化學(xué)發(fā)光定氮法測(cè)定采出液中聚合物質(zhì)量濃度的方法探討

豆亞娟，朱趁安，李 鵬

西安長(zhǎng)慶化工集團(tuán)研究所 （陜西 西安 710018）

化學(xué)發(fā)光定氮法測(cè)定采出液中聚合物質(zhì)量濃度的方法探討

豆亞娟，朱趁安，李 鵬

西安長(zhǎng)慶化工集團(tuán)研究所 （陜西 西安 710018）

對(duì)目前油田檢測(cè)聚合物質(zhì)量濃度使用的檢測(cè)方法進(jìn)行了研究，分析了操作方法存在的問題。根據(jù)聚合物中含氮元素的特性，采用化學(xué)發(fā)光定氮法對(duì)經(jīng)過預(yù)處理的聚合物水溶液進(jìn)行測(cè)定，建立了發(fā)光定氮法測(cè)定采出液中聚合物質(zhì)量濃度的新方法。使用該方法在不同的礦化度條件下，聚合物質(zhì)量濃度檢測(cè)相對(duì)誤差小于7%；不同質(zhì)量濃度不含氮元素的表面活性劑條件下，相對(duì)誤差小于6%；不同堿度條件下，相對(duì)誤差小于6%；模擬采出液中平均相對(duì)誤差小于6%。

化學(xué)發(fā)光定氮法；采出液；聚合物質(zhì)量濃度

采出液中聚合物質(zhì)量濃度的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，對(duì)了解聚合物溶液流動(dòng)、降解情況及評(píng)估復(fù)合驅(qū)油效率具有重要作用。同時(shí)聚合物的加入大幅提高了污水的黏度、乳化程度與穩(wěn)定性，增大了污水處理的難度，因此聚合物質(zhì)量濃度也是采出液污水受控指標(biāo)之一。

目前聚丙烯酰胺質(zhì)量濃度測(cè)定方法主要有淀粉-碘化鎘比色法、濁度法、凝膠色譜法、超濾濃縮薄膜干燥法、化學(xué)發(fā)光定氮法、氨電極法等。其中后3種方法為最新發(fā)展的方法[1-2]，前3種為油田常用的方法，且淀粉-碘化鎘法、濁度法、凝膠色譜等檢測(cè)方法受表面活性劑、堿及水質(zhì)的干擾嚴(yán)重,導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果誤差偏高,甚至達(dá)到30%以上,另外實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的毒性對(duì)實(shí)驗(yàn)人員和環(huán)境造成危害,使其應(yīng)用受到嚴(yán)重限制[3-5]。因此，根據(jù)聚丙烯酰胺中含氮元素的特性,在聚丙烯酰胺質(zhì)量濃度檢測(cè)中使用化學(xué)發(fā)光定氮法進(jìn)行測(cè)定。其中大慶油田設(shè)計(jì)院宋守國(guó)等對(duì)化學(xué)發(fā)光定氮法測(cè)定聚丙烯酰胺質(zhì)量濃度的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行了分析[6]。

本文主要對(duì)化學(xué)發(fā)光定氮法檢測(cè)采出液的方法進(jìn)行研究，考慮到采出液本身的特點(diǎn)，并對(duì)此方法進(jìn)行細(xì)化，提出了采出液預(yù)處理兩步法：一步溶劑預(yù)處理，二步超聲預(yù)處理，并確定了預(yù)處理溶劑的配比及預(yù)處理超聲時(shí)間。對(duì)不同干擾因素下的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，該方法相對(duì)誤差小于10%，較常規(guī)的檢測(cè)方法有很高的準(zhǔn)確性和抗干擾性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

在1 050℃下，樣品中的氮化物在富氧條件下轉(zhuǎn)化為 NO，NO與 O3接觸后轉(zhuǎn)變成激發(fā)態(tài)的 NO2，激發(fā)態(tài)的 NO2回到基態(tài)時(shí)釋放出特定波長(zhǎng)的光被光電倍增管接收，其發(fā)光強(qiáng)度(氮積分值)與氮元素質(zhì)量濃度成正比。

聚丙烯酰胺（HPAM）質(zhì)量濃度與其氮質(zhì)量濃度成正比，因此 HPAM質(zhì)量濃度與發(fā)光強(qiáng)度(氮積分值)成正比，二者呈線性關(guān)系。

1.2 計(jì)算方法

使用化學(xué)發(fā)光定氮法檢測(cè)采出液時(shí)，測(cè)得的是含氮量，需要通過計(jì)算才能轉(zhuǎn)化為聚合物質(zhì)量濃度。HPAM水解后,一部分—CONH2基轉(zhuǎn)變?yōu)椤狢OONa基，這部分鏈節(jié)無法用定氮法測(cè)定。因此需要計(jì)算得到HPAM質(zhì)量濃度[7]。計(jì)算公式為：

式中：WHPAM為 HPAM 質(zhì)量濃度，mg/L；WN為氮元素質(zhì)量濃度，mg/L；HD為水解度，%。

1.3 實(shí)驗(yàn)儀器與試劑

RPP-2000N化學(xué)發(fā)光定氮儀；超聲振蕩器；微量注射器20 μL；HPAM干粉(分子量1 200萬，水解度20%)；十二烷基苯磺酸鈉；氯化鈉；氯化鈣；六水合氯化鎂等。

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

由于采出液中聚合物質(zhì)量濃度較低，且95%以上均是水，直接注入采出液進(jìn)行檢測(cè)，不僅會(huì)造成發(fā)光定氮儀石英管與模式干燥器的損壞，且含水較高，會(huì)導(dǎo)致樣品在1 050℃轉(zhuǎn)化時(shí)，出峰效果變差，干擾較大，造成檢測(cè)數(shù)據(jù)的偏差。同時(shí)為了滿足檢測(cè)時(shí)注入液體流動(dòng)性好，易注入、易燃燒的要求，需要對(duì)采出液進(jìn)行預(yù)處理。預(yù)處理分為兩步，溶劑分散溶解；超聲振蕩處理。

1.4.1 溶劑分散溶解

采用多元醇A與低分子醇B的混合液作為溶劑。首先將定量樣品溶解于多元醇A中，其次加入低分子醇B，由于在多元醇A中聚合物可以充分溶解，并改變了原有聚合物的極性，這樣在加入低分子醇B后樣品不析出，分散均勻。低分子醇易燃，與多元醇混合后，有助于均勻分散并充分燃燒。

1.4.2 超聲處理

將配置好的溶液進(jìn)行超聲處理。為了準(zhǔn)確標(biāo)定氮質(zhì)量濃度從而換算出HPAM的質(zhì)量濃度，需要降黏或降低相對(duì)分子質(zhì)量，采用超聲波對(duì)溶液進(jìn)行預(yù)處理。由于超聲波的機(jī)械效應(yīng)，使得聚合物大分子發(fā)生強(qiáng)制運(yùn)動(dòng)，分子鏈被撕裂，最終導(dǎo)致含氮基團(tuán)充分顯露。同時(shí)由于超聲波的空化效應(yīng)，也可導(dǎo)致大分子鏈斷裂，加強(qiáng)降解和強(qiáng)制分散的作用，從而達(dá)到均勻分散的目的，提高聚合物檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 聚合物預(yù)處理?xiàng)l件確定

2.1.1 溶劑配比的確定

將試樣按照不同配比的多元醇A與低分子醇B進(jìn)行溶解分散，并檢測(cè)聚合物質(zhì)量濃度（表1）。

由表1可以看出，隨著多元醇A加量的增加，低分子醇的減少，樣品檢測(cè)質(zhì)量濃度的相對(duì)誤差先變小后變大。當(dāng)多元醇A體積＜15 mL時(shí)，聚合物在溶劑中溶解分散性較差，造成局部質(zhì)量濃度偏大或偏小的情況，當(dāng)多元醇A體積＞15 mL后，溶液分散均勻，檢測(cè)結(jié)果的相對(duì)誤差縮小至5%以下。當(dāng)多元醇A體積繼續(xù)增大，低分子醇B體積＜75mL后，雖然溶液分散均勻，但是由于燃燒不夠充分，造成相對(duì)誤差又增大，達(dá)到6%～11%。因此將多元醇A區(qū)間確定為15～20 mL,低分子醇B區(qū)間確定為≥75 mL。

表1 不同溶劑配比下測(cè)定聚合物質(zhì)量濃度

2.1.2 超聲時(shí)間的確定

將配置好的聚合物溶液，在超聲震蕩器中放置不同的時(shí)間，并測(cè)定聚合物質(zhì)量濃度（表2）。

由表2可以看出，隨著超聲振蕩時(shí)間的增加，聚合物檢測(cè)的相對(duì)誤差不斷減小，當(dāng)超聲振蕩的時(shí)間≥20 min，相對(duì)誤差降低到5%以下。超聲波作用于液體時(shí)可產(chǎn)生大量小氣泡。一個(gè)原因是液體內(nèi)局部出現(xiàn)拉應(yīng)力而形成負(fù)壓，壓強(qiáng)的降低使原來溶于液體的氣體過飽和，從而液體逸出，成為小氣泡。另一原因是強(qiáng)大的拉應(yīng)力把液體“撕開”成一空洞，稱為空化。空洞內(nèi)為液體蒸氣或溶于液體的另一種氣體，甚至可能是真空。因空化作用形成的小氣泡會(huì)隨周圍介質(zhì)的振動(dòng)而不斷運(yùn)動(dòng)、長(zhǎng)大或突然破滅。破滅時(shí)周圍液體突然沖入氣泡而產(chǎn)生高溫、高壓，同時(shí)產(chǎn)生激波。由于聚合物高分子在溶劑中伸長(zhǎng)流體力學(xué)體積增大，整個(gè)分子的運(yùn)動(dòng)來不及響應(yīng)質(zhì)點(diǎn)或鏈段的運(yùn)動(dòng)，因此機(jī)械效應(yīng)的加強(qiáng)會(huì)對(duì)聚合物產(chǎn)生巨大的撕裂力，致使分子鏈等結(jié)構(gòu)發(fā)生解聚集、隨機(jī)斷裂降解等現(xiàn)象；而空化效應(yīng)產(chǎn)生的局部高溫、超強(qiáng)沖擊波、射流又會(huì)增強(qiáng)這種撕裂作用，最終導(dǎo)致聚合物完全降解為小分子片段，含氮基團(tuán)能夠充分暴露，使得檢測(cè)結(jié)果更準(zhǔn)確。因此將超聲時(shí)間確定為20 min。

表2 不同超聲時(shí)間下測(cè)定聚合物質(zhì)量濃度

2.2 不同礦化度下聚合物質(zhì)量濃度的測(cè)定

在進(jìn)行采出液中聚合物質(zhì)量濃度的檢測(cè)時(shí)，先對(duì)采出液進(jìn)行過濾分離，但是其中仍然存在不能有效去除的堿、礦物質(zhì)及表面活性劑。因此需要考察水質(zhì)、表面活性劑等對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。

使用 NaCl、CaCl2、MgCl2·6H2O 配制模擬不同礦化度鹽水溶解聚合物，并預(yù)處理后，進(jìn)行檢測(cè)。

由表3可以看出，當(dāng)?shù)V化度在3 222~19 334 mg/L之間時(shí)，隨著礦化度的變化，檢測(cè)最大誤差在3%～7%之間，礦化度對(duì)聚合物檢測(cè)結(jié)果影響不大，最大相對(duì)誤差在7%。

表3 不同礦化度下測(cè)定聚合物質(zhì)量濃度

2.3 不同量表面活性劑下聚合物質(zhì)量濃度的測(cè)定

模擬二元驅(qū)聚表二元驅(qū)的特點(diǎn)，將不同量的十二烷基磺酸鈉加入聚合物水溶液中，預(yù)處理后，進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)數(shù)據(jù)如表4所示。

由表4可以看出，隨著十二烷基磺酸鈉加量的增加，聚合物質(zhì)量濃度檢測(cè)的最大誤差維持在3%～6%，表面活性劑對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響不大，最大相對(duì)誤差為6%。

表4 不同十二烷基磺酸鈉加量下測(cè)定聚合物質(zhì)量濃度

2.4 不同堿度下聚合物質(zhì)量濃度的測(cè)定

對(duì)配制的含有不同堿度（NaOH）的聚合物樣品預(yù)處理后進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)數(shù)據(jù)如表5所示。

由表5可以看出，堿度對(duì)聚合物質(zhì)量濃度的測(cè)量影響不大，最大相對(duì)誤差值為6%。

2.5 模擬采出液聚合物質(zhì)量濃度的測(cè)定

將采出液經(jīng)過油水分離過濾后的水樣，配制成含有聚合物的模擬采出液，預(yù)處理后并進(jìn)行檢測(cè)（表6）。其中水樣總礦化度15 198 mg/L，總堿度1 763 mg/L，總硬度 1 757 mg/L。

表5 不同堿度下測(cè)定聚合物質(zhì)量濃度

表6 模擬采出液中聚合物質(zhì)量濃度測(cè)定

由表6可以看出，在模擬采出液中檢測(cè)聚合物質(zhì)量濃度，數(shù)據(jù)有較高的重現(xiàn)性，平均相對(duì)誤差小于6%。

3 結(jié)論

確定了使用化學(xué)發(fā)光定氮法測(cè)定采出液中聚合物質(zhì)量濃度的預(yù)處理步驟。首先將聚合物樣品在多元醇A與低分子醇B中均勻溶解分散，其中每5 mL樣品需要使用多元醇A體積15～20 mL，低分子醇B體積≥75 mL；其次將混合溶液進(jìn)行超聲處理，超聲時(shí)間確定為≥20 min。

使用該方法在不同的礦化度條件下，聚合物質(zhì)量濃度檢測(cè)相對(duì)誤差小于7%；不同質(zhì)量濃度不含氮元素的表面活性劑條件下，相對(duì)誤差小于6%；不同堿度條件下，相對(duì)誤差小于6%；對(duì)配制的模擬采出液進(jìn)行測(cè)量，平均相對(duì)誤差小于6%。該方法操作方便，重現(xiàn)性好，準(zhǔn)確度高，礦化度、堿度、表面活性劑對(duì)聚合物質(zhì)量濃度檢測(cè)幾乎無影響，抗干擾性好。

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The methods used in oilfields for detecting the mass concentration of polymer are studied,and the problems existing in the methods are analyzed.According to the feature of containing nitrogen in polymers,the polymer mass concentration of the pretreated polymer aqueous solution was determined by chemiluminescence nitrogen determination,and a new method for the determination of the polymer concentration in produced liquid by chemiluminescence nitrogen determination was established.the relative error of the polymer concentration determined using the method is less than 7%under different salinity conditions;it is less than 6%under different concentration of surfactant without nitrogen element;it is less than 6%under different alkalinity;the average relative error is less than 6%in simulated produced liquid.

chemiluminescence nitrogen determination；produced liquid;mass concentration of polymer

豆亞娟（1981-），女，工程師，主要從事鉆固井及提高采收率相關(guān)化學(xué)品的研發(fā)與檢測(cè)評(píng)價(jià)。

左學(xué)敏

2017-04-19