配聚污水对聚合物溶液粘度影响及对策

张铁刚



配聚污水对聚合物溶液粘度影响及对策

张铁刚

（大庆油田有限责任公司 第三采油厂，黑龙江 大庆 163113）

为了更好的揭示配聚污水对聚合物溶液粘度的影响规律，利用布氏粘度仪对不同污水配制聚合物溶液粘度进行测定。研究结果表明：聚合物溶液粘度随着金属阳离子浓度的增加而迅速下降后下降平缓。特别是Mg2+、Ca2+浓度对聚合物溶液粘度具有较大影响，较小浓度的提升就能引起HPAM溶液粘度的大幅度下降。选择Na2C2O4作为提高HPAM溶液粘度的络合剂，质量浓度为1 500 mg/L的HPAM溶液增粘率达到增粘率达到33.2%。

聚合物；污水；粘度；增粘剂

聚合物溶液提高因其良好的增粘性而被广泛应用于国内的各大油田。聚合物溶液的提高原油采收率机理主要是通过改善油水流度比以及扩大波及体积[1-3]。因此，聚合物溶液粘度的高低直接关系到驱油效果的好坏，聚合物溶液粘度越高原油的采收率提高幅度就越大[4,5]。目前，大庆油田主要采用部分水解聚丙烯酰胺（简称HPAM）作为聚合物驱的高分子用剂。HPAM溶液具有较好的增粘效果，但其耐温抗盐性能差。在油田现场施工过程中通常采用污水作为配制聚合物溶液的用水，而油田污水中无机盐的成分是非常复杂的，总矿化度及离子组成对聚合物溶液粘度存在着较为严重的影响[6,7]。为了考察配聚污水对聚合物溶液粘度的影响[8-10]，并找到污水配聚提高HPAM溶液粘度粘度的方法，笔者进行了不同污水对聚合物溶液粘度的测定实验。

1 实验部分

1.1 实验材料

聚合物：部分水解聚丙烯酰胺（HPAM），相对分子质量为2 500×104，固含量均为90%；

实验用水：①大庆油田现场污水；②大庆油田模拟污水，矿化度及离子组成见正文；

无机盐：氯化钠、氯化钾、氯化镁、无水氯化钙等均产自阳市东兴试剂厂，分析纯，含量均≥96.0%。

1.2 实验仪器

BROOKFIELD粘度计(DVII+型)、电子分析天平、JJ-1型六联电动机械搅拌器、恒温振荡水浴、500 mL烧杯。

1.3 实验方法

依国标SY/T6576-2003，向向量程为500 mL烧杯中添加200 mL的模拟污水，用精密天平称量质量浓度为5 000 mg/L聚合物溶液所需的聚合物干粉。在较高速度的机械搅拌器下，将聚合物干粉缓慢的添加至模拟污水中，待聚合物干粉完全添加入模拟污水30 s后将转速调低至100 r/min，继续搅拌3 h。将配制完成的质量浓度为5 000 mg/L的聚合物溶液作为母液，密封后经过充分的熟化后可稀释成任意浓度的目的溶液。聚合物溶液放置在45 ℃恒温箱，熟化12 h后将溶液倒至BROOKFIELD粘度计转筒内，在转子转速为6 r/min下测定目的溶液的粘度。

2 实验结果与分析

2.1 一价离子浓度对聚合物溶液粘度的影响

为了排除污水中其他离子及条件对聚合物溶液的影响，本文先采用蒸馏水配制聚合物母液。再分别通过添加含有不同浓度的Nacl及Kcl的盐溶液将聚合物溶液稀释至目的溶液。待测样品中Na+和K+的质量浓度分别为0、500、1 000、1 500、2 000、2 500、3 000、3 500、4 000、4 500、5 000、5 500、6 000 mg/L。聚合物溶液的质量浓度均为1 500 mg/L，实验温度为45 ℃。不同一价离子浓度下聚合物溶液粘度的测定结果如图1所示。

图1 Na+、K+浓度对聚合物溶液粘度的影响

Fig.1 Effect of Na+and K+concentration on viscosity of polymer solution

Na+和K+的质量浓度对聚合物溶液粘度的影响结果表明：随着Na+和K+浓度的增加，聚合物溶液的粘度是下降的。特别是当配制污水中Na+和K+的含量由0 mg/L提高至1 000 mg/L时聚合物溶液粘度大幅度下降。以含Na+溶液为例，当配聚水中不含有离子组分溶液粘度为210.6 mPa·s，当提高一价离子浓度至1 000 mg/L时溶液粘度下降至74 mPa·s，之后进一步提高一价离子浓度聚合物溶液粘度下降幅度变缓。但是于低浓度的Na+溶液相比，一价离子浓度为8 000 mg/L的聚合物溶液粘度只有33.5 mPa·s，聚合物溶液的驱油效果将受到较大的影响。产生上述现象的主要原因是聚合物分子上-COO–所带的负电随着Na+、K+浓度的增加而减弱，聚合物分子内和分子间的静电引力减弱，分子间的摩擦力减小，分子变得卷曲，所以粘度下降。Na+、K+对聚合物溶液粘度的影响大是因为在带有相同电荷的情况下Na+半径小，比K+更容易接近聚合物分子链，中和负电荷能力更强，对粘度影响更大。

2.2 二价离子浓度对聚合物溶液粘度的影响

采用与上文相同的方法配制聚合物溶液，待测样品中Ca2+和Mg2+的质量浓度分别为0、25、50、75、100、200、300、400 mg/L。聚合物溶液的质量浓度均为1 500 mg/L，实验温度为45 ℃。不同二价离子浓度下聚合物溶液粘度的测定结果如图2所示。

图2 Ca2+、Mg2+浓度对聚合物溶液粘度的影响

与一价离子对聚合物溶液粘度的影响规律相似，随着Ca2+和Mg2+的质量浓度增加聚合物溶液也呈现出先迅速降低后平缓降低的趋势。与一价离子不同的是Ca2+和Mg2+在较小的质量浓度变化下就对聚合物溶液的粘度产生较大的影响。当溶液中Ca2+浓度由0 mg/L增加至75 mg/L，溶液粘度由210.6 mPa·s下降至39.9 mPa·s。这主要是由于Ca2+和Mg2+带电荷数比Na+和K+大，屏蔽聚合物分子上－COO-所带负电荷的能力更强，使聚合物分子内缩聚，分子链收缩，发生去水化作用，所以粘度下降程度更大。

2.3 不同离子组成的油田污水对聚合物溶液粘度影响

上文通过单一组分的模拟污水配制聚合物溶液，分别研究了Na+、K+、Ca2+和Mg2+对溶液粘度的影响规律。而油田污水中无机盐的成分是非常复杂的，为了直观认识油田污水对聚合物溶液粘度的影响，本文采用几种油田污水配制聚合物溶液并进行粘度实验。污水的离子组成如表1，并将三种污水配制的质量浓度为1 500 mg/L的聚合物溶液粘度绘制如图3所示。

表1 污水的离子组成

图3 不同污水配制聚合物溶液粘度

实验结果表明：采用不同矿化度及离子组成的污水配制聚合物溶液粘度差异较大。随着溶液中矿化度的增加HPAM溶液的粘度大幅度的降低。对于矿化度为388.5 mg/L的污水配制浓度为1 500 mg/L的聚合物溶液粘度为88.3 mPa·s；当污水中矿化度达到5 176.6 mg/L，相同质量浓度的聚合物溶液粘度为53.5 mPa·s。HPAM表现出了较差的耐盐性能，这主要是聚合物分子链上的COO‑呈负电性，溶液中的阳离子在异性相吸的作用下会向带负电的聚合物基团附近运移，使得吸附层的阳离子数增加，相应的扩散层阳离子数量就会减少。聚合物分子间的静电斥力不断的减弱，聚合物分子由舒展状态逐渐恢复卷曲形态。分子链卷曲的同时会排挤掉阳离子周围的水分子，这时聚合物分子在卷曲状态下所占的体积最小，分子间的接触面积降低，分子间的内摩擦力降至最低，溶液的粘度值降低至最低值。

2.4 增粘对策

上文研究结果表明污水中阳离子是影响聚合物粘度的主要因素，因此本文采用添加Na2C2O4作为金属络合剂的方式作为提高聚合物溶液粘度的方法。在相同的污水条件及相同的聚合物质量浓度下，对比无络合剂以及添加210 mg/L 的Na2C2O4作为金属络合剂的聚合物溶液粘度，结果如图4所示。

由图4的粘度结果可看出，Na2C2O4作为金属络合剂可以有效的降低Na+、K+、Ca2+和Mg2+对溶液粘度的影响。添加210 mg/L的Na2C2O4后，质量浓度为1 500 mg/L的HPAM溶液粘度由53.9 mPa·s增加至71.8 mPa·s，增粘率达到33.2%。

图4 聚合物溶液的增粘效果

3 结论

（1）配聚污水中金属阳离子的浓度对聚合物溶液粘度影响较大，随着金属阳离子浓度的增加粘度降低。特别是Ca2+和Mg2+，在较小的质量浓度变化下就对聚合物溶液的粘度产生较大的影响。

（2）Na2C2O4作为金属络合剂可以有效的提高污水配制聚合物溶液粘度。添加210 mg/L的Na2C2O4后，质量浓度为1 500 mg/L的HPAM溶液增粘率达到增粘率达到33.2%。

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Influence of Sewage on Polymer Solution Viscosity and Countermeasures

（No.3 Oil production Plant, Daqing Oilfield Co, Ltd., Heilongjiang Daqing 163113, China）

In order to better reveal the influence of sewage on the viscosity of polymer solution, the viscosities of polymer solutions prepared by using different sewage were determined by using Brookfield viscometer. The results show that the viscosity of polymer solution decreases rapidly with the increase of the concentration of metal cations. Especially, the concentration of Mg2+and Ca2+has a great influence on the viscosity of polymer solution, and small increase of the concentration of Mg2+and Ca2+can lead to big decrease of the viscosity of HPAM solution. NaC2O4can be used as the complexing agent to improve the viscosity of HPAM solution, and the viscosity increasing rate of HPAM solution with the concentration of 1 500 mg/L can reach to 33.2%.

Polymer;Sewage;Viscosity;Tackifier

TQ 325

A

1671-0460（2017）08-1582-03

2017-05-07

张铁刚(1990－)，男，内蒙古赤峰人。E-mail：215501610@qq.com。