲能模量有所增加。BJ-HJ、RB-SL和FG-SNF聚合物溶液儲能模量隨著振蕩頻率的增大而增加,說明彈性隨著頻率的增加而增大。

同時還可以看出,當(dāng)震蕩頻率增加到一定值時,聚合物溶液的彈性消失。在整個實驗的頻率范圍內(nèi),相對ZKY618-2和DQ-KY聚合物溶液具有較寬的頻率彈性區(qū)和較高的彈性能量,更加適合多孔介質(zhì)內(nèi)的較寬范圍內(nèi)的剪切變化,會使得驅(qū)替效果更好和長效。

2.2.2 損耗模量與振蕩頻率關(guān)系

6種聚合物溶液的損耗模量與振蕩頻率關(guān)系曲線見圖4。

圖4 損耗模量與震蕩頻率關(guān)系曲線Fig.4 Relationship of loss modulus and oscillation frequency

從圖4曲線的變化趨勢可以看出,聚合物溶液損耗模量隨著振蕩頻率的增加而增大,表現(xiàn)出了聚合物溶液具有較大的黏性。當(dāng)頻率增大到3.16 Hz時,DQ-KY、RB-SL和BJ-HJ表現(xiàn)出了非線性黏彈性,使溶液的黏彈性研究失去了意義,但相比而言,ZKY618-2和DQ-KY兩種聚合物更具優(yōu)勢。

2.2.3 模量與振蕩頻率關(guān)系

6種聚合物溶液的模量(黏彈性）與振蕩頻率關(guān)系曲線分別見圖5～圖10。

圖5 ZKY618-2聚合物的模量與震蕩頻率關(guān)系曲線Fig.5 Relationship of modulus and oscillation frequency in polymer ZKY618-2

圖6 BJ-HJ聚合物的模量與震蕩頻率關(guān)系曲線Fig.6 Relationship of modulus and oscillation frequency in polymer BJ-HJ

圖7 DQ-KY聚合物的模量與震蕩頻率關(guān)系曲線Fig.7 Relationship of modulus and oscillation frequency in polymer DQ-KY

圖8 RB-SL聚合物的模量與震蕩頻率關(guān)系曲線Fig.8 Relationship of modulus and oscillation frequency in polymer RB-SL

從圖5～圖10可以看出,在有效的頻率變化范圍內(nèi)ZKY618-2、DQ-KY和 XN-DH聚合物溶液的儲存模量均大于損耗模量,聚合物溶液以彈性為主。當(dāng)頻率小于0.464 Hz時,RB-SL聚合物溶液的儲存模量小于損耗模量,聚合物溶液以黏性為主;當(dāng)頻率大于0.464 Hz時,儲存模量大于損耗模量,聚合物溶液以彈性為主。BJ-HJ和FG-SNF聚合物溶液,在有效頻率變化范圍內(nèi)儲存模量均小于損耗模量,聚合物溶液主要以黏性為主。

圖9 FG-SNF聚合物的模量與震蕩頻率關(guān)系曲線Fig.9 Relationship of modulus and oscillation frequency in polymer FG-SNF

圖10 XN-DH聚合物的模量與震蕩頻率關(guān)系曲線Fig.10 Relationship of modulus and oscillation frequency in polymer XN-DH

同時,從圖中曲線變化趨勢還可以看出,6種聚合物溶液的黏性頻率變化范圍均比彈性頻率變化范圍寬。此外,ZKY618-2和DQ-KY兩種聚合物相比模量值響應(yīng)較大,綜合性能最優(yōu)。

2.3 機理探討

在穩(wěn)態(tài)測試中,黏性是指聚合物溶液在外力作用下流動時的黏滯性,它表示聚合物溶液流動時的內(nèi)摩擦的大小。在分子鏈結(jié)構(gòu)一定的條件下,凡是影響聚合物溶液分子鏈間作用力大小的因素都將影響聚合物溶液的黏性。彈性是指聚合物溶液在外力作用下產(chǎn)生高彈形變,即分子鏈在外力作用下取向,外力去除后分子鏈自發(fā)蜷曲的性質(zhì)。在聚合物溶液中,分子鏈間作用力的大小決定了溶液彈性的好壞。

在動態(tài)測試中,黏性是指聚合物溶液在應(yīng)力作用下溶液變形過程中能量的消耗,黏性與溶液中大分子的構(gòu)象、溶劑和溶質(zhì)分子的尺寸、聚合物的濃度等因素有關(guān);而彈性是指聚合物溶液在應(yīng)力作用下溶液變形過程中能量的儲存,與溶液內(nèi)聚合物分子鏈間作用以及形成的結(jié)構(gòu)有關(guān)。

基于聚合物驅(qū)油機理本質(zhì)在于聚合物溶液的黏彈效應(yīng),可見通過穩(wěn)態(tài)及動態(tài)測試來表征聚合物的本質(zhì)特性更加符合實際,更能降低措施風(fēng)險,指導(dǎo)礦場實踐。

3 結(jié)論

(1）相同實驗條件下,不同種類聚合物黏彈性存在差異,且其黏性頻率變化范圍均比彈性頻率變化范圍寬。

(2）穩(wěn)態(tài)及非穩(wěn)態(tài)剪切實驗評價方法均屬于聚合物分子力學(xué)范疇,能夠客觀反映多孔介質(zhì)內(nèi)的黏彈效應(yīng),ZKY618-2和DQ-KY聚合物具有較寬的頻率變化范圍和較高的黏彈效應(yīng)。

[1]王德民,程杰成,楊清彥.黏彈性聚合物溶液能夠提高巖心的微觀驅(qū)油效率[J].石油學(xué)報,2000,21(5）:45-51.

[2]蒲萬芬,彭彩珍,楊清彥,等.聚合物溶液在孔隙介質(zhì)中的蠕變回復(fù)和驅(qū)油效率[J].西南石油學(xué)院學(xué)報,2000,22(2）:62-66.

[3]王德民.黏彈性流體的特殊性對油藏工程地面工程及采油工程的影響[J].大慶石油學(xué)院學(xué)報,2001,25(3）:46-52.

[4]夏惠芬.粘彈性聚合物溶液在油藏中的流動及提高微觀驅(qū)油效率的機理[D].大慶石油學(xué)院博士學(xué)位論文,2001.

[5]祝仰文,張以根,劉坤,等.HPAM溶液驅(qū)油過程中彈性作用的探討[J].西南石油學(xué)院學(xué)報,2002,24(6）:64-67.

Experimental study of different types of polymer viscoelastic in offshore oilfields

Meng Xianghai1,Zhang Yunbao2,Li Yanwen2,Li Xiang2,Hou Yongli2
(1.Production Department,Tianjin Branch of CNOOC Ltd.,Tianjin 300452;2.Production Optimization,China Oilf ield Services Limited,Tianjin 300450）

With the expanding application of tertiary oil recovery technology,the polymer flooding technology has become an inevitable choice for oilfield development.Polymer flooding method is to add a certain concentration of polymer into the water,thus change the viscoelastic injection water to improve water swept volume and the efficiency of oil displacement.The essence of polymer flooding technology is the viscoelastic effectsof polymer solution,based on our actual needsof oil field development,through laboratory experiments and theoretical analysis,systematic research and analysis was done using different types of polymer on its viscoelastic properties.The results showed that viscoelasticity and rheology of different types of polymer solution is quite different,“ZKY618-2”and“DQ-KY”are relatively better in performance.

polymer;viscoelastic;rheology;offshore oilfield

TE357.46

A

10.3969/j.issn.1008-2336.2011.01.058

1008-2336(2011）01-0058-05

中海油(中國）有限公司重點科研礦場試驗項目(編號:C/KJFZHY002-2009）

2010-10-28;改回日期:2010-12-24

孟祥海,男,1976年生,工程師,主要從事油田技術(shù)的研究與管理工作。E-mail:mengxh2@cnooc.com.cn。