不同因素对驱油用疏水缔合聚合物的溶解时间的影响

郭光范

承德石油高等专科学校石油工程系，河北承德 067000

我国海上稠油储量丰富，采用注水开发，水驱采收率低，提高采收率潜力巨大。在众多方法中，聚合物驱油技术在海上油田最有可能应用且潜力最大。对于海上稠油油田，具有地层原油黏度高、配聚水硬度高等苛刻条件，现有的部分水解聚丙烯酰胺很难满足现场的配注要求，因此国内专家针对海上稠油油藏的特点研发了疏水改性水溶性聚合物，并且进行了工业化生产。疏水改性水溶性聚合物利用其疏水基团，在溶液中分子间缔合，形成空间网状结构，使聚合物溶液在较低分子量和较低浓度下仍然有很高的黏度[1-3]，具有较好的剪切稀释性、抗剪切能力和注入性[4-7]。由于疏水改性水溶性聚合物主链上所含的少量疏水基团使溶解时间延长，使得“海上平台配聚”成为制约海上油田实施聚合物驱提高采收率技术的技术瓶颈[8-10]。笔者研究了不同因素对疏水改性水溶性聚合物的溶解时间的影响，为海上驱油用疏水改性聚合物的加速溶解工艺技术提供理论基础。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

NaCl、KCl、MgCl2·6H2O、无水CaCl2、Na2CO3、无水Na2SO4，均为分析纯，承德福鑫化工商贸有限公司；疏水缔合聚合物HAPAM，自制，根据文献[11]的方法制备并且造粒。

NDJ-5S型黏度计黏度计，力辰科技股份有限公司；电子称，量程20～20 000 g，精度2 g，上海精科公司；恒温水浴，恒温范围20～100 ℃，精度±2 ℃，上海光地仪器设备有限公司；搅拌器，转速20～500 r/min，江苏江阴保利科研器材有限公司；20 mL移液管、1 L烧杯、玻璃棒、水银温度计若干，承德福鑫化工商贸有限公司。

1.2 实验水质

渤海JZ9-3、SZ36-1油田2种配注水的离子组成见表1。

表1 渤海油田2种模拟配注水的离子组成 mg/L

1.3 表观黏度测定

采用NDJ-5S黏度计，每隔5 min测定聚合物溶液不同状态的表观黏度。

2 结果与讨论

2.1 干粉粒径的影响

在水温45 ℃条件下，按照质量浓度为5 000 mg/L的配制要求，将不同粒径的HAPAM干粉颗粒与JZ9-3、SZ36-1油田配注水混合搅拌，搅拌器的转速为100 r/min，150 min内每隔5 min测1次黏度。黏度随时间的变化见图1。

图1 不同干粉粒径下聚合物溶液的黏度随时间的变化

在2种水质下，粒径小于20目的HAPAM干粉颗粒的基本溶解时间分别为85 min和120 min左右，而100～120目的HAPAM干粉的基本溶解时间分别为30 min和50 min左右，基本溶解时间分别缩短64.7%和58.3%。粒径小于20 目的HAPAM干粉颗粒基本溶解时的黏度分别为3 316 mPa·s和3 481 mPa·s左右，而100～120 目的HAPAM干粉基本溶解时的黏度分别为1 673 mPa·s和1 736 mPa·s左右，基本溶解时的黏度损失率在50%左右。

聚合物干粉的粒径越小，水与颗粒的接触表面积越大，在配制过程中颗粒能够更快地和水接触形成溶胀颗粒，其完全溶胀时间越短。在一定的粒径下，聚合物干粉颗粒的粒径越小，其溶解时间也越短。粒径对黏度有很大的影响。聚合物干粉颗粒的粒径越小，其分子链受到剪切断裂的概率越大，因此粒径越小其母液的黏度和稀释成目标液的黏度越低。聚合物干粉的粒径越小，在现场配制过程中越容易形成“鱼眼”，使现场配注难度增大。此外，聚合物超细粉含量较多时，在现场配注过程中粉尘会漂浮在空气中，对人体造成伤害。通过以上的分析可知，超细化聚合物干粉虽然能够加速溶解，但现场不宜采用，因此有必要寻求切实可行的方法加速疏水缔合聚合物的溶解。

2.2 聚合物浓度的影响

将分别装有1 000 mL JZ9-3、SZ36-1油田配注水的烧杯置于45 ℃的恒温水浴中，待配注水的温度稳定后，按照不同质量浓度的配制要求，将HAPAM干粉分别与JZ9-3、SZ36-1油田配注水混合搅拌，搅拌器的转速为100 r/min，在120 min内每隔5 min测1次黏度。聚合物配制浓度对溶解时间的影响见图2。

图2 聚合物配制浓度对溶解时间的影响

由图2可知，在2种水质下，增大HAPAM干粉的配制浓度有助于缩短溶解时间。配制浓度为2 000 mg/L时，基本溶解时间分别为65 min和90 min左右；而配制浓度为10 000 mg/L时，基本溶解时间分别为25 min和30 min左右，基本溶解时间缩短50%以上。在浓度相同的情况下，矿化度越高其溶解时间越长。随着聚合物浓度的增加，溶液中胶团的分散密度增大，这说明搅拌过程中胶团彼此间碰撞摩擦的概率增大，而且聚合物分子向水中扩散后，分子链上的羧酸基在水中电离，增强了聚合物分子之间的作用力，有利于聚合物分子向水中扩散，因此溶解速度加快。

2.3 溶剂温度的影响

将分别装有1 000 mL JZ9-3、SZ36-1油田配注水的烧杯置于不同的恒温水浴中进行预热，待配注水温度稳定后，按照质量浓度为5 000 mg/L的配制要求，将HAPAM干粉与配注水混合搅拌，搅拌器的转速为100 r/min，在160 min内每隔5 min测1次黏度。母液黏度随时间的变化见图3。在2种水质下，温度的升高有助于HAPAM干粉的溶解。温度为25 ℃时，基本溶解时间分别为75 min和140 min左右；当温度升高到65 ℃时，基本溶解时间分别为35 min和50 min左右，基本溶解时间缩短50%以上。不同温度下，基本溶解时聚合物母液的黏度随温度的增加而减小，但减幅差别不大；在温度相同的情况下，矿化度越高其溶解时间越长。

温度越高分子的动能越大，分子做无规则运动程度加剧，溶剂扩散到聚合物溶胀胶团内部的能力增强，同时使聚合物分子链间的缠结变得更松散，使聚合物分子的扩散更迅速，聚合物分子从胶团表面解离的速度加快，因而聚合物的溶解速度更快。

图3 温度对聚合物溶解时间的影响

2.4 搅拌器转速的影响

将分别装有1 000 mL JZ9-3、SZ36-1油田配注水的烧杯置于45 ℃的恒温水浴中，待配注水的温度稳定后，按照质量浓度为5 000 mg/L的配制要求，在不同搅拌器转速条件下，将HAPAM干粉与配注水混合搅拌，120 min内每隔5 min测1次黏度。母液的黏度随时间的变化见图4。在2种水质下，随着搅拌器转速的增加，HAPAM干粉颗粒的基本溶解时间逐渐减小。搅拌器的转速为50 r/min时，基本溶解时间分别为55 min和85 min左右，基本溶解时的黏度分别为2 946 mPa·s和3 050 mPa·s；当搅拌器的转速增加到200 r/min时，基本溶解时间分别为35 min和60 min左右，基本溶解时间缩短20 min左右，基本溶解时的黏度分别为2 563 mPa·s和2 610 mPa·s，聚合物溶液的黏度损失率分别为13.0%和14.4%。

提高搅拌器的转速有利于增大搅拌流体的混乱程度，加快聚合物分子从胶团表面解离的速度。但增大搅拌器的转速容易造成聚合物分子链的断裂，造成聚合物的黏度损失。

图4 搅拌速度对聚合物溶解时间的影响

3 结论

1)在2种水质条件下，减小HAPAM干粉的粒径可以缩短溶解时间，粒径为100～120 目与粒径小于20 目相比溶解时间缩短50%以上，但基本溶解时的黏度损失率超过50%。

2)增大HAPAM的配制浓度可缩短溶解时间，配制浓度10 000 mg/L与2 000 mg/L相比可以缩短溶解时间50%以上，并且基本溶解时的黏度几乎没有损失。

3)提高溶剂温度可以缩短HAPAM干粉的溶解时间，溶剂温度为65 ℃时，与25 ℃时相比溶解时间缩短50%以上，并且基本溶解时的黏度几乎没有损失。

4)增大搅拌器转速可以缩短HAPAM干粉颗粒的溶解时间20 min左右，溶液的黏度损失率小于15%。

5)现场可以通过增加聚合物的配制浓度、提高配制温度(利用平台余热)和适当改进搅拌器的搅拌效率来缩短聚合物的配制时间，提高平台的配制效率。