魏向博, 李小瑞, 王 磊, 高進(jìn)浩
(陜西科技大學(xué) 教育部輕化工助劑化學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710021)
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陰-非離子型表面活性聚合物驅(qū)油劑YF-1的制備及室內(nèi)評(píng)價(jià)
魏向博, 李小瑞, 王 磊, 高進(jìn)浩
(陜西科技大學(xué) 教育部輕化工助劑化學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710021)
采用多級(jí)復(fù)合引發(fā)劑(LTC-1)及控制低溫聚合的方法,將可聚合表面活性單體(YM-1、FM-1)與丙烯酰胺(AM)進(jìn)行了共聚,制備出一種表面活性聚合物驅(qū)油劑(YF-1),并利用紅外光譜、熱重分析儀等對(duì)其進(jìn)行了表征.結(jié)果表明,可聚合表面活性單體與丙烯酰胺發(fā)生了接枝共聚,避免了色譜分離效應(yīng);室內(nèi)評(píng)價(jià)表明,YF-1在標(biāo)準(zhǔn)鹽水中具有良好的分子性能、增黏性能、耐剪切性及熱穩(wěn)定性,同時(shí)具有較低的油水界面張力,標(biāo)準(zhǔn)鹽水配制的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%的YF-1溶液與長(zhǎng)慶原油的界面張力可低至1.0×10-1mN/m數(shù)量級(jí);模擬驅(qū)油實(shí)驗(yàn)表明,YF-1 聚合物驅(qū)提高采收率比普通 HPAM高出8.9%.
聚合物驅(qū); 低界面張力; 驅(qū)油劑; 提高采收率
聚合物驅(qū)油技術(shù)主要依靠提高驅(qū)替流體的黏度、改善驅(qū)替體系的流度比,從而提高儲(chǔ)層的波及系數(shù),同時(shí)提高原油的采收率[1].目前,驅(qū)油用聚合物主要是部分水解聚丙烯酰胺(HPAM)及其改性產(chǎn)品,大多存在穩(wěn)定性差、耐溫性不足和耐鹽性差等缺點(diǎn),其黏度會(huì)在高溫和高礦化度條件下大大降低[2,3].
表面活性劑驅(qū)油技術(shù)主要是在微觀上降低油水界面張力、改變?cè)腿榛院蛶r石的潤(rùn)濕性,從而減小原油對(duì)巖層表面的黏附力,以提高洗油效率和原油采收率[4].目前,驅(qū)油用表面活性劑主要有陰離子和非離子型表面活性劑,或者是兩者的復(fù)配表面活性劑[5].單一種類的表面活性劑存在耐鹽能力差、耐溫性不足、吸附損耗大等缺點(diǎn)[6].
已有研究表明,聚合物/表面活性劑(PS)、堿/聚合物/表面活性劑(APS)等復(fù)合驅(qū)油技術(shù)存在組分間的運(yùn)移速度差的問(wèn)題,這將導(dǎo)致色譜分離,削弱不同驅(qū)油劑間的協(xié)同作用,從而減弱復(fù)合體系的驅(qū)油效率[7].
基于上述原因,本文采用多級(jí)復(fù)合引發(fā)劑及控制低溫聚合的方法,將可聚合表面活性單體與丙烯酰胺進(jìn)行了共聚,合成出一種兼具聚合物、陰-非離子表面活性劑性質(zhì)的表面活性聚合物驅(qū)油劑YF-1,并利用紅外光譜、熱重分析等手段對(duì)其進(jìn)行了表征.同時(shí),根據(jù)石油行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),對(duì)YF-1進(jìn)行了室內(nèi)評(píng)價(jià)和模擬驅(qū)油實(shí)驗(yàn).
1.1 主要試劑與儀器
(1)主要試劑:丙烯酰胺(AM),AR,天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司;可聚合表面活性單體(陰離子磺酸鹽型YM-1、非離子聚醚型FM-1),自制;多級(jí)復(fù)合引發(fā)劑(LTC-1)、氫氧化鈉、氯化鈉、氯化鈣、氯化鎂,均為AR,天津市河?xùn)|區(qū)紅巖試劑廠;聚丙烯酰胺(HPAM,MW=2.0×106),AR,天津市福晨化學(xué)試劑廠;耐鹽聚合物(HAWSP,MW=1.8×106),AR,天津五福同泰水處理科技有限公司西安分公司;標(biāo)準(zhǔn)鹽水,礦化度19 334 mg /L,自制;實(shí)驗(yàn)用油,長(zhǎng)慶油田原油(45 ℃條件下密度為826.5 kg/m3、表觀黏度為35.4 mPa·s);巖心,長(zhǎng)慶城95天然巖心(Φ25 cm×7 cm、滲透率44.5×10-3~1 050×10-3μm2).
(2)主要儀器:Vertex 80型傅立葉變換紅外光譜儀,德國(guó)Bruker公司;Q500型熱失重儀,美國(guó)TA公司;NDJ28S型旋轉(zhuǎn)黏度儀,上海分析儀器廠;AR2000ex型流變儀,美國(guó)TA公司;Tx500c型旋滴界面張力儀,美國(guó)Kono Industrial公司;1835烏氏黏度計(jì)(毛細(xì)管直徑0.49 mm、30 ℃下純水留出時(shí)間為104.5 s),上?;茖?shí)驗(yàn)器材有限公司.
(3)根據(jù)SY5862-2008《驅(qū)油用聚合物技術(shù)要求》,按以下程序配制標(biāo)準(zhǔn)鹽水:在5 L的磨口細(xì)口瓶中加入4 902.68 g去離子水,隨后按順序加入以下物質(zhì):氯化鈣5.716 5 g、氯化鎂4.315 0 g、氯化鈉87.289 0 g,充分?jǐn)嚢?5 min,制得標(biāo)準(zhǔn)鹽水,總礦化度為19 334 mg/L.
1.2 表面活性聚合物驅(qū)油劑YF-1的制備
按表1中的原料比,將AM、YM-1、FM-1混合單體溶于去離子水中,攪拌至完全溶解,通氮驅(qū)氧20 min后加入復(fù)合引發(fā)劑LTC-1,繼續(xù)通氮20 min后恒溫50 ℃反應(yīng)4 h,得到膠狀共聚物,取出剪成小塊,用乙醇多次洗滌后在真空干燥箱中(60 ℃) 干燥,粉碎得到白色粉末狀固體,即為YF-1.
表1 制備YF-1的原料質(zhì)量比
1.3 YF-1的表征與性能評(píng)價(jià)
1.3.1 結(jié)構(gòu)表征
將樣品與KBr粉末混合均勻,壓片后在室溫下使用Vertex 80型傅立葉變換紅外光譜儀對(duì)樣品進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征,掃描范圍為500~4 000 cm-1波數(shù).
1.3.2 熱重分析
采用美國(guó)TA公司生產(chǎn)的Q500型熱失重儀,在氮?dú)鈿夥障乱?0 ℃/min的升溫速率從25 ℃升至600 ℃,得到樣品的熱失重曲線.
1.3.3 分子性能測(cè)試
根據(jù)SY5862-2008《驅(qū)油用聚合物技術(shù)要求》,對(duì)樣品的基本理化性能,即溶解時(shí)間、相對(duì)分子量、水不溶物含量等進(jìn)行測(cè)試.
1.3.4 增黏性能測(cè)試
根據(jù)SY5862-2008《驅(qū)油用聚合物技術(shù)要求》,對(duì)樣品的增黏性能進(jìn)行測(cè)試.測(cè)試條件為:用標(biāo)準(zhǔn)鹽水配制不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的待測(cè)溶液,在75 ℃、剪切速率7.34 s-1的條件下,將樣品高速攪拌一段時(shí)間后,測(cè)定其表觀黏度.
1.3.5 耐剪切性能測(cè)試
根據(jù)SY5862-2008《驅(qū)油用聚合物技術(shù)要求》,對(duì)樣品在標(biāo)準(zhǔn)鹽水中的耐剪切性能進(jìn)行測(cè)試.測(cè)試條件為:用標(biāo)準(zhǔn)鹽水配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%的待測(cè)溶液,在75 ℃、剪切速率7.34 s-1的條件下,將樣品高速攪拌一段時(shí)間后,按公式(1)計(jì)算樣品的剪切黏度保留率:
(1)
式(1)中:Ψ—樣品的剪切黏度保留率(%);η1—剪切前樣品表觀黏度(mPa·s);η2—剪切后樣品表觀黏度(mPa·s).
1.3.6 油水界面張力測(cè)試
根據(jù)SY/T 6424-2000《復(fù)合驅(qū)油體系性能測(cè)試方法》,對(duì)樣品與長(zhǎng)慶原油的界面張力進(jìn)行測(cè)試.測(cè)試條件為:用標(biāo)準(zhǔn)鹽水配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%的待測(cè)溶液,在45 ℃、5 000 r/min轉(zhuǎn)速條件下,測(cè)量溶液與長(zhǎng)慶原油的界面張力.
1.3.7 熱穩(wěn)定性測(cè)試
根據(jù)SY5862-2008《驅(qū)油用聚合物技術(shù)要求》對(duì)樣品在標(biāo)準(zhǔn)鹽水中的熱穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試.測(cè)試條件為:用標(biāo)準(zhǔn)鹽水配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%的待測(cè)溶液,測(cè)定此時(shí)的表觀黏度η3,隨后將樣品裝入50 mL具塞管中,通氮除氧后密封,放入60 ℃烘箱,老化一段時(shí)間后,測(cè)定樣品的表觀黏度η4,按公式(2)計(jì)算樣品的表觀黏度保留率:
(2)
式(2)中:N—樣品的表觀黏度保留率(%);η3—熱老化前樣品的表觀黏度(mPa·s);η4—熱老化后樣品的表觀黏度(mPa·s).
1.3.8 模擬驅(qū)油實(shí)驗(yàn)
根據(jù)SY/T 6424-2000《復(fù)合驅(qū)油體系性能測(cè)試方法》,進(jìn)行模擬驅(qū)油實(shí)驗(yàn).測(cè)試條件及步驟如下:
(1)取長(zhǎng)慶城95天然巖心(Φ2.5 cm×7 cm),將巖心裝入驅(qū)替裝置的夾持器,在45 ℃下飽和油,建立束縛水飽和度,要求巖心含油飽和度盡可能接近儲(chǔ)層含油飽和度.
(2)45 ℃注水驅(qū)油,至采出液含水達(dá)98%,計(jì)算水驅(qū)采收率.
(3)45 ℃注入驅(qū)油劑,至采收液含水達(dá)98%,計(jì)算最終采收率.
按公式(3)計(jì)算模擬驅(qū)油實(shí)驗(yàn)的采收率:
(3)
式(3)中:Er—原油采收率(%);V1—原始含油體積(PV);V2—驅(qū)替后含油體積(PV).
2.1 單體用量對(duì)YF-1性能的影響
在反應(yīng)溫度為30 ℃、復(fù)合引發(fā)劑LTC-1的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.003%~0.005%的條件下,通過(guò)改變可聚合表面活性單體YM-1、FM-1的用量,制備了系列表面活性聚合物驅(qū)油劑YF-1.同時(shí),考察了單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)YF-1性能的影響,其結(jié)果見(jiàn)表2所示.
表2 單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)YF-1性能的影響
由表2可知,由于分子鏈中引入了可聚合表面活性單體YM-1和FM-1,制備的聚合物溶液界面張力可低至1.0×10-1mN/m數(shù)量級(jí).單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大,油水界面張力越低,但聚合物相對(duì)分子質(zhì)量也隨之下降,兼顧增黏性能與界面性能,YM-1、FM-1的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別控制在1.0%~1.5%、1.5%~2.0%為宜.
2.2 YF-1的表征
2.2.1 結(jié)構(gòu)表征
利用傅里葉紅外光譜對(duì)YF-1進(jìn)行了結(jié)構(gòu)表征,其結(jié)果如圖1所示.
圖1 YF-1的紅外光譜圖
由圖1可見(jiàn),3 427 cm-1處為N-H鍵伸縮振動(dòng)吸收峰,1 670 cm-1處為C=O鍵伸縮振動(dòng)吸收峰,1 420 cm-1處為C-N鍵彎曲振動(dòng)吸收峰,可知共聚物中含有丙烯酰胺的特征吸收峰;2 925~2 855 cm-1處為亞甲基CH2的伸縮振動(dòng)吸收峰,1 455 cm-1處為甲基CH3的彎曲振動(dòng)吸收峰,1 117 cm-1處對(duì)應(yīng)醚鍵的特征吸收峰,1 185 cm-1、1 040 cm-1處出現(xiàn)磺酸基的特征吸收峰,說(shuō)明可聚合表面活性單體參與了接枝共聚.
2.2.2 熱重分析
利用熱重分析儀對(duì)YF-1進(jìn)行了熱重分析,其結(jié)果如圖2所示.
圖2 YF-1的熱重曲線
由圖2可見(jiàn),YF-1的熱失重曲線可分為五個(gè)區(qū)間,即:
(1)25 ℃~140 ℃范圍,試樣失重約7%~8%.
(2)140 ℃~260 ℃范圍,試樣失重為10%以內(nèi).
(3)260 ℃~350 ℃范圍,試樣結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化,出現(xiàn)明顯失重,失重約20%.
(4)350 ℃~410 ℃范圍,此區(qū)間內(nèi)試樣劇烈分解,迅速失重,失重率為20%左右,分解溫度約350 ℃.
(5)>410 ℃范圍,熱失重曲線趨于平緩,不再發(fā)生變化,殘余重量30%左右.
制備的YF-1含有大量親水基團(tuán),因此第一區(qū)間的失重歸結(jié)于試樣的吸潮,在加熱條件下水份揮發(fā)出現(xiàn)失重[8].由熱重曲線可知,YF-1的熱穩(wěn)定性較好,在200 ℃以后才出現(xiàn)較為明顯的失重,這可能是酰胺基的亞胺反應(yīng)以及疏水側(cè)鏈的熱分解所致;當(dāng)溫度高于350 ℃以后,YF-1主鏈發(fā)生熱降解,迅速失重.
2.3 YF-1的性能評(píng)價(jià)
2.3.1 分子性能
室內(nèi)在標(biāo)準(zhǔn)鹽水條件下,對(duì)YF-1、常規(guī)聚丙烯酰胺(HPAM)和抗鹽聚合物(HAWSP)等的基本理化性能進(jìn)行了測(cè)試,其結(jié)果如表3所示.
表3 聚合物的分子性能
由表3可知,YF-1的基本理化性能滿足驅(qū)油用聚合物的技術(shù)要求,且優(yōu)于HPAM,達(dá)到了石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[9].
2.3.2 增黏性能
聚合物驅(qū)技術(shù)主要通過(guò)增加驅(qū)替流體黏度、改善油水流度比來(lái)提高波及系數(shù),從而提高原油采收率[10].一般而言,相同結(jié)構(gòu)的聚合物,其相對(duì)分子質(zhì)量越大,增黏能力越強(qiáng)[11].圖3為45 ℃時(shí)三種聚合物在標(biāo)準(zhǔn)鹽水中的表觀黏度.
圖3 聚合物在標(biāo)準(zhǔn)鹽水中的增黏能力
由圖3可知,在7.34 s-1剪切速率、相同的質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下,YF-1的增黏能力優(yōu)于HPAM,接近HAWSP.這主要是由于YF-1分子鏈上的疏水基團(tuán)發(fā)生了分子間的締合.在水溶液中,這些基團(tuán)間巨大的靜電排斥作用使聚合物分子鏈上各基團(tuán)距離較遠(yuǎn),形成以分子間締合為主的超分子結(jié)構(gòu)——?jiǎng)討B(tài)物理交聯(lián)網(wǎng)絡(luò),導(dǎo)致流體力學(xué)體積增加,宏觀上表現(xiàn)為溶液黏度大幅提升[12].
2.3.3 耐剪切性能
聚合物溶液在注入地層時(shí),經(jīng)攪拌、混調(diào)、泵送等多個(gè)剪切環(huán)節(jié),將引起長(zhǎng)鏈柔性大分子鍵斷裂,導(dǎo)致分子量降解、溶液黏度下降而影響驅(qū)油效果[13].在標(biāo)準(zhǔn)鹽水、溫度為75 ℃、聚合物濃度為1 500 mg/L條件下,用高速攪拌器對(duì)聚合物攪拌10分鐘,然后測(cè)定聚合物剪切黏度及剪切黏度保留率,其結(jié)果如圖4所示.
圖4 聚合物的黏度-時(shí)間曲線
由圖4可知,兩種聚合物的剪切黏度均隨剪切時(shí)間的增長(zhǎng)而降低,同等條件下,YF-1剪切前后的表觀黏度值明顯優(yōu)于HPAM.這主要是因?yàn)閅F-1分子鏈引入了剛性表面活性單體,由于這些剛性側(cè)基的空間位阻,使得分子運(yùn)動(dòng)阻力變大,表現(xiàn)為聚合物溶液的剪切黏度降低幅度較小[14].
HPAM的剪切黏度保留率為75.7%,而YF-1的剪切黏度保留率為83.8%,優(yōu)于HPAM.
2.3.4 油水界面張力
低界面張力的形成是化學(xué)驅(qū)提高原油采收率的關(guān)鍵因素,超低界面張力使得附于巖心的油滴易于變形啟動(dòng),降低了通過(guò)孔喉的流動(dòng)阻力,從而提高原油采收率[15].
用TX500C型旋轉(zhuǎn)超低界面張力儀分別測(cè)定:
(1)在45 ℃、標(biāo)準(zhǔn)鹽水條件下,不同聚合物溶液與長(zhǎng)慶原油間的界面張力,其結(jié)果如表4所示.由表4可知,YF-1與長(zhǎng)慶原油間的界面張力遠(yuǎn)低于其它聚合物.
表4 聚合物與長(zhǎng)慶原油的界面張力
(2)在45 ℃、標(biāo)準(zhǔn)鹽水條件下,提純前后濃度為0.15%的YF-1溶液與長(zhǎng)慶原油間的界面張力,其結(jié)果如表5所示.由表5可知,提純前后YF-1的動(dòng)態(tài)界面張力接近,間接證明YM-1、FM-1與AM發(fā)生了接枝共聚,而不是簡(jiǎn)單的共混,從而避免了色譜分離.
表5 提純前后YF-1溶液與長(zhǎng)慶原油的界面張力
2.3.5 熱穩(wěn)定性
聚合物溶液的樣品用標(biāo)準(zhǔn)鹽水以0.15%的濃度配制,然后放置在60 ℃烘箱一段時(shí)間,對(duì)其黏度和黏度保留率進(jìn)行測(cè)試,其結(jié)果如表6所示.
表6 聚合物的熱穩(wěn)定性對(duì)比
由表6可知,在相同條件下,YF-1的黏度和黏度保留率均高于HPAM.原因在于長(zhǎng)碳鏈和剛性基團(tuán)的引入,使得聚合物溶液的熱運(yùn)動(dòng)阻力增加,因此體系的熱穩(wěn)定性得以提升[16].
2.3.6 模擬驅(qū)油實(shí)驗(yàn)
用標(biāo)準(zhǔn)鹽水配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%的聚合物溶液,在同等注入量(均為0.4 PV)條件下,三種聚合物的驅(qū)油效果見(jiàn)表7所示.
表7 不同驅(qū)油劑的驅(qū)油效果
由表7可知,聚合物驅(qū)效果優(yōu)于水驅(qū)效果.在濃度相同的條件下,YF-1的聚合物驅(qū)采收率(56.3%)比HPAM(47.4%)提高了8.9%.原因在于YF-1分子鏈上的長(zhǎng)鏈?zhǔn)杷鶊F(tuán),使得YF-1溶液的黏度較大,流動(dòng)控制能力較強(qiáng),有效地?cái)U(kuò)大了波及系數(shù),且本身具有一定的洗油能力,因此采收率增幅較大[17].
(1)制備的陰-非離子表面活性聚合物驅(qū)油劑YF-1分子鏈中引入了可聚合表面活性單體,兼具陰離子、非離子表面活性劑和聚合物的優(yōu)點(diǎn),避免了色譜分離現(xiàn)象.
(2)陰-非離子表面活性聚合物驅(qū)油劑YF-1在標(biāo)準(zhǔn)鹽水中表現(xiàn)出了良好的分子性能、增黏性能、耐剪切性及熱穩(wěn)定性,同時(shí)還具有較低的油水界面張力,油水界面張力可低至1.0×10-1mN/m數(shù)量級(jí).
(3)模擬驅(qū)油實(shí)驗(yàn)表明,YF-1 聚合物驅(qū)可提高采收率(56.3%),比普通 HPAM(47.4%)高出8.9%.
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Preparation and laboratory evaluation of YF-1 anion-nonionicsurface-active polymer oil displacement agent
WEI Xiang-bo, LI Xiao-rui, WANG Lei, GAO Jin-hao
(Key laboratory of Auxiliary Chemistry & Technology for Chemical Industry, Ministry of Education, Shaanxi University of Science & Technology, Xi′an 710021, China)
Based on mixing initiators (LTC-1) at low temperature,a type of anion-nonionic surface-active polymer oil displacement agent (YF-1) was prepared by introducing polymerizable surface-active monomers (YM-1 and FM-1) and acrylamide (AM).Its structure was characterized by FTIR and TGA.Laboratory studies show that polymerizable surface-active monomers occurr graft copolymerization with AM,avoid chromatographic separation.YF-1 has both surfactant and polymeric properties,it also has better performances on molecular properties,tackifying performance,shear resistance and thermal stability,oil-water interfacial tension in standard brine can reach 1.0×10-1mN/m at the concentration of 0.15%.Simulated oil displacement experiment shows that recovery ratio of YF-1 was 8.9% higher than HPAM.
polymer flooding; low interfacial tension; oil displacement agent; recovery ratio
2015-03-13
陜西省科技廳重大科技創(chuàng)新專項(xiàng)計(jì)劃項(xiàng)目(2011zkc04-3)
魏向博(1984-),男,陜西西安人,在讀博士研究生,研究方向:油田化學(xué)品
1000-5811(2015)03-0099-06
TE357.46
A