聚合物溶液黏度影響因素分析及控制對(duì)策

董林林

(中油遼河工程有限公司)

0 引 言

油藏進(jìn)入高含水期后，殘余油高度分散且難以波及，儲(chǔ)量動(dòng)用程度十分有限。以聚合物驅(qū)油技術(shù)為主導(dǎo)的三次采油技術(shù)是現(xiàn)有技術(shù)條件下最重要的提高石油采收率技術(shù)[1]，已在國(guó)內(nèi)各大油田實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化應(yīng)用，取得了較為理想的增產(chǎn)效果。聚合物驅(qū)油的機(jī)理是通過在注入水中加入高分子量的聚合物，并配以表面活性劑或堿，以改變驅(qū)替流體的物化性質(zhì)及驅(qū)替流體與原油和巖石礦物之間的界面性質(zhì)，從而有利于原油采收[2-3]。黏度是聚合物溶液從地面配注到地下驅(qū)替全過程中最主要的考核指標(biāo)，黏度降低將影響聚合物溶液的波及效果，增加聚合物投加量，降低聚合物驅(qū)油的經(jīng)濟(jì)效益。根據(jù)測(cè)算，二元驅(qū)地面工藝每增加1%的黏度損失率，開采1 t原油將增加5.37元的聚合物成本[4]。從水量平衡角度考量，如果將化學(xué)驅(qū)污水處理后用作母液摻水水源，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)污水的循環(huán)利用，不產(chǎn)生剩余污水，避免因污水外排或無效回注對(duì)水環(huán)境的污染。因此，對(duì)影響聚合物溶液黏度的因素進(jìn)行分析并提出有效控制對(duì)策，對(duì)實(shí)現(xiàn)聚合物驅(qū)油的降本增效以及對(duì)水環(huán)境的保護(hù)具有重要意義。

1 聚合物類型及溶解過程

聚丙烯酰胺是線型水溶性高分子聚合物，根據(jù)其分子鏈上的官能團(tuán)在水溶液中的離解性質(zhì)，可分為陽離子型(CPAM)、陰離子型(HPAM)、兩性離子型和非離子型(NPAM)[5]。目前廣泛應(yīng)用于油層驅(qū)替液增黏的是陰離子型聚丙烯酰胺，又叫部分水解聚丙烯酰胺。聚合物溶解過程可分為兩個(gè)階段，首先是分子量小、擴(kuò)散速度快的溶劑分子向聚合物中滲透，使聚合物體積膨脹；其次是聚合物分子向溶劑中擴(kuò)散，進(jìn)而形成完全溶解的聚合物分散體系，整個(gè)過程持續(xù)2～3 h。聚合物溶解完成的判斷標(biāo)準(zhǔn)是溶液黏度不再發(fā)生變化。

2 聚合物溶液黏度影響因素

2.1 聚合物溶液性質(zhì)

在目的油藏確定的前提下，聚合物的分子量與濃度直接決定體系的黏度，也決定了其與目標(biāo)儲(chǔ)層物性的適應(yīng)性[6]。有研究針對(duì)不同儲(chǔ)層滲透率分別采用不同分子量的聚合物進(jìn)行驅(qū)油試驗(yàn)，得出了采收率的變化趨勢(shì)，但沒有明確儲(chǔ)層滲透率與聚合物分子量的對(duì)應(yīng)關(guān)系[7-9]。

2.1.1 聚合物分子量

在聚合物濃度相同的條件下，聚合物分子量越大，溶液黏度越大，驅(qū)油效果越好。但分子量越大，受物理剪切的影響越大，黏彈性恢復(fù)能力也越差，且分子量過大會(huì)給注入帶來困難。因此，在設(shè)計(jì)聚合物分子量時(shí)應(yīng)結(jié)合區(qū)塊的具體情況進(jìn)行合理設(shè)計(jì)[10-11]。由于聚合物溶液黏度除了與聚合物分子量有關(guān)，還與聚合物濃度、儲(chǔ)層配伍性等因素有關(guān)，因此，無法確定普遍適用的聚合物分子量范圍。

2.1.2 聚合物濃度

溶液黏度隨聚合物濃度的增加而增加，兩者近似呈對(duì)數(shù)關(guān)系。在溶液黏度相同的條件下，聚合物濃度和聚合物分子量呈負(fù)相關(guān)性，即聚合物分子量越大，聚合物濃度越低，反之亦然。聚合物注入濃度是根據(jù)油層滲透率曲線及最佳油水流度比所需要的地下黏度值通過室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)得出的[6]。

2.1.3 聚合物水解度

溶液黏度與聚合物水解度呈正相關(guān)性，但隨著聚合物水解度的增加，受分子鏈上官能團(tuán)的分布及溶液中金屬陽離子的影響，聚合物之間形成的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)遭到破壞，溶液黏度開始下降。當(dāng)水解度大于30%時(shí)，溶液的熱穩(wěn)定性變差，耐鹽性也下降[12]。

2.2 配制水源水質(zhì)

不同的配制水源對(duì)聚合物溶液黏度的影響很大，分別用遼河油田歡三聯(lián)站內(nèi)軟化清水及軟化污水(水驅(qū)凈化污水)配制聚合物母液，分別摻水驅(qū)(凈化)污水及二元驅(qū)(凈化)污水配制目的液，不同配制水源水質(zhì)指標(biāo)見表1，母液與摻水的比例是1∶1，再加入不同濃度的表面活性劑，測(cè)定目的液黏度，結(jié)果見表2。聚合物采用陰離子型聚丙烯酰胺，分子量3 000萬，有效物含量88%；表面活性劑采用十二烷基苯磺酸鈉，有效物含量50%。主要水質(zhì)指標(biāo)依據(jù)SY/T 5329—2012《碎屑巖油藏注水水質(zhì)指標(biāo)及分析方法》確定，其他指標(biāo)由地質(zhì)部門根據(jù)污水與儲(chǔ)層的配伍性試驗(yàn)確定。

表1 不同配制水源水質(zhì)指標(biāo)

由表2可知，“軟化清水+水驅(qū)污水”配制的目的液黏度最大；“軟化污水+二元驅(qū)污水”配制的目的液黏度最小；在目的液中增加表面活性劑，對(duì)目的液的黏度基本無影響。由于二元驅(qū)污水處理達(dá)標(biāo)外排或進(jìn)一步軟化處理回用尚無成熟可靠的技術(shù)，因此，實(shí)際工程中通常采用化學(xué)驅(qū)污水作為聚合物溶液的摻水水源實(shí)現(xiàn)注采平衡，避免環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，但化學(xué)驅(qū)污水的各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)會(huì)對(duì)溶液黏度造成不同程度的影響。

表2 不同水源配制的目的液黏度測(cè)定結(jié)果

2.2.1 溶解氧

溶解氧的存在一方面可以殺滅SRB，抑制水中S2-、Fe2+的生成，或直接進(jìn)行氧化反應(yīng)，進(jìn)而降低水中還原性物質(zhì)對(duì)黏度的影響；另一方面又可以使聚合物發(fā)生氧化降解，即通過產(chǎn)生自由基與聚合物分子發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致聚合物分子鏈斷裂，使溶液黏度降低[13]。因此，溶解氧對(duì)溶液黏度的影響是各種因素綜合作用的結(jié)果，取決于具體的水質(zhì)情況，但總體起改善作用。

2.2.2 金屬陽離子

配制水源中的金屬陽離子主要有Fe3+、Fe2+、Ca2+、Mg2+、Na+、K+等，隨著金屬陽離子濃度的增加，聚合物溶液的黏度呈現(xiàn)先急后緩的降低趨勢(shì)，且陽離子所帶電荷數(shù)越多，這種影響越明顯。主要原因是聚合物分子之間依靠官能團(tuán)—COO—所帶負(fù)電荷產(chǎn)生的靜電斥力而保持舒展?fàn)顟B(tài)，隨著金屬陽離子的濃度增加，這種靜電斥力逐漸減弱，聚合物分子由舒展?fàn)顟B(tài)恢復(fù)為卷曲狀態(tài)，進(jìn)而溶液的黏度隨之降低[14]。

2.2.3 細(xì)菌

含油污水中常見的細(xì)菌有IB、TGB、SRB，其中IB能將水中的Fe2+氧化為Fe3+，在沒有Fe的環(huán)境中很難存活；TGB利用污水中的有機(jī)物作為養(yǎng)料，可以促進(jìn)SRB的繁殖；SRB能將硫酸鹽還原成硫化氫，一般在有氧環(huán)境中存活率低。各種細(xì)菌通過酶的作用使聚合物分子鏈發(fā)生斷裂，進(jìn)而降低溶液黏度，而聚合物降解后的產(chǎn)物又可以作為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)被細(xì)菌利用。實(shí)驗(yàn)表明，3種細(xì)菌對(duì)聚合物溶液黏度的影響為IB>SRB>TGB[15]。

2.2.4 化學(xué)藥劑

采用含油污水配制聚合物溶液時(shí)，配制水源中不可避免地含有破乳劑、殺菌劑、緩蝕劑等化學(xué)藥劑，當(dāng)這些化學(xué)藥劑的濃度低于15 mg/L時(shí)，對(duì)聚合物溶液黏度的影響可以忽略不計(jì)，但隨著化學(xué)藥劑的濃度逐漸增大，溶液黏度將呈現(xiàn)下降趨勢(shì)[16]。

2.3 機(jī)械剪切因素

在母液配制階段，攪拌可以促進(jìn)聚合物干粉在水中的溶解，但也會(huì)對(duì)已經(jīng)溶解的聚合物分子產(chǎn)生機(jī)械剪切，進(jìn)而降低溶液的黏度。選用遼河油田歡三聯(lián)站內(nèi)的軟化污水配制聚合物母液，聚合物采用陰離子型聚丙烯酰胺，分子量3 000萬，有效物含量88%，濃度4 000 mg/L。聚合物在水中溶脹2 h后攪拌1 h，測(cè)定不同轉(zhuǎn)速下的溶液黏度，結(jié)果見表3。

表3 不同轉(zhuǎn)速下的溶液黏度

由表3可知，當(dāng)攪拌時(shí)間相同時(shí)，轉(zhuǎn)速越小溶液黏度越大，但轉(zhuǎn)速越小意味著熟化時(shí)間越長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致熟化裝置容積過大，進(jìn)而增加地面工程投資。因此，熟化工藝的關(guān)鍵在于如何在低轉(zhuǎn)速的條件下提高攪拌效率。

聚合物溶液在輸送過程中發(fā)生流道斷面和流速的變化也會(huì)對(duì)聚合物分子產(chǎn)生機(jī)械剪切，當(dāng)剪切速率較小時(shí)，舒展的聚合物分子鏈變得卷曲，溶液黏度雖然降低，但可以部分恢復(fù)；當(dāng)剪切速率較大時(shí)，會(huì)使聚合物分子鏈發(fā)生斷裂，降低的溶液黏度也無法恢復(fù)。研究表明，向聚合物溶液中加入一、二價(jià)金屬鹽(Na+、Ca2+、Mg2+)，因機(jī)械剪切引起的黏度損失比不加鹽時(shí)小[17]。

3 聚合物溶液黏度控制方法

3.1 做好聚合物的選型

通過對(duì)聚合物各項(xiàng)理化指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，并開展聚合物與地層孔隙結(jié)構(gòu)配伍關(guān)系評(píng)價(jià)，篩選出適宜的聚合物類型。研究表明，聚合物分子半徑與地層孔喉半徑滿足一定關(guān)系后，聚合物才能夠順利注入[18-19]。聚合物的分子量越大，溶液的黏度越大，但同時(shí)受機(jī)械剪切的降解越明顯?？梢酝ㄟ^交聯(lián)和擴(kuò)鏈反應(yīng)，在聚合物分子鏈上增加支鏈或形成網(wǎng)狀高分子，以提高聚合物分子鏈的剛度，增強(qiáng)其抗剪切性能。王云芳等[20]以過氧化物為引發(fā)劑，將丙烯酸酯(AFSN)、丙烯酰胺(AM)、丙烯酸(AA)三元共聚合成了共聚物PAMF，結(jié)果表明，PAMF溶液比HPAM溶液具有更優(yōu)異的增黏性能。還可以在聚合物分子結(jié)構(gòu)中嵌入強(qiáng)親水基團(tuán)或兩性離子基團(tuán)提高其抗鹽性能。在鹽水中，由于鹽水對(duì)聚合物分子內(nèi)的陰、陽離子基團(tuán)間吸引力的削弱或屏蔽，致使聚合物分子比在淡水中更舒展，宏觀上表現(xiàn)為聚合物在鹽水中的黏度升高或黏度下降幅度減小。

3.2 確定合理的污水處理工藝

為了實(shí)現(xiàn)注采平衡，通常采用化學(xué)驅(qū)污水作為聚合物母液的摻水水源，水質(zhì)指標(biāo)需滿足含油量≤20 mg/L，懸浮物≤20 mg/L，Ca2++Mg2+≤20 mg/L，而三菌、粒徑中值等指標(biāo)需要根據(jù)地層的空氣滲透率確定。由于化學(xué)驅(qū)污水水質(zhì)不同于常規(guī)水驅(qū)污水，因此，需要對(duì)常規(guī)的污水處理工藝進(jìn)行改造。原水先經(jīng)混凝沉降和氣浮處理，初步去除水中的浮油及懸浮物；接著進(jìn)入生物接觸氧化池，利用生物協(xié)同作用，降解水中的有機(jī)物，同時(shí)曝氣充氧可以氧化水中的S2-、Fe2+等還原性物質(zhì)，且抑制SRB和IB的生長(zhǎng)；然后經(jīng)過濾進(jìn)一步去除水中的油和懸浮物，如水中含有Ca2+、Mg2+，還需要對(duì)污水進(jìn)行軟化處理將其去除；最后向水中投加化學(xué)殺菌劑，將水中的微生物和細(xì)菌殺滅，殺菌劑的選擇要考慮對(duì)聚合物溶液黏度的影響。

3.3 設(shè)備及材料選擇

針對(duì)熟化罐中普遍采用的雙螺帶攪拌器，在采用低轉(zhuǎn)速的前提下，使內(nèi)外兩層螺帶以不同的速度旋轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)聚合物的徑向和軸向的混合循環(huán)，可以顯著提高攪拌效率；通過減小螺帶的傾斜角度(25～35°)以及加大螺帶的槳葉半徑(外螺帶槳葉半徑∶熟化罐半徑=0.9～0.95)，可以減少聚合物攪拌的滯留區(qū)。雙螺帶攪拌器結(jié)構(gòu)示意見圖1。輸送原水、聚合物母液及目的液的管線選用非金屬材質(zhì)，可以避免輸送過程中因金屬管材的腐蝕對(duì)溶液黏度造成不利影響。

圖1 雙螺帶攪拌器結(jié)構(gòu)示意

3.4 優(yōu)化配注工藝及運(yùn)行管理

利用配制站的外輸泵直接為注入站的注入泵輸入聚合物母液，減少聚合物母液因進(jìn)出緩沖構(gòu)筑物而導(dǎo)致的黏度損失。外輸泵采用恒壓變頻連鎖控制，防止聚合物母液的流態(tài)出現(xiàn)波動(dòng)。母液和稀釋用水的混合選用低剪切靜態(tài)混合器，管線路由的選擇盡量減少彎頭數(shù)量并采用彈性敷設(shè)，均能夠起到降低機(jī)械剪切的作用。配注系統(tǒng)增加掃線流程，定期對(duì)聚合物母液管線、目的液管線及摻水管線進(jìn)行清洗，以降低管線長(zhǎng)期運(yùn)行過程中內(nèi)壁附著污染物對(duì)黏度的影響。

4 結(jié) 論

1)聚合物溶液黏度作為聚合物驅(qū)油的重要指標(biāo)，從地面配制到注入地下的全過程中受到多種因素的影響，主要包括聚合物溶液性質(zhì)，配制水源水質(zhì)和機(jī)械剪切，這3方面因素往往相互作用，共同影響聚合物溶液的驅(qū)替效果。

2)選擇高分子聚合物并在聚合物分子鏈上進(jìn)行擴(kuò)鏈和嵌入等反應(yīng)，可以提高聚合物溶液的抗剪切和抗鹽性能。

3)通過將化學(xué)驅(qū)污水處理后用于聚合物母液摻水，既可以實(shí)現(xiàn)污水在系統(tǒng)內(nèi)的循環(huán)利用，又可以降低污水外排和回注帶來的環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)。

4)內(nèi)外螺帶以不同速度旋轉(zhuǎn)，同時(shí)減小螺帶傾斜角度和增大槳葉半徑，可以提高雙螺帶攪拌器的攪拌效率；減少聚合物溶液通過的設(shè)備及彎頭數(shù)量，可以降低機(jī)械剪切；增加聚合物溶液配注系統(tǒng)的掃線流程，可以減少管道中附著污染物對(duì)溶液黏度的影響。