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• 聚合物驱是一种有效的提高原油采收率的方法, 其中部分水解聚丙烯酰胺(HPAM)是目前应用最广泛的聚合物^[1], HPAM通过增加水相黏度和降低水相渗透率, 改善水油流度比, 从而提高原油采收率^[2], 但是HPAM在驱油过程中也存在一系列的问题, 如盐敏效应、化学降解、剪切降解等问题^[3]。为了增强HPAM的耐温耐盐性能, 人们采取了各种方法, 如合成了超高分子量的HPAM, 引入新的耐温耐盐单体和丙烯酰胺共聚等^[4]。

  最近, 纳米颗粒由于其特殊的表面性能, 逐渐引起人们的重视, 同样也应用到了聚合物驱当中。目前, 主要有两种方法将聚合物和纳米颗粒结合起来使用。一是对纳米颗粒进行表面改性或者通过反应将聚合物接枝在纳米颗粒表面^[5-8], 这种方法使得聚合物能够更加牢固地吸附在纳米颗粒表面。另外一种就是直接将聚合物和纳米颗粒进行物理混合, 在此方面也做了大量的相关研究^[9-13], 发现在丙烯酰胺类聚合物中添加纳米颗粒后, 由于所用的纳米颗粒如SiO₂表面含有大量的硅羟基, 而所用的丙烯酰胺类聚合物含有酰胺基, 因此，纳米SiO₂和聚合物可以通过氢键作用使聚合物吸附在SiO₂表面, 且相互交联形成三维网状结构, 使聚合物溶液的黏度增加^[11]。

  但是这些研究主要集中在不同温度、剪切速率等条件下纳米颗粒对聚合物溶液黏度的影响, 而不同浓度纳米颗粒对聚合物溶液流变性包括黏弹性、临界线性应变以及蠕变回复等性能影响的研究报道很少, 特别是在温度和矿化度较高时。而温度和矿化度也是纳米颗粒悬浮液不稳定的主要因素^{[14, 15]}, 纳米颗粒在聚合物驱中的分散稳定性是一个不容忽视的问题。因此，本研究以1.0%(质量分数)的氯化钠为分散介质, 温度为60 ℃时, 根据沉降观察、Zeta电位及粒径的测量分析了不同质量分数纳米SiO₂/HPAM分散体系的稳定性, 利用流变仪研究了不同质量分数纳米SiO₂对HPAM溶液黏度、黏弹性、临界线性应变及蠕变回复性能的影响, 发现对于固定浓度的HPAM, 纳米SiO₂存在着最佳浓度, 结合红外光谱及Zeta电位和粒径实验, 从HPAM与SiO₂之间的相互作用及HPAM在SiO₂表面的吸附构型角度对该现象进行了分析, 同时研究了不同质量分数纳米SiO₂对分散体系降低油水界面张力及提高采收率能力的影响。

  1.   实验原料和方法

  1.1   实验原料

  实验原料:纳米SiO₂(Sigma-Aldrich公司提供, LUDOX@HS-30胶体SiO₂、质量分数为30%、平均粒径13 nm、pH=9.8), HPAM(SNF Floerger公司提供, 商品名FP6030, 相对分子质量约为2.5×10⁷, 水解度为23%-27%), 胜利油田稠油(60 ℃的黏度和密度分别为537 mPa ·s和9.97 g/cm³)

  1.2   实验样品的配制

  HPAM溶液的配制:将一定量的HPAM粉末加入到质量分数为1.0%的氯化钠盐水中, 使HPAM的质量分数为0.18%, 以100 r/min的速率将聚合物缓慢搅拌48 h。纳米SiO₂/HPAM分散体系的制备:首先用去离子水将质量分数为30%的SiO₂悬浮液稀释至0.2%-1.5%, 再将HPAM粉末分别加入到质量分数为0.2%-1.5%的SiO₂悬浮液中, 使HPAM的质量分数为0.18%, 缓慢搅拌48 h, 然后向纳米SiO₂/HPAM分散体中加入一定量的氯化钠, 使氯化钠的质量分数为1.0%, 缓慢搅拌2 h。

  1.3   纳米SiO₂/HPAM分散体系性能的测定

  1.3.1   红外光谱表征

  利用Bruker-Vertex型红外光谱仪对HPAM溶液及SiO₂/HPAM体系进行了红外分析, 样品在60 ℃下干燥并研磨成粉末, 采用溴化钾压片法制样, 扫描4000-450 cm^-1。

  1.3.2   分散体系稳定性的测定

  分散体系配制好后, 立即装入透明密封的样品瓶并置于60 ℃的恒温箱中, 静置10 d后拍照, 从而得到纳米SiO₂质量分数对分散体系稳定性的影响。

  布鲁克海文纳米粒度及Zeta电位分析仪能够同时测量分散体系的Zeta电位及粒径。样品测量前用酒精和去离子水对电极和样品池进行仔细冲洗, 仪器自我平衡时间为60 s, 然后用毛细管样品池测量Zeta电位, 聚苯乙烯透明样品池测量粒径。每个样品重复测量五次并取平均值。

  1.3.3   分散体系流变性的测定

  利用MCR302流变仪(同轴圆筒测试系统)对分散体系的流变性进行了测定。首先采用旋转模式测量了不同条件下的黏度；然后采用振荡剪切模式对黏弹性进行了测定, 其中，应变扫描实验中振荡频率固定为1 Hz, 频率扫描实验中应变固定为0.1%(线性黏弹性范围内), 蠕变回复实验中施加的应力为0.2 Pa。

  1.3.4   体系界面张力的测定

  利用TX-500C旋转滴界面张力测量仪(美国科诺工业有限公司)测量了分散体系和油之间的界面张力, 分析纳米SiO₂的加入对HPAM降低油水界面张力的影响, 其中转速为6000 r/min。

  1.3.5   岩心驱替实验

  首先将岩心(长: 100 mm, 宽: 25 mm, 渗透率: 1.35 μ m²)用模拟盐水饱和, 然后把油以0.2 mL/min的流量注入岩心饱和油, 记录出水量, 将岩心老化24 h。用模拟盐水以0.25 mL/min的流量注入岩心, 直到含水率接近100%, 接着注入0.5 PV的驱油体系, 随后继续进行水驱, 直到含水率接近100%。实验在60 ℃的恒温箱中进行。

  2.   结果与讨论

  2.1   纳米SiO₂/HPAM体系的红外光谱分析

  为了分析HPAM与SiO₂之间的相互作用, 首先对HPAM溶液及纳米SiO₂/HPAM体系进行了红外表征, 结果见图 1。

  图 1

  

  图 1.  HPAM溶液和纳米SiO₂/HPAM体系的红外光谱谱图

  Figure 1.  FT-IR spectra for HPAM solution and nano-SiO₂/HPAM systems

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  根据图 1得到了HPAM的特征吸收峰, 3412和3205 cm^-1处归属于N-H的伸缩振动, 1665 cm^-1处归属于酰胺I带(C=O)的伸缩振动峰, 1616 cm^-1处归属于酰胺II带(N-H)的弯曲振动峰^[16]。HPAM溶液中加入SiO₂后, 1110和797 cm^-1处出现了两个峰, 分别对应于Si-O-Si的非对称拉伸和弯曲振动；3100-3800 cm^-1(对应于N-H、Si-OH和-OH的基团振动)处的谱带变得更宽更钝, 且吸收峰移向较低的波数, 表明HPAM的酰胺基与SiO₂表面的硅羟基之间形成了氢键(酰胺基的O/N与SiO₂表面的-OH之间形成氢键: SiO-H…N-H, SiO-H…O-CNH₂；酰胺基的H与SiO₂表面的O之间形成氢键: SiO…HNH-CO-C), 氢键的形成使HPAM链吸附在纳米SiO₂表面^[9]。SiO₂的质量分数为0.2%、0.5%和1.5%时, 纳米SiO₂/HPAM体系的红外光谱谱图不同, 对比发现SiO₂的质量分数为0.5%时, 3100-3800 cm^-1处吸收峰更强一些, 说明此时SiO₂和HPAM间的氢键作用较强^[17]。

  2.2   分散体系的稳定性

  利用沉降法观察了分散体系静置初始和10 d时的稳定性, 并和单独的纳米SiO₂悬浮液进行了比较, 结果见图 2。

  图 2

  

  图 2.  分散体系静置初始和10 d时的状态

  Figure 2.  Visual status of dispersion systems at initial stage and 10 d

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  由图 2可知，静置10 d后, SiO₂的质量分数为1.0%和1.5%的纳米SiO₂悬浮液出现了浑浊, 加入HPAM后, 体系的浑浊情况减轻, 说明纳米SiO₂/HPAM体系具有良好的稳定性。为了更进一步研究分散体系的稳定性, 对SiO₂/HPAM体系、SiO₂悬浮液和HPAM溶液静置初始和10 d时的粒径以及Zeta电位进行了测量, 结果分别见图 3和表 1。

  图 3

  

  图 3.  分散体系不同静置时间时的粒径

  Figure 3.  Particle size of dispersion systems at different time intervals

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  表 1

  

  表 1  分散体系不同静置时间的Zeta电位

  Table 1.  eta potentials of dispersion systems at different time intervals

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  w(SiO2)/%	Zeta potential/mV
  	HPAM+SiO2			SiO2
  	initial	10 d		initial	10 d
  0	-65.5	-52.3		-	-
  0.2	-32.8	-29.2		-8.8	-7.9
  0.5	-31.5	-27.9		-15.4	-12.9
  1.0	-30.5	-26.6		-17.6	-14.8
  1.5	-27.4	-24.9		-19.3	-16.9

  和纳米SiO₂悬浮液相比, SiO₂/HPAM体系具有更大的粒径, 这是因为HPAM和SiO₂之间的氢键作用使HPAM吸附在SiO₂表面, 在吸附的过程中, 一个聚合物链可以同时吸附在多个纳米颗粒表面, 同样一个纳米颗粒也可以同时吸附多个聚合物链, 纳米颗粒在不同聚合物链之间起着物理交联剂的作用, 从而形成了三维网状结构^[11], 粒径明显增大；HPAM溶液的Zeta电位为-65.5 mV, 在纳米SiO₂表面的吸附使得体系的Zeta电位变得更负, 因此, SiO₂/HPAM体系颗粒之间的距离远, 排斥力大, 且聚合物分子链段上的水化基团会增加SiO₂颗粒的水化膜厚度, 增加了颗粒之间的排斥力, SiO₂/HPAM体系具有良好的稳定性。

  和HPAM溶液相比, SiO₂/HPAM体系具有较小的粒径, 这与Giraldo等^[18]的研究结果是一致的, Giraldo认为这是由于纳米SiO₂表面吸附了HPAM分子从而降低了HPAM之间的相互作用, 且粒径的减小可以减少HPAM在孔口处的滞留堵塞, 对HPAM溶液提高采收率是有利的。

  SiO₂质量分数不同时, 纳米SiO₂/HPAM体系的Zeta电位和粒径明显不同。由表 1可见, SiO₂质量分数越小, Zeta电位负值越大, 说明SiO₂浓度越小, HPAM在SiO₂表面的吸附量越大^[19]。由图 3可知, 随SiO₂质量分数的增加, 体系的粒径逐渐减小, 静置初始这种现象更加明显。聚合物在固体颗粒表面的吸附构型通常有三种:尾式、环式和链轨式^[20], 采取哪种构型与聚合物在颗粒表面的吸附量有关^[21]。实验中HPAM的浓度是固定的, SiO₂的质量分数为0.2%时, SiO₂表面吸附的HPAM较多, 吸附在SiO₂表面的HPAM分子来不及进行重构, 新的HPAM分子已经吸附在了SiO₂的表面, 因此，HPAM分子在SiO₂表面主要是尾式或环式吸附, 此时粒径较大；SiO₂的质量分数为0.5%时, SiO₂表面HPAM的吸附量有所降低, HPAM在SiO₂表面有较充分的时间进行重构, 从而采取了链轨式的吸附构型, 粒径有所减小；SiO₂的质量分数为1.0%和1.5%时, HPAM在SiO₂表面的吸附量非常少, 因此，有充足的时间进行重构, 采取了较平坦的吸附构型, 粒径明显减小。HPAM在SiO₂表面的吸附构型同样会影响体系的流变性, 后面会讨论到。

  和静置初始相比, 10 d后Zeta电位绝对值和粒径均有所降低, 特别是SiO₂的质量分数为0.2%和0.5%时, 体系的粒径降低明显。这是因为静置初始, HPAM在SiO₂表面采取了尾式、环式或链轨式的构型, 随着时间的延长, HPAM在SiO₂表面的吸附构型达到最终的平衡^[21], 同时60 ℃时HPAM会产生降解, 因此, 体系粒径降低明显。SiO₂的质量分数为1.0%时, 静置初始HPAM在颗粒表面基本达到了吸附平衡, 只是由于降解作用粒径有所降低。SiO₂的质量分数为1.5%时, 随着静置时间的延长, 体系出现了弱絮凝现象, 粒径反而有所增大。

  2.3   纳米SiO₂对HPAM溶液流变性的影响

  2.3.1   纳米SiO₂对HPAM黏度的影响

  图 4(a)为60 ℃, 剪切速率为7.34 s^-1时, 黏度随SiO₂质量分数的变化。纳米SiO₂的黏度非常小, 接近于水的黏度, 说明SiO₂本身没有增黏性。HPAM溶液中添加纳米SiO₂后, 黏度增加, 其中, SiO₂的质量分数为0.2%时, 黏度增加明显；SiO₂的质量分数为0.5%时, 黏度增加趋势减缓；SiO₂的质量分数大于0.5%时, 分散体系的黏度随SiO₂质量分数的增加有降低的倾向。

  图 4

  

  图 4.  不同条件下HPAM溶液及纳米SiO₂/HPAM体系的黏度

  Figure 4.  Viscosities of HPAM solution and nano-SiO₂/HPAM systems at different conditions

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  图 4(b)为60 ℃, SiO₂的质量分数为0.5%, 剪切速率为7.34 s^-1时, 氯化钠质量分数对黏度的影响。随氯化钠浓度的增加, HPAM溶液及纳米SiO₂/HPAM体系的黏度均降低, 但是分散体系的黏度始终比HPAM溶液大。HPAM是阴离子聚合物, 链节之间存在着排斥力使聚合物在液相中形成比较疏松的结构, 氯化钠会屏蔽聚合物链上的负电荷使聚合物溶液的黏度降低, 纳米SiO₂加入后, 其表面带有大量的负电荷且具有高比表面的特点, 因此，和HPAM之间存在着竞争吸附金属阳离子的作用, 减弱了金属阳离子对聚合物分子链负电荷的屏蔽, 使HPAM在液相中的有效分子体积增加, 改善了HPAM溶液的抗盐性能。同时由于氢键作用使纳米SiO₂和HPAM之间形成网络结构进一步增加了HPAM溶液的黏度。纳米SiO₂虽然无法抑制HPAM溶液黏度的降低, 但在一定程度上可以弥补HPAM溶液的黏度损失。

  图 4(c)为剪切速率为7.34 s^-1时, 温度对黏度的影响。随温度的升高, HPAM溶液及分散体系的黏度均降低。这是因为温度升高, 分子间力减小, 不利于网络结构的形成；同时, 温度升高使聚合物的溶剂化程度减小, 克服原子内旋转阻力的能力增加, 从而使高分子链更加蜷曲, 黏度下降^[22]。在所有的温度范围内, 分散体系的黏度均大于HPAM溶液, 其中, SiO₂质量分数对分散体系黏度的影响趋势和图 4(a)一致。同时可以看出不加SiO₂时, HPAM溶液的黏度随温度的升高降低的比较明显, 但加了SiO₂后, 黏度降低的趋势减弱, 说明SiO₂的加入增强了HPAM溶液的耐温性。

  图 4(d)为60 ℃时剪切速率对黏度的影响。随剪切速率的增加, 体系的黏度均降低, 而且在整个剪切速率范围内, 分散体系的黏度均大于HPAM溶液, 说明SiO₂的加入使HPAM溶液的抗剪切性能得到了提高。

  2.3.2   纳米SiO₂对HPAM黏弹性的影响

  2.3.2.1   应变扫描实验

  图 5(a)和(b)分别给出了储能模量G′和损耗模量G″与应变γ之间的关系曲线。储能模量和损耗模量是表征分散体系黏弹性的两个重要参数, G′表征了体系弹性的大小, 而G″反映了体系的黏性特征。

  图 5

  

  图 5.  HPAM溶液以及纳米SiO₂/HPAM体系的应变扫描实验

  Figure 5.  Strain sweep response for HPAM solution and nano-SiO₂/HPAM systems

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  加入纳米SiO₂后, HPAM溶液的黏弹性得到了增强, 且弹性增加的趋势更明显一些。SiO₂的质量分数小于0.5%时, 体系的储能模量和损耗模量随SiO₂质量分数的增加而增加；SiO₂的质量分数大于0.5%时, 黏弹性随SiO₂浓度的增加有小幅度的降低。当振荡剪切应变较小时, 储能模量和损耗模量几乎不随剪切应变的增加而变化, 说明处于线性黏弹性范围内；随着剪切应变的加大, 体系的储能模量和损耗模量都降低, 其中，储能模量降低的更明显, 其数值明显小于损耗模量, 说明此时结构几乎完全被破坏, 体系表现出纯黏性的性质。线性黏弹性区可以用临界线性应变表征, 一般将储能模量减低到初始值95%时对应的应变称为临界线性应变γ_cl^[23], 根据图 5(a)得到了SiO₂的质量分数为0、0.2%、0.5%、1.0%和1.5%时体系的临界线性应变, 分别是0.941、0.796、0.546、0.795和0.731。HPAM溶液中添加纳米SiO₂后, 临界线性应变减小, 其中，SiO₂的质量分数为0.5%时最小。

  氢键作用使HPAM和SiO₂之间形成了结构强度大的空间网状结构, 从而使得HPAM溶液中加入SiO₂后弹性增强, 因此, SiO₂/HAPM体系中各质点维持其在空间网络结构相应位置时所容许的形变减小, 也就是临界线性应变减小；且SiO₂的质量分数为0.5%时储能模量最大, 弹性最强, 因此, 临界线性应变最小。

  2.3.2.2   频率扫描实验

  图 6为储能模量和损耗模量随振荡频率ω的变化曲线。在整个频率范围内, 对于HPAM溶液, 储能模量均小于损耗模量, 没有出现交点, 说明HPAM溶液主要表现出黏性性质；对于SiO₂/HPAM体系, 在低频范围内, 储能模量小于损耗模量, 随着频率的增加, 储能模量逐渐大于损耗模量, 因此，两者出现了交点。加入质量分数为0.5%和1.5%的纳米SiO₂后, HPAM溶液的黏弹性加强, 交点向低频方向移动, 且SiO₂的质量分数为0.5%时的黏弹性较强, 交点对应的频率较低。频率越低说明网络结构密度越大, 纳米SiO₂和HPAM之间交联程度越高, 此时聚合物分子线团变形发展和回复受阻较小。

  图 6

  

  图 6.  HPAM溶液以及纳米SiO₂/HPAM体系的频率扫描实验

  Figure 6.  Frequency sweep response for HPAM solution and nano-SiO₂/HPAM systems

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  黏度和黏弹性实验均表明本研究中对于质量分数为0.18%的HPAM溶液来说, 纳米SiO₂的最佳质量分数为0.5%, 此时体系表现出最好的流变性。这是因为SiO₂质量分数不同时, HPAM和SiO₂之间形成的网状结构不同。

  如前所示SiO₂的质量分数为0.2%时, HPAM分子在SiO₂表面采取尾式或环式吸附, 只有少量链节吸附在SiO₂表面, 大部分链节伸入体相中成为链环和链端, HPAM和SiO₂之间形成了如图 7(a)所示的结构, 由于HPAM与SiO₂之间的吸附链段少, 对SiO₂的胶结作用弱, 因此，形成的网状结构黏弹性较差；SiO₂的质量分数为0.5%时, HPAM在SiO₂表面采取链轨式的吸附构型, 两者之间形成了如图 7(b)所示的网状结构, 此时两者之间的氢键作用强, 有大量的接触点, 相互缠结程度大, 形成的网状结构致密, 黏弹性强；当SiO₂质量分数增加到明显大于HPAM时, HPAM在SiO₂表面采取较为平坦的构型, 且纳米SiO₂之间也存在着吸引力, 两者之间形成了图 7(c)所示的网状结构, 纳米SiO₂聚集在一起, 减弱了SiO₂和HPAM之间的相互作用, 聚合物不能有效地将纳米SiO₂包裹在网状结构之中, 体系的黏弹性尤其是弹性反而降低。

  图 7

  

  图 7.  HPAM和纳米SiO₂之间的交联示意图

  Figure 7.  Bridging models between HPAM and nano-SiO₂

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  2.3.2.3   蠕变回复实验

  图 8为HPAM溶液及纳米SiO₂/HPAM分散体系的蠕变/回复实验, 其中, 前650 s为应力施加过程, 也就是蠕变过程, 后550 s为应力消除过程, 也就是回复过程。

  图 8

  

  图 8.  HPAM溶液及纳米SiO₂/HPAM体系的蠕变回复实验

  Figure 8.  Creep and creep recovery experiments of HPAM solution and nano-SiO₂/HPAM dispersions

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  当SiO₂的质量分数为0、0.5%和1.5%时, 应力撤销后体系的应变回复率分别为5.08%、34.6%和26.8%, 均不能得到完全回复, 但是添加SiO₂后应变回复性能得到了提高。在蠕变过程中产生的应变包括黏性应变和弹性应变, 只有弹性应变在应力撤销后能回复, 而HPAM溶液及SiO₂/HPAM分散体系是黏弹性流体, 特别是HPAM溶液更多地表现出黏性特征, 因此, 应变均不能得到完全回复。HPAM溶液中加入SiO₂后, 体系的弹性和强度增加, 从而更容易回复到接近初始状态, 因此，SiO₂的加入增强了HPAM溶液的蠕变回复能力, 而驱油过程中聚合物的蠕变回复可以提高驱油效率^[24]。

  2.4   纳米SiO₂对HPAM降低油水界面张力性能的影响

  图 9为SiO₂/HPAM体系的动态界面张力曲线。由图 9可知, 纳米SiO₂的加入增强了HPAM降低油水界面张力的性能, 文献表明^[25]，单独的纳米SiO₂没有降低界面张力的能力, 这是因为SiO₂的亲水性非常强, 主要分散在水相中, 不能吸附在油水界面, 而在HPAM溶液中添加纳米SiO₂后, 氢键作用使HPAM链段吸附在SiO₂表面, 而SiO₂颗粒被包裹在HPAM的自由链中, 从而共同吸附在油水界面, 使界面张力降低。当SiO₂的质量分数大于1.0%时, 分散体系降低界面张力的能力随SiO₂质量分数的增加变化不明显, 说明此时在油水界面已经达到了饱和吸附。

  图 9

  

  图 9.  纳米SiO₂对HPAM降低界面张力的影响

  Figure 9.  Effect of nano-SiO₂ on the interfacial tension reduction capacity of HPAM

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  2.5   纳米SiO₂对HPAM溶液提高采收率的影响

  图 10为HPAM溶液和SiO₂/HPAM体系的采收率和注入压力随注入体积的变化曲线, 驱替结果见表 2。和水驱相比, HPAM溶液的采收率提高了22.7%, SiO₂的质量分数为0.2%和0.5%时, 分散体系的采收率分别提高了27.2%和28.7%。由此可见, 在HPAM溶液中加入质量分数为0.2%和0.5%的SiO₂后, 黏弹性、蠕变回复能力和降低界面张力的能力增强, 因此, 和聚合物驱相比采收率分别提高了4.5%和6.0%。正是由于加入SiO₂后HPAM溶液的黏弹性提高, 因此，压降也增大。

  图 10

  

  图 10.  HPAM溶液以及纳米SiO₂/HPAM体系的驱替实验

  Figure 10.  Core flooding studies of HPAM solution and HPAM/nano-SiO₂ suspensions

  I: water flooding; II: polymer flooding; III: water flooding

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  表 2

  

  表 2  不同体系提高稠油采收率实验

  Table 2.  Experimental data of different systems for enhanced heavy oil recovery

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  Chemical formula	Viscosity/(mPa·s)	Permeability/10-3μm2	Slug size/PV	Water flood recovery/%	Final recovery/%	Tertiary recovery/%
  HPAM	41.5	1329.0	0.5	42.0	64.7	22.7
  HPAM+0.2%SiO2	51.0	1355.0	0.5	42.8	70.0	27.2
  HPAM+0.5%SiO2	53.1	1340.0	0.5	42.5	71.2	28.7

  3.   结论

  本研究对60 ℃、质量分数为1.0%的氯化钠盐水中纳米SiO₂/HPAM体系的稳定性、流变性及提高采收率的能力进行了研究。纳米SiO₂悬浮液中加入HPAM后, 由于两者之间的氢键作用, 使得悬浮液的Zeta电位负值和粒径增加, 稳定性得到了改善, 静置10 d无明显浑浊现象, 同时使HPAM降低油水界面张力的能力增强；氢键作用以及纳米SiO₂对金属阳离子的静电作用使得SiO₂加入后, HPAM溶液的黏弹性和抗蠕变能力增强, 抗温、抗盐和抗剪切性能得到改善, 因此，在质量分数为0.18%的HPAM溶液中加入质量分数为0.2%和0.5%的纳米SiO₂后, 采收率分别提高了4.5%和6.0%。HPAM浓度固定时, 纳米SiO₂的浓度并不是越高效果越明显, 这是因为SiO₂浓度不同时, HPAM在SiO₂表面的吸附量和构型不同, 本研究对于质量分数为0.18%的HPAM溶液, SiO₂的最佳质量分数为0.5%, 此时HPAM在SiO₂表面采取的是链轨式吸附构型, 两者之间的氢键作用强, 形成了致密的网状结构, 黏弹性及抗蠕变能力强。

  
  
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  图 1  HPAM溶液和纳米SiO₂/HPAM体系的红外光谱谱图

  Figure 1  FT-IR spectra for HPAM solution and nano-SiO₂/HPAM systems

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  图 2  分散体系静置初始和10 d时的状态

  Figure 2  Visual status of dispersion systems at initial stage and 10 d

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  图 3  分散体系不同静置时间时的粒径

  Figure 3  Particle size of dispersion systems at different time intervals

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  图 4  不同条件下HPAM溶液及纳米SiO₂/HPAM体系的黏度

  Figure 4  Viscosities of HPAM solution and nano-SiO₂/HPAM systems at different conditions

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  图 5  HPAM溶液以及纳米SiO₂/HPAM体系的应变扫描实验

  Figure 5  Strain sweep response for HPAM solution and nano-SiO₂/HPAM systems

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  图 6  HPAM溶液以及纳米SiO₂/HPAM体系的频率扫描实验

  Figure 6  Frequency sweep response for HPAM solution and nano-SiO₂/HPAM systems

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  图 7  HPAM和纳米SiO₂之间的交联示意图

  Figure 7  Bridging models between HPAM and nano-SiO₂

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  图 8  HPAM溶液及纳米SiO₂/HPAM体系的蠕变回复实验

  Figure 8  Creep and creep recovery experiments of HPAM solution and nano-SiO₂/HPAM dispersions

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  图 9  纳米SiO₂对HPAM降低界面张力的影响

  Figure 9  Effect of nano-SiO₂ on the interfacial tension reduction capacity of HPAM

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  图 10  HPAM溶液以及纳米SiO₂/HPAM体系的驱替实验

  Figure 10  Core flooding studies of HPAM solution and HPAM/nano-SiO₂ suspensions

  I: water flooding; II: polymer flooding; III: water flooding

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  表 1  分散体系不同静置时间的Zeta电位

  Table 1.  eta potentials of dispersion systems at different time intervals

  w(SiO2)/%	Zeta potential/mV
  	HPAM+SiO2			SiO2
  	initial	10 d		initial	10 d
  0	-65.5	-52.3		-	-
  0.2	-32.8	-29.2		-8.8	-7.9
  0.5	-31.5	-27.9		-15.4	-12.9
  1.0	-30.5	-26.6		-17.6	-14.8
  1.5	-27.4	-24.9		-19.3	-16.9

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  表 2  不同体系提高稠油采收率实验

  Table 2.  Experimental data of different systems for enhanced heavy oil recovery

  Chemical formula	Viscosity/(mPa·s)	Permeability/10-3μm2	Slug size/PV	Water flood recovery/%	Final recovery/%	Tertiary recovery/%
  HPAM	41.5	1329.0	0.5	42.0	64.7	22.7
  HPAM+0.2%SiO2	51.0	1355.0	0.5	42.8	70.0	27.2
  HPAM+0.5%SiO2	53.1	1340.0	0.5	42.5	71.2	28.7

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