疏水缔合羟乙基纤维素的阻力系数和残余阻力系数研究

仇东旭，宋 丽，王 昊，朱妍婷

(1.中国石化胜利油田分公司采油工艺研究院，山东 东营 257000；2.中国石化胜利油田分公司石油开发中心有限公司，山东 东营 257000)

目前聚合物驱油已成为油田开发晚期稳产增产的主要手段，但由于油田水中含大量的金属阳离子,特别是钙镁离子含量比较高，使得聚合物分子在溶液中呈卷曲构象,溶液黏度大幅下降[1-2]。

疏水缔合羟乙基纤维素(BHEC)水溶液具有良好的增黏性、耐温抗盐和耐剪切性等特点，可以用作聚合物驱的驱油剂。如今，聚合物驱研究最多的是部分水解聚丙烯酰胺[3-10]，而将疏水缔合羟乙基纤维素作为驱油剂的研究在国内外还未见相关报道。为了检验BHEC在聚合物驱中的可行性，笔者研究了疏水缔合羟乙基纤维素的驱油性能，包括阻力系数、残余阻力系数以及驱油机理的研究。

1 实验部分

1.1 主要原料和试剂

疏水缔合改性羟乙基纤维素(BHEC)，按照文献[11]的方法制备，平均相对分子质量为1.3×106，分子结构如图1所示。

图1 BHEC分子结构(R为C12～C18的烷基)

羟乙基纤维素(HEC)，工业品，德国MERCK-Schuchardt公司，平均相对分子质量为1.3×106，分子结构如图2所示；NaCl，分析纯，国药集团化学试剂有限公司。

图2 HEC分子结构

实验所用原油为辽河原油，常温下黏度为326 mPa·s。

1.2 仪 器

Brookfield DV-Ⅱ+ Pro型转子黏度仪，美国博力飞公司；2PBOOC型平流泵，北京卫星制造厂；岩心管长30 cm，横截面积4.676 cm2。

2 结果与讨论

2.1 BHEC水溶液的增黏性

图3为BHEC与HEC水溶液的表观黏度随浓度的变化关系曲线。

图3 BHEC与HEC溶液的浓度-表观黏度关系

由图3可以看出：BHEC水溶液具有表观黏度有一个突变的现象，而HEC水溶液没有，这是由于临界缔合浓度是疏水缔合聚合物特有的性质，BHEC溶液达到了其临界缔合浓度，分子链由以分子内缔合形式为主转为以分子间缔合形式为主，形成了超分子聚集体空间交联网络结构，增大了体系流体力学体积，从而使BHEC水溶液的表观黏度值迅速升高[12]。

2.2 阻力系数和残余阻力系数

2.2.1聚合物质量浓度的影响

选取不同聚合物质量浓度的BHEC溶液和HEC溶液，在注入速率为0.5 mL/min、渗透率为1.8 μm2、温度为50 ℃条件下，进行人造岩心的驱替试验。

图4、图5为聚合物阻力系数和残余阻力系数测试曲线。由图4、图5可见：随着聚合物BHEC和HEC浓度的增大，驱替阻力系数和残余阻力系数也不断升高，但两者不完全相同。当聚合物质量浓度低于4 g/L(BHEC溶液的临界缔合浓度)时，两种聚合物的阻力系数和残余阻力系数相差无几，但随着聚合物浓度超过BHEC溶液的临界缔合浓度时，BHEC溶液不同于HEC表现出阻力系数和残余阻力系数急剧增加的现象。

图4 聚合物质量浓度与阻力系数的关系

图5 聚合物质量浓度与残余阻力系数的关系

2.2.2渗透率的影响

实验选取聚合物质量浓度为4 g/L的BHEC溶液和HEC溶液，选定注入速率0.5 mL/min，温度50 ℃，在不同岩石孔隙介质渗透率条件下，测定其溶液的阻力系数和残余阻力系数。

图6和图7为岩石孔隙介质的渗透率对聚合物驱阻力系数和残余阻力系数影响关系曲线。

图6 渗透率与阻力系数的关系

图7 渗透率与残余阻力系数的关系

由图6、图7可知：BHEC和HEC溶液的阻力系数和残余阻力系数均随着岩石孔隙介质的渗透率的升高而单调降低。相同渗透率条件下，BHEC的阻力系数为12～21，HEC的阻力系数为6～10，BHEC远远大于HEC的阻力系数，而残余阻力系数测试结果与阻力系数相似，BHEC的残余阻力系数(6～10)也远大于HEC的残余阻力系数(1～3)。

2.2.3注入速率的影响

实验选取聚合物质量浓度为4 g/L的BHEC和HEC溶液，选定渗透率为1.8 μm2，温度为50 ℃，在不同注入速率条件下，测定聚合物溶液的阻力系数和残余阻力系数。

图8和图9是注入速率对两种聚合物阻力系数和残余阻力系数的影响曲线。由图8、图9可以看出：BHEC和HEC溶液的阻力系数和残余阻力系数随着注入速率的增加而单调增大，但增大幅度并不明显。在相同注入速率条件下，BHEC的阻力系数(20～23)和残余阻力系数(9～12)要远远大于HEC的阻力系数(5～7)和残余阻力系数(2～4)。

图8 注入速率与阻力系数的关系

图9 注入速率与残余阻力系数的关系

2.2.4温度的影响

实验选取聚合物浓度为4 g/L的BHEC和HEC溶液，选定渗透率为1.8 μm2，注入速率为0.5 mL/min，在不同温度条件下，测定聚合物溶液的阻力系数和残余阻力系数。

图10和图11为温度对两种聚合物阻力系数和残余阻力系数的影响曲线。由图10、图11可以看出：随着温度的上升，两种聚合物的阻力系数和残余阻力系数是单调下降的，且相同温度下，BHEC的阻力系数为15～25，残余阻力系数为5～10，均远远大于HEC的阻力系数和残余阻力系数。

图10 温度与阻力系数的关系

图11 温度与残余阻力系数的关系

2.3 机理探讨

疏水缔合羟乙基纤维素的阻力系数和残余阻力系数比羟乙基纤维素高很多。这是因为疏水缔合羟乙基纤维素具有特殊的分子结构，在多种作用力的作用下，使得其分子间具有一定的强度，但又可以进行可逆的物理缔合(如图12所示)。当将疏水缔合羟乙基纤维素溶解于水中时，其能够形成超分子聚集体空间网络结构，这种分子结构使得这种聚合物具有一定的黏弹性。疏水缔合羟乙基纤维素溶液在多孔隙介质中流动时，能够增加孔隙的渗流阻力。当溶液经过孔喉等狭窄处时，由于剪切力的作用，使得疏水缔合羟乙基纤维素的空间网络结构遭到破坏，分子间的缔合作用削弱，即解缔合，但当通过这些狭窄处后，由于聚合物溶液的黏弹性，使得原本被破坏的空间网络结构能够重新形成，分子间重新缔合在一起，表观黏度也就随之恢复。这种具有黏弹性的聚合物分子能够有效地增加油层中的渗流阻力，有利于提高驱动液的波及系数，提高原油采收率。

图12 分子缔合与解缔合示意

3 结 论

a.BHEC阻力系数和残余阻力系数均随着聚合物质量浓度的增加而增大，当聚合物质量浓度较低(低于临界缔合浓度4 g/L)时，BHEC和HEC的阻力系数和残余阻力系数差别不大，随着浓度超过BHEC临界缔合浓度，其阻力系数和残余阻力系数开始急剧上升，而HEC则延续之前的趋势缓慢增加。

b.BHEC的阻力系数和残余阻力系数随着渗透率的增大单调减小。相同岩石孔隙介质渗透率下，BHEC的阻力系数为12～21，远远高于HEC的阻力系数(6～10)，残余阻力系数与阻力系数类似，BHEC的残余阻力系数(6～10)比HEC的残余阻力系数(1～3)也大得多。

c.随着注入速率的增加，BHEC的阻力系数和残余阻力系数单调递增，但是增加幅度较小。此外，相同注入速率下，BHEC的阻力系数(20～23)和残余阻力系数(9～12)比HEC的阻力系数(5～7)和残余阻力系数(2～4)大得多。

d.随着体系温度的上升，聚合物的阻力系数和残余阻力系数单调下降，且BHEC的阻力系数(15～25)，残余阻力系数(5～10)均远远大于HEC。

参 考 文 献

[1] Wang Demin, Liu Heng, Niu Jingang, et al. Application results and under standing of several problemsof industrial scalepolymer flooding in daqingoil field [C] .SPE,50928, 1998.

[2] Wang Demin, Cheng Jeicheng, Xia Huifen, et al. Viscous-elastic fluids can mobilize oil remainingafter water-flood by force parallel to the oil-water interface[C] .SPE,72123, 2001.

[3] 王德民, 程杰成, 杨清彦.粘弹性聚合物溶液能够提高岩心的微观驱油效率[J].石油学报,2000,21(5):45-51.

[4] 夏惠芬, 王德民, 刘中春, 等.粘弹性聚合物溶液提高微观驱油效率的机理研究[J].石油学报,2001,22(4):60-65.

[5] 舒成强,李华斌,周长静，等.疏水缔合聚合物的阻力系数和残余阻力系数及驱油效率研究[J].海洋石油，2005，25(3):58-60.

[6] 张宏方,王德民,王立军,等.聚合物溶液在多孔介质中的渗流规律及其提高驱油效率的机理[J].大庆石油地质与开发，2002,21(4):57-60.

[7] 施雷庭,叶仲斌,罗平亚,等.疏水缔合水溶性聚合物AP- P3在多孔介质中的缔合行为研究[J].天然气勘探与开发, 2004,27(4):40-43.

[8] 陈洪,韩利娟,徐鹏,等.疏水改性聚丙烯酰胺的增粘机理研究[J].物理化学学报,2003,19(11):1020- 1024.

[9] Mccormick C L, Bock J, Schulz D N. Water - soluble polymer[C]. //MarkHF, BikalesNorbert, Overberger C G, et al. Encyclopedia of polymer science and engineering. NewYork:Wiley- Interscience, 1989:730-784.

[10] 田守,张玉丰,周秀兵,等. 大庆油田新型聚合物体系室内驱油效果[J]. 油气地质与采收率, 2007, 14(5):72-74.

[11] 仇东旭，宋丽，王彦玲，等．疏水缔合羟乙基纤维素合成及性能研究[J]．精细石油化工，2013，30(4)：9-13.

[12] 冯玉军，郑焰，罗平亚.疏水缔合聚丙烯酰胺的合成及溶液性能研究[J].化学研究与应用，2000，12(1)：70-73.