The polymer enhanced oil recovery (EOR) has drawn a lot of attentions as one of three major EOR technologies (Thermal/Gas/Chemical). It has been required to have superior rheological properties of the pol-ymer to apply the polymer EOR to more oil fields. The objective of this study is to synthesize a novel partially hydrolyzed polyacrylamide polymer (HPAM) and explore its effect of the rheological properties of new HPAM on the performance of the EOR during flow in the reservoir rocks.
This study aimed to determine the molecular weight of a novel polymer, partially hydrolyzed poly-acrylamide (HPAM), and to explore the effects of rheological properties of the polymer solution on its per-formance in EOR. The polymer was synthesized through vinyl polymerization using acrylic acid and acryl amide. To evaluate HPAM, several methods are used in this study. Field flow fractionation revealed that it had ultrahigh molecular weight (UHMW; 7.330 $\times$ 106 Da absolute weight-average molecular weight).
Most studies on the use of HPAM as polymer flooding material focused on enhancing the rheological properties of the polymer, which is essential for recovering large quantities of crude oil. The rheological prop-erties of HPAM in polymer flooding in EOR are strongly influenced by the injection flow rate, molecular weight of polymer, reservoir temperature, salinity of brine, and geological properties of reservoir. The rheology test results showed that UHMW-HPAM solution with low concentration (1000 ppm) was applicable to pol-ymer flooding in EOR at high temperature (70 $^\circ C$) and high salt concentration (3.0 wt%). The polymer exhib-ited remarkable performance in EOR, with 4% more oil recovery than that attained with water flooding due to its high molecular weight and high viscosifying characteristic. This potentially makes it applicable to polymer flooding as well as utilizing in its related EOR technologies such as polymer surfactant and alkaline surfactant polymer flooding in oil fields.
석유회수의 3차공법에 해당하는 석유회수 증진기술 (EOR, Enhanced Oil Recovery) 에는가열공법, 가스공법 및 화학공법, 등 3가지 공법이 있으며, 이 중 화학공법에는 폴리머 수용객을 이용한 공법, 계면활성제를 이용한 공법, 염기성 수용액을 이용한 공법 및 이들의 혼합 사용하는 공법 등이 널리 연구되고 있다. 이중 폴리머를 이용한 석유회수 증진기술이 현재까지는 상업화에 성공한 가장 널리 쓰이는 공법이다. 주로 사용되는 폴리머는 부분 가수 폴리아크릴아미드 폴리머 (partially hydrolyzed polyacrylamide polymer) 이며, 이를 줄여 HPAM이라고 한다. HPAM 폴리머를 석유회수 증진기술에 사용할 경우에는 폴리머 성상이 매우 뛰어난 유변학적 특성을 가지고 있어야 한다. 본 연구에서는 상업제품이 아닌 새로운 폴리머를 개발, 합성하였고, 합성한 신규 HPAM 폴리머의 주요 성상 및 유변학적 특성 고찰을 통해 최종적으로 석유회수 증진이 가능한 지를 분석, 검토 및 실험하였다.
HPAM 폴리머가 뛰어난 유변학적 특성을 가지기 위해서는 우선 매우 높은 초고분자량을 가지고 있어야 하며, 동시에 점도 또한 높아야 한다. 이를 위해 아크릴산 과 아크릴아미드의 반응 비율을 최적화하여 공중합 반응으로 합성에 성공하였다. 합성한 HPAM은 가수분해도가 26%로 매우 좋으며, 점도도 높게 나타났다. 또한, 신규 HPAM의 절대분자량 측정에도 성공하였는데, 장흐름분획기 (Field Flow Fractionation) 방법을 이용할 경우 초 고분자량의 절대분자량을 측정할 수 있었고, 그 결과로 나타난 신규 HPAM의 절대 분자량은 7.330 $\times$ 106 Da 으로 초고분자량의 HPAM인 것으로 확인되었다.
HPAM 폴리머를 석유회수 증진에 사용하기 위해서는 폴리머의 유변학적 성질, 즉 점도의 특성파악이 매우 중요하다. 석유회수 증진을 위해서는 물보다 높은 점도를 가지는 유체를 이용하게 되는 것이며 이러한 유체의 높은 점도를 유지하기 위해서 폴리머를 사용하게 된다. 폴리머의 점도는 폴리머의 분자량, 유전의 온도 및 염도, 주입속도 및 지질특성에 매우 많은 영향을 받는다. 유전은 매우 높은 온도와 염도를 가지고 있어 사용하는 폴리머가 이러한 외부환경에 매우 안정한 점도를 나타내야 한다. 신규 HPAM의 유변학적 특성 결과로, HPAM 농도를 1000 ppm 까지 낮추어도 점성을 유지하였으며, 높은 온도인 70$^\circ C$ 에서도 양호한 점성을 보였으며, 고 염도 상황인 3% NaCl 에서도 우수한 점성을 나타냈다. 이를 통해 신규 HPAM 폴리머는 고온 및 고염도 유전에 낮은 농도로 적용 가능한 것으로 확인할 수 있었다.
마지막으로, 신규 HPAM을 이용하여 석유회수 증진을 얼마만큼 향상시킬 수 있는 지를 검토하였다. 암석흐름기 (Coreflood) 시스템을 이용하여 물을 이용한 2차 회수 기술인 수공법의 석유회수 성능과 신규 HPAM을 이용한 석유회수증진공법간의 석유회수 성능을 비교하였다. 실험 결과, 신규 HPAM을 이용한 석유회수증진 공법이 수공법 보다 원시매장량 대비 원유를 4% 정도 더 회수할 수 있는 것으로 나타났다. 이는 신규 HPAM의 높은 고분자량과 점성에 기인한 것으로 판단된다.
금번 연구 결과로 볼 때, 분자량이 높고 점성이 잘 유지되는 HPAM 폴리머를 석유회수증진 공법에 사용할 경우 적은 비용으로 높은 효과를 낼 수 있는 것으로 판단되며, 더 나아가 기존의 여러 화학공법에 폴리머를 활용한 공법을 추가하여 적용할 경우 경제성은 더욱 높아 질 것으로 판단된다.
