聚驱污水稀释聚合物溶液黏度影响因素分析

张继红， 杨丰源

(东北石油大学 提高油气采收率教育部重点实验室，黑龙江 大庆 163318)



聚驱污水稀释聚合物溶液黏度影响因素分析

张继红， 杨丰源

(东北石油大学 提高油气采收率教育部重点实验室，黑龙江 大庆 163318)

针对杏北油田利用聚驱污水稀释聚合物溶液黏度低、稳定性差、无法达到注入要求等问题，在室内进行了一系列实验研究。结果表明，聚驱污水中的Fe2+和Na+是导致聚合物溶液黏度降低的主要原因，悬浮物及细菌为次要因素。在此基础上，为了有效利用聚驱污水稀释聚合物溶液进行回注，使油田达到经济环保开发的目的，采用曝氧及在聚驱污水中加入絮凝剂沉降过滤的处理方法来改善其污水水质问题。处理后的聚驱污水稀释聚合物溶液与处理前的聚驱污水稀释的聚合物溶液相比，黏度上升了10.83 mPa·s，黏损率由28.4%下降到12.16%，达到注入要求。

聚驱污水；聚合物溶液；影响因素；黏度；污水水质

聚合物驱凭借其操作简便，原材料易得，价格成本低，驱油效果优异而倍受青睐[1]。但随着聚合物驱规模的扩大，油田消耗淡水量也越来越大，如果油田产出污水不能与回注量平衡，剩余的污水必须经过处理后才能外排，这样既增加了地面操作费用，又容易造成环境污染。因而，如果能够解决污水稀释聚合物溶液回注的问题，将会对油田节能增效及可持续发展具有重大意义[2]。聚驱污水与清水相比，因其水中成分较为复杂，会对聚合物溶液的黏度产生较大影响。如果直接利用采出的聚驱污水稀释聚合物溶液，可能会导致稀释的聚合物溶液黏度达不到回注要求，从而影响驱油效果。本文针对杏北油田杏九污水站的聚驱污水的水质进行了分析，得出了聚驱污水稀释聚合物溶液黏度低的影响因素，并提出解决方案。

1　实验部分

1.1实验条件

实验用水：蒸馏水，清水，去离子水，深度处理污水(取自杏十六联合站)，聚驱污水(取自杏九污水站)。

实验药剂：蒙脱土，黏土，石英砂，碳酸钙，杀菌剂，絮凝剂，NaCl、Na2SO4、MgCl2·6H2O、CaCl2、KCl、NaHCO3和Na2CO3等均为市售分析纯，聚合物(大庆炼化公司生产的水解聚丙烯酰胺，相对分子质量为1 900×104)。

实验仪器：电动搅拌器，电子天平，HAAKE RS 6000流变仪，恒温箱，砂芯过滤器，2XZ-4B直连旋片式真空泵，灭菌装置，全玻璃回流装置，离子测定仪，干燥箱，蒸发皿，细菌瓶，500 mL锥形分液漏斗，0.45 μm滤膜，容量瓶以及烧杯、搅拌棒等其他常用玻璃仪器。

实验温度：45 ℃。

剪切速率：300 r/min。

1.2实验方法

1.2.1黏度稳定性实验使用蒸馏水和相对分子质量1 900×104的聚合物干粉配制成含聚质量浓度为5 000 mg/L的聚合物母液。用清水、深度处理污水和聚驱污水分别稀释聚合物母液至质量浓度1 400 mg/L，在恒定温度下，使用HAAKE RS 6000流变仪测量15 d内溶液黏度的变化。

1.2.2离子影响实验根据测得的聚驱污水中的离子含量，利用分析纯和去离子水配制模拟聚驱污水，保持模拟污水中其他离子含量不变的情况下，改变其中某一种离子的离子含量，用配制的模拟聚驱污水稀释聚合物母液质量浓度至1 400 mg/L，测量稀释后聚合物溶液黏度的变化。

1.2.3悬浮物影响实验将蒙脱土、黏土、石英砂和碳酸钙按一定比例混合来模拟聚驱污水水样中的悬浮物。将不同含量的混合物分别加入到等量的聚驱污水中，摇匀后用来稀释聚合物母液至含聚质量浓度为1 400 mg/L，测量稀释后聚合物溶液黏度变化。

1.2.4细菌影响实验采用向含聚污水水样中投放杀菌剂的方式进行杀菌处理，根据油田现场实际应用及经济效益分析情况，设计杀菌剂投放量为80 mg/L，测量杀菌前后污水中细菌的含量，并用杀菌后的聚驱污水稀释聚合物母液至含聚质量浓度为1 400 mg/L，测量稀释后聚合物溶液黏度的变化。

1.2.5水处理实验对聚驱污水水样进行曝氧、絮凝和过滤等一系列处理，用处理过的聚驱污水稀释聚合物母液至含聚质量浓度为1 400 mg/L，测量15 d内聚合物溶液黏度的变化。

2　结果与讨论

2.1黏度稳定性分析

图1所示为15 d内清水、深度处理污水和聚驱污水稀释聚合物溶液的黏度变化规律。从图1中可以看出，清水稀释的聚合物溶液黏度最高，稳定性最好，15 d内黏损率为4.35%，下降幅度小。聚驱污水和深度处理污水稀释的聚合物溶液黏度及稳定性相对较差，在初始阶段聚驱污水和深度处理污水稀释的聚合物溶液黏度相差不大，约5 d后，开始下降，相比之下，聚驱污水稀释的聚合物溶液黏度下降的幅度大些。10 d时聚驱污水稀释的聚合物溶液黏度由第5 d的31.93 mPa·s下降至25.53 mPa·s，黏损率达到了20.04%。10 d以后聚合物溶液黏度下降幅度减小，黏度趋于稳定。15 d时深度处理污水稀释的聚合物溶液黏损率为14.91%。聚驱污水稀释的聚合物溶液黏度黏损率为28.4%。

图1　稀释聚合物溶液黏度稳定性曲线

Fig.1Viscosity stability curve of diluted polymer solution

2.2黏度影响因素分析

2.2.1离子影响对聚驱污水进行了水质分析，结果见表1和表2。从表1中可以看出，聚驱污水中阴离子的质量浓度大于阳离子的质量浓度，稀释的聚合物溶液中阴离子的质量浓度大于阳离子的质量浓度，但因使用的聚合物是阴离子型的水解聚丙烯酰胺，所以聚驱污水中的阴离子对聚合物溶液黏度的影响要小于阳离子对其产生的影响[3]。

聚驱污水中的阳离子对聚合物溶液的黏度的影响主要在于中和了水解聚丙烯酰胺分子基团中的负电荷，导致水解聚丙烯酰胺分子基团上羧酸根所带的负电性减弱，水解聚丙烯酰胺分子基团发生卷曲，分子间斥力降低，摩擦力下降，使聚合物溶液黏度减小。阳离子的价态越高，对聚合物溶液的黏度影响越大[4-6]。

表1　聚驱污水中离子质量浓度

图2为不同种阳离子质量浓度对聚合物溶液黏度的影响。由图2可知，在聚驱污水中，对聚合物溶液黏度影响最大的是Fe2+和Na+。在水质分析中可知聚驱污水中Fe2+质量浓度不足1 mg/L，但其对聚合物溶液黏度的影响却仅次于Na+，高于其它阳离子。这是因为Fe2+具有极强的还原性，它能够和聚驱污水中的氧化物发生氧化还原反应，生成对水解聚丙烯酰胺分子产生破坏作用的自由基，同时一部分Fe2+也会生成Fe3+，导致聚合物溶液的黏度降低。聚驱污水中，Na+为1价阳离子，其对聚合物黏度的影响不如其它阳离子，但在聚驱污水中Na+的质量浓度高于其它阳离子的质量浓度，达到了1 897.23 mg/L，在实验中，当Na+质量浓度超过1 500 mg/L时，聚合物溶液的黏损率达到了56%。Mg2+、Ca2+和Fe3+在污水中的质量浓度较低，还原性较弱，因此Mg2+、Ca2+和Fe3+的质量浓度对聚合物溶液黏度影响低于Fe2+和Na+[7-9]。

图2　离子质量浓度对黏度的影响

Fig.2The influence of ion concentration on the viscosity

2.2.2悬浮物影响 图3为悬浮物质量浓度对聚合物溶液黏度的影响。由图3可知，悬浮物质量浓度在一开始增加时聚合物溶液的黏度下降并不明显，随着悬浮物固体质量浓度超过30 mg/L，聚合物溶液的黏度下降变快。当悬浮物固体质量浓度超过40 mg/L时，黏度下降趋势变缓。这是因为带负电的水解聚丙烯酰胺分子中—NH2基团的N原子具有孤对电子，—COO—基团具有多余电荷，—COO—与硅铝酸盐和碳酸盐垢表面羟基间的氢键、范德华力等结合到硅铝酸盐和碳酸盐垢的表面。水解聚丙烯酰胺分子与悬浮固体形成稳定的结构，压缩双电层，负电性减少，导致聚合物溶液黏度降低[10]。

图3　悬浮物质量浓度对黏度的影响

虽然聚合物溶液的黏度随着悬浮物质量浓度的增加而减小，但聚合物溶液的黏度下降不足5 mPa·s，所以，悬浮物会对聚合物溶液的黏度产生影响，但不是主要的影响因素。

2.2.3细菌影响杀菌处理前后聚驱污水稀释聚合物溶液黏度的影响结果见表3和表4。由表3和表4可知，加入杀菌剂后，聚驱污水中的细菌含量有了明显的下降。经过杀菌处理的聚驱污水稀释的聚合物溶液黏度比未加入杀菌剂前的溶液黏度上升了3.86 mPa·s，这是因为水解聚丙烯酰胺降解生成的产物可作为细菌的营养物质，当这些营养物质被消耗的同时又会促进水解聚丙烯酰胺的降解，但其黏度上升较小，所以细菌含量也不是影响聚合物溶液黏度的主要因素[11-12]。

表3　杀菌前后细菌含量变化

表4　细菌含量对污水稀释聚合物黏度的影响

2.3污水处理及效果分析

对聚驱污水水样进行曝氧、絮凝和过滤等一系列处理，表5为处理前后聚驱污水水质检测结果。由表5可知，处理前后污水中的悬浮物质量浓度、Fe2+质量浓度有所降低，硫酸盐还原菌含量降低，而腐生菌和铁细菌含量升高。3种菌的含量也随着溶解氧含量的变化发生了改变，SRB是厌氧异养菌，在无氧条件下把硫酸盐还原成硫化物，而污水曝氧过程是溶解氧含量不断增加的过程，所以SRB含量逐渐降低；FB铁细菌与TGB腐生菌均属于好氧菌，在曝氧处理时，会随着溶解氧含量的增加，但含量均不超过1个数量级。经过曝氧以及絮凝过滤后，污水水质中影响稀释聚合物溶液黏度较大的还原性物质得到了改变，因此曝氧能够有效地改善聚驱污水的水质，提高了聚驱污水稀释聚合物溶液的黏度。

表5　处理前后聚驱污水水质指标监测结果

图4为处理前后聚驱污水稀释聚合物溶液黏度在15 d内的变化情况。

图4　处理前后聚合物溶液黏度变化

Fig.4Polymer solution viscosity changes before and after processing

由图4可知,经过处理后的聚驱污水稀释的聚合物溶液的黏度比处理前污水稀释的聚合物溶液黏度平均增加了10.83 mPa·s，黏损率由28.4%下降到12.16%。这说明通过一定程度的处理可以提高污水稀释聚合物溶液的黏度。

3　结论

(1) 聚驱污水中的Fe2+具有还原性，是影响含聚污水稀释聚合物溶液黏度的主要因素，其他离子中Na+虽然对黏度影响较小，但含量较多，也会对聚合物黏度产生影响，其他离子由于含量较少对黏度的影响不起主导作用。聚驱污水中的悬浮物与细菌能够使溶液黏度有略微的影响。

(2) 聚驱污水通过曝氧和絮凝过滤处理后，稀释的聚合物溶液黏度及稳定性得到了提高，在15 d内处理后聚驱污水稀释的聚合物溶液黏度，与处理前相比聚合物溶液黏度平均增加了10.83 mPa·s，黏损率由28.4%下降到12.16%。

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(编辑闫玉玲)

Influence Factors of Polymer Flooding Sewage Dilute Polymer Solution Viscosity

Zhang Jihong, Yang Fengyuan

(KeyLaboratoryforEnhancingOil/GasRecoveryofMinistryofEducation,NortheastPetroleumUniversity,DaqingHeilongjiang163318,China)

Polymer flooding sewage was used to dilute polymer solution XingBei oilfield. The low viscosity and poor stability made it unable to reach the injection requirement. A series experiments were made to study the problems. The results showed that Fe2+and Na+in the polymer flooding sewage were the major causes which reduced viscosity of polymer solution. Suspended solids and bacteria were the secondary factors. In order to effectively use polymer flooding sewage recycle dilute polymer solution and to make the oil field to achieve the purpose of economic and environmental development, the sewage quality was improved by oxygen exposure and putting flocculent. The viscosity of polymer solution was increased by 10.83 mPa·s compared with untreated polymer flooding sewage dilute, and viscosity loss rate was decreased from 28.4% to 12.16%, reaching the reinjection standard.

Polymer flooding sewage; Polymer solution; Influence factor; Viscosity; Sewage quality

1006-396X(2016)03-0059-05

2015-11-09

2016-04-06

国家自然科学基金项目(2010D-5006-0207)。

张继红(1969-)，女，博士，教授，从事提高油气采收率研究；E-mail：dqzhjh@126.com。

TE357

Adoi:10.3969/j.issn.1006-396X.2016.03.012

投稿网址：http://journal.lnpu.edu.cn