聚合物清水配制液的微波降黏實驗*

李 楓 肖廣闊 馬志權 丁康玉 范雯洋

聚合物清水配制液的微波降黏實驗*

李 楓1 肖廣闊2 馬志權3 丁康玉4 范雯洋5

1東北石油大學 2大慶油田采油十廠 3大慶油田采油工程研究院4大慶油田井下作業(yè)分公司 5大慶油田采油二廠

微波降黏技術是基于微波原理，利用極化物質在高頻電磁場作用下旋轉，從而剪切聚合物長鏈，破壞分子結構，降低處理水的黏度，實現(xiàn)含聚污水的再利用。室內研究結果表明：同一濃度下，流量越小，黏度損失就越大，且各種流量的最大黏度損失都發(fā)生在最大微波功率處；在同一流量下，隨著濃度增加，降黏效果更加顯著。清水配制HPAM水溶液的微波降黏效率要比污水配制的高，高濃度聚合物水溶液可得到微波作用的最佳功率。

聚合物；清水配制液；實驗；微波降黏

微波降黏技術是基于微波原理，利用極化物質在高頻電磁場作用下旋轉，從而剪切聚合物長鏈，破壞分子結構，降低處理水的黏度，實現(xiàn)含聚污水的再利用。

1 實驗物性條件

影響聚合物水溶液黏度的因素有很多，主要是聚合物自身和配制用水的性質。目前大慶油田三次采油中廣泛應用的聚合物是部分水解聚丙烯酰胺（HPAM）。

為了簡化實驗條件，掌握微波降黏程度并考查該方法的實踐可行性，室內研究用清水配制聚合物液體，設計了一個小型微波降黏處理裝置，可使液體流量控制在0.25～1m3/h，微波功率控制在1～8kW。

2 實驗過程及效果

2.1 不同流量時降黏效率隨功率的變化

因采油現(xiàn)場常用的聚合物濃度為400～600 mg/L，所以本次實驗的HPAM水溶液濃度先以400 mg/L為例，在0.25、0.5、0.75、1 m3/h這4種流量下分別改變功率，測量降黏效率，具體的變化規(guī)律如圖1所示。

圖1 不同流量時黏度隨功率的變化曲線

由圖1可見，在同一濃度下，隨流量和功率的不同，水溶液黏度呈現(xiàn)下降趨勢。由于實驗針對同一種聚合物配制液，所以起始黏度相同，均為8.2 mPa·s；隨著功率的增加，針對不同流量黏度呈現(xiàn)出不同的下降幅度，但4條曲線仍有相似之處。

從清水配置濃度為400 mg/L的HPAM水溶液在流量和微波作用功率影響下的具體黏度損失率可知，流量越小，黏度損失越大，且各種流量的最大黏度損失都發(fā)生在最大微波功率處。HPAM水溶液黏度開始幾乎不變是因為初始功率較低，剪切作用很小，大分子構象不改變，對黏度沒有影響（0.25m3/h流量的黏度有所變化，略有下降是因為其流量過低，相對剪切作用時間會長一些）。隨著功率的增加，電場的強度也逐漸增大，剪切速率增大，分子間的剪切作用越來越劇烈；切應力使高分子結構發(fā)生了變化，破壞了平衡態(tài)，使聚合物解纏，分子鏈間相互分離，導致聚合物高分子鏈開始蜷曲，甚至有些開始斷裂，所以黏度開始降低。從降黏效果上來看，流量為0.5 m3/h時，其降黏效果與流量為0.25 m3/h時相似，均比0.75和1 m3/h流量時要高；而流量為0.75 m3/h比流量為1 m3/h降黏效果要好，這是因為0.75 m3/h比1 m3/h聚合物水溶液受微波剪切作用的時間更長一些，降黏作用更充分一些。

綜合考慮降黏效果，將最佳流量定為0.5 m3/h，在此基礎上改變其他參數(shù)來進行實驗。

2.2 不同水溶液濃度時降黏效率隨功率的變化

水溶液黏度隨著濃度的增加而增加，且增幅相應的越來越大。以最佳流量為基準流量，分別取HPAM水溶液濃度為200、400、800、1 000、1 500和2 000 mg/L，改變微波功率，觀察黏度隨微波作用功率的變化規(guī)律，如圖2所示。

圖2 不同水溶液濃度時黏度隨功率變化曲線

由圖2可知，水溶液在經過微波降黏反應裝置作用后，黏度都會有一定程度的降低，但下降幅度略有不同。隨著濃度增加，黏度下降的幅度也越來越大，即降黏效果越越顯著。這是因為隨著質量濃度的增加，分子內間距越來越小，使得水溶液中許多的分子鏈交合在一起，形成了網(wǎng)格結構的凝膠體。

以2 000 mg/L濃度HPAM水溶液為例，當微波功率分別為6、7和8 kW時，黏度損失率相應為54.5%、55.3%和56.3%，幾乎相近，從圖2也可看出這3點近似為一直線，所以可認為該濃度的HPAM水溶液的最佳功率為6 kW。HPAM水溶液濃度為1 500 mg/L時，當微波功率分別7和8 kW時，黏度損失率分別為40.2%和40.3%，其微波最佳功率為7 kW。這兩種濃度的HPAM水溶液的最佳功率不同，是由于水溶液內凝膠體密度不同造成的。濃度越高，其內部凝膠體越多，而恰恰微波對HPAM內凝膠體的破壞最強，當水溶液吸收了一定功率的微波以后，凝膠體基本被破壞殆盡，而剩余的微波能量用來產生剪切其余的長分子鏈，降黏效率不明顯。綜合能耗和降黏效果來看，可以認為使凝膠體破壞的微波功率即為最佳功率。

3 結論

室內用清水配制HPAM聚合物液體，設計了實驗方案，得出了降黏效率隨不同流量及不同微波作用功率的變化規(guī)律。結果表明：同一濃度下，流量越小，黏度損失就越大，且各種流量的最大黏度損失都發(fā)生在最大微波功率處；在同一流量下，隨著濃度增加，降黏效果更加顯著。結合前期污水配制液的微波降黏實驗研究，清水配制的HPAM水溶液的微波降黏效率要比污水配制的高，高濃度聚合物水溶液可得到微波作用的最佳功率。

（欄目主持 楊 軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.3.017