抗鹽聚合物對(duì)采出液和采出水油水分離特性的影響研究

李瑞達(dá) 邵臣良 吳迪 薛強(qiáng) 張?chǎng)?/p>

1大慶油田設(shè)計(jì)院有限公司

2大慶油田有限責(zé)任公司技術(shù)發(fā)展部

為提高二、三類油層的原油采收率，大慶油田在多個(gè)區(qū)塊展開了不同類型抗鹽聚合物的應(yīng)用。不同于普通部分水解聚丙烯酰胺，通過(guò)改性或引入具有特殊功能的結(jié)構(gòu)單元得到的抗鹽聚合物具有更優(yōu)異的耐溫、耐鹽、抗剪切及保黏性能，能夠更好地適應(yīng)二、三類油層開發(fā)，有效提高采收率[1-3]；但部分抗鹽聚合物驅(qū)采出液進(jìn)入常規(guī)聚合物驅(qū)地面系統(tǒng)處理后出現(xiàn)了油珠聚并困難、處理難度大幅度增加、處理費(fèi)用增高等問(wèn)題[4]，其中在薩中開發(fā)區(qū)北部和杏八區(qū)丁塊應(yīng)用的兩種抗鹽聚合物的影響尤其嚴(yán)重。

針對(duì)驅(qū)油聚合物對(duì)采出液油水分離特性的影響已做過(guò)大量研究，得到的結(jié)論主要是聚合物能夠增強(qiáng)乳狀液穩(wěn)定性[5-7]：隨著聚合物濃度的增大油珠表面的電荷密度也會(huì)隨之增強(qiáng)，阻礙油珠的聚集和聚并；此外聚合物還會(huì)增大采出液的水相黏度，降低界面膜的排液速度以及油珠的上浮速度，從而增強(qiáng)采出液和采出水的穩(wěn)定性。

為實(shí)現(xiàn)抗鹽聚合物驅(qū)采出液和采出水的有效處理，需要針對(duì)抗鹽聚合物對(duì)采出液和采出水的油水分離特性的影響進(jìn)行研究，確定抗鹽聚合物影響采出液和采出水油水分離特性的主要機(jī)制，從而為抗鹽聚合物驅(qū)采出液處理藥劑、工藝和設(shè)備研發(fā)提供理論指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 材料和設(shè)備

油樣：脫水脫氣原油，取自大慶油田第一采油廠北Ⅰ-1聯(lián)合站外輸流量計(jì)處。

化學(xué)試劑：無(wú)水碳酸鈉、碳酸氫鈉、無(wú)水硫酸鈉、氯化鈉，均為分析純；表面活性劑AES（工業(yè)品），白貓（遼寧）有限公司產(chǎn)品。

模擬水驅(qū)采出水樣：參照大慶油田第四采油廠水驅(qū)采出水水質(zhì)分析數(shù)據(jù)配制的模擬采出水樣（表1）。

表1 模擬水驅(qū)采出水配方Tab.1 Formula of simalated produced water by water floodingmg/L

模擬聚合物驅(qū)采出水：按表1配方配制的模擬水驅(qū)采出水樣溶解表2中所示的聚合物干粉，配制聚合物質(zhì)量濃度為2 000 mg/L的母液，用模擬水驅(qū)采出水稀釋聚合物母液得到不同聚合物含量的模擬常規(guī)和抗鹽聚合物驅(qū)采出水。

表2 試驗(yàn)中使用的聚合物干粉樣品Tab.2 Sample of polymer dry powder used in the tests

儀器：KINEMATICA PT3100D 均化儀，Leica DMRXP 偏光顯微鏡，Krüss K20 界面張力儀，Ankersmid EyeTech 激光粒度粒形分析儀，Haake MARS流變儀。

1.2 含水率為80%的模擬O/W型采出液制備和油水分離特性評(píng)價(jià)方法

在容積為500 mL 的Schott 瓶中加入油樣60 g、模擬聚合物驅(qū)采出水240 g；將Schott 瓶置于40 ℃水浴中預(yù)熱30 min；將Schott 瓶放到振幅為4 cm、頻率為280 min-1的振蕩機(jī)上振蕩6 min，制得含水率為80%的模擬O/W 型采出液；將Schott 瓶置于40 ℃水浴中靜置30 min后取出，上下顛倒1次，置于室溫下靜置60 s，用配有長(zhǎng)針頭的注射器從Schott 瓶底部抽取40 mL 水樣，參照石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5329—2012 中的步驟測(cè)定其含油量，記作水相乳化含油量[8]；用注射器將Schott 瓶?jī)?nèi)的水層和油水過(guò)渡層全部抽出，用顯微鏡拍攝油水過(guò)渡層的顯微照片；將Schott瓶上下手振50次使其中殘留的油樣混合均勻，倒出50 g 油樣參照國(guó)標(biāo)GB/T 8929測(cè)定其含水率，記作油相含水率。

1.3 含油質(zhì)量濃度為1 000 mg/L的模擬采出水制備和油水分離特性評(píng)價(jià)方法

在容積為500 mL的Schott瓶中配制200 g聚合物A和表面活性劑AES質(zhì)量濃度（下同）均為1 000 mg/L的水樣，加入油樣200 g后置于水溫為40 ℃的水浴中預(yù)熱30 min；將Schott瓶?jī)?nèi)的油水樣用均化儀在20 000 r/min的轉(zhuǎn)速下乳化5 min，制得含油量為50%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的油珠母液[9]；用模擬水驅(qū)采出水將油珠母液稀釋100倍，制得含油質(zhì)量濃度為5 000 mg/L的水樣；在容積為1 000 mL的Schott瓶中加入200 g 含油濃度為5 000 mg/L的水樣、模擬聚合物驅(qū)采出水800 g，上下振蕩50次混合均勻，制得初始含油濃度為1 000 mg/L的模擬聚合物驅(qū)采出水；將Schott瓶置于40 ℃水浴中靜置24 h后，用注射器從瓶底抽取40 mL水樣測(cè)定其含油量，記作水相懸浮含油量[8]。

1.4 含油量為2%的O/W型模擬采出液制備和油珠粒徑分布測(cè)試方法

在容積為1 000 mL 的Schott 瓶中加入796 g 模擬聚合物驅(qū)采出水，放入40 ℃烘箱老化16 h；用均化儀在20 000 r/min下將Schott瓶?jī)?nèi)的水樣攪拌均勻至產(chǎn)生穩(wěn)定漩渦；向漩渦處加入16 g 已預(yù)熱至40 ℃的油樣，在20 000 r/min下乳化2 min，制得含油量為2%的模擬采出液；用Ankersmid EyeTech 激光粒度粒形分析儀測(cè)試O/W 型模擬采出液中油珠的粒徑分布。

1.5 油水界面平衡界面張力測(cè)試

張力測(cè)試采用Krüss K20界面張力儀進(jìn)行，測(cè)試探頭采用Wilhelmy 板，測(cè)試溫度為45 ℃，測(cè)試介質(zhì)為不含破乳劑的脫水脫氣原油和模擬聚合物驅(qū)采出水，測(cè)試前油樣和水樣在測(cè)試杯中靜置預(yù)平衡30 min。

1.6 水相黏度測(cè)試

黏度測(cè)試采用哈克MARS流變儀，測(cè)試介質(zhì)為模擬聚合物驅(qū)采出水，檢測(cè)參數(shù)為：7.36 s-1、40 ℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 聚合物對(duì)O/W 型模擬聚合物驅(qū)采出液油水分離特性的影響

從圖1可以看出，含水率為80%的O/W型聚合物驅(qū)采出液在40 ℃下經(jīng)過(guò)30 min 靜置沉降后，油相含水率隨水相普通聚丙烯酰胺A含量增大而逐漸降低，但隨水相抗鹽聚合物B 和C 含量增大而增大，其中抗鹽聚合物C對(duì)油水分離的影響程度略大于抗鹽聚合物B。從圖2 看出，含水率為80%的O/W 型聚合物驅(qū)采出液在40 ℃下經(jīng)過(guò)30 min 靜置沉降后的水相乳化油量隨水相聚合物A、B 和C 含量增大均呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，且少量抗鹽聚合物B和C便會(huì)造成采出液破乳難度大幅增高。相同水相聚合物含量下，含有抗鹽聚合物B和C的模擬采出液經(jīng)過(guò)30 min靜置沉降后，水相乳化含油量相較含普通部分水解聚丙烯酰胺A的模擬采出液分別最大相差62.5倍和87.2倍。

圖1 聚合物對(duì)含水率為80%的O/W型模擬聚合物驅(qū)采出液靜置沉降30 min后油相含水率的影響Fig.1 Effects of polymers on water cut of oil phase of O/W type simulated polymer flooding produced fluid with an initial water cut of 80%after 30 min static settlement

圖2 聚合物對(duì)含水率為80%的O/W型模擬聚合物驅(qū)采出液靜置沉降30 min后水相乳化油量的影響Fig.2 Effects of polymers on emulsified oil content in the water phase of O/W type simulated polymer flooding produced fluid with an initial water cut of 80%after 30 min static settlement

綜合上述分析發(fā)現(xiàn)，抗鹽聚合物會(huì)大幅增大采出液的油水分離難度，且對(duì)分離采出水含油量的影響程度遠(yuǎn)大于油相含水率，三種聚合物對(duì)采出液油水分離特性的影響程度排序?yàn)椋嚎果}聚合物B＞抗鹽聚合物C＞普通部分水解聚丙烯酰胺A。

2.2 聚合物對(duì)模擬聚合物驅(qū)采出水油水分離特性的影響

從圖3 看出，少量抗鹽聚合物B 和C 的存在就會(huì)大幅增大模擬采出水的油水分離難度。相同聚合物含量下，含有抗鹽聚合物B和C的模擬采出水經(jīng)過(guò)24 h靜置沉降，水相懸浮油量較含有普通部分水解聚丙烯酰胺A的模擬采出水分別最大相差6倍和5.2 倍，抗鹽聚合物B 對(duì)殘余水相懸浮油量的影響程度大于抗鹽聚合物C。三種聚合物對(duì)模擬采出水油水分離特性的影響程度排序?yàn)椋嚎果}聚合物B＞抗鹽聚合物C＞普通部分水解聚丙烯酰胺A。

圖3 聚合物對(duì)初始含油濃度為1 000 mg/L的聚合物驅(qū)模擬采出水靜置沉降24 h后殘余水相懸浮油量的影響Fig.3 Effects of polymers on the residual suspended oil content in the water phase of simulated polymer flooding produced water with an initial oil content of 1 000 mg/L after 24 h static settlement

2.3 聚合物對(duì)油水界面張力的影響

從圖4看出，油水平衡界面張力隨水相抗鹽聚合物B和C含量增大逐漸降低，在水相聚合物含量為400 mg/L的情況下，兩種聚合物可將油水平衡界面張力從不含聚合物情況下的18.4 mN/m 分別降低到11.7 mN/m 和13.2 mN/m，表明這兩種聚合物均具有顯著的油水界面活性，易吸附在油滴表面影響油水界面膜的性質(zhì)。

圖4 聚合物對(duì)油水平衡界面張力的影響Fig.4 Effects of polymers on equilibrium oil/water interfacial tension

2.4 聚合物對(duì)水相黏度的影響

從圖5 看出，水相黏度隨3 種聚合物含量增大均呈上升趨勢(shì)；相同濃度下，抗鹽聚合物B的增黏效果大于抗鹽聚合物C。

圖5 聚合物含量對(duì)聚合物水溶液黏度的影響Fig.5 Effects of polymer content on the viscosity of aqueous polymer solutions

2.5 聚合物對(duì)模擬采出液油珠粒徑的影響

從圖6 看出，抗鹽聚合物B 和抗鹽聚合物C 均會(huì)使模擬采出液中油珠粒徑變小，乳化程度增強(qiáng)；相同濃度下，抗鹽聚合物B對(duì)模擬采出液油水乳化程度的影響大于抗鹽聚合物C。

圖6 聚合物對(duì)含油量為2%的O/W型模擬采出液中粒徑的影響Fig.6 Effects of polymers on oil droplet sizes in O/W type simulated produced fluid with an initial oil content of 2%

2.6 具有油水界面活性的抗鹽聚合物對(duì)O/W 型乳狀液穩(wěn)定性的影響機(jī)制

2.6.1 高乳化程度穩(wěn)定機(jī)制

具有較高油水界面活性的抗鹽聚合物會(huì)降低采出液界面張力。根據(jù)公式（1）[10]可知，油水界面張力降低會(huì)導(dǎo)致采出液中油珠粒徑變小，增大采出液的油水乳化程度。根據(jù)Stokes公式（2），O/W型原油乳狀液中的油滴上浮速率與油滴粒徑平方成正比，因此抗鹽聚合物B和C不僅增大了O/W型采出液的乳化程度，還使其油水分離速度大幅度降低。

式中：dmax為簡(jiǎn)單剪切力場(chǎng)中的最大液滴直徑，m；σ為分散相和連續(xù)相之間的界面張力，mN/m；μc為連續(xù)相的動(dòng)態(tài)黏度，Pa·s；G為剪切速率，s-1；Cacrit為液滴破裂的臨界毛細(xì)管數(shù)，取決于分散相黏度與連續(xù)相黏度的比值。

式中：Vt為液滴上浮速度，m/s；ρc為連續(xù)相密度，kg/m3；ρd為分散相密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；d為液滴直徑，m；μ為連續(xù)相黏度，Pa·s。

2.6.2 高連續(xù)相黏度穩(wěn)定機(jī)制

根據(jù)Stokes公式（2），O/W型原油乳狀液中的油滴上浮速度與水相黏度成反比，因此抗鹽聚合物對(duì)采出液水相的增黏作用導(dǎo)致油珠上浮速度下降。水相黏度越大，油珠上浮速度就越慢，乳狀液分層所需時(shí)間越長(zhǎng)，即采出液越穩(wěn)定。

2.6.3 靜電斥力穩(wěn)定機(jī)制

從圖7看出，含有抗鹽聚合物B和C的模擬O/W型采出液在長(zhǎng)時(shí)間靜置沉降過(guò)程中水層中出現(xiàn)多個(gè)從上到下含油量逐漸降低的亞層，表明水層中的油滴之間存在很強(qiáng)的靜電排斥力，其形成機(jī)理為：具有較高油水界面活性、表面帶有過(guò)剩負(fù)電荷的聚合物分子團(tuán)吸附在油珠表面，會(huì)增大油珠表面的過(guò)剩負(fù)電荷密度，使得油珠之間的靜電排斥力增大，其作用結(jié)果會(huì)延遲油珠的上浮和聚集。

圖7 采出液沉降過(guò)程中水層內(nèi)的多個(gè)亞層實(shí)物圖Fig.7 Physical picture of multiple sublayers in water layer during the produced fluid static settlement

2.6.4 空間位阻穩(wěn)定機(jī)制

從圖8 看出，含有抗鹽聚合物B 和C 的模擬O/W型采出液經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間靜置沉降后，在油水界面下方出現(xiàn)的O/W 型油水過(guò)渡層中存在由小油珠（粒徑<10 μm）聚集形成的聚集體，盡管這些油滴之間已經(jīng)充分靠近，但仍不能發(fā)生聚并而合并成大油滴，只能形成相對(duì)松散的次穩(wěn)態(tài)聚集體。從圖9看出，油珠次穩(wěn)態(tài)聚集體的形成機(jī)制為：較高油水界面活性、表面帶有過(guò)剩負(fù)電荷的聚合物分子團(tuán)吸附在油珠表面，其一部分子鏈還會(huì)在水相中伸展，形成了阻礙油滴間進(jìn)一步接近進(jìn)而發(fā)生聚并的所謂空間位阻[11-12]。

圖8 含有抗鹽聚合物B和C的模擬O/W型采出液靜置沉降過(guò)程中油水過(guò)渡層的顯微鏡照片F(xiàn)ig.8 Micrograph of oil-water transition layer in O/W gype simulated produced liquid prepared with polymer B and C during static settlement

圖9 膠體粒子之間的靜電斥力和空間位阻Fig.9 Static electrical repulse and steric hindrance among colloidal particles

油珠在距離較遠(yuǎn)時(shí)由雙電層產(chǎn)生的靜電斥力起主導(dǎo)作用，使采出液形成穩(wěn)定的懸浮態(tài)、產(chǎn)生水層分多個(gè)亞層的現(xiàn)象；油珠在距離較近時(shí)空間位阻產(chǎn)生影響，阻止分散的油珠發(fā)生聚并，使O/W 型采出液中形成圖8所示的次穩(wěn)態(tài)油珠聚集體。

3 結(jié)論

（1）大慶油田薩中開發(fā)區(qū)北部和杏八區(qū)丁塊應(yīng)用的兩種抗鹽聚合物，均會(huì)造成采出液和采出水中O/W型乳狀液穩(wěn)定性顯著增大；對(duì)采出液和采出水油水分離特性的影響程度排序?yàn)椋嚎果}聚合物B＞抗鹽聚合物C＞普通部分水解聚丙烯酰胺A。

（2）具有油水界面活性的抗鹽聚合物對(duì)采出液和采出水油水分離特性的影響機(jī)制主要為：聚合物B和C分子團(tuán)具有油水界面活性，還帶有過(guò)剩負(fù)電荷，其吸附在油滴表面會(huì)降低油水界面張力，增大采出液的油水乳化程度；同時(shí)還會(huì)增大油滴表面的過(guò)剩負(fù)電荷密度，產(chǎn)生阻礙油珠間相互聚集和聚并的靜電斥力和空間位阻；此外聚合物B和C對(duì)水相的增黏作用還降低了油珠的上浮速度。