油田聚合物溶液黏度的影響因素研究

孫恩呈,李乾,牛余海,劉曉,張彥博

(1.中國石化勝利油田分公司技術(shù)檢測中心,山東 東營 257000;2.勝利油田檢測評價研究有限公司,山東 東營 257000)

隨著油田開采進(jìn)入中后期,石油開采的難度增加,石油的采出率降低。目前國內(nèi)普遍采用聚合物驅(qū)三次采油技術(shù)來提高石油采出率。國內(nèi)油田通常使用采出液分離后的污水配置聚合物溶液,由于配聚污水礦化度較高,聚合物溶液黏度常常達(dá)不到驅(qū)油標(biāo)準(zhǔn)。因此,有必要開展影響聚合物黏度的因素研究。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1 實(shí)驗(yàn)試劑

實(shí)驗(yàn)采用的主要試劑見表1。

表1 主要實(shí)驗(yàn)試劑

1.1.2 實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備

實(shí)驗(yàn)采用的主要儀器設(shè)備見表2。

表2 主要實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 聚丙烯酰胺溶液的配制

稱取1.00 g聚丙烯酰胺樣品于200 mL配制水中得到5 000 mg/L聚丙烯酰胺溶液。得到的溶液使用六聯(lián)攪拌器攪拌1 h,轉(zhuǎn)速700 r/min。攪拌后的母液放置24 h后待用。

1.2.2 Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Fe2+、S2-溶液的配置

根據(jù)油田采出水中離子的濃度范圍,分別對不同離子選擇了合適的濃度梯度,探究濃度對溶液黏度的變化趨勢,其中Na+質(zhì)量濃度梯度為100,250,1 000,3 000,4 000和6 000 mg/L;K+質(zhì)量濃度梯度為10,20,30,40,131和416 mg/L;Ca2+質(zhì)量濃度梯度為14.4,25.2,57.6,64.8和300 mg/L;Mg2+質(zhì)量濃度梯度為10,20,30,40,50和100 mg/L;S2-質(zhì)量濃度梯度為2.1,2.2,2.4,2.5,2.7和3.0 mg/L;Fe2+質(zhì)量濃度梯度為0.001,0.1,0.5,0.7,0.9,1.0,1.2和1.5 mg/L,具體見表3。

表3 不同離子濃度梯度設(shè)計

溶液配制以K+為例。稱取10.0 g氯化鉀室溫下溶解于1 000 mL蒸餾水中,得到10 g/L氯化鉀溶液,所配溶液K+質(zhì)量濃度為5 200 mg/L。取10 g/L氯化鉀溶液3.9,7.7,11.5,15.4,51.1,162.4 mL,分別稀釋至500 mL,得到K+質(zhì)量濃度分別為10,20,30,40,131和416 mg/L的六種溶液。其他五種離子配制方法相似。

1.2.3 離子濃度對黏度的影響實(shí)驗(yàn)

以K+為例,首先用量筒量取六份5 000 mg/L聚丙烯酰胺溶液15 mL于100 mL的六個小燒杯中,然后分別從上述六種溶液中取出0.7,1.3,2.0,2.7,3.5和4.0 mL加入100 mL燒杯中,最后加入34.3,33.7,33.0,32.3,31.5,31.0 mL的蒸餾水得到質(zhì)量濃度為1 500 mg/L的聚丙烯酰胺溶液,磁力攪拌器攪拌15 min后,用布氏黏度計測定聚合物溶液黏度。其他五種離子實(shí)驗(yàn)方法相似。

2 結(jié)果與討論

2.1 Na+對聚丙烯酰胺溶液黏度的影響

按照1.2的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn),黏度變化情況如圖1所示。

圖1 Na+對聚丙烯酰胺溶液黏度的影響

由圖1可知,聚丙烯酰胺溶液黏度隨著Na+濃度的增加而降低。當(dāng)Na+質(zhì)量濃度為1 000 mg/L時出現(xiàn)聚丙烯酰胺溶液黏度下降過渡點(diǎn)。Na+質(zhì)量濃度低于1 000 mg/L時,黏度的下降迅速。Na+質(zhì)量濃度高于1 000 mg/L時,黏度下降逐漸趨于平穩(wěn)。在Na+質(zhì)量濃度為1 000 mg/L的配制水配制的聚丙烯酰胺溶液黏度為410.2 mPa·s,與蒸餾水配制的聚丙烯酰胺溶液黏度819.01 mPa·s相比黏度損失率為49.9%。結(jié)構(gòu)方面分析是由于聚丙烯酰胺與帶正電荷的Na+發(fā)生作用,從而使一部分聚丙烯酰胺結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,導(dǎo)致黏度下降。而當(dāng)Na+質(zhì)量濃度為1 000 mg/L時,體系中的Na+與聚丙烯酰胺反應(yīng)接近飽和狀態(tài),故Na+質(zhì)量濃度大于1 000 mg/L體系黏度下降逐漸趨于平穩(wěn)。

2.2 K+對聚丙烯酰胺溶液黏度的影響

按照1.2的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn),不同質(zhì)量濃度K+對聚丙烯酰胺溶液黏度的影響如圖2所示。

圖2 鉀離子對聚丙烯酰胺溶液黏度的影響

由圖2可知,聚丙烯酰胺溶液黏度隨著K+質(zhì)量濃度的增加而降低。當(dāng)K+質(zhì)量濃度為40 mg/L時出現(xiàn)聚丙烯酰胺溶液黏度下降過渡點(diǎn)。當(dāng)K+質(zhì)量濃度為40 mg/L時,聚合物溶液黏度為700.23 mPa·s,與清水稀釋的聚合物溶液黏度對比得出黏度損失率為14.5%。當(dāng)K+質(zhì)量濃度低于40 mg/L時,體系中黏度迅速下降。當(dāng)K+質(zhì)量濃度高于40 mg/L時,體系中黏度下降趨于平緩。這是因?yàn)楫?dāng)K+質(zhì)量濃度達(dá)40 mg/L時,體系中的聚丙烯酰胺分子與K+反應(yīng)逐漸達(dá)飽和狀態(tài),故當(dāng)體系中K+質(zhì)量濃度高于40 mg/L,黏度下降趨于平緩。但是由于K+與聚丙烯酰胺比Na+聚丙烯酰胺的反應(yīng)程度要小,因此K+對聚丙烯酰胺溶液黏度的損失貢獻(xiàn)率要遠(yuǎn)小于Na+對聚丙烯酰胺溶液黏度的損失貢獻(xiàn)率。

2.3 Ca2+對聚丙烯酰胺溶液黏度的影響

按照1.2的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn),不同Ca2+質(zhì)量濃度對聚丙烯酰胺溶液黏度的影響,其影響如圖3所示。

由圖3可知,聚丙烯酰胺溶液黏度隨著Ca2+質(zhì)量濃度的增加而降低。在Ca2+質(zhì)量濃度達(dá)60 mg/L時,出現(xiàn)黏度降低過渡點(diǎn)。當(dāng)Ca2+質(zhì)量濃度低于60 mg/L時,聚丙烯酰胺溶液黏度迅速降低,而當(dāng)Ca2+質(zhì)量濃度高于60 mg/L時,聚丙烯酰胺溶液黏度下降趨勢減緩。當(dāng)Ca2+質(zhì)量濃度高于300 mg/L時,黏度的下降曲線漸近平穩(wěn)。這是因?yàn)橘|(zhì)量濃度在低于60 mg/L時,體系中聚丙烯酰胺與Ca2+迅速結(jié)合,與Ca2+結(jié)合的聚丙烯酰胺分子失去吸附架橋的作用,從而導(dǎo)致體系黏度下降。當(dāng)Ca2+質(zhì)量濃度為60 mg/L時其黏度為487.7 mPa·s,黏度損失率為40.4%;當(dāng)Ca2+質(zhì)量濃度為300 mg/L時其黏度為176.5 mPa·s,黏度損失率達(dá)到78.4%。

2.4 Mg2+對聚丙烯酰胺溶液黏度的影響

按照1.2的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn),不同質(zhì)量濃度Mg2+對聚丙烯酰胺溶液黏度的影響如圖4所示。

圖4 鎂離子對HPAM溶液黏度的影響

由圖4可知,隨著Mg2+質(zhì)量濃度增加聚丙烯酰胺溶液黏度呈現(xiàn)下降趨勢。在Mg2+質(zhì)量濃度為50 mg/L時出現(xiàn)黏度下降過渡點(diǎn)。當(dāng)體系中Mg2+質(zhì)量濃度低于50 mg/L時,聚丙烯酰胺溶液黏度迅速下降。當(dāng)體系中Mg2+質(zhì)量濃度高于50 mg/L時,聚丙烯酰胺溶液黏度下降趨勢漸近平穩(wěn)。當(dāng)Mg2+質(zhì)量濃度高于50 mg/L時,聚丙烯酰胺溶液黏度下降速度明顯減緩。當(dāng)Mg2+質(zhì)量濃度為50 mg/L時,其黏度為401.3 mPa·s,黏度損失率為51.0%。

2.5 Fe2+對聚丙烯酰胺溶液黏度的影響

按照1.2的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn),不同質(zhì)量濃度Fe2+對聚丙烯酰胺溶液黏度的影響如圖5所示。

由圖5可知,Fe2+對聚丙烯酰胺溶液黏度的影響隨質(zhì)量濃度增加呈下降趨勢。當(dāng)Fe2+離子質(zhì)量濃度低于0.5 mg/L時,聚丙烯酰胺溶液黏度變化較為緩慢。但是當(dāng)Fe2+質(zhì)量濃度在0.5～1.0 mg/L之間時,聚丙烯酰胺溶液黏度急速下降。當(dāng)Fe2+質(zhì)量濃度高于1.2 mg/L時,聚丙烯酰胺溶液黏度的變化又趨于平緩。但是在48 h后,聚丙烯酰胺溶液黏度降到40 mPa·s以下,并且降粘率超過5%,由此可見,Fe2+對聚丙烯酰胺溶液黏度影響非常大,是配聚過程中導(dǎo)致黏度下降的主要因素,因此必須去除Fe2+,以保證黏度穩(wěn)定性。

2.6 S2-對聚丙烯酰胺溶液黏度的影響

按照1.2的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn),不同質(zhì)量濃度S2-對聚丙烯酰胺溶液黏度的影響如圖6所示。

由圖6可知,聚丙烯酰胺溶液黏度隨著S2-質(zhì)量濃度的增加呈下降趨勢。S2-質(zhì)量濃度在2.0 mg/L的時候出現(xiàn)黏度下降過渡點(diǎn)。當(dāng)S2-質(zhì)量濃度由0 mg/L增加到2 mg/L時,聚丙烯酰胺溶液黏度由772.3 mPa·s下降到384.5 mPa·s,下降了約50%,因此可知,S2-會對聚丙烯酰胺溶液黏度產(chǎn)生較大的影響。

3 結(jié)論

配制水中的不同離子對聚合物溶液黏度影響程度不同。本實(shí)驗(yàn)條件下,Na+在質(zhì)量濃度為1 000 mg/L時黏度下降最大點(diǎn),當(dāng)Na+質(zhì)量濃度為1 000 mg/L時,體系中的Na+與聚丙烯酰胺反應(yīng)接近飽和狀態(tài),故Na+質(zhì)量濃度大于1 000 mg/L體系黏度下降逐漸趨于平穩(wěn);K+在質(zhì)量濃度為40 mg/L時黏度下降最大點(diǎn),當(dāng)K+質(zhì)量濃度達(dá)40 mg/L時,體系中的聚丙烯酰胺分子與K+反應(yīng)逐漸達(dá)飽和狀態(tài),故當(dāng)體系中K+質(zhì)量濃度高于40 mg/L,黏度下降趨于平緩;Ca2+在質(zhì)量濃度為60 mg/L時黏度下降最大點(diǎn),質(zhì)量濃度在低于60 mg/L時,體系中聚丙烯酰胺與Ca2+迅速結(jié)合,與Ca2+結(jié)合的聚丙烯酰胺分子失去吸附架橋的作用,從而導(dǎo)致體系黏度下降;Mg2+在質(zhì)量濃度為50 mg/L時黏度下降最大點(diǎn),Mg2+質(zhì)量濃度為50 mg/L時,其黏度為401.3 mPa·s,黏度損失率為51.0%;Fe2+在質(zhì)量濃度為0.5 mg/L聚合物溶液黏度開始快速下降;當(dāng)Fe3+質(zhì)量濃度介于2 mg/L和3 mg/L時對聚合物溶液黏度呈現(xiàn)正影響,而在取值之外呈現(xiàn)負(fù)影響;而S2-由0 mg/L增加到2 mg/L過程中,聚合物溶液的黏度急劇下降。因此油田選用聚合物溶液的配聚水時要保證選取的配制水中Na+、K+、Ca2+、Mg2+的質(zhì)量濃度要低于其所配聚合物黏度最大下降質(zhì)量濃度,Fe3+質(zhì)量濃度要介于2 mg/L和3 mg/L,并且保證配制水中沒有Fe2+和S2-存在。