新型表面活性聚合物驅油劑室內性能研究

趙方園，姚 峰，王曉春，楊 捷，呂紅梅

（1.中國石化 北京化工研究院，北京 1 0 0 0 1 3；2.中國石化 江蘇油田分公司 工程技術研究院，江蘇 揚州 2 2 5 0 0 9）

新型表面活性聚合物驅油劑室內性能研究

趙方園1，姚 峰2，王曉春1，楊 捷1，呂紅梅2

（1.中國石化 北京化工研究院，北京 1 0 0 0 1 3；2.中國石化 江蘇油田分公司 工程技術研究院，江蘇 揚州 2 2 5 0 0 9）

以中國石化北京化工研究院中試生產的表面活性聚合物BHJ-1為研究對象，考察了聚合物溶液濃度、溫度、礦化度、剪切及高溫老化對聚合物性能的影響，并與部分水解聚丙烯酰胺（HPAM）進行了對比。實驗結果表明，BHJ-1具有較高的表面活性和界面活性，在質量濃度為1 500 mg/L時，溶液的表面張力為35.2 mN/m，界面張力為1.0 mN/m；在江蘇油田現場水和油田模擬鹽水條件下，BHJ-1具有優異的增黏性、耐溫抗鹽性、抗剪切性及抗老化性，且在水驅采收率35.0%的基礎上，可進一步提高原油采收率高達24.4百分點，高出HPAM 7.6百分點，表現出顯著的驅油效果，有望應用于我國江蘇油田。

表面活性聚合物；驅油聚合物；表面活性；耐溫抗鹽

在三次采油技術中，化學驅是提高原油采收率最直接、最有效的技術手段［1-2］?；瘜W驅主要包括聚合物驅、表面活性劑驅、二元或三元復合驅及泡沫驅等?；瘜W驅在我國大慶油田、勝利油田及河南油田已形成工業化應用，并取得了顯著的經濟效益和社會效益［3-6］。驅油用聚合物主要為部分水解聚丙烯酰胺（HPAM），其相對分子質量較高，并具有較強的親水性和良好的增黏性，但耐溫抗鹽性較差［7-10］。聚合物/表面活性劑的二元復合驅是國內油田普遍采用的高效經濟的化學驅油方式，但二元復合驅在地層運移中存在色譜分離效應［11-12］，大大影響了它的總體效果，因此開發具有表面活性功能的聚合物具有廣闊的應用前景［13-15］。

表面活性聚合物高分子結構中同時存在親水基團和親油基團，其水溶液具有良好的表面活性，一般采用引發丙烯酰胺類單體與表面活性單體進行共聚合的方法制備表面活性聚合物［16-18］。表面活性聚合物的相對分子質量一般高于5×106，高端產品的相對分子質量超過1.5×107，具有較強的增黏性和黏彈性，同時可有效降低油水表面張力和界面張力，并具有一定的洗油能力，可達到一劑多用的效果。目前驅油用的表面活性聚合物多處于實驗室研究階段，國內外相關文獻報道較少。

本工作選用中國石化北京化工研究院中試生產的表面活性聚合物BHJ-1為研究對象，考察了聚合物溶液濃度、溫度、礦化度、剪切及高溫老化等對聚合物性能的影響，并與超高相對分子質量HPAM進行了對比。

1 實驗部分

1.1 原料與儀器

BHJ-1：中國石化北京化工研究院中試產品；對比試樣超高相對分子質量HPAM：愛森（中國）絮凝劑有限公司；NaCl、MgCl2和CaCl2：分析純，國藥集團化學試劑有限公司；地層模擬鹽水：礦化度15 000 mg/L，Ca2+和Mg2+質量濃度200 mg/L，其余為Na+和Cl-；實驗用水：油田現場水，江蘇油田莊2清水與污水按質量1∶1配比混合。

采用美國Brookf i eld公司的DV-Ⅲ型黏度計測試聚合物溶液的表觀黏度；采用德國Dataphysics公司的DCAT-21型表面張力儀測定聚合物溶液的表面張力，測定溫度25 ℃；采用美國科諾公司的TX500C型界面張力儀測定聚合物溶液的界面張力，測定溫度80 ℃，實驗用油為煤油；采用北京龍智達科技開發公司的VIS-08型烏氏黏度計測試聚合物的相對分子質量，測試溫度為30.0±0.5 ℃；采用江蘇海安石油儀器公司的驅油裝置測定聚合物的驅油效率。

1.2 測試方法

表面活性聚合物的固含量、溶解時間、過濾因子、不溶物含量、水解度、表觀黏度、剪切黏度保留率按標準Q/SH 10201572—2006［19］規定的方法測試。特性黏數按標準GB 12005.1—1989［20］規定的方法測試，采用公式Mη= 145.8［η］1.515計算聚合物的相對分子質量（Mη），［η］為聚合物的特性黏數?？估匣阅軠y試時，溶液經抽排脫氧后置于80 ℃烘箱中老化，定時取樣在25 ℃下測定溶液的表觀黏度，并計算黏度保留率。

驅油實驗方法：采用石英砂膠結三層非均質長方巖心（4.5 cm×4.5 cm×30 cm），巖心抽空飽和水，測定空隙體積和水相滲透率（80 ℃）；巖心原油飽和后，先水驅至含水量達98%，轉注聚合物，再水驅至含水量為98%為止，計算驅油效率和提高采收率，其中，實驗溫度80 ℃，實驗用水為地層模擬鹽水，聚合物注入量為0.4 PV、注入速度0.3 mL/min、原油選自江蘇油田莊2區塊的原油，與白油按3∶1體積比配制成油樣，油樣80 ℃下黏度為20.4 mPa·s。

2 結果與討論

2.1 聚合物的基本理化性能

聚合物的基本理化性能是決定能否作為驅油聚合物應用的首要技術指標。分別測試了BHJ-1和HPAM的基本理化性能，結果見表1。由表1可見，兩種聚合物的固含量、特性黏數、相對分子質量、殘余單體含量、濾過比、溶解時間和不溶物含量均能達到驅油聚合物應用的技術指標要求，其中，BHJ-1的特性黏數和相對分子質量略低于HPAM，但相對分子質量大于1.5×107，屬于超高相對分子量聚合物。此外，BHJ-1的水解度明顯低于HPAM，在高溫油藏條件下，水解度越低越有利于地層中聚合物溶液黏度的長期保持［21］。

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

2.2 表面張力和界面張力

采用江蘇油田現場水配制聚合物溶液，分別測試了不同濃度下HPAM和BHJ-1溶液的表面張力和界面張力。HPAM溶液的表面張力為70.2 mN/m，界面張力為11.3 mN/m，均不隨濃度的變化而變化，而BHJ-1的表面張力和界面張力與其濃度有著密切的關系，其關系見圖1。由圖1可見，BHJ-1溶液的表面張力和界面張力均隨其濃度的增大而出現先迅速下降后平緩的趨勢，在質量濃度大于1 000 mg/L時下降變平緩，這一變化趨勢與小分子表面活性劑十分相似。當質量濃度為1 500 mg/L時，溶液的表面張力降至35.2 mN/m，達到小分子表面活性劑的水平。在質量濃度為1 800 mg/L時，溶液的界面張力降至1.0 mN/m以下，可有效降低油藏地層中油滴的毛細管阻力，增加洗油能力，進而提高原油采收率，這一點與表面活性聚合物的分子結構密切相關。在表面活性聚合物的高分子結構中不僅含有大量的親水基團，且含有較多的親油基團，從而使其具有良好的表面活性和界面活性。但由于其相對分子質量較高，高分子鏈間相互纏結較為嚴重，分子構象時刻發生變化，加大了活性基團向溶液表面或界面遷移的難度，不像小分子表面活性劑進行有效嚴格的有序排列，但其表面活性遠優于普通聚合物。

圖1 BHJ-1濃度對其表面張力和界面張力的影響Fig.1 Effect of concentration of BHJ-1 on surface tension and interfacial tension of its solution.

2.3 增黏性能

在地層溫度和礦化度的條件下，驅油聚合物能夠有效增加油水流度比，即具有增黏性，可通過驅油聚合物溶液的表觀黏度與質量濃度的曲線反映出來。該性能指標也是評價聚合物驅油效果的重要指標之一。采用油田現場水配制不同濃度的聚合物溶液，在溫度80 ℃下，聚合物濃度對溶液表觀黏度的影響見圖2。由圖2可見，兩種聚合物溶液的表觀黏度均隨其濃度的增加而逐漸增加，并呈非線性增加，這是因為在較高濃度下，聚合物高分子鏈間的纏結更加明顯，分子鏈的運動阻力增大，從而引起溶液表觀黏度的上升。將BHJ-1與HPAM相比可知，在低濃度下，BHJ-1溶液的表觀黏度與HPAM相差較小，當質量濃度大于1 000 mg/L時，BHJ-1溶液表觀黏度增加的幅度大大高于HPAM，說明BHJ-1的增黏性明顯優于HPAM。在質量濃度1 500 mg/L時，BHJ-1溶液的表觀黏度達79.5 mPa·s，遠高于HPAM。這是由于表面活性單體的引入增強了大分子鏈間的相互作用和纏結能力，使得表面活性聚合物中高分子鏈及鏈段的運動受阻，進而帶來較高的表觀黏度。

圖2 聚合物濃度對其溶液表觀黏度的影響Fig.2 Effect of concentration of polymer on apparent viscosityof its solution.

2.4 耐溫性能

采用地層模擬鹽水，將BHJ-1和HPAM依次配制成1 500 mg/L的溶液，考察了溫度對聚合物溶液表觀黏度的影響，結果見圖3。由圖3可見，兩種聚合物溶液表觀黏度均隨溫度的升高而降低，這是由于隨溫度的升高，聚合物高分子鏈間的運動阻力減小，高分子鏈和鏈段的運動能力增強，同時在高溫下高分子鏈發生部分降解，從而引起溶液表觀黏度的下降。對比BHJ-1與HPAM發現，在測試溫度范圍內，BHJ-1溶液的表觀黏度明顯高于HPAM。從25 ℃升溫至80 ℃，BHJ-1溶液表觀黏度從41.1 mPa·s下降至19.0 mPa·s，其表觀黏度保留率為46.2%，而HPAM的表觀黏度保留率僅為25.1%。表明BHJ-1具有優異的耐溫性能。

圖3 溫度對聚合物溶液表觀黏度的影響Fig.3 Effect of temperature on apparent viscosity of polymer solution.

2.5 耐鹽性能

將聚合物溶于不同濃度的NaCl鹽溶液中，配制成濃度為1 500 mg/L的溶液，在80 ℃下測試不同濃度NaCl對溶液表觀黏度的影響，結果見圖4。由圖4可見，當NaCl質量濃度低于20 000 mg/L時，BHJ-1和HPAM溶液的表觀黏度均隨NaCl濃度的增加而急劇下降，之后趨于平緩。這是由于高分子鏈遇到金屬鹽離子后會減弱分子內的電荷排斥作用而發生卷曲，引起高分子鏈末端距和水力學體積的減小，溶液的表觀黏度會隨溶液中鹽離子濃度的增加而進一步降低，當高分子鏈受鹽離子濃度影響而收縮到一定程度后，受鹽離子的影響也會隨之減弱。當NaCl質量濃度達100 000 mg/L時，BHJ-1溶液的表觀黏度仍達9.2 mPa·s，而HPAM溶液的表觀黏度僅為4.5 mPa·s，由此表明BHJ-1具有良好抗鹽性能。這一特性與在表面活性聚合物結構單元中引入非離子型的表面活性單體密不可分，非離子型結構單元的引入會削弱鹽離子的影響，進而增加高分子鏈的抗鹽能力。

圖4 NaCl質量濃度對聚合物溶液表觀黏度的影響Fig.4 Effect of NaCl concentration on apparent viscosity of polymer solution.

2.6 抗剪切性能

采用地層模擬鹽水，將BHJ-1和HPAM分別配制成質量濃度為1 000 mg/L的溶液，考察了機械剪切和巖芯剪切對聚合物溶液表觀黏度的影響，結果見表2。由表2可見，BHJ-1溶液經機械剪切后，其溶液表觀黏度由剪切前的10.8 mPa·s降為剪切后的8.9 mPa·s，剪切黏度保留率為82.4%，而HPAM的剪切黏度保留率僅為44.0%。BHJ-1溶液經巖心剪切后，其溶液的表觀黏度降為6.9 mPa·s，剪切黏度保留率為63.9%，高于HPAM的剪切黏度保留率。因此，BHJ-1比HPAM具有更好的抗剪切性能。此外，巖心剪切對聚合物溶液性能的影響大于機械剪切，這是由于經巖心細小的孔道剪切，更易引起聚合物高分子鏈的斷鏈或降解。

表2 BHJ-1和HPAM的抗剪切性能Table 2 Shearing resistance properties of BHJ-1 and HPAM

2.7 抗老化性能

采用地層模擬鹽水，將BHJ-1和HPAM依次配制成1 500 mg/L的溶液，在80 ℃下，經120 d的老化，定時取樣測試溶液的表觀黏度，結果見表3。

表3 BHJ-1和HPAM的抗老化性能Table 3 Aging properties of BHJ-1 and HPAM

由表3可見，BHJ-1在25 ℃下的初始表觀黏度為41.1 mPa·s，在之后的14 d內，溶液的表觀黏度逐漸增大，出現了不降反升的現象，最高表觀黏度達46.5 mPa·s，黏度保留率為113.1%，這可能是因為在高溫老化初期階段，BHJ-1中的丙烯酰胺結構單元的酰胺基發生了部分水解，增大了分子水力學體積，進而引起黏度的上升。在14～60 d的老化過程中，溶液的表觀黏度出現了緩慢下降的趨勢，降至39.0 mPa·s。在之后的60～120 d老化中黏度保持基本不變，最終的黏度保留率仍可達94.9%，具有突出的抗老化性能。而HPAM在整個老化過程中，溶液的表觀黏度持續下降，經120 d老化后，黏度保留率僅為55.3%。

2.8 驅油效果

為增加聚合物試樣驅油效果的對比性，實驗室采用等表觀黏度的方式配制和注入聚合物溶液，驅油評價結果見表4。由表4可見，BHJ-1在820 mg/L時的表觀黏度為8.4 mPa·s，而HPAM要達到相同的表觀黏度，則需要將其質量濃度增至1 000 mg/L。在驅油巖心參數大致相同和一次水驅采收率（35%左右）基本相同的情況下，BHJ-1的最終原油采收率高達59.4%。BHJ-1提高采收率為24.4百分點，而HPAM僅為16.8百分點，BHJ-1高出HPAM 7.6百分點，表現出優異的驅油效果，這一點與表面活性聚合物較低的表面、界面張力和優異的耐溫抗鹽性能是密不可分的，有望應用于我國江蘇油田。

表4 表面活性聚合物BHJ-1與HPAM的驅油效果評價Table 4 Displacement efficiency evaluation of BHJ-1 and HPAM

3 結論

1） BHJ-1具有較高的表面活性和界面活性，在質量濃度為1 500 mg/L時，溶液的表面張力為35.2 mN/m，界面張力為1.0 mN/m。

2）在江蘇油田現場水和地層模擬鹽水條件下，表面活性聚合物BHJ-1具有優異的增黏性、耐溫抗鹽性、抗剪切性以及抗老化性能。

3）BHJ-1在水驅采收率35.0%的基礎上，可進一步提高原油采收率24.4百分點，高出HPAM 7.6百分點，表現出顯著的驅油效果，有望應用于我國江蘇油田。

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（編輯 平春霞）

Laboratory study on properties of novel surface active polymer flooding agent

Zhao Fangyuan1，Yao Feng2，Wang Xiaochun1，Yang Jie1，Lü Hongmei2
（1. Sinopec Beijing Research Institute of Chemical Industry，Beijing 100013，China；2. Research Institute of Petroleum Engineering Technology，Sinopec Jiangsu Oilf i eld Branch，Yangzhou Jiangsu 225009，China）

The pilot production of the surface active polymer BHJ-1，which was produced by Sinopec Beijing Research Institute of Chemical Industry，was studied. The effects of polymer concentration，temperature，salinity，shear and high temperature aging on properties of polymer BHJ-1 were investigated and compared with those of partially hydrolyzed polyacrylamide(HPAM). The results show that polymer BHJ-1 had high surface activity and interfacial activity，its surface tension was 35.2 mN/m and interfacial tension was 1.0 mN/m when its mass concentration was 1 500 mg/L. In addition，BHJ-1 exhibited excellent viscosity increasing property，heat resistance，salt tolerance，shearing resistance and ageing resistance under the conditions of oilfield water and simulated brine in Jiangsu oilfield. According to simulation displacement evaluation，with recovery of 35.0% in the water flooding polymer BHJ-1 could further enhanced oil recovery rate of 24.4 percentage points，which was higher than the HPAM 7.6 percentage points，and show a signif i cant fl ooding effect. BHJ-1 is hopeful to be applied to Jiangsu oilf i eld in China.

surface active polymer；f l ooding polymer；surface active；heat resistant and salt tolerant

10.3969/j.issn.1000-8144.2017.08.014

1000-8144（2017）08-1043-06

TE 357.46

A

2017-02-22；［修改稿日期］2017-04-25。

趙方園（1978—），男，山東省濟寧市人，博士，高級工程師，電話 010-59202933，電郵 zhaofy.bjhy@sionpec.com。

中國石油化工股份有限公司資助項目（214028）。