聚合物母液快速熟化技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

周鋼

大慶油田有限責(zé)任公司提高采收率項(xiàng)目經(jīng)理部

聚合物驅(qū)是在水驅(qū)開采之后提高采油率重要的技術(shù)之一[1-4]。大慶油田自1995 年開始工業(yè)化推廣聚合物驅(qū)以來，形成了相對(duì)成熟的“集中配制、分散注入”的聚合物配制工藝流程[5-7]。截至2021年6月，已建成配制站27座，年配制干粉20×104t，配制聚合物相對(duì)分子質(zhì)量從700 萬至2 500 萬，為正在注劑的147 座注入站、6 767 口注入井提供母液。聚合物母液配制采用“分散—熟化—外輸”短流程配制工藝，熟化罐以平臺(tái)高架方式安裝，雖然能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)需求，但存在投資大、占地面積大等問題，制約著聚合物驅(qū)技術(shù)在中低滲透油藏的大規(guī)模推廣。

1 聚合物配制工藝存在的問題

目前大慶油田聚合物母液配制普遍采用“分散—熟化—外輸”的“集中配制、分散注入”短流程工藝（圖1）。該工藝流程需要熟化罐攪拌熟化，聚合物熟化時(shí)間一般需要2.0～2.5 h，分散及熟化裝置均為間歇運(yùn)行。當(dāng)單座熟化罐處于低液位時(shí)，啟動(dòng)分散裝置；當(dāng)熟化罐均處于正常液位或滿負(fù)荷時(shí)，分散裝置自動(dòng)停運(yùn)，此時(shí)分散裝置易出現(xiàn)頻繁啟停現(xiàn)象。熟化罐數(shù)量多，占地面積大，導(dǎo)致投資較大、運(yùn)行成本及能耗較高等問題。

圖1 聚合物母液配制工藝流程Fig1 Preparation process flow of polymer mother liquor

2 快速熟化技術(shù)的應(yīng)用

2.1 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)小試試驗(yàn)

（1）室內(nèi)實(shí)驗(yàn)。2013 年，加工了配制能力為0.15 m3/h的模擬試驗(yàn)裝置。在室內(nèi)將薩南四配制站配制母液用清水加入模擬試驗(yàn)裝置中，啟動(dòng)模擬試驗(yàn)裝置，將轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速范圍調(diào)整為200～600 r/min，緩慢均勻加入高分子量聚合物干粉，配制出不同濃度的聚合物母液。測(cè)試不同濃度聚合物母液黏度并與標(biāo)準(zhǔn)樣進(jìn)行對(duì)比，從圖2可以看出，快速熟化裝置配制出的聚合物母液黏度與常規(guī)工藝配制效果相當(dāng)。

圖2 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)效果Fig2 Effect of indoor experiment

（2）2014 年，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)小試試驗(yàn)，規(guī)模放大到2 m3/h，裝置內(nèi)部轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速250 r/min、預(yù)處理時(shí)間4 min，從圖3 中可以看出，裝置配制聚合物母液的黏度與常規(guī)配制聚合物母液黏度相當(dāng)，同時(shí)裝置在運(yùn)行過程中未出現(xiàn)故障，穩(wěn)定可靠，小試裝置能夠適應(yīng)不同水質(zhì)配制不同相對(duì)分子質(zhì)量聚合物母液。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)小試試驗(yàn)效果Fig3 Effect of field pilot test

2.2 現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)化試驗(yàn)

2019 年7 月—2020 年10 月，在大慶油田喇六配制站利用該項(xiàng)技術(shù)開展了配制1 600 萬相對(duì)分子質(zhì)量聚合物母液現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)；設(shè)定母液質(zhì)量濃度為5 500 mg/L，快速熟化裝置設(shè)計(jì)處理能力為40 m3/h，試驗(yàn)流程如圖4 所示。圖4 中的超重力熟化機(jī)為快速熟化系統(tǒng)自有設(shè)備，其他設(shè)備為站內(nèi)已建設(shè)備。

圖4 快速熟化系統(tǒng)工藝流程Fig.4 Rapid curing system process flow

2.2.1 快速熟化裝置運(yùn)行參數(shù)的確定

聚合物母液快速熟化系統(tǒng)的核心設(shè)備是超重力熟化機(jī)[8-10]，而聚合物母液熟化效果主要與超重力熟化機(jī)的處理量和轉(zhuǎn)子（旋轉(zhuǎn)填充床）的轉(zhuǎn)數(shù)有關(guān)，因此試驗(yàn)主要是確定超重力熟化機(jī)的合理處理量和轉(zhuǎn)數(shù)等運(yùn)行參數(shù)。

（1）處理量對(duì)聚合物母液熟化效果的影響。在保證超重力熟化機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)不變的條件下，在流量20～40 m3/h 范圍內(nèi)，調(diào)節(jié)超重力熟化機(jī)處理量?？焖偈旎到y(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)后，每天上午10 點(diǎn)在出液緩沖罐出口每間隔5 min 連續(xù)取5 個(gè)樣品，分別化驗(yàn)樣品黏度，并與常規(guī)工藝配制出的聚合物母液黏度進(jìn)行對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

從圖5 中可以看出，在轉(zhuǎn)數(shù)200～400 r/min 范圍內(nèi)，快速熟化工藝熟化后的聚合物母液黏度與常規(guī)熟化工藝相比絕對(duì)誤差均在5%范圍內(nèi)波動(dòng)，滿足工業(yè)化對(duì)聚合物母液黏度的要求。試驗(yàn)結(jié)果表明，進(jìn)液量對(duì)超重力熟化機(jī)熟化聚合物母液效果影響較小。

圖5 進(jìn)液量對(duì)聚合物母液配制效果的影響Fig.5 Effect of liquid intake on the preparation of polymer mother liquor

（2）轉(zhuǎn)數(shù)對(duì)聚合物母液熟化效果的影響。在保證超重力熟化機(jī)處理量不變的條件下，在轉(zhuǎn)數(shù)200～400 r/min 范圍內(nèi)，調(diào)節(jié)超重力熟化機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)?？焖偈旎到y(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)后，每天上午10 點(diǎn)在出液緩沖罐出口每間隔5 min 連續(xù)取5 個(gè)樣品，分別化驗(yàn)樣品黏度，并與常規(guī)工藝配制出的聚合物母液黏度進(jìn)行對(duì)比（圖6）。

圖6 轉(zhuǎn)速對(duì)聚合物母液配制效果的影響Fig.6 Effect of rotate speed on the preparation of polymer mother liquor

從圖6 中可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)數(shù)小于250 r/min 時(shí)，快速熟化系統(tǒng)熟化后的聚合物母液黏度與常規(guī)工藝相比差距較大，隨著轉(zhuǎn)數(shù)的升高，這種差距逐漸減小。此試驗(yàn)結(jié)果表明，超重力熟化機(jī)連續(xù)運(yùn)行轉(zhuǎn)數(shù)在250 r/min以上較為合理。

2.2.2 連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)

2020 年7 月6 日—2020 年10 月13 日，開 展了連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)。配制1 600 萬相對(duì)分子質(zhì)量聚合物，7 月6 日—9 月23 日設(shè)定配制質(zhì)量濃度為5 500 mg/L，9月29日—10月13日設(shè)定配制質(zhì)量濃度為6 025 mg/L，每天連續(xù)運(yùn)行時(shí)間為21～23 h，平均連續(xù)運(yùn)行22 h/d，配制能力為37～38 m3/h?？焖偈旎到y(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)后，每天上午10 點(diǎn)在出液緩沖罐出口每間隔5 min 連續(xù)取5 個(gè)樣品，分別化驗(yàn)樣品濃度和黏度，并與標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行對(duì)比。試驗(yàn)結(jié)果如圖7、圖8所示。

從圖7、圖8 可以看出，連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)期間，共計(jì)檢測(cè)聚合物濃度、黏度各129樣次，樣品平均質(zhì)量濃度為5 508 mg/L，與標(biāo)準(zhǔn)樣品相差0.15%，樣品平均黏度為68.5 mPa·s，與標(biāo)準(zhǔn)樣品相差0.11%，樣品濃度、黏度均能夠滿足生產(chǎn)對(duì)聚合物母液的配制要求。同時(shí)在連續(xù)運(yùn)行期間，快速熟化裝置運(yùn)行穩(wěn)定，未出現(xiàn)過不正常停機(jī)等現(xiàn)象，可靠性同樣可以滿足實(shí)際生產(chǎn)的要求。

圖7 快速熟化裝置出口濃度與標(biāo)準(zhǔn)樣濃度對(duì)比曲線Fig.7 Comparison curve of rapid curing unit outlet concentration and standard sample concentration

圖8 快速熟化裝置出口黏度與標(biāo)準(zhǔn)樣黏度對(duì)比曲線Fig.8 Comparison curve of rapid curing unit outlet viscosity and standard sample viscosity

2.3 聚合物母液理化性能評(píng)價(jià)結(jié)果

為了評(píng)價(jià)兩種配制工藝配制出的聚合物母液理化性能是否一致，在室內(nèi)利用安東帕MCR301流變儀，分別開展了流變性和穩(wěn)定性測(cè)試實(shí)驗(yàn)。

（1）聚合物母液流變特性測(cè)試。在溫度25～45 ℃、剪切速率0～100 s-1的條件下，測(cè)試兩種熟化工藝配制出的聚合物母液流變特性，測(cè)試結(jié)果如圖9所示。

圖9 兩種熟化工藝配制出的聚合物母液流變特性測(cè)試曲線Fig.9 Rheological properties test curves of polymer mother liquid prepared by two kinds of curing processes

從圖9中可以看出，隨著剪切速率的增加黏度逐漸降低，兩種工藝配制出的聚合物母液黏度隨剪切速率變化規(guī)律基本一致。

（2）聚合物母液穩(wěn)定性評(píng)價(jià)?，F(xiàn)場(chǎng)取兩種工藝配制出的聚合物母液，用清水稀釋至1 700 mg/L后，室內(nèi)常溫放置30 d，測(cè)試放置不同天數(shù)兩個(gè)聚合物溶液黏度變化情況，測(cè)試結(jié)果如圖10所示。

從圖10 中可以看出，兩種工藝配制出的聚合物母液經(jīng)過稀釋后，30 d 后黏度保留率分別達(dá)到79%和78.6%，可見快速熟化工藝熟化后的聚合物稀釋液穩(wěn)定性與常規(guī)工藝配制出的聚合物溶液基本一致。

圖10 兩種熟化工藝配制出的聚合物母液穩(wěn)定性曲線Fig.10 Stability curves of polymer mother liquid prepared by two curing processes

3 熟化時(shí)間與工程投資

超重力熟化機(jī)的有效容積約為2.5 m3，進(jìn)液預(yù)混緩沖罐+出液緩沖罐總有效容積為13.2 m3，當(dāng)處理量為20～40 m3/h 時(shí)，計(jì)算快速熟化系統(tǒng)熟化聚合物母液時(shí)間約為23.6～47.1 min，而常規(guī)熟化工藝單座熟化罐配制相同分子質(zhì)量的聚合物母液熟化時(shí)間為2.5 h，快速熟化工藝與常規(guī)工藝相比，熟化時(shí)間減少68.6%～84.3%。

快速熟化工藝采用“分散裝置→高效配制裝置→緩沖罐（熟化罐）→外輸泵→過濾”的工藝流程（工業(yè)化應(yīng)用考慮外輸緩沖需求），常規(guī)配制工藝采用“分散裝置→熟化罐→外輸泵→過濾”的工藝流程。在相同熟化能力條件下，快速熟化工藝工程投資為563.31 萬元，而常規(guī)熟化工藝工程投資為697.12萬元，工程投資減少了133.81萬元，工程投資費(fèi)用降低了19.2%（表1）。

表1 工藝投資對(duì)比分析（2020年）Tab.1 Process investment comparison analysis(2020)

4 結(jié)論

快速熟化工藝技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)聚合物母液的快速熟化，熟化后的聚合物母液各項(xiàng)性能指標(biāo)與常規(guī)熟化工藝熟化后聚合物母液性能指標(biāo)相當(dāng)，且各類設(shè)備能夠連續(xù)運(yùn)行穩(wěn)定，可以滿足工業(yè)化生產(chǎn)要求。快速熟化工藝與常規(guī)工藝相比，熟化時(shí)間減少了68.6%～84.3%，工程投資降低了19.2%。