污水水質對聚合物黏度影響研究

李金環

（中國石化勝利油田分公司勝利勘察設計研究院有限公司，山東東營 257000）

污水水質對聚合物黏度影響研究

李金環

（中國石化勝利油田分公司勝利勘察設計研究院有限公司，山東東營 257000）

針對油田含聚污水配聚所面臨的問題，研究了污水水質對聚合物黏度的影響規律，結果表明，根據水質的不同，污水中主要成分對聚合物黏度的影響程度各不相同，若存在還原性物質，則其對配制聚合物溶液黏度降黏起主導作用，少量的S2-（3.2 mg／L）使黏度降低88%左右；污水中常規陽離子對聚合物黏度的影響視Ca2＋、Mg2＋含量所決定，若含量高則對聚合物降黏起主導作用，若Na＋含量高則Na＋占主導作用。

聚合物黏度；注水水質；離子濃度

聚合物驅是提高原油采收率的重要技術措施之一，聚丙烯酰胺類驅油劑是目前大規模工業化進行聚合物驅提高采收率的產品，但其在較高溫度的地層中不穩定，造成聚合物驅失效，這種情況在60℃以上地層中已十分明顯。目前國內油田通常采用清水配制聚合物溶液或清水配制聚合物母液污水稀釋的方法配制注聚溶液［1-2］。若能采用污水配制聚合物溶液，就能節約大量清水，解決注采不平衡問題；污水回注地層還有利于環境保護。因此，采油污水配制聚合物越來越受到重視。但隨著聚合物驅油規模的不斷擴大，利用采出污水配制聚合物溶液，該技術在各類油藏條件下均遇到了不同程度的困難。大量的礦場實施顯示，采用污水配注以后，污水中各種復雜的化學組分對聚丙烯酰胺分子的降解作用［3-5］，導致聚合物溶液在配制和注入過程中溶液黏度損失嚴重，控制流度能力變差，限制了該項驅油技術在部分油藏條件下的推廣應用。

1 實驗方法

1.1 實驗試劑

NaCl，Na2SO4，MgCl2·6 H2O ，CaCl2，KCl，Na HCO3和Na2CO3等均為分析純；去離子水；聚丙烯酰胺：白色顆粒粉劑，水解度25%，相對分子質量2000×104；實驗用污水取自孤島采油廠。

1.2 實驗儀器

Brookfield DV-ⅢULTRA可編程流變儀（美國）；HR-NANO馬爾文流變儀；培養箱；干燥烘箱；電動攪拌器；恒溫水浴鍋；分析天平；常規玻璃儀器等。

1.3 實驗方法

模擬水配制聚合物溶液：將鹽加入到去離子水中模擬污水中不同離子量配制不同污水，用模擬污水配制聚丙烯酰胺溶液，將烘干的聚丙烯酰胺干粉在180 r／min左右攪拌下緩緩加入到模擬污水中，攪拌2 min，配制成1000 mg／L的聚丙烯酰胺溶液，然后在50℃的培養箱中陳化24小時，再用Brookfield DV-ⅢULTRA可編程流變儀在50℃、7.35 s-1下測定其表觀黏度。

污水配制聚合物溶液：用清水配制5 000 mg／L的聚丙烯酰胺溶液作為母液，然后用不同的污水稀釋母液配制成含聚1 500 mg／L的聚合物溶液。將配制好的聚合物溶液同樣放置于50℃的培養箱中陳化24小時，再用Brookfield DV-ⅢULTRA可編程流變儀在50℃、7.35 s-1下測定其表觀黏度。

2 結果與討論

2.1 水質分析

以勝利油田孤島采油廠的水質為研究對像，分析水中主要離子含量（見表1）。由表1可見，污水中陽離子含量較高，其中Na離濃度最大，Ca、Mg離子次之，陰離子中Cl離子含量較最大，HCO3次之，其它陰離子濃度不高，水質的不同對聚合物溶液黏度的影響也不同，根據所測污水的水質特點研究污水中主要成份對配聚黏度的影響。

表1 含聚污水中主要離子含量分析 （mg·L-1）

2.2 離子對聚合物溶液黏度的影響

根據對含聚污水的水質分析可知，污水中含有大量的離子，離子的濃度及種類對聚合物溶液的黏度影響較大。現分別考察各種離子種類及濃度對配制聚合物溶液黏度的影響。

2.2.1污水中金屬陽離子對聚合物溶液黏度的影響

將NaCl、CaCl2、MgCl2加入到去離子水稀釋的聚合物溶液液中，測定不同離子含量下聚合物溶液的黏度，隨著 Na＋、Ca2＋、Mg2＋含量的增加，黏度快速下降，最后下降變的平緩。

Na＋對聚合物溶液黏度的影響在于鹽中和了聚合物分子基團上的電性，Na＋濃度的增加，使聚合物分子上羧酸根所帶的負電減弱，隨著中和程度的增加，聚合物分子內和分子間的靜電斥力減弱，分子變得蜷曲，卷曲的同時，將陽離子周圍的溶劑化層水分子擠掉，使分子線團密度增大，自然卷曲狀的分子流體力學等價球體積最小，與溶液接觸面積最小，分子間內摩擦力減小，因此對應的黏度減小，分子間內摩擦力下降至最低限度，溶液黏度降到最低。

根據含聚污水的水質分析結果可知，Na＋在污水中的濃度為1 700 mg／L左右，在1 700 mg／L Na＋的存在下，聚合物溶液的黏度下降87%左右，污水中大量Na＋的存在對配制的聚合物溶液黏度降低起了重要作用。

Mg2＋對聚合物溶液黏度的影響比Ca2＋大，這是因為Mg2＋的離子半徑比Ca2＋小，空間位阻小，分子內縮聚，分子鏈收縮的阻力減小的緣故。Ca2＋、Mg2＋之所以使聚合物溶液黏度下降，是因為Ca2＋、Mg2＋使聚合物發生分子內縮聚，分子鏈收縮。雖然Ca2＋、Mg2＋在污水中的的濃度遠低于Na＋，但因他們對聚合物的黏度影響顯著而倍受人們關注。根據含聚污水中Ca2＋、Mg2＋濃度測定可知Ca2＋離子濃度100 mg／L、Mg2＋濃度為27 mg／L 左右，對應的黏度損失分別為85%和80%，雖然Mg2＋對聚合物溶液黏度的影響比Ca2＋大，但因Mg2＋在污水中的含量低，所以對聚合物溶液的影響小于Ca2＋。

2.2.2陰離子對聚合物溶液黏度的影響

在Na＋離子濃度相同的條件下測定不同陰離子對聚合物黏度的影響。如圖1可知，陰離子對聚合物溶液黏度影響較小，HCO3-、CO32-的存在使聚合物溶液的黏度略有上升。這主要是由于HCO3-、CO32-的存在 使得溶液的p H 值增大，CO32-的堿性略強于HCO3-，所以表現為CO32-的存在時聚合物溶液的黏度高于其它陰離子存在時的黏度。

圖1 陰離子對聚合物溶液黏度的影響

2.2.3陽離子強度對溶液黏度的影響

因陰離子對聚合物溶液的黏度影響較小，現只考慮陽離子強度對聚合物溶液黏度的影響。二價陽離子的強度是一價陽離子的4倍左右，因此在陽離強度相同的條件下，一價陽離子的摩爾濃度是二價陽離子摩爾濃度的4倍。分別測定陽離子強度I＝10，20 mmol／L時聚合物溶液的黏度，如圖2可知，相同離子強度的條件下，一價離子作用下聚合物溶液的黏度是二價離子的兩倍，二價離子對聚合物溶液的黏度影響遠遠大于一價離子，這說明二價離子對聚合物的作用不僅僅是像Na＋一樣，使聚合物分子上羧酸根所帶的負電減弱，聚合物分子內和分子間的靜電斥力減弱，而使聚合物的黏度降低，二價離子還與聚合物分子發生分子間的作用，使聚合物發生分子內縮聚，分子鏈收縮，從圖3離子與水中聚合物作用示意圖［6］可形象的說明這一點。

圖2 陽離子強度對溶液黏度的影響

通過對污水中常規離子對聚合物溶液黏度影響規律的研究，我們可以得知，Na＋因在污水中的含量高，對配制的聚合物溶液黏度影響最為明顯，濃度為1 700 mg／L的Na＋便可以使聚合物的黏度下降87%，雖然Ca2＋、Mg2＋在污水中的的濃度遠低于Na＋，但他們對聚合物的黏度影響顯著，100 mg／L左右的Ca2＋和27 mg／L左右的 Mg2＋使聚合物溶液黏度下降近80%；通過測定不同陰離子對聚合物黏度的影響可知，陰離子對聚合物溶液黏度影響較小；二價離子因使聚合物發生分子內縮聚，分子鏈收縮，使得對聚合物溶液黏度的影響遠大于相同離子強度的一價離子。

圖3 離子與聚合物在水中作用示意圖

2.3 懸浮物及油含量對聚合物溶液黏度的影響

2.3.1懸浮物對聚合物溶液黏度的影響

采油污水中一般都含有一定量的懸浮物，這些懸浮物的成分比較復雜，主要是油泥、不溶性化合物如硫化鐵、細菌殘骸、泥沙等。由于懸浮物的復雜性，室內難以精確模擬其對聚合物溶液的影響。因此，本文采用新鮮采油污水過濾除去懸浮物與不處理的污水配制成聚合物溶液，測定其黏度變化。除去懸浮物的聚合物溶液黏度高于不除懸浮物的，但相差不大，見圖4。

鮑敬偉等曾選擇模擬懸浮物進行實驗研究，結果發現對黏度影響不大，但對黏度穩定性影響很大。這是由于懸浮物本身與聚合物不發生化學反應，但隨著時間的延長，懸浮物會與聚合物發生交聯反應，產生絮凝物，使聚合物沉淀出來。同時，大量的懸浮物還會造成地層堵塞，所以應控制污水中懸浮物含量。

圖4 懸浮物對含聚采出水配注聚合物溶液黏度的影響

2.3.2油含量對聚合物溶液黏度的影響

用高速剪切乳化的方法配制模擬高含油污水，然后分別稀釋成不同含油量的含油污水，配制濃度為1 000 mg／L的聚合物溶液黏度，測定含油量對聚合物溶液黏度的影響。結果發現，含油量對聚合物溶液黏度幾乎沒有影響。同時，取現場含聚污水配制聚合物溶液，有清水配制聚合物母液，再用含聚污水稀釋成1 500 mg／L的聚合物溶液，對比脫除原油前后聚合物溶液黏度變化，結果發現，保留聚合物的采出水中的油含量對其配制聚合物溶液的黏度沒有影響（見表2）。

表2 油含量對含聚采出水配注聚合物溶液黏度的影響

2.4 還原性物質對聚合物溶液黏度的影響

2.4.1 Fe2＋對聚合物溶液黏度的影響

將新鮮的FeCl2溶液加入到去離子水配制的聚合物母液中，在隔氧化的條件下測定不同Fe2＋含量下聚合物溶液的黏度隨時間的變化。由圖5可知，隨著Fe2＋含量的增加，聚合物溶液黏度急劇下降，當Fe2＋含量為3.36 mg／L時，聚合物溶液黏度損失達到75%以上，可見少量的Fe2＋存在就會對聚合物溶液黏度產生強烈影響。

圖5 Fe2＋對聚合物溶液黏度的影響

2.4.2 S2-對聚合物溶液黏度的影響

將新鮮的Na2S溶液加入到去離子水配制的聚合物母液中，在隔氧化的條件下測定不同S2-含量下聚合物溶液的黏度。由圖6可知，隨著S2-含量的增加，聚合物溶液黏度急劇下降，在0～1 mg／L時，溶液黏度下降最快；繼續增大S2-含量，溶液黏度下降緩慢，當S2-含量為3.2 mg／L時，聚合物溶液黏度損失達到97%以上。可見少量的S2-存在就會對聚合物溶液黏度產生強烈影響。

圖6 S2-對聚合物溶液黏度的影響

目前驅油用聚丙烯酰胺主要是部分水解聚丙烯酰胺（HPAM），其大分子鏈氧化降解屬于自由基反應，通常情況下是由于聚合物分子鏈中薄弱點的斷裂所致。HPAM主鏈上叔碳原子上的氫較為活潑，而連接羧基叔碳原子上的氫又較酰胺基相應的氫更活潑，因此當聚合物溶液（含有溶解氧）與污水（含有還原性物質及金屬離子）接觸后，HPAM 發生了自由基反應，盡管油田污水通常是密閉回注的，但在聚合物溶解過程中不可避免地會帶入一些空氣，空氣中的氧與HPAM 反應，使分子鏈上形成極不穩定的氫過氧化基團，分解時即生成游離基，引起分子鏈的斷裂，導致HPAM的分子鏈的斷裂，分子量降低，黏度下降。污水中含有的還原性物質（例如Fe2＋，S2-）可加劇上述氧對HPAM 氧化降解作用，就會增加自由基的生成速度，加快了自由基氧化過程。

3 結論

根據水質的不同，污水中主要成分對聚合物黏度的影響程度各不相同，若存在還原性物質，則還原性物質對配制聚合物溶液黏度降黏起主導作用，少量的S2-（3.2 mg／L）將黏度降低88%左右；污水中常規陽離子對聚合物黏度的影響視Ca2＋、Mg2＋含量所決定，若含量高則對聚合物降黏起主導作用，若Na＋含量高則Na＋占主導作用。

［1］ 姚惠，張中健.含油污水配注聚合物應用研究［J］.油氣田地面工程，2007，26（5）：3-4.

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TE357

A

1673-8217（2012）06-0125-04

2012-06-10

李金環，副研究員，1976年生，2009年畢業于大慶石油學院（現東北石油大學）油氣田開發工程專業，工學博士，從事油田污水處理研究工作。

李金華