乳液聚合物溶解性能影響因素研究

張潤芳 ，吳曉燕 ，王成勝 ，羅春鵬 ，左清泉

（1.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452；2.海洋石油高效開發(fā)國家重點實驗室，天津 300452；3.中國石化銷售有限公司華中分公司，湖北武漢 420100）

目前我國在渤海油田進(jìn)行了聚合物驅(qū)的礦場實驗，已取得了較明顯的增油降水效果[1，2]。渤海油田多屬于河流沉積相，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，存在多種油氣藏類型，地質(zhì)斷層交錯、油水系統(tǒng)分布不規(guī)律，油藏埋深較淺，油層厚度大，大部分油藏具有高孔高滲、非均質(zhì)性強(qiáng)、儲層結(jié)構(gòu)疏松、易出砂等特點。經(jīng)過長期的水沖刷作用導(dǎo)致大孔道的形成，進(jìn)一步加劇油藏的非均質(zhì)性，同時由于水油流度比大導(dǎo)致油田含水上升速度快，導(dǎo)致油田的穩(wěn)油控水變得日益緊迫[3，4]。

由于海上油田平臺空間狹小，常規(guī)聚合物干粉的溶解速度慢，溶解時間需要40 min～60 min，因此必須配備攪拌溶解和熟化裝置，占據(jù)大量的平臺空間，常常影響平臺的其他作業(yè)[5，6]。乳液聚合物具有溶解速度快、注入工藝簡單的特點，只需增加一個儲料罐和一臺泵就可以實現(xiàn)配注，不需要改變原有注入流程實現(xiàn)海上平臺的在線注入[7，8]。調(diào)驅(qū)用乳液聚合物通常是油包水型乳液聚合物，破乳不充分往往會由于乳化作用導(dǎo)致注入壓力上升而影響乳液聚合物的注入。本文針對渤海油田BZ油田條件，通過室內(nèi)實驗考察了影響乳液聚合物溶解和增黏性能的影響因素，優(yōu)化出適合BZ油田的最佳溶解條件，為海上油田乳液聚合物調(diào)驅(qū)提供參考。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

實驗材料：乳液聚合物RP（相對分子質(zhì)量1 200×104，有效含量33%），北京希濤化工有限公司；鹽酸、氫氧化鈉，分析純；實驗用水為渤海BZ油田注入水，離子組成（見表1）。

實驗儀器：Brookfield DV-II數(shù)字黏度計（美國）；JJ-4B六聯(lián)攪拌器（蘇州威爾公司）；電子天平（北京梅特勒-托利多儀器公司）；一次性塑料注射器，1 mL、5 mL、10 mL。

1.2 實驗方法

1.2.1 直接配制目標(biāo)濃度溶液 選擇合適的一次性注射器（無針頭）充滿乳液聚合物產(chǎn)品，然后將乳液聚合物排至廢液缸中，用注射器再次充滿乳液聚合物，用紙巾擦拭注射器外壁，排出過多的聚合物產(chǎn)品到注射器中留有近似的需要量，稱重并記錄注射器加內(nèi)存物的總質(zhì)量。

迅速將乳液聚合物產(chǎn)品一次連續(xù)地注射到渦旋體的肩部，注意避免注射到器壁或螺旋槳葉片上；以設(shè)定的轉(zhuǎn)速攪拌聚合物溶液至一定的時間。重新稱量空的注射器，以總質(zhì)量減去注射器質(zhì)量來確定乳液聚合物產(chǎn)品的準(zhǔn)確質(zhì)量，并計算所配制溶液的準(zhǔn)確濃度。

1.2.2 母液稀釋配制目標(biāo)液 根據(jù)所需聚合物母液的量和濃度，計算出所需乳液產(chǎn)品和過濾后的現(xiàn)場注入水的用量，參考上述方法配制5 000 mg/L聚合物母液，然后再根據(jù)目標(biāo)液的濃度和量，用現(xiàn)場注入水稀釋成所需濃度的聚合物目標(biāo)液。

1.2.3 乳液聚合物表觀黏度測定 用Brookfield DVII數(shù)字黏度計在設(shè)定溫度下測定乳液聚合物目標(biāo)液的表觀黏度，轉(zhuǎn)速6 r/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 攪拌速度

采用BZ油田注入水（水溫50℃），分別在轉(zhuǎn)速為100 r/min、200 r/min、300 r/min、400 r/min、500 r/min 條件下，采用直接配制法配制2 000 mg/L的乳液聚合物溶液，攪拌60 min，在BZ油田油藏溫度下（75℃）測定各個目標(biāo)液的黏度以考察攪拌速度對乳液聚合物溶解的影響（見表2）。由表2可見，在100 r/min攪拌轉(zhuǎn)速下，溶液中存在膠團(tuán)，說明在低轉(zhuǎn)速下，乳液聚合物不能有效分散導(dǎo)致溶解不充分。在300 r/min～500 r/min攪拌轉(zhuǎn)速下的乳聚溶解比較均一，由此可知，溶解乳聚宜采用300 r/min的轉(zhuǎn)速較為合適。

表1 BZ油田水源井水質(zhì)分析（單位：mg/L）

表2 不同攪拌速度下乳聚RP的黏度值（75℃）

圖1 乳聚隨時間的推移黏度值的變化

2.2 攪拌時間

用BZ現(xiàn)場水將乳液聚合物配制成有效濃度為2 000 mg/L的溶液，50℃水浴加熱溶解，采用300 r/min的攪拌速度，控制不同的攪拌時間，測定各個目標(biāo)液的黏度，測黏溫度為75℃。由實驗結(jié)果看出（見圖1和表3），2 000 mg/L的乳液聚合物RP在15 min內(nèi)黏度迅速升高，到30 min時已經(jīng)完全溶解了。因此，為保證溶解充分，推薦攪拌至30 min即可。

2.3 溶解溫度

用BZ現(xiàn)場水將乳液聚合物RP在25℃和50℃下分別配制成濃度2 000 mg/L的溶液，溶解攪拌速度為300 r/min、攪拌時間為30 min，采用Brookfield DVII數(shù)字黏度計分別測定25℃和50℃下的RP溶液的表觀黏度（測試溫度為75℃）。測試結(jié)果表明（見表4），現(xiàn)場注入水溫度下（50℃）比25℃更有利于RP乳液的溶解分散，因此，不需要額外的加熱設(shè)備。

2.4 pH值對乳液聚合物溶解性的影響

用BZ油田注入水配制2 000 mg/L的RP聚合物溶液，用鹽酸和氫氧化鈉調(diào)節(jié)配聚水的pH值分別為3、5、7、10.5、13，配制乳聚的濃度相同的五組樣品。溶解過程中的攪拌速度為300 r/min，溶解溫度為25℃，攪拌時間定為30 min。溶解結(jié)束后采用Brookfield黏度計采用0號轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為6 r/min，75℃下測定乳液聚合物的表觀黏度。

表5 不同pH值下，相同濃度的乳聚的黏度值

圖2 不同pH配制溫度的水對配聚黏度的影響

實驗結(jié)果（見表5和圖2），由實驗結(jié)果可知，BZ注入水配制的RP乳聚的黏度值隨pH值的增大呈現(xiàn)遞增趨勢。pH值低的情況下注入水中金屬離子、易水解，金屬離子將聚丙烯酰胺分子鏈上的COO-電荷屏蔽，則聚丙烯酰胺分子鏈卷曲，降低聚丙烯酰胺分子鏈的流體力學(xué)體積，所以黏度值低。當(dāng)-OH離子多時易促進(jìn)酰胺基-COO-NH2水解成-COO-負(fù)離子，聚丙烯酰胺分子鏈上COO-離子的相互排斥，使聚丙烯酰胺分子鏈?zhǔn)嬲梗瑫r-OH和注入水中金屬離子發(fā)生水解反應(yīng)生成沉淀懸浮物，抑制了金屬離子對聚丙烯酰胺分子鏈的靜電屏蔽影響，所以聚丙烯酰胺分子鏈?zhǔn)嬲?，流體力學(xué)體積增大。則其黏度值比較大?，F(xiàn)場配注水的pH值偏弱堿性（8左右），雖然pH值的增大能加快RP的溶解，但是過高的堿性也會導(dǎo)致管線、設(shè)備結(jié)垢等問題，因此，無需另加堿。

2.5 不同配制方法對乳液溶解性的影響

圖3 不同配制方法對黏濃關(guān)系的影響

表6 用5 000 mg/L的母液稀釋至目標(biāo)濃度的黏度值（單位：mPa·s）

為了對比不同配制方法對乳液聚合物溶解性能的影響，實驗中分別采用直接配制目標(biāo)液法和先配制母液后稀釋法來配制系列濃度的RP目標(biāo)液，目標(biāo)液的濃度分別為：500 mg/L、1 000 mg/L、2 000 mg/L、3 000 mg/L、5 000 mg/L，攪拌速度為300 r/min，攪拌時間30 min，50℃水浴加熱溶解，在75℃測定目標(biāo)液的表觀黏度。實驗結(jié)果（見表6和圖3）。由圖3可知：在配制低于3 000 mg/L的目標(biāo)液時，采用母液稀釋法得到的乳液聚合物黏度值比直接配制的乳聚黏度值大。這說明，先配制成母液，有利于乳液聚合物的充分破乳溶解，才能釋放出最佳的黏度。而配制3 000 mg/L以上濃度時，母液稀釋法和直接配制法的黏度值基本差別不大。

2.6 不同加藥方式對乳聚黏度的影響

為了考察乳液聚合物加藥方式對目標(biāo)液的影響，分別采用兩種加藥方式，即一次性快速注入和緩慢滴加兩種方式。實驗條件為：溶解保溫溫度為：25℃、攪拌時間：30 min、配聚水為：自來水、攪拌轉(zhuǎn)速：300 r/min，目標(biāo)液濃度：2 000 mg/L。在攪拌過程中加入RP到配聚水中。實驗結(jié)果（見表7），從實驗現(xiàn)象看到，一次性將所需聚合物全部快速注入時發(fā)現(xiàn)聚合物溶解狀態(tài)很好，比逐滴加藥方式獲得更高的黏度，這可能是由于在高速攪拌條件下，快速加入促使W/O乳液液滴在極短時間內(nèi)迅速被旋轉(zhuǎn)的葉片剪切成更小的液滴，更有利于乳液液滴的快速分散，因此更能促進(jìn)其溶解；反之，逐滴加藥方式反而不利于W/O液滴的分散，得到的液滴粒徑偏大，因此不利于其溶解。

表7 用5 000 mg/L的母液稀釋至目標(biāo)濃度的黏度值

3 結(jié)論

通過室內(nèi)實驗，研究了乳液聚合物RP的溶解性能的影響因素，結(jié)果表明，乳液聚合物的溶解性能主要受到如下幾個方面的因素影響：攪拌速度、攪拌時間、溶解溫度、配聚用水的礦化度、pH值、配制方法和加藥方式等外在因素的影響；實驗優(yōu)化結(jié)果表明，乳液聚合物RP的快速溶解方法，即在5 000 r/min～7 000 r/min攪拌速度下，一次性快速注入RP，攪拌1 min后降低至300 r/min，再繼續(xù)攪拌30 min，即可實現(xiàn)乳液聚合物的快速溶解；同時對于配制低于3 000 mg/L的目標(biāo)液時，宜先配制成高濃度的母液，然后再稀釋成所需濃度的目標(biāo)液，而對于3 000 mg/L及以上濃度時可以直接配制。

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