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三次采油聚合物用功能单体效果研究

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三次采油聚合物用功能单体效果研究
                    牛 杰 伟
   一、功能单体的加入可以全面提高驱油剂性能
   三次采油技术,是利用聚合物水溶液的粘度,降低水相渗透率,调整水油流度比,改善油层的非均质性和油水界面的特性,扩大波及体积,从而提高原油采收率。
  要达到理想的驱油效果,采油聚合物必须具有良好的水溶性、增粘性、粘弹性和稳定性。随着开采深度的增加,地层的温度和含盐量也不断增加,迫切要求解决高温和高盐对聚合物增粘性的影响问题。加上国际市场的原油价格持续低迷,要求三次采油的成本必须大幅度降低,这就要求在高温高矿化度条件下,聚合物以极稀的溶液保持足够高的粘度,适应油田采油的需要。
  目前业界解决上述问题的方法,主要是增强聚合物分子链的刚性和提高聚合物的分子量。增强分子链的刚性在一定程度上可以抵抗高温高盐对粘度降低的影响,但能力有限,而且会使溶解性变差,粘度不好控制。增大聚合物的分子量,可以降低粘度下降的幅度,但又会使溶解困难。分子量越高的的聚合物越容易在高剪切条件下发生分子链的断裂,产生机械降解,还存在低渗透层易截留等问题。高温高盐环境中的多种降解,使聚合物水溶液的粘度保留率很低,不能满足三次采油对注入液粘度的要求,需要研制理想的新型采油聚合物。   聚合物的分子结构决定着它的性能,为了研制出性能优良的驱油剂,在合成新型抗盐耐温聚合物时,应以丙烯酰胺为基础单体,在聚合物的分子链上引入一些具有特殊功能的结构单元.使基础单体分子与适合某一油田地层条件的功能单体(或与几种功能基团合成的大单体)接枝共聚,从根本上改造聚合物的分子结构,全面提升聚合物的性能。
  二、牛亚斌功能单体的分子结构与机理
   这里以牛亚斌(原中国石油天然气总公司副总工程师,北京石油勘探开发科学研究院副总工程师,油田化学研究所所长 )发明的功能型大单体为例,分析研究功能单体引入采油聚合物的分子链中,所表现出来的优良性能和应用效果。牛亚斌大单体由几种具有特殊功能的基团在一定条件下合成,进行大单体分子模型的设计时,根据单体分子的结构特点以及单体在分子链上的功能和作用,选择合适的功能基团:
  1.在分子链上引入强水化阴离子基团,取代聚丙烯酰胺中对盐敏感的羧基,不与二价钙镁离子或多价金属离子形成沉淀,使聚合物表现出良好的抗盐耐温性能。强水化阴离子基团的亲水作用与静电排斥力,使聚合物具有良好的水溶性,极大的增加分子链的流体力学体积,提高聚合物的增粘效果,在水溶液中显示出典型的高效增粘性。
  2.亲水基团和亲油基团利用分子链间的相互作用,在水分子与聚合物分子的极性側基之间形成氢键使其易溶于水,很好的改善聚合物的溶解性能。使其在盐水中远比在淡水中溶解性好,在较高矿化度的盐水中也能全部溶解。
  3.大体积側基可以提高分子链的刚性,抑制加入无机电解质引起的大分子线团尺寸的剧烈下降,使聚合物具有较高的热稳定性,它的水溶液在相对高温下能保持较高的粘度,具有出色的抗盐耐温性。
  4.疏水基团的缔合作用,使聚合物在盐水中的粘度比在淡水中高。聚合物水溶液的粘度,随着水溶液中氯化钠浓度的提高而增大。无机盐的加入,既增强了疏水效果,又能使分子链扩张,溶液的粘度显著上升。
  5增加分子链刚性的环状结构,不仅明显地提高聚合物分子主链的热稳定性,而且有效的除氧减少聚合物水溶液粘度的降低,增强聚合物的耐温性能。
  6.分子链上酰胺基的水解是聚合物抗盐耐温性能降低的主要原因,引入能抑制酰胺基水解的基团,以提高聚合物的抗盐耐温性能,使其具有很好的增粘效能和粘度稳定性。
  以上的几种功能基团合成的大单体中,不仅各个基团发挥着自己的特性,而且它们的协同作用使功能大单体表现出极其优良的性能。我做的三次采油聚合物—-驱油用活性功能型聚表剂,将牛亚斌大单体引入分子链上,使聚表剂具有精准的分子结构,表现出良好的性能和效果。
  三、引入牛亚斌单体的聚表剂性能
  1,快速溶解性 活性功能型聚表剂是一种速溶性聚合物。聚表剂 JHW126和JHW283在矿化度为20000mg/L,鈣镁离子总量为500mg/L,常温下配置浓度为5000ppm的母液时,20分钟左右完全溶解.
   尤其适合海洋油田驱油用的速溶性聚表剂JHW112,在20000mg/L矿化度,常温下配置浓度为5000ppm母液时,7min之内完全溶解。可以直接配置成油田采油用的目标溶液,节省工序,设备和时间。
  适合较高矿化度油田驱油用的聚表剂JHW763,在63906mg/L矿化度,鈣镁离子总量为3000mg/L,常温下配置浓度5000ppm母液时,40min左右完全溶解。
  2,高效增粘性 将上面的母液稀释成浓度为1500ppm溶液,80℃条件下,聚表剂JHW126的粘度为544.1mpa.s,JHW283的粘度为408.3mpa.s. 稀释浓度为1000ppm时,聚表剂JHW126的粘度为238.0mpa.s,JHW283的粘度为178.5mpa(以上黏度均系请北京石油勘探研究机构测试,以下黏度系我所在单位用布什粘度计测试)。
  稀释浓度为800ppm时,聚表剂JHW126和JHW283的表观粘度均在25.0mpa.s左右。 聚表剂JHW112,稀释浓度为1000ppm,温度80℃时粘度大于100mpa.s.浓度为800ppm时粘度在20mpa.s左右。
  由此可见,活性功能型聚表剂具有出色的高效增粘性,水溶液的粘度远远高于一般采油聚合物的粘度。   3,抗盐性 聚表剂 JHW126,JHW283和JHW112的水溶液,在矿化度20000mg/L以下时,随着矿化度的增加粘度增加。20000mg/L矿化度时粘度达到峰值,矿化度再增加,粘度将逐渐减少。 聚表剂JHW763水溶液在矿化度63906mg/L,鈣镁离子总量为3000mg/L,温度85℃,浓度为1500ppm时粘度大于100mpa.s,浓度为1000ppm,60℃时粘度在40mpa.s左右。
4,耐温性 聚表剂 JHW126,JHW283和JHW112的水溶液,在80℃以下时,随着温度的升高粘度增加。80℃时粘度达到峰值,温度再升高,粘度将逐渐减少。聚表剂JHW283的水溶液,在矿化度为20000mg/L,鈣镁离子总量为500mg/L,温度99℃,稀释浓度1500ppm时,粘度为66.0mpa.s.(此粘度数值系请北京石油勘探研究机构测试)
  5,稳定性 活性功能型聚表剂是低分子量高粘度采油聚合物,在矿化度20000mg/L,温度80℃,无氧条件下,90天聚表剂水溶液粘度保留率大于100%。这充分体现了聚表剂优良的粘度稳定性,证明了引用牛亚斌功能单体的驱油剂,具有抗盐耐温抗剪切抗老化抗一切降解的惊人能力和喜人效果。
  6,降低成本 由于聚表剂的高效增粘性,将其母液成稀释浓度为800ppm的溶液时,JHW126和JHW283的粘度均在25mpa.s左右,JHW112的粘度在20mpa.s左右。因此用极少量的聚表剂配置极稀的盐水溶液,就能满足油田生产对聚表剂溶液粘度的要求。这样不仅节约了聚表剂用量,而且减少了运输量。在保证较高原油采收率的前提下,大幅度降低了油田的生产成本。
  四、聚表剂性能的静态实验
  1、聚表剂粘度稳定性检测 利用现场污水配置不同浓度的聚表剂溶液,在75℃厌氧条件下保存,不同时间测试样品黏度,结果显示两种浓度的聚表剂溶液,随着放置时间的增加,黏度明显提高。而且浓度越高,黏度提高幅度越大。无氧条件下,90天黏度保留率均大于100%。可见用现场污水配置聚表剂驱油体系,适合现场实际应用。
  2、聚表剂乳化能力测试 采用模拟污水配置不同浓度的聚表剂溶液,按照1:1的比例和原油配制成乳状液,聚表剂在浓度800mg/L时出现乳化现象.乳状液以油包水型为主,随着聚表剂浓度的增加,乳化性能增强。配制不同油水比的聚表剂溶液成乳状液,浓度相同时随着水油比的增加,乳化能力也增强。
  3、聚表剂的表面张力研究 对污水配制的聚表剂溶液进行界面张力检测,数据结果表明,聚表剂具有一定的活性成分,相对于普通聚合物有较低的界面张力,较强的乳化能力。
  4、聚表剂微观结构分析 普通聚合物分子在现场污水中受盐敏效应影响,很多分子卷缩聚集成球状。放大10000倍用扫描电镜观察,聚合物分子交错叠合在一起。分子羧钠基的电性被屏蔽,分子呈卷曲状态,增粘能力很差。聚表剂分子在产出污水中形成朵状形态,放大10000倍用扫描电镜进行微观形态观察,聚表剂分子相互结合,产生分子内和分子间的交联,黏度大幅度提高。
  5、聚表剂溶液在多孔介质中的流动特性 实验显示,聚表剂溶液注聚后压力均存在平稳值,说明在注入过程中均未发生堵塞现象。岩心水测渗透率相当时,在聚表剂溶液的浓度和岩心水测渗透率的变化过程中,聚表剂JHW126溶液在渗透率300md以上,JHW283溶液在渗透率200md以上时,均没有发生堵塞现象。
综上所述,引入了牛亚斌功能单体的聚表剂是一种新型的表面活性驱油剂,它不但具有常规聚合物溶液较高的粘弹性,扩大波及体积的能力,而且具有很高的黏度稳定性,乳化性,还能有效改善油水界面的张力。
  五、聚表剂驱油效果实验
  1、不同聚表剂对驱油效率的影响 在气测渗透率为500md、1000md、2000md左右的人造均质岩心上,聚表剂JHW126、JHW283溶液浓度为1500mg/L和2000mg/L时,实验显示,聚表剂可以在水驱的基础上大幅度提高原油采收率。在渗透率为500md左右时,JHW126提高19.8个百分点,JHW283提高了21.8个百分点。随着岩心渗透率的增大,聚表剂提高采收率的幅度也明显的增加。而且可以大幅度降低含水率,具有很好的稳油控水作用。
  2、不同聚表剂浓度对驱油效率的影响 采用人造岩心,模型尺寸为4.5cmx4.5cmx30cm左右,模型气测渗透率1000md左右,实验显示,在聚表剂驱段塞pv数相同的情况下,聚表剂段塞浓度由300mg/L增加到800mg/L,原油采收率略有增加。当聚表剂浓度由800mg/L增加到1000mg/L,原油采收率由11.7%提高到15.9%,增加幅度较大。说明随着聚表剂浓度的增加,聚表剂驱采收率也随着增加,其总采收率也随着增加。
  3、聚表剂段塞大小对驱油效率的影响 在渗透率为1000md左右的人造均质岩心上,聚表剂JHW126、JHW283溶液段塞分别为0.5pv,0.7pv,0.9pv,实验显示,溶液浓度不变化,聚表剂段塞由0.5pv增加到0.9pv,JHW126的采收率由16.3%增加到22.9%,JHW283的采收率由20.3%增加到26.7%。可见,随着聚表剂段塞的增大,采收率随着增加,增加的幅度较大。聚表剂段塞为0.7pv时,JHW126的采收率提高到20.8%,JHW283的采收率提高到24.2%。从以上数据得知,聚表剂溶液的段塞由0.5pv到0.7pv时,采收率增加的幅度比较大,由0.7pv增加到0.9pv时,采收率增加的幅度减缓。
  4、扩大波及体积实验  采用天然岩心,模型尺寸2.5x10cm左右,模型水测渗透率分别为1000md,800md,300md左右。利用小三管并联,验证模型水测渗透率的岩心驱油效果.实验表明,聚表剂驱能很好的调整吸水剖面,扩大波及体积,提高洗油效率。使高、中、低渗透层得以有效动用,改善了层间矛盾,使地层的非均质性得以减缓,各个渗透层的采收率均得到了提高。聚表剂JHW126提高原油采收率19.6%,说明聚表剂确实能够进一步挖掘剩余潜油,大幅度提高驱油效果。
  5、不同注入方式优化实验 采用三种渗透率1000md、500md、300md,人造均质岩心4.5x4.5x30c,三管并联,设立A,B两个方案,研究不同注入方式对驱油效率的影响。实验指出,方案A由于注入高粘度聚表剂JHW126溶液0.2pv,起到了较好的调剖作用。后续注入的JHW283溶液分子量较小,易进入中低渗透层,因此采收率提高幅度很大,平均提高20.4%。方案B先注入0.3pv的聚表剂JHW126溶液,也起到了调剖作用,但聚表剂JHW283溶液用量减少,采收率提高幅度稍有降低,平均提高19.5%。单独注入一种聚表剂溶液,由于模型渗透率不是太高,聚表剂分子量相对较小,所以对中低渗透率层作用较好,不可入空隙体积减少,也起到了调剖作用,扩大了波及体积,驱油效果最佳,提高采收率幅度最大。
  6、天然岩心验证驱油实验 在Kg=1000md,2000md左右的天然岩心上,进行验证驱油实验。由实验结果得知,在相同浓度相同用量条件下,聚表剂的驱油效果明显好于普通聚合物,对中低渗透层有较好的适应性,提高驱油效率的幅度很大。
  驱油实验结果表明,引用了牛亚斌大单体的活性功能型聚表剂,不但具有扩大波及体积,减缓层间矛盾的能力,在薄差油层的情况下表现出优良的驱油性能,而且能很好的改善油水界面的特性,提高界面的活性。还有良好的洗油效率,在采出液中看到明显的乳化现象。聚表剂溶液可以大幅度降低含水率,具有很好的稳油控水作用,在水驱的基础上可以大幅度提高原油采收率,应用最佳方案时采收率可达20%以上,完全能够满足高温高矿化度油藏条件下三次采油技术对聚合物驱的要求。
  聚表剂是一种经济高效的新型驱油剂,它是采用特定的结构共聚得到的活性聚合物,从根本上解决了困扰业界多年的水溶性与增粘性之间的矛盾,具有先进而优异的性能,应用前景相当广阔。
  综上所述,由于在分子链上引入了适合油田地层特点的功能单体,改造了采油聚合物的分子结构,全面的提升了聚合物的性能,,很好的满足了油田三次采油技术的要求,大幅度的提高了原油采收率.所以选择理想的功能单体加入聚合物的分子链上,对于制作性能优良的新型抗盐耐温驱油剂,是至关重要的。
  欢迎从事三次采油聚合物的研制、功能单体的应用和三次采油生产的朋友,同我交流商榷,集思广益.. 牛杰伟.壹伍玖叁柒叁柒贰伍叁壹,集思广益.


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