不同因素對驅油用疏水締合聚合物的溶解時間的影響

郭光范

承德石油高等專科學校石油工程系，河北承德 067000

我國海上稠油儲量豐富，采用注水開發，水驅采收率低，提高采收率潛力巨大。在眾多方法中，聚合物驅油技術在海上油田最有可能應用且潛力最大。對于海上稠油油田，具有地層原油黏度高、配聚水硬度高等苛刻條件，現有的部分水解聚丙烯酰胺很難滿足現場的配注要求，因此國內專家針對海上稠油油藏的特點研發了疏水改性水溶性聚合物，并且進行了工業化生產。疏水改性水溶性聚合物利用其疏水基團，在溶液中分子間締合，形成空間網狀結構，使聚合物溶液在較低分子量和較低濃度下仍然有很高的黏度[1-3]，具有較好的剪切稀釋性、抗剪切能力和注入性[4-7]。由于疏水改性水溶性聚合物主鏈上所含的少量疏水基團使溶解時間延長，使得“海上平臺配聚”成為制約海上油田實施聚合物驅提高采收率技術的技術瓶頸[8-10]。筆者研究了不同因素對疏水改性水溶性聚合物的溶解時間的影響，為海上驅油用疏水改性聚合物的加速溶解工藝技術提供理論基礎。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

NaCl、KCl、MgCl2·6H2O、無水CaCl2、Na2CO3、無水Na2SO4，均為分析純，承德福鑫化工商貿有限公司；疏水締合聚合物HAPAM，自制，根據文獻[11]的方法制備并且造粒。

NDJ-5S型黏度計黏度計，力辰科技股份有限公司；電子稱，量程20～20 000 g，精度2 g，上海精科公司；恒溫水浴，恒溫范圍20～100 ℃，精度±2 ℃，上海光地儀器設備有限公司；攪拌器，轉速20～500 r/min，江蘇江陰保利科研器材有限公司；20 mL移液管、1 L燒杯、玻璃棒、水銀溫度計若干，承德福鑫化工商貿有限公司。

1.2 實驗水質

渤海JZ9-3、SZ36-1油田2種配注水的離子組成見表1。

表1 渤海油田2種模擬配注水的離子組成 mg/L

1.3 表觀黏度測定

采用NDJ-5S黏度計，每隔5 min測定聚合物溶液不同狀態的表觀黏度。

2 結果與討論

2.1 干粉粒徑的影響

在水溫45 ℃條件下，按照質量濃度為5 000 mg/L的配制要求，將不同粒徑的HAPAM干粉顆粒與JZ9-3、SZ36-1油田配注水混合攪拌，攪拌器的轉速為100 r/min，150 min內每隔5 min測1次黏度。黏度隨時間的變化見圖1。

圖1 不同干粉粒徑下聚合物溶液的黏度隨時間的變化

在2種水質下，粒徑小于20目的HAPAM干粉顆粒的基本溶解時間分別為85 min和120 min左右，而100～120目的HAPAM干粉的基本溶解時間分別為30 min和50 min左右，基本溶解時間分別縮短64.7%和58.3%。粒徑小于20 目的HAPAM干粉顆粒基本溶解時的黏度分別為3 316 mPa·s和3 481 mPa·s左右，而100～120 目的HAPAM干粉基本溶解時的黏度分別為1 673 mPa·s和1 736 mPa·s左右，基本溶解時的黏度損失率在50%左右。

聚合物干粉的粒徑越小，水與顆粒的接觸表面積越大，在配制過程中顆粒能夠更快地和水接觸形成溶脹顆粒，其完全溶脹時間越短。在一定的粒徑下，聚合物干粉顆粒的粒徑越小，其溶解時間也越短。粒徑對黏度有很大的影響。聚合物干粉顆粒的粒徑越小，其分子鏈受到剪切斷裂的概率越大，因此粒徑越小其母液的黏度和稀釋成目標液的黏度越低。聚合物干粉的粒徑越小，在現場配制過程中越容易形成“魚眼”，使現場配注難度增大。此外，聚合物超細粉含量較多時，在現場配注過程中粉塵會漂浮在空氣中，對人體造成傷害。通過以上的分析可知，超細化聚合物干粉雖然能夠加速溶解，但現場不宜采用，因此有必要尋求切實可行的方法加速疏水締合聚合物的溶解。

2.2 聚合物濃度的影響

將分別裝有1 000 mL JZ9-3、SZ36-1油田配注水的燒杯置于45 ℃的恒溫水浴中，待配注水的溫度穩定后，按照不同質量濃度的配制要求，將HAPAM干粉分別與JZ9-3、SZ36-1油田配注水混合攪拌，攪拌器的轉速為100 r/min，在120 min內每隔5 min測1次黏度。聚合物配制濃度對溶解時間的影響見圖2。

圖2 聚合物配制濃度對溶解時間的影響

由圖2可知，在2種水質下，增大HAPAM干粉的配制濃度有助于縮短溶解時間。配制濃度為2 000 mg/L時，基本溶解時間分別為65 min和90 min左右；而配制濃度為10 000 mg/L時，基本溶解時間分別為25 min和30 min左右，基本溶解時間縮短50%以上。在濃度相同的情況下，礦化度越高其溶解時間越長。隨著聚合物濃度的增加，溶液中膠團的分散密度增大，這說明攪拌過程中膠團彼此間碰撞摩擦的概率增大，而且聚合物分子向水中擴散后，分子鏈上的羧酸基在水中電離，增強了聚合物分子之間的作用力，有利于聚合物分子向水中擴散，因此溶解速度加快。

2.3 溶劑溫度的影響

將分別裝有1 000 mL JZ9-3、SZ36-1油田配注水的燒杯置于不同的恒溫水浴中進行預熱，待配注水溫度穩定后，按照質量濃度為5 000 mg/L的配制要求，將HAPAM干粉與配注水混合攪拌，攪拌器的轉速為100 r/min，在160 min內每隔5 min測1次黏度。母液黏度隨時間的變化見圖3。在2種水質下，溫度的升高有助于HAPAM干粉的溶解。溫度為25 ℃時，基本溶解時間分別為75 min和140 min左右；當溫度升高到65 ℃時，基本溶解時間分別為35 min和50 min左右，基本溶解時間縮短50%以上。不同溫度下，基本溶解時聚合物母液的黏度隨溫度的增加而減小，但減幅差別不大；在溫度相同的情況下，礦化度越高其溶解時間越長。

溫度越高分子的動能越大，分子做無規則運動程度加劇，溶劑擴散到聚合物溶脹膠團內部的能力增強，同時使聚合物分子鏈間的纏結變得更松散，使聚合物分子的擴散更迅速，聚合物分子從膠團表面解離的速度加快，因而聚合物的溶解速度更快。

圖3 溫度對聚合物溶解時間的影響

2.4 攪拌器轉速的影響

將分別裝有1 000 mL JZ9-3、SZ36-1油田配注水的燒杯置于45 ℃的恒溫水浴中，待配注水的溫度穩定后，按照質量濃度為5 000 mg/L的配制要求，在不同攪拌器轉速條件下，將HAPAM干粉與配注水混合攪拌，120 min內每隔5 min測1次黏度。母液的黏度隨時間的變化見圖4。在2種水質下，隨著攪拌器轉速的增加，HAPAM干粉顆粒的基本溶解時間逐漸減小。攪拌器的轉速為50 r/min時，基本溶解時間分別為55 min和85 min左右，基本溶解時的黏度分別為2 946 mPa·s和3 050 mPa·s；當攪拌器的轉速增加到200 r/min時，基本溶解時間分別為35 min和60 min左右，基本溶解時間縮短20 min左右，基本溶解時的黏度分別為2 563 mPa·s和2 610 mPa·s，聚合物溶液的黏度損失率分別為13.0%和14.4%。

提高攪拌器的轉速有利于增大攪拌流體的混亂程度，加快聚合物分子從膠團表面解離的速度。但增大攪拌器的轉速容易造成聚合物分子鏈的斷裂，造成聚合物的黏度損失。

圖4 攪拌速度對聚合物溶解時間的影響

3 結論

1)在2種水質條件下，減小HAPAM干粉的粒徑可以縮短溶解時間，粒徑為100～120 目與粒徑小于20 目相比溶解時間縮短50%以上，但基本溶解時的黏度損失率超過50%。

2)增大HAPAM的配制濃度可縮短溶解時間，配制濃度10 000 mg/L與2 000 mg/L相比可以縮短溶解時間50%以上，并且基本溶解時的黏度幾乎沒有損失。

3)提高溶劑溫度可以縮短HAPAM干粉的溶解時間，溶劑溫度為65 ℃時，與25 ℃時相比溶解時間縮短50%以上，并且基本溶解時的黏度幾乎沒有損失。

4)增大攪拌器轉速可以縮短HAPAM干粉顆粒的溶解時間20 min左右，溶液的黏度損失率小于15%。

5)現場可以通過增加聚合物的配制濃度、提高配制溫度(利用平臺余熱)和適當改進攪拌器的攪拌效率來縮短聚合物的配制時間，提高平臺的配制效率。