驅(qū)油聚合物過濾因子測試方法的研究

劉 希，伊 卓，方 昭，杜 超

（中國石化 北京化工研究院，北京 100013）

分析測試

驅(qū)油聚合物過濾因子測試方法的研究

劉 希，伊 卓，方 昭，杜 超

（中國石化 北京化工研究院，北京 100013）

采用聚碳酸酯核孔濾膜對(duì)驅(qū)油聚合物聚丙烯酰胺（PAM）過濾因子的測試方法進(jìn)行了研究。利用SEM等方法分析了濾膜孔徑與相對(duì)分子質(zhì)量的匹配關(guān)系及配制水礦化度對(duì)測試過濾因子的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)同一孔徑的濾膜，隨PAM相對(duì)分子質(zhì)量的增大，過濾時(shí)間延長。測試PAM過濾因子時(shí)，孔徑3 μm的濾膜適于相對(duì)分子質(zhì)量小于28×106的PAM；相對(duì)分子質(zhì)量大于28×106的PAM使用孔徑10 μm的濾膜較適宜。相對(duì)分子質(zhì)量為18×106的PAM在不同礦化度下通過孔徑3 μm的濾膜均可測得過濾因子。對(duì)于相對(duì)分子質(zhì)量為35×106的PAM，當(dāng)配制水礦化度大于300 mg/L時(shí)，孔徑3 μm的濾膜已不適用；如采用孔徑10 μm的濾膜，當(dāng)配制水礦化度小于1 000 mg/L或當(dāng)?shù)V化度為30 000 mg/L時(shí)，均可測得過濾因子。在油藏的實(shí)際地質(zhì)條件下進(jìn)行聚合物過濾因子測試，可更真實(shí)地反映聚合物溶液的溶解性與注入性。

驅(qū)油聚合物；聚丙烯酰胺；過濾因子；聚碳酸酯核孔濾膜

聚合物驅(qū)油技術(shù)目前是一些油田提高采收率的主要技術(shù)手段，現(xiàn)階段各個(gè)油田主要用過濾因子評(píng)價(jià)驅(qū)油聚合物的注入性和溶解性。過濾因子用于反映聚合物溶液在恒壓下通過一定孔徑濾膜后過濾量的變化。如過濾因子太大，會(huì)造成聚合物注入困難或堵塞地層。因此，油田企業(yè)把過濾因子作為驅(qū)油聚合物的一項(xiàng)重要理化性能指標(biāo)。中國石油和中國石化對(duì)驅(qū)油聚合物的過濾因子有不同的測試標(biāo)準(zhǔn)［1-2］。在測試驅(qū)油聚合物的過濾因子時(shí)，一方面要考慮所選濾膜孔徑的大小與所測聚合物的相對(duì)分子質(zhì)量是否匹配［3-12］，因?yàn)殡S合成技術(shù)的進(jìn)步［13-15］，驅(qū)油聚合物的相對(duì)分子質(zhì)量越來越大。另一方面要考慮配制水礦化度的影響，因?yàn)樵絹碓蕉嗟娜愑筒亻_展聚合物驅(qū)油，使聚合物在地層中的使用條件越來越苛刻，如高溫和高礦化度地層等。

本工作采用聚碳酸酯核孔濾膜（以下簡稱濾膜）研究了驅(qū)油聚合物聚丙烯酰胺（PAM）過濾因子的測試方法，利用SEM等方法考察了濾膜孔徑與相對(duì)分子質(zhì)量的匹配關(guān)系以及配制水礦化度對(duì)測試PAM過濾因子的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料與儀器

PAM：相對(duì)分子質(zhì)量（按SYT 5862—2008［16］中規(guī)定的方法測定）分別為10×106，18×106，22×106，28×106，35×106，實(shí)驗(yàn)室自制；濾膜：孔徑分別為3 μm和10 μm，Millipore公司。

Hitachi S-4800型冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡：日本日立公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 過濾因子的測試方法與標(biāo)準(zhǔn)

中國石油和中國石化的驅(qū)油聚合物過濾因子的測試標(biāo)準(zhǔn)見表1。

測試方法：在0.2 MPa的壓力下，將一定礦化度下質(zhì)量濃度為1 000 mg/L的聚合物溶液流過一定孔徑的濾膜，記錄順序?yàn)V出100，200，300 mL聚合物溶液的時(shí)間。

表1 中國石油和中國石化的驅(qū)油聚合物過濾因子的測試標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Test standards for the filter factors(Fr) of flooding polymers from CNPC and SINOPEC

1.2.2 過濾因子的計(jì)算

過濾因子（Fr）的計(jì)算方法見式（1）。

式中，t100，t200，t300分別為濾出100，200，300 mL聚合物溶液的時(shí)間，s。

2 結(jié)果與討論

2.1 濾膜孔徑與相對(duì)分子質(zhì)量的匹配關(guān)系

根據(jù)國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，本工作選用的濾膜是由重離子在絕緣物質(zhì)薄膜上打孔，之后由化學(xué)蝕刻擴(kuò)孔形成穿透絕緣薄膜的筆直通道，與醋酸纖維素微孔濾膜相比，該濾膜的微孔結(jié)構(gòu)為圓柱狀孔道，并具有孔徑大小均勻、表面平整、厚度薄和化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。

PAM的相對(duì)分子質(zhì)量對(duì)其過濾因子和過濾時(shí)間的影響見表2。從表2可看出，當(dāng)PAM的相對(duì)分子質(zhì)量相同時(shí)，濾膜孔徑越大，PAM的過濾時(shí)間越短；對(duì)同一孔徑的濾膜，隨PAM相對(duì)分子質(zhì)量的增大，過濾時(shí)間延長。當(dāng)PAM的相對(duì)分子質(zhì)量小于28×106時(shí)，它在通過孔徑3 μm和10 μm的濾膜時(shí)，過濾因子均接近1；而相對(duì)分子質(zhì)量為35×106的PAM在通過孔徑3 μm濾膜時(shí)，過濾時(shí)間很長，且無法測得過濾因子，而在通過孔徑10 μm的濾膜時(shí)，可測得PAM過濾因子為1.46。

表2 PAM的相對(duì)分子質(zhì)量對(duì)其過濾因子和過濾時(shí)間的影響Table 2 Effect of Mnof polyacrylamide(PAM) on its Fr and filtering time

當(dāng)PAM無法通過濾膜，或過濾時(shí)間遠(yuǎn)超過規(guī)定時(shí)間時(shí)，無法測得過濾因子。濾膜過濾PAM前后的SEM照片見圖1。從圖1可看出，對(duì)于孔徑10 μm的濾膜，即使過濾相對(duì)分子質(zhì)量為35×106的PAM后，濾膜表面的孔洞除少數(shù)被不溶物堵住之外，大多數(shù)孔仍是暢通的（見圖1b）；而對(duì)于孔徑3 μm的濾膜，當(dāng)過濾相對(duì)分子質(zhì)量為28×106的PAM后，濾膜表面一部分孔洞已被大量的不溶物堵塞（見圖1d）；如過濾相對(duì)分子質(zhì)量為35×106的PAM后，濾膜表面完全被不溶物堵塞（見圖1e），PAM分子不能通過濾膜，故無法測得其過濾因子。

圖1 濾膜過濾PAM前后的SEM照片F(xiàn)ig.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在生產(chǎn)時(shí)受生產(chǎn)工藝和原料的影響，不可避免含有一定量的不溶物，而驅(qū)油聚合物標(biāo)準(zhǔn)中有不溶物含量的指標(biāo)規(guī)定（如在配制水礦化度1 000 mg/L、聚合物質(zhì)量濃度5 000 mg/L、25 μm鋼網(wǎng)的條件下，不溶物含量小于0.2%（w））。由于不溶物含量和過濾因子兩個(gè)指標(biāo)的測試條件不同，在實(shí)際應(yīng)用中，會(huì)出現(xiàn)不溶物含量指標(biāo)合格，而過濾因子指標(biāo)不合格的情況。在中高滲油藏中驅(qū)油使用的PAM的相對(duì)分子質(zhì)量越高，其增黏性、對(duì)油層的調(diào)剖能力及控制油水流度比的能力越強(qiáng)，提高原油采收率的幅度越高。因此，在其他溶解性指標(biāo)合格（溶解時(shí)間小于2 h，不溶物含量小于0.2%（w））的前提下測試PAM的過濾因子時(shí)，孔徑3 μm的濾膜適用于相對(duì)分子質(zhì)量小于28×106的PAM，相對(duì)分子質(zhì)量大于28×106的PAM則使用孔徑10 μm的濾膜較適宜。

2.2 配制水礦化度的影響

不同油藏的地下水有不同的礦化度，如大慶油田地下水礦化度普遍偏低，而勝利油田地下水礦化度普遍偏高，相應(yīng)的PAM溶液配制水的礦化度也差別較大。相對(duì)分子質(zhì)量為18×106的PAM，在不同礦化度下通過孔徑3 μm的濾膜時(shí)，礦化度對(duì)PAM過濾因子和過濾時(shí)間的影響見表3。

表3 礦化度對(duì)PAM過濾因子和過濾時(shí)間的影響（Mn=18×106）Table 3 Effects of TDS on Fr and the filtering time of PAM(Mn=18×106)

從表3可看出，相對(duì)分子質(zhì)量較小的PAM通過孔徑3 μm的濾膜時(shí)，在不同的礦化度下均可測得過濾因子。當(dāng)?shù)V化度由300 mg/L增至7 500 mg/L時(shí)，過濾時(shí)間呈逐漸縮短的趨勢，原因是隨礦化度的增大，PAM的分子線團(tuán)由柔順舒展逐漸蜷縮變小，因此過濾時(shí)間變短；當(dāng)?shù)V化度增至15 000 mg/L時(shí)，過濾時(shí)間又開始延長，這是因?yàn)镻AM的溶解性隨礦化度的增加而變差，分子線團(tuán)相互纏結(jié)使濾膜堵塞的面積增大；當(dāng)?shù)V化度繼續(xù)增加到30 000 mg/L時(shí)，PAM分子線團(tuán)進(jìn)一步蜷縮變小占據(jù)了主導(dǎo)作用，過濾時(shí)間又開始縮短。

相對(duì)分子質(zhì)量為35×106的超高相對(duì)分子質(zhì)量PAM在不同礦化度下，分別通過孔徑3 μm和10 μm的濾膜時(shí)，礦化度對(duì)其過濾因子和過濾時(shí)間的影響

見表4。

表4 礦化度對(duì)超高相對(duì)分子質(zhì)量PAM過濾因子和過濾時(shí)間的影響（Mn=35×106）Table 4 Effect of TDS on Fr and the filtering time of PAM(Mn=35×106)

從表4可看出，對(duì)于超高相對(duì)分子質(zhì)量的PAM，當(dāng)采用孔徑3 μm的濾膜時(shí)，只在配制水礦化度為300 mg/L的條件下，可測得PAM的過濾因子，這是因?yàn)楫?dāng)PAM相對(duì)分子質(zhì)量較大時(shí)，只有在礦化度較小時(shí)，PAM的分子線團(tuán)充分柔順才可緩慢通過濾膜，但測試時(shí)間長；隨配制水礦化度的增大，PAM的溶解性變差，濾膜直接被堵塞，因此無法測得過濾時(shí)間，僅在配制水礦化度增至30 000 mg/ L時(shí)，PAM的分子線團(tuán)蜷縮非常小，才能測得濾出100 mL和200 mL時(shí)的過濾時(shí)間，但測試時(shí)間超過6 h后，由于濾膜被堵塞，無法測得濾出300 mL時(shí)的過濾時(shí)間。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于相對(duì)分子質(zhì)量為35×106的PAM，當(dāng)配制水礦化度大于300 mg/ L時(shí)，孔徑3 μm的濾膜已不能適用。如采用孔徑10 μm的濾膜，當(dāng)配制水礦化度小于1 000 mg/L時(shí)，可測得PAM的過濾因子；而當(dāng)?shù)V化度增至7 500 mg/ L和15 000 mg/L時(shí)，由于PAM的溶解性變差，其過濾因子無法測得；但當(dāng)配制水礦化度繼續(xù)增至30 000 mg/L時(shí)，此時(shí)由于PAM的分子線團(tuán)蜷縮至非常小，可測得其過濾因子。

在實(shí)際應(yīng)用中，由于油田污水的處理量越來越大，常用污水取代清水配制PAM溶液，即配制水礦化度變大，這直接影響PAM分子線團(tuán)的水力學(xué)體積。配制水礦化度越大，PAM的分子線團(tuán)水力學(xué)體積越小，有利于其通過濾膜；但配制水礦化度越大，PAM分子鏈的蜷縮與纏繞現(xiàn)象越嚴(yán)重，PAM的溶解性變差。

3 過濾因子測試方法的探討

在油藏實(shí)際地質(zhì)條件下測試聚合物的過濾因子，可更真實(shí)地反映聚合物溶液的溶解性和注入性。具體測試時(shí)應(yīng)注意以下3點(diǎn)：1）聚合物的質(zhì)量濃度一致。測試過濾因子時(shí)，聚合物待測液的質(zhì)量濃度與注入實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的質(zhì)量濃度一致，可真實(shí)反映當(dāng)前測試的質(zhì)量濃度下聚合物的注入性。2）配制水礦化度一致。注入實(shí)驗(yàn)方案中與實(shí)驗(yàn)室配制聚合物待測液的配制方法保持一致。3）測試溫度一致。以污水聯(lián)合處理站出來的污水溫度為參考，在此溫度下配制聚合物待測液以測定實(shí)際應(yīng)用溫度下聚合物的過濾因子。如星型疏水締合型聚合物［17］，溫度對(duì)其溶解性有很大影響，其過濾因子應(yīng)在實(shí)際應(yīng)用溫度條件下進(jìn)行測試。

4 結(jié)論

1）對(duì)同一孔徑的濾膜，隨PAM相對(duì)分子質(zhì)量的增大，過濾時(shí)間延長。測試PAM過濾因子時(shí)，孔徑3 μm的濾膜適用于相對(duì)分子質(zhì)量小于28×106的PAM；對(duì)相對(duì)分子質(zhì)量大于28×106的PAM，孔徑10 μm的濾膜較適宜。

2）相對(duì)分子質(zhì)量為18×106的PAM，在不同礦化度下通過孔徑3 μm的濾膜時(shí)均可測得過濾因子。對(duì)于相對(duì)分子質(zhì)量為35×106的PAM，當(dāng)配制水礦化度大于300 mg/L時(shí)，孔徑3 μm的濾膜已不適用；如采用孔徑10 μm的濾膜，當(dāng)配制水礦化度小于1 000 mg/L時(shí)可測得PAM的過濾因子，繼續(xù)增大礦化度，無法測得過濾因子，但當(dāng)?shù)V化度為30 000 mg/L時(shí)，由于PAM的分子線團(tuán)蜷縮，可測得PAM的過濾因子。

3）在油藏的實(shí)際地質(zhì)條件下進(jìn)行聚合物過濾因子的測試，可更加真實(shí)反映聚合物溶液的溶解性與注入性。

［1］ 中國石油天然氣股份有限公司勘探與生產(chǎn)專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì). Q/SY 119—2007 驅(qū)油用部分水解聚丙烯酰胺技術(shù)要求［S］. 北京：石油工業(yè)出版社，2007.

［2］ 中國石油化工股份有限公司. Q/SH 0237—2008 驅(qū)油用聚丙烯酰胺技術(shù)要求［S］. 北京：中國石化出版社，2008.

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（編輯 鄧曉音）

Testing Method for Filter Factors of Flooding Polymers

Liu Xi，Yi Zhuo，F(xiàn)ang 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，F(xiàn)r 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。

劉希（1983—），男，北京市人，碩士，工程師，電話 010 - 59202931，電郵 liux.bjhy@sinopec.com。