污水回注耐溫抗鹽聚丙烯酰胺研發(fā)及應(yīng)用

呂曉華，劉 正， 楊力生，李二曉

河南正佳能源環(huán)保股份有限公司，河南新鄭 451100

聚合物驅(qū)油技術(shù)是提高原油采收率的重要措施。目前國(guó)內(nèi)油田開(kāi)發(fā)面臨“高含水、高溫、高礦化度”的三高油藏[1]。隨著環(huán)保壓力的不斷增加，90%以上的礦場(chǎng)采用清水配制聚合物母液，油田產(chǎn)出污水稀釋的注入方式，既能減少污水處理費(fèi)用，又能解決注采不平衡問(wèn)題。由于油田產(chǎn)出污水中含有Ca2+、Mg2+、Fe2+、HCO3-等陰陽(yáng)離子以及硫酸鹽還原菌(SRB)、腐生菌等雜質(zhì)，會(huì)造成聚合物不同程度的降解[2]。同時(shí)高溫油藏會(huì)引起聚丙烯酰胺熱分解、熱水解以及氧化降解。通過(guò)研發(fā)的新型油田污水回注耐溫抗鹽聚丙烯酰胺ZJ-WP，能夠解決油田污水配制聚合物黏度損失，成本上升，驅(qū)油效率降低的技術(shù)難題。

ZJ-WP是河南正佳能源環(huán)保股份有限公司研發(fā)生產(chǎn)的新型污水回注耐溫抗鹽聚丙烯酰胺。在工業(yè)化生產(chǎn)過(guò)程中，通過(guò)控制聚合單體比例、反應(yīng)過(guò)程及水解劑用量等，能夠生產(chǎn)水解度15%～30%，相對(duì)分子質(zhì)量(1800～3300)×104的系列產(chǎn)品，滿足不同油藏開(kāi)發(fā)需要。

1 ZJ-WP的合成方法

1.1 ZJ-WP的分子設(shè)計(jì)

由于庫(kù)侖力作用，賦予普通聚合物微嵌段結(jié)構(gòu)，每個(gè)嵌段中間電荷受環(huán)境影響小，相互保持著一定的庫(kù)侖排斥力，使聚合物保持相對(duì)較大的水動(dòng)力學(xué)半徑。從分子設(shè)計(jì)角度，改變普通HPAM單一分子結(jié)構(gòu)，引入耐溫抗鹽磺酸基團(tuán)，從而保持較高的分子質(zhì)量和溶液黏度。

通過(guò)分子間引入對(duì)鹽不敏感的磺酸基AMPS-AM基團(tuán)，減少二價(jià)離子對(duì)羧酸根影響，引入乙烯基吡咯烷酮(NVP )抗溫單體，提高耐溫抗鹽性能，進(jìn)一步提高了聚合物長(zhǎng)期穩(wěn)定性。其結(jié)構(gòu)式：

1.2 ZJ-WP共聚單體組成及質(zhì)量分?jǐn)?shù)

新型污水回注耐溫抗鹽聚合物ZJ-WP共聚單體由：丙烯酰胺(AM)、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)、乙烯基吡咯烷酮(NVP)組成。

聚合物合成過(guò)程中，共聚單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)直接影響聚合反應(yīng)的成敗。共聚單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)聚合反應(yīng)的影響見(jiàn)表1。

表1 單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和優(yōu)化

表1實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)單體總濃度控制在22%時(shí)，反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)速度和反應(yīng)溫度滿足聚合要求，ZJ-WP共聚單體優(yōu)化總濃度為22%。

1.3 ZJ-WP合成工藝條件

在反應(yīng)釜中依次加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)8.7%的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸AMPS，質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的丙烯酰胺AM，質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%的乙烯基吡咯烷酮NVP抗溫單體，用去離子水配制成單體總濃度為22%的水溶液，各種聚合單體物質(zhì)的量比為：n(AM)∶n(AMPS)∶n(NVP)=4.5∶0.18∶0.099。

在配置溶液中加入NaOH調(diào)節(jié)pH值至6.0，控制溶液溫度在0～6 ℃，再加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.15%的偶氮二異丁咪唑啉鹽酸鹽引發(fā)劑，同時(shí)通入氮?dú)?0 min，控制含氧量≤0.02 mg/L，密封反應(yīng)7 h；待反應(yīng)結(jié)束后密閉保溫2 h。將反應(yīng)膠體破碎成膠粒放入水解器內(nèi)，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)7%的NaOH水解劑，在55～65 ℃水解6 h，反應(yīng)結(jié)束后烘干、粉碎造粒制得污水回注耐溫抗鹽聚丙烯酰胺ZJ-WP。

2 ZJ-WP性能評(píng)價(jià)

2.1 ZJ-WP基本質(zhì)量性能

研發(fā)的ZJ-WP基本質(zhì)量性能依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12005—2004、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5862—2008、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/HNZJ001—2019進(jìn)行評(píng)價(jià)[3]。評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 聚合物ZJ-WP質(zhì)量性能評(píng)價(jià)

2.2 ZJ-WP與其他聚合物增黏性比較

為驗(yàn)證ZJ-WP在油田污水體系中的黏度優(yōu)勢(shì)，開(kāi)展ZJ-WP與油田在用聚合物黏度對(duì)比實(shí)驗(yàn)。分別針對(duì)河南油田某區(qū)塊TDS：10 884 mg/L，92.4 ℃；勝利油田某區(qū)塊TDS:19 334 mg/L，75 ℃；大慶油田某區(qū)塊TDS:6 000 mg/L，45 ℃；加拿大Husky某區(qū)塊TDS:49 260 mg/L，81 ℃采用自配模擬污水進(jìn)行黏度評(píng)價(jià)，結(jié)果見(jiàn)表3。相同濃度條件下，研發(fā)ZJ-WP比其他聚合物黏度提高27%以上。說(shuō)明ZJ-WP在模擬油田污水中具有好的增黏及耐溫性能。適合在油田礦化度≤50 000 mg/L，溫度≤90 ℃的油藏推廣應(yīng)用。

表3 不同聚合物黏度評(píng)價(jià)

2.3 ZJ-WP在油田產(chǎn)出污水中增黏性及驅(qū)油效率評(píng)價(jià)

試驗(yàn)用大慶油田聯(lián)合站產(chǎn)出污水開(kāi)展ZJ-WP與大慶在用聚合物P2500黏度及驅(qū)油效率對(duì)比。大慶油田污水平均礦化度為5 129 mg/L，污水中含有Ca2+、Mg2+、Fe2+、硫酸鹽還原菌、腐生菌、硫化氫等雜質(zhì)。

2.3.1 聚合物增黏性能評(píng)價(jià)

采用大慶聯(lián)合站污水分別配制不同濃度的ZJ-WP、P2500聚合物溶液。不同聚合物黏度評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 不同聚合物黏度評(píng)價(jià)

由表4可見(jiàn)，在污水體系中，ZJ-WP濃度1 100 mg/L黏度39.4 mPa·s與P2500濃度1 350 mg/L時(shí)39.5 mPa·s的黏度相當(dāng)。相同濃度條件下，ZJ-WP比P2500黏度高22%以上，說(shuō)明研發(fā)聚合物ZJ-WP在油田產(chǎn)出污水中具有好的增黏性能。

2.3.2 巖心驅(qū)油效率評(píng)價(jià)

試驗(yàn)溫度50 ℃，注入速度0.2 mL/min。巖心驅(qū)油天然巖心(尺寸：5 cm×5 cm×10 cm)，含油飽和度69.3%、69.5%。實(shí)驗(yàn)方法：水驅(qū)至含水98%以上，穩(wěn)定2 h；注入經(jīng)50 ℃老化60 d的聚合物溶液0.6 PV；轉(zhuǎn)后續(xù)水驅(qū)至含水98%以上，穩(wěn)定2 h結(jié)束實(shí)驗(yàn)。驅(qū)油效率評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表5。表明，ZJ-WP濃度1100 mg/L驅(qū)油效率13.6%，P2500濃度1350 mg/L驅(qū)油效率9.1%，ZJ-WP驅(qū)替濃度低于P2500聚合物250 mg/L，提高采收率值高出4.5個(gè)百分點(diǎn)，折合單位聚合物用量，相當(dāng)于節(jié)省聚合物用量45%。說(shuō)明ZJ-WP在油田污水體系中有較好的驅(qū)油效果。

表5 不同聚合物驅(qū)油效率評(píng)價(jià)

3 ZJ-WP聚合物礦場(chǎng)試驗(yàn)

聚合物ZJ-WP在油田滲透率454×10-3m2，油藏溫度49.9 ℃，孔隙度26.8%，地下原油黏度6.3 mPa·s，總礦化度8 217.5 mg/L(Ca2+、Mg2+含量分別為30 mg/L、20 mg/L)的目標(biāo)區(qū)塊開(kāi)展礦場(chǎng)試驗(yàn)。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案：采用清水配制5 000 mg/L的母液，油田產(chǎn)出污水稀釋的配注方式。前置段塞0.05 PV，注入濃度1 400 mg/L，注入速度0.16 PV/a；主體段塞0.7 PV，注入濃度1 300 mg/L，注入速度0.2 PV/a。圖1聚合物綜合含水與采出程度曲線表明，累計(jì)注入0.7 PV時(shí)，綜合含水下降，采出程度17.9%，提高采收率14.2個(gè)百分點(diǎn)，增油降水效果明顯。

圖1 綜合含水及采出程度曲線圖

4 結(jié)論

污水回注耐溫抗鹽聚丙烯酰胺ZJ-WP通過(guò)對(duì)普通聚合物單一分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行改性，降低聚合物對(duì)油田污水及溫度的敏感性，在油田產(chǎn)出污水中，能保持較高的溶液黏度及驅(qū)油效率。通過(guò)礦場(chǎng)試驗(yàn)表明，ZJ-WP增油降水效果明顯，能有效解決油田產(chǎn)出污水配制聚合物遇到的黏度損失、成本上升、驅(qū)油效率降低的技術(shù)難題，適合在油田礦化度≤50 000 mg/L、溫度≤90 ℃的油藏推廣應(yīng)用。