配聚污水對(duì)聚合物溶液粘度影響及對(duì)策

張鐵剛

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配聚污水對(duì)聚合物溶液粘度影響及對(duì)策

張鐵剛

（大慶油田有限責(zé)任公司 第三采油廠，黑龍江 大慶 163113）

為了更好的揭示配聚污水對(duì)聚合物溶液粘度的影響規(guī)律，利用布氏粘度儀對(duì)不同污水配制聚合物溶液粘度進(jìn)行測(cè)定。研究結(jié)果表明：聚合物溶液粘度隨著金屬陽(yáng)離子濃度的增加而迅速下降后下降平緩。特別是Mg2+、Ca2+濃度對(duì)聚合物溶液粘度具有較大影響，較小濃度的提升就能引起HPAM溶液粘度的大幅度下降。選擇Na2C2O4作為提高HPAM溶液粘度的絡(luò)合劑，質(zhì)量濃度為1 500 mg/L的HPAM溶液增粘率達(dá)到增粘率達(dá)到33.2%。

聚合物；污水；粘度；增粘劑

聚合物溶液提高因其良好的增粘性而被廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)的各大油田。聚合物溶液的提高原油采收率機(jī)理主要是通過(guò)改善油水流度比以及擴(kuò)大波及體積[1-3]。因此，聚合物溶液粘度的高低直接關(guān)系到驅(qū)油效果的好壞，聚合物溶液粘度越高原油的采收率提高幅度就越大[4,5]。目前，大慶油田主要采用部分水解聚丙烯酰胺（簡(jiǎn)稱HPAM）作為聚合物驅(qū)的高分子用劑。HPAM溶液具有較好的增粘效果，但其耐溫抗鹽性能差。在油田現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中通常采用污水作為配制聚合物溶液的用水，而油田污水中無(wú)機(jī)鹽的成分是非常復(fù)雜的，總礦化度及離子組成對(duì)聚合物溶液粘度存在著較為嚴(yán)重的影響[6,7]。為了考察配聚污水對(duì)聚合物溶液粘度的影響[8-10]，并找到污水配聚提高HPAM溶液粘度粘度的方法，筆者進(jìn)行了不同污水對(duì)聚合物溶液粘度的測(cè)定實(shí)驗(yàn)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

聚合物：部分水解聚丙烯酰胺（HPAM），相對(duì)分子質(zhì)量為2 500×104，固含量均為90%；

實(shí)驗(yàn)用水：①大慶油田現(xiàn)場(chǎng)污水；②大慶油田模擬污水，礦化度及離子組成見(jiàn)正文；

無(wú)機(jī)鹽：氯化鈉、氯化鉀、氯化鎂、無(wú)水氯化鈣等均產(chǎn)自陽(yáng)市東興試劑廠，分析純，含量均≥96.0%。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

BROOKFIELD粘度計(jì)(DVII+型)、電子分析天平、JJ-1型六聯(lián)電動(dòng)機(jī)械攪拌器、恒溫振蕩水浴、500 mL燒杯。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

依國(guó)標(biāo)SY/T6576-2003，向向量程為500 mL燒杯中添加200 mL的模擬污水，用精密天平稱量質(zhì)量濃度為5 000 mg/L聚合物溶液所需的聚合物干粉。在較高速度的機(jī)械攪拌器下，將聚合物干粉緩慢的添加至模擬污水中，待聚合物干粉完全添加入模擬污水30 s后將轉(zhuǎn)速調(diào)低至100 r/min，繼續(xù)攪拌3 h。將配制完成的質(zhì)量濃度為5 000 mg/L的聚合物溶液作為母液，密封后經(jīng)過(guò)充分的熟化后可稀釋成任意濃度的目的溶液。聚合物溶液放置在45 ℃恒溫箱，熟化12 h后將溶液倒至BROOKFIELD粘度計(jì)轉(zhuǎn)筒內(nèi)，在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為6 r/min下測(cè)定目的溶液的粘度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 一價(jià)離子濃度對(duì)聚合物溶液粘度的影響

為了排除污水中其他離子及條件對(duì)聚合物溶液的影響，本文先采用蒸餾水配制聚合物母液。再分別通過(guò)添加含有不同濃度的Nacl及Kcl的鹽溶液將聚合物溶液稀釋至目的溶液。待測(cè)樣品中Na+和K+的質(zhì)量濃度分別為0、500、1 000、1 500、2 000、2 500、3 000、3 500、4 000、4 500、5 000、5 500、6 000 mg/L。聚合物溶液的質(zhì)量濃度均為1 500 mg/L，實(shí)驗(yàn)溫度為45 ℃。不同一價(jià)離子濃度下聚合物溶液粘度的測(cè)定結(jié)果如圖1所示。

圖1 Na+、K+濃度對(duì)聚合物溶液粘度的影響

Fig.1 Effect of Na+and K+concentration on viscosity of polymer solution

Na+和K+的質(zhì)量濃度對(duì)聚合物溶液粘度的影響結(jié)果表明：隨著Na+和K+濃度的增加，聚合物溶液的粘度是下降的。特別是當(dāng)配制污水中Na+和K+的含量由0 mg/L提高至1 000 mg/L時(shí)聚合物溶液粘度大幅度下降。以含Na+溶液為例，當(dāng)配聚水中不含有離子組分溶液粘度為210.6 mPa·s，當(dāng)提高一價(jià)離子濃度至1 000 mg/L時(shí)溶液粘度下降至74 mPa·s，之后進(jìn)一步提高一價(jià)離子濃度聚合物溶液粘度下降幅度變緩。但是于低濃度的Na+溶液相比，一價(jià)離子濃度為8 000 mg/L的聚合物溶液粘度只有33.5 mPa·s，聚合物溶液的驅(qū)油效果將受到較大的影響。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的主要原因是聚合物分子上-COO–所帶的負(fù)電隨著Na+、K+濃度的增加而減弱，聚合物分子內(nèi)和分子間的靜電引力減弱，分子間的摩擦力減小，分子變得卷曲，所以粘度下降。Na+、K+對(duì)聚合物溶液粘度的影響大是因?yàn)樵趲в邢嗤姾傻那闆r下Na+半徑小，比K+更容易接近聚合物分子鏈，中和負(fù)電荷能力更強(qiáng)，對(duì)粘度影響更大。

2.2 二價(jià)離子濃度對(duì)聚合物溶液粘度的影響

采用與上文相同的方法配制聚合物溶液，待測(cè)樣品中Ca2+和Mg2+的質(zhì)量濃度分別為0、25、50、75、100、200、300、400 mg/L。聚合物溶液的質(zhì)量濃度均為1 500 mg/L，實(shí)驗(yàn)溫度為45 ℃。不同二價(jià)離子濃度下聚合物溶液粘度的測(cè)定結(jié)果如圖2所示。

圖2 Ca2+、Mg2+濃度對(duì)聚合物溶液粘度的影響

與一價(jià)離子對(duì)聚合物溶液粘度的影響規(guī)律相似，隨著Ca2+和Mg2+的質(zhì)量濃度增加聚合物溶液也呈現(xiàn)出先迅速降低后平緩降低的趨勢(shì)。與一價(jià)離子不同的是Ca2+和Mg2+在較小的質(zhì)量濃度變化下就對(duì)聚合物溶液的粘度產(chǎn)生較大的影響。當(dāng)溶液中Ca2+濃度由0 mg/L增加至75 mg/L，溶液粘度由210.6 mPa·s下降至39.9 mPa·s。這主要是由于Ca2+和Mg2+帶電荷數(shù)比Na+和K+大，屏蔽聚合物分子上－COO-所帶負(fù)電荷的能力更強(qiáng)，使聚合物分子內(nèi)縮聚，分子鏈?zhǔn)湛s，發(fā)生去水化作用，所以粘度下降程度更大。

2.3 不同離子組成的油田污水對(duì)聚合物溶液粘度影響

上文通過(guò)單一組分的模擬污水配制聚合物溶液，分別研究了Na+、K+、Ca2+和Mg2+對(duì)溶液粘度的影響規(guī)律。而油田污水中無(wú)機(jī)鹽的成分是非常復(fù)雜的，為了直觀認(rèn)識(shí)油田污水對(duì)聚合物溶液粘度的影響，本文采用幾種油田污水配制聚合物溶液并進(jìn)行粘度實(shí)驗(yàn)。污水的離子組成如表1，并將三種污水配制的質(zhì)量濃度為1 500 mg/L的聚合物溶液粘度繪制如圖3所示。

表1 污水的離子組成

圖3 不同污水配制聚合物溶液粘度

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：采用不同礦化度及離子組成的污水配制聚合物溶液粘度差異較大。隨著溶液中礦化度的增加HPAM溶液的粘度大幅度的降低。對(duì)于礦化度為388.5 mg/L的污水配制濃度為1 500 mg/L的聚合物溶液粘度為88.3 mPa·s；當(dāng)污水中礦化度達(dá)到5 176.6 mg/L，相同質(zhì)量濃度的聚合物溶液粘度為53.5 mPa·s。HPAM表現(xiàn)出了較差的耐鹽性能，這主要是聚合物分子鏈上的COO?呈負(fù)電性，溶液中的陽(yáng)離子在異性相吸的作用下會(huì)向帶負(fù)電的聚合物基團(tuán)附近運(yùn)移，使得吸附層的陽(yáng)離子數(shù)增加，相應(yīng)的擴(kuò)散層陽(yáng)離子數(shù)量就會(huì)減少。聚合物分子間的靜電斥力不斷的減弱，聚合物分子由舒展?fàn)顟B(tài)逐漸恢復(fù)卷曲形態(tài)。分子鏈卷曲的同時(shí)會(huì)排擠掉陽(yáng)離子周圍的水分子，這時(shí)聚合物分子在卷曲狀態(tài)下所占的體積最小，分子間的接觸面積降低，分子間的內(nèi)摩擦力降至最低，溶液的粘度值降低至最低值。

2.4 增粘對(duì)策

上文研究結(jié)果表明污水中陽(yáng)離子是影響聚合物粘度的主要因素，因此本文采用添加Na2C2O4作為金屬絡(luò)合劑的方式作為提高聚合物溶液粘度的方法。在相同的污水條件及相同的聚合物質(zhì)量濃度下，對(duì)比無(wú)絡(luò)合劑以及添加210 mg/L 的Na2C2O4作為金屬絡(luò)合劑的聚合物溶液粘度，結(jié)果如圖4所示。

由圖4的粘度結(jié)果可看出，Na2C2O4作為金屬絡(luò)合劑可以有效的降低Na+、K+、Ca2+和Mg2+對(duì)溶液粘度的影響。添加210 mg/L的Na2C2O4后，質(zhì)量濃度為1 500 mg/L的HPAM溶液粘度由53.9 mPa·s增加至71.8 mPa·s，增粘率達(dá)到33.2%。

圖4 聚合物溶液的增粘效果

3 結(jié)論

（1）配聚污水中金屬陽(yáng)離子的濃度對(duì)聚合物溶液粘度影響較大，隨著金屬陽(yáng)離子濃度的增加粘度降低。特別是Ca2+和Mg2+，在較小的質(zhì)量濃度變化下就對(duì)聚合物溶液的粘度產(chǎn)生較大的影響。

（2）Na2C2O4作為金屬絡(luò)合劑可以有效的提高污水配制聚合物溶液粘度。添加210 mg/L的Na2C2O4后，質(zhì)量濃度為1 500 mg/L的HPAM溶液增粘率達(dá)到增粘率達(dá)到33.2%。

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Influence of Sewage on Polymer Solution Viscosity and Countermeasures

（No.3 Oil production Plant, Daqing Oilfield Co, Ltd., Heilongjiang Daqing 163113, China）

In order to better reveal the influence of sewage on the viscosity of polymer solution, the viscosities of polymer solutions prepared by using different sewage were determined by using Brookfield viscometer. The results show that the viscosity of polymer solution decreases rapidly with the increase of the concentration of metal cations. Especially, the concentration of Mg2+and Ca2+has a great influence on the viscosity of polymer solution, and small increase of the concentration of Mg2+and Ca2+can lead to big decrease of the viscosity of HPAM solution. NaC2O4can be used as the complexing agent to improve the viscosity of HPAM solution, and the viscosity increasing rate of HPAM solution with the concentration of 1 500 mg/L can reach to 33.2%.

Polymer;Sewage;Viscosity;Tackifier

TQ 325

A

1671-0460（2017）08-1582-03

2017-05-07

張鐵剛(1990－)，男，內(nèi)蒙古赤峰人。E-mail：215501610@qq.com。