海上油田聚合物超重力速溶技術(shù)研究

舒 政，齊 勇，程飛豹，王同旺，黃 霞

（1.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610500；2.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，四川成都 610500）

聚合物驅(qū)油機(jī)理主要是通過增加注入水的黏度，降低水油流度比，擴(kuò)大注入水在油層中的波及體積來提高原油采收率［1-6］。聚合物驅(qū)在陸上油田得到了廣泛應(yīng)用，已成為提高油藏采收率比較成熟的三次采油技術(shù)［7-11］。隨著海上油田開發(fā)的不斷進(jìn)行，聚合物驅(qū)油技術(shù)在海上油田獲得大規(guī)模推廣和應(yīng)用［12-13］。

海上平臺(tái)空間和承載能力有限，而聚合物溶解時(shí)間長，因此陸上油田所使用的聚合物配注系統(tǒng)不再適合。由于海上油田原油黏度高、地層剪切能力強(qiáng)、地層水礦化度高，常規(guī)的線性聚合物難以滿足在海上油田注聚條件下的增黏能力、抗剪切能力和耐鹽能力的需求，為此研發(fā)了疏水締合聚合物［14-15］，疏水締合聚合物由于疏水基團(tuán)的引入使其溶解更加緩慢，進(jìn)一步加劇了海上平臺(tái)空間及承載能力有限與聚合物溶解時(shí)間長的矛盾［16-18］。因此，加速海上平臺(tái)聚合物的溶解成為亟待解決的問題。

針對(duì)疏水締合聚合物溶解時(shí)間長的問題，研發(fā)了聚合物分級(jí)強(qiáng)制拉伸裝置，并取得了顯著的成果。經(jīng)過強(qiáng)制拉伸裝置后聚合物溶解時(shí)間從120 min 縮短至25 min。聚合物分級(jí)強(qiáng)制拉伸裝置在滿足海上油田配注要求的情況下極大地縮短了疏水締合聚合物的溶解時(shí)間，在一定程度上減小了配注系統(tǒng)的占地面積。為進(jìn)一步優(yōu)化聚合物配注系統(tǒng)，減小配注系統(tǒng)的占地面積，將超重力技術(shù)引入海上平臺(tái)聚合物快速溶解，配制聚合物溶液，設(shè)計(jì)了一種超重力速溶裝置，并對(duì)其進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究。

1 實(shí)驗(yàn)器材與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)器材

實(shí)驗(yàn)儀器主要包括超重力速溶裝置（自主研發(fā)）、Brookfield DV-Ⅲ黏度計(jì)（美國Brookfield 公司）、數(shù)顯懸吊臂攪拌器（江蘇江陰保利科研器材有限公司）、恒溫水浴鍋（上海光地儀器設(shè)備有限公司）、電子天平（上海精科公司）、計(jì)時(shí)器、燒杯、針筒（去針頭）。

化學(xué)試劑主要包括疏水締合聚合物AP-P4（四川光亞聚合物化工有限公司）；NaCl，KCl，CaCl2，Mg?Cl2，Na2CO3，NaHCO3和Na2SO4均為分析純，模擬水中的Na+，K+，Ca2+，Mg2+，CO32-，HCO3-，SO42-和Cl-的質(zhì)量濃度分別為3 091.96，3 091.96，276.17，158.68，14.21，311.48，85.29 和5 436.34 mg/L。模擬注入水礦化度為9 374.13 mg/L。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)步驟

按聚合物超重力高效配制的工藝流程（圖1）連接儀器，速溶裝置入口和出口均設(shè)有取樣口，便于取樣。

圖1 聚合物超重力高效配制工藝流程Fig.1 High-efficiency high-gravity polymer compounding process

經(jīng)離心泵輸送的水與AP-P4 干粉在溶解罐內(nèi)混合，經(jīng)過攪拌后形成處于溶脹階段的AP-P4 溶液，經(jīng)過轉(zhuǎn)液泵進(jìn)入超重力速溶裝置，最后流入廢液池。裝置穩(wěn)定運(yùn)行2 min 后，用燒杯從取樣口接取AP-P4溶液，測(cè)定其溶解時(shí)間。

1.2.2 聚合物基本溶解時(shí)間測(cè)定

在45 ℃條件下，將所取AP-P4溶液樣品置于恒溫水浴鍋內(nèi)攪拌溶解，攪拌轉(zhuǎn)速為200 r/min。攪拌溶解過程中，每隔5 min 測(cè)定一次溶液黏度，直至3次取樣測(cè)量黏度變化不大（黏度變化率小于5%），停止取樣。黏度測(cè)試使用Brookfield DV-Ⅲ黏度計(jì)，剪切速率為7.34 s-1，不同型號(hào)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速及黏度見表1。

表1 不同型號(hào)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速及黏度Table1 Rotation speed and viscosity of different types of rotors

根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)繪制聚合物溶液黏度隨時(shí)間的變化曲線，對(duì)溶液黏度相對(duì)平穩(wěn)時(shí)的曲線進(jìn)行擬合得到一條直線，再對(duì)溶液黏度平穩(wěn)前的曲線進(jìn)行擬合得到另一條直線，兩條直線的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)，即是基本溶解時(shí)間點(diǎn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 填料孔隙尺寸對(duì)聚合物溶解時(shí)間的影響

設(shè)定配制溫度為45 ℃，配液質(zhì)量濃度為5 000 mg/L，超重力因子為1 037，考察速溶裝置填料孔隙尺寸對(duì)聚合物溶解時(shí)間的影響。根據(jù)AP-P4 溶液在溶解過程中記錄的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制溶液黏度隨時(shí)間的變化曲線（圖2）和AP-P4 溶液基本溶解時(shí)間、基本溶解黏度與填料孔隙直徑的關(guān)系曲線（圖3）。從圖2 和圖3 可以看出，超重力速溶裝置可有效實(shí)現(xiàn)聚合物的加速溶解，縮短溶解時(shí)間?？瞻捉M（未經(jīng)超重力速溶裝置）AP-P4 溶液黏度上升緩慢，基本溶解時(shí)間為80 min，基本溶解黏度為2 628.2 mPa·s；經(jīng)速溶裝置處理后AP-P4 溶液黏度上升速度顯著提升，45～70 min內(nèi)黏度達(dá)到穩(wěn)定完成基本溶解，溶解時(shí)間縮短15～35 min。隨著填料孔隙直徑的減小，AP-P4 溶液的基本溶解時(shí)間逐漸減小，基本溶解黏度逐漸降低。

圖2 不同填料孔隙直徑條件下AP-P4溶液黏度隨時(shí)間的變化Fig.2 Viscosity curve of AP-P4 solution with time under the condition of different filler pore diameters

圖3 不同填料孔隙直徑下AP-P4溶液的基本溶解時(shí)間和基本溶解黏度Fig.3 Basic dissolution time and basic dissolution viscosity of AP-P4 under different filler pore diameters

2.2 超重力因子對(duì)聚合物溶解時(shí)間的影響

設(shè)定配制溫度為45 ℃，配液質(zhì)量濃度為5 000 mg/L，速溶裝置填料孔隙直徑為100 μm，考察超重力因子對(duì)聚合物溶解時(shí)間的影響。根據(jù)AP-P4 溶液在溶解過程中記錄的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制溶液黏度隨時(shí)間的變化曲線（圖4）和AP-P4 溶液基本溶解時(shí)間、基本溶解黏度與超重力因子的關(guān)系曲線（圖5）。從圖4 和圖5 可以看出，隨著超重力因子的增加，AP-P4 溶液的基本溶解時(shí)間逐漸減小，基本溶解黏度逐漸降低。超重力因子從770 增加到1 307，基本溶解時(shí)間從50 min縮短至40 min。這是因?yàn)殡S著超重力因子的增加，水和AP-P4 溶脹顆粒在填料內(nèi)聚并和分散的過程中，相際界面得到快速更新，強(qiáng)化了水和聚合物溶脹顆粒的傳質(zhì)；另外，由于超重力因子增加，水和AP-P4 溶脹顆粒所受的離心力增加，加速了水向AP-P4 溶脹顆粒內(nèi)部的滲透。超重力因子為1 307 時(shí)，取得最佳速溶效果，此時(shí)溶解時(shí)間縮短至40 min，基本溶解黏度為1 516.5 mPa·s?？紤]到目前加工工藝和動(dòng)力消耗，選擇適宜的超重力因子為1 307。

圖4 不同超重力因子條件下AP-P4溶液黏度隨時(shí)間的變化Fig.4 Viscosity curve of AP-P4 solution with time under different high-gravity factors

圖5 不同超重力因子下AP-P4溶液的基本溶解時(shí)間和基本溶解黏度Fig.5 Basic dissolution time and basic dissolution viscosity of AP-P4 under different high-gravity factors

2.3 裝置填料組合對(duì)聚合物溶解時(shí)間的影響

設(shè)定配制溫度為45 ℃，配液質(zhì)量濃度為5 000 mg/L，超重力因子為1 307，考察填料組合對(duì)聚合物溶解時(shí)間的影響。根據(jù)AP-P4 溶液在溶解過程中記錄的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制溶液黏度隨時(shí)間的變化曲線（圖6）和AP-P4 溶液基本溶解時(shí)間、基本溶解黏度與填料組合的關(guān)系曲線（圖7）。從圖6 和圖7 可以看出，當(dāng)速溶裝置填料組合為組合1（單層厚度為100 μm）時(shí)，AP-P4 溶液的基本溶解時(shí)間為40 min，基本溶解黏度為1 516.5 mPa·s；填料組合為組合2（雙層：內(nèi)徑為200 μm、外徑為100 μm）和組合3（雙層：內(nèi)徑為300 μm、外徑為100 μm）時(shí)，AP-P4 溶液黏度上升速度明顯提升，35 min左右黏度達(dá)到穩(wěn)定，完成基本溶解，基本溶解時(shí)間較采用組合1 時(shí)縮短5 min，基本溶解時(shí)采用組合3 的溶液黏度為1 731.2 mPa·s，高于采用組合2 的溶液黏度（1 602.1 mPa·s）；速溶裝置填料組合為組合4（雙層：內(nèi)徑為300 μm、外徑為200 μm）時(shí)，AP-P4 溶液的基本溶解時(shí)間為45 min，基本溶解黏度為1 779.2 mPa·s。這是因?yàn)榻M合2和組合3采用雙層填料，增加了水和APP4 溶脹顆粒在裝置內(nèi)的運(yùn)動(dòng)行程和混合傳質(zhì)時(shí)間，加速了AP-P4 溶脹顆粒水化，縮短其溶解時(shí)間；此外AP-P4 溶脹顆粒先經(jīng)過300 μm 填料分散，形成均勻的300 μm左右的溶脹顆粒，提高在下一層填料中AP-P4 溶脹顆粒水滲效果，加速其溶解。而組合4由于二層填料尺寸為200 μm，孔隙尺寸大，對(duì)聚合物溶脹顆粒作用小，所以其溶解時(shí)間較長，基本溶解時(shí)的黏度較高。綜合考慮速溶裝置加速AP-P4溶解的效果，以及AP-P4 溶液基本溶解黏度，速溶裝置填料組合選取組合3，即填料孔隙直徑300 μm/100 μm的雙層填料組合。

圖6 不同填料組合條件下AP-P4溶液黏度隨時(shí)間的變化Fig.6 Viscosity curve of AP-P4 solution under different filler combinations

圖7 不同填料組合下AP-P4溶液的基本溶解時(shí)間和基本溶解黏度Fig.7 Basic dissolution time and basic dissolution viscosity of AP-P4 solution under different filler combinations

3 結(jié)論

超重力速溶實(shí)驗(yàn)裝置可有效地加速聚合物的溶解，顯著縮短聚合物溶解時(shí)間，滿足海上平臺(tái)聚合物的配制需求。填料孔隙尺寸越小，超重力因子越大，聚合物溶解時(shí)間越短。在配液溫度為45 ℃，配液質(zhì)量濃度為5 000 mg/L，填料組合為300 μm/100 μm、超重力因子為1 307 的條件下，AP-P4 溶液的基本溶解時(shí)間由80 min 縮短至35 min，縮短了56.25%。