驱油聚合物过滤因子测试方法的研究

刘 希，伊 卓，方 昭，杜 超

（中国石化 北京化工研究院，北京 100013）

分析测试

驱油聚合物过滤因子测试方法的研究

刘 希，伊 卓，方 昭，杜 超

（中国石化 北京化工研究院，北京 100013）

采用聚碳酸酯核孔滤膜对驱油聚合物聚丙烯酰胺（PAM）过滤因子的测试方法进行了研究。利用SEM等方法分析了滤膜孔径与相对分子质量的匹配关系及配制水矿化度对测试过滤因子的影响。实验结果表明，对同一孔径的滤膜，随PAM相对分子质量的增大，过滤时间延长。测试PAM过滤因子时，孔径3 μm的滤膜适于相对分子质量小于28×106的PAM；相对分子质量大于28×106的PAM使用孔径10 μm的滤膜较适宜。相对分子质量为18×106的PAM在不同矿化度下通过孔径3 μm的滤膜均可测得过滤因子。对于相对分子质量为35×106的PAM，当配制水矿化度大于300 mg/L时，孔径3 μm的滤膜已不适用；如采用孔径10 μm的滤膜，当配制水矿化度小于1 000 mg/L或当矿化度为30 000 mg/L时，均可测得过滤因子。在油藏的实际地质条件下进行聚合物过滤因子测试，可更真实地反映聚合物溶液的溶解性与注入性。

驱油聚合物；聚丙烯酰胺；过滤因子；聚碳酸酯核孔滤膜

聚合物驱油技术目前是一些油田提高采收率的主要技术手段，现阶段各个油田主要用过滤因子评价驱油聚合物的注入性和溶解性。过滤因子用于反映聚合物溶液在恒压下通过一定孔径滤膜后过滤量的变化。如过滤因子太大，会造成聚合物注入困难或堵塞地层。因此，油田企业把过滤因子作为驱油聚合物的一项重要理化性能指标。中国石油和中国石化对驱油聚合物的过滤因子有不同的测试标准［1-2］。在测试驱油聚合物的过滤因子时，一方面要考虑所选滤膜孔径的大小与所测聚合物的相对分子质量是否匹配［3-12］，因为随合成技术的进步［13-15］，驱油聚合物的相对分子质量越来越大。另一方面要考虑配制水矿化度的影响，因为越来越多的三类油藏开展聚合物驱油，使聚合物在地层中的使用条件越来越苛刻，如高温和高矿化度地层等。

本工作采用聚碳酸酯核孔滤膜（以下简称滤膜）研究了驱油聚合物聚丙烯酰胺（PAM）过滤因子的测试方法，利用SEM等方法考察了滤膜孔径与相对分子质量的匹配关系以及配制水矿化度对测试PAM过滤因子的影响。

1 实验部分

1.1 原料与仪器

PAM：相对分子质量（按SYT 5862—2008［16］中规定的方法测定）分别为10×106，18×106，22×106，28×106，35×106，实验室自制；滤膜：孔径分别为3 μm和10 μm，Millipore公司。

Hitachi S-4800型冷场发射扫描电子显微镜：日本日立公司。

1.2 实验方法

1.2.1 过滤因子的测试方法与标准

中国石油和中国石化的驱油聚合物过滤因子的测试标准见表1。

测试方法：在0.2 MPa的压力下，将一定矿化度下质量浓度为1 000 mg/L的聚合物溶液流过一定孔径的滤膜，记录顺序滤出100，200，300 mL聚合物溶液的时间。

表1 中国石油和中国石化的驱油聚合物过滤因子的测试标准Table 1 Test standards for the filter factors(Fr) of flooding polymers from CNPC and SINOPEC

1.2.2 过滤因子的计算

过滤因子（Fr）的计算方法见式（1）。

式中，t100，t200，t300分别为滤出100，200，300 mL聚合物溶液的时间，s。

2 结果与讨论

2.1 滤膜孔径与相对分子质量的匹配关系

根据国内标准，本工作选用的滤膜是由重离子在绝缘物质薄膜上打孔，之后由化学蚀刻扩孔形成穿透绝缘薄膜的笔直通道，与醋酸纤维素微孔滤膜相比，该滤膜的微孔结构为圆柱状孔道，并具有孔径大小均匀、表面平整、厚度薄和化学稳定性好等优点。

PAM的相对分子质量对其过滤因子和过滤时间的影响见表2。从表2可看出，当PAM的相对分子质量相同时，滤膜孔径越大，PAM的过滤时间越短；对同一孔径的滤膜，随PAM相对分子质量的增大，过滤时间延长。当PAM的相对分子质量小于28×106时，它在通过孔径3 μm和10 μm的滤膜时，过滤因子均接近1；而相对分子质量为35×106的PAM在通过孔径3 μm滤膜时，过滤时间很长，且无法测得过滤因子，而在通过孔径10 μm的滤膜时，可测得PAM过滤因子为1.46。

表2 PAM的相对分子质量对其过滤因子和过滤时间的影响Table 2 Effect of Mnof polyacrylamide(PAM) on its Fr and filtering time

当PAM无法通过滤膜，或过滤时间远超过规定时间时，无法测得过滤因子。滤膜过滤PAM前后的SEM照片见图1。从图1可看出，对于孔径10 μm的滤膜，即使过滤相对分子质量为35×106的PAM后，滤膜表面的孔洞除少数被不溶物堵住之外，大多数孔仍是畅通的（见图1b）；而对于孔径3 μm的滤膜，当过滤相对分子质量为28×106的PAM后，滤膜表面一部分孔洞已被大量的不溶物堵塞（见图1d）；如过滤相对分子质量为35×106的PAM后，滤膜表面完全被不溶物堵塞（见图1e），PAM分子不能通过滤膜，故无法测得其过滤因子。

图1 滤膜过滤PAM前后的SEM照片Fig.1 SEM images of the filter membrane before and after filtering PAM.（a） d=10 μm，before filtrating ；（b） d=10 μm，after filtrating PAM with Mn= 35×106；（c） d=3 μm，before filtrating；（d） d=3 μm，after filtrating PAM with Mn= 28×106；（e） d=3 μm，after filtrating PAM with Mn= 35×106

PAM在生产时受生产工艺和原料的影响，不可避免含有一定量的不溶物，而驱油聚合物标准中有不溶物含量的指标规定（如在配制水矿化度1 000 mg/L、聚合物质量浓度5 000 mg/L、25 μm钢网的条件下，不溶物含量小于0.2%（w））。由于不溶物含量和过滤因子两个指标的测试条件不同，在实际应用中，会出现不溶物含量指标合格，而过滤因子指标不合格的情况。在中高渗油藏中驱油使用的PAM的相对分子质量越高，其增黏性、对油层的调剖能力及控制油水流度比的能力越强，提高原油采收率的幅度越高。因此，在其他溶解性指标合格（溶解时间小于2 h，不溶物含量小于0.2%（w））的前提下测试PAM的过滤因子时，孔径3 μm的滤膜适用于相对分子质量小于28×106的PAM，相对分子质量大于28×106的PAM则使用孔径10 μm的滤膜较适宜。

2.2 配制水矿化度的影响

不同油藏的地下水有不同的矿化度，如大庆油田地下水矿化度普遍偏低，而胜利油田地下水矿化度普遍偏高，相应的PAM溶液配制水的矿化度也差别较大。相对分子质量为18×106的PAM，在不同矿化度下通过孔径3 μm的滤膜时，矿化度对PAM过滤因子和过滤时间的影响见表3。

表3 矿化度对PAM过滤因子和过滤时间的影响（Mn=18×106）Table 3 Effects of TDS on Fr and the filtering time of PAM(Mn=18×106)

从表3可看出，相对分子质量较小的PAM通过孔径3 μm的滤膜时，在不同的矿化度下均可测得过滤因子。当矿化度由300 mg/L增至7 500 mg/L时，过滤时间呈逐渐缩短的趋势，原因是随矿化度的增大，PAM的分子线团由柔顺舒展逐渐蜷缩变小，因此过滤时间变短；当矿化度增至15 000 mg/L时，过滤时间又开始延长，这是因为PAM的溶解性随矿化度的增加而变差，分子线团相互缠结使滤膜堵塞的面积增大；当矿化度继续增加到30 000 mg/L时，PAM分子线团进一步蜷缩变小占据了主导作用，过滤时间又开始缩短。

相对分子质量为35×106的超高相对分子质量PAM在不同矿化度下，分别通过孔径3 μm和10 μm的滤膜时，矿化度对其过滤因子和过滤时间的影响

见表4。

表4 矿化度对超高相对分子质量PAM过滤因子和过滤时间的影响（Mn=35×106）Table 4 Effect of TDS on Fr and the filtering time of PAM(Mn=35×106)

从表4可看出，对于超高相对分子质量的PAM，当采用孔径3 μm的滤膜时，只在配制水矿化度为300 mg/L的条件下，可测得PAM的过滤因子，这是因为当PAM相对分子质量较大时，只有在矿化度较小时，PAM的分子线团充分柔顺才可缓慢通过滤膜，但测试时间长；随配制水矿化度的增大，PAM的溶解性变差，滤膜直接被堵塞，因此无法测得过滤时间，仅在配制水矿化度增至30 000 mg/ L时，PAM的分子线团蜷缩非常小，才能测得滤出100 mL和200 mL时的过滤时间，但测试时间超过6 h后，由于滤膜被堵塞，无法测得滤出300 mL时的过滤时间。实验结果表明，对于相对分子质量为35×106的PAM，当配制水矿化度大于300 mg/ L时，孔径3 μm的滤膜已不能适用。如采用孔径10 μm的滤膜，当配制水矿化度小于1 000 mg/L时，可测得PAM的过滤因子；而当矿化度增至7 500 mg/ L和15 000 mg/L时，由于PAM的溶解性变差，其过滤因子无法测得；但当配制水矿化度继续增至30 000 mg/L时，此时由于PAM的分子线团蜷缩至非常小，可测得其过滤因子。

在实际应用中，由于油田污水的处理量越来越大，常用污水取代清水配制PAM溶液，即配制水矿化度变大，这直接影响PAM分子线团的水力学体积。配制水矿化度越大，PAM的分子线团水力学体积越小，有利于其通过滤膜；但配制水矿化度越大，PAM分子链的蜷缩与缠绕现象越严重，PAM的溶解性变差。

3 过滤因子测试方法的探讨

在油藏实际地质条件下测试聚合物的过滤因子，可更真实地反映聚合物溶液的溶解性和注入性。具体测试时应注意以下3点：1）聚合物的质量浓度一致。测试过滤因子时，聚合物待测液的质量浓度与注入实验方案设计的质量浓度一致，可真实反映当前测试的质量浓度下聚合物的注入性。2）配制水矿化度一致。注入实验方案中与实验室配制聚合物待测液的配制方法保持一致。3）测试温度一致。以污水联合处理站出来的污水温度为参考，在此温度下配制聚合物待测液以测定实际应用温度下聚合物的过滤因子。如星型疏水缔合型聚合物［17］，温度对其溶解性有很大影响，其过滤因子应在实际应用温度条件下进行测试。

4 结论

1）对同一孔径的滤膜，随PAM相对分子质量的增大，过滤时间延长。测试PAM过滤因子时，孔径3 μm的滤膜适用于相对分子质量小于28×106的PAM；对相对分子质量大于28×106的PAM，孔径10 μm的滤膜较适宜。

2）相对分子质量为18×106的PAM，在不同矿化度下通过孔径3 μm的滤膜时均可测得过滤因子。对于相对分子质量为35×106的PAM，当配制水矿化度大于300 mg/L时，孔径3 μm的滤膜已不适用；如采用孔径10 μm的滤膜，当配制水矿化度小于1 000 mg/L时可测得PAM的过滤因子，继续增大矿化度，无法测得过滤因子，但当矿化度为30 000 mg/L时，由于PAM的分子线团蜷缩，可测得PAM的过滤因子。

3）在油藏的实际地质条件下进行聚合物过滤因子的测试，可更加真实反映聚合物溶液的溶解性与注入性。

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（编辑 邓晓音）

Testing Method for Filter Factors of Flooding Polymers

Liu Xi，Yi Zhuo，Fang Zhao，Du Chao
（SINOPEC Beijing Research Institute of Chemical Industry，Beijing 100013，China）

A test method for filter factors(Fr) of the flooding polymer polyacrylamide(PAM) was studied with polycarbonate nuclear pore films as filter membranes. The relationship between the pore diameter of the filter membranes and relative molecular mass(Mn) of PAM，and the effect of total dissolved solid(TDS) of prepared brine on testing the filter factors were investigated by means of SEM. The results indicated that，when the pore diameter of the filter membranes was unchanged，the time of PAM flowing out prolonged with the increase of Mn. The filter membrane with pore diameter 3 μm was suitable for PAM with Mn28×106. The filter membrane with pore diameter 10 μm was suitable for PAM with Mnmore than 28×106. Fr of PAM with Mn18×106could be measured under different TDS when the filter membrane with pore diameter 3 μm was used. When Mnof PAM was 35×106and TDS was more than 300 mg/L，the filter membrane with pore diameter 3 μm could not be used for measuring its Fr. But when the filter membrane with pore diameter 10 μm was used and TDS was 30 000 mg/L or less than 1 000 mg/L，Fr of PAM with Mn35×106could be measured.

flooding polymer；polyacrylamide； filter factor；polycarbonate nuclear pore film

1000 - 8144（2015）02 - 0241 - 05

TE 357.461

A

2014 - 07 - 14；［修改稿日期］ 2014 - 11 - 04。

刘希（1983—），男，北京市人，硕士，工程师，电话 010 - 59202931，电邮 liux.bjhy@sinopec.com。