室內模擬硫化氫對聚合物粘度影響研究方法的建立

李金環，傅小麗，卓玉梅

[1.中石化石油工程設計有限公司，山東 東營 257000；2.中國石油大學(華東) 化學工程學院，山東 青島 266580；3.中石化勝利石油工程有限公司 測井公司，山東 東營 257096]

硫化氫[1]是一種劇毒的危害性氣體，特別是高含硫化氫氣體，對油田的危害十分嚴重。配注污水中若含有一定量的硫化氫氣體，將導致配注液粘度降低，原油采收率下降。含硫化氫污水對配注液粘度的影響及對策研究是保證聚合物驅提高采收率[2]的重要組成部分。

經查閱相關文獻，目前國外專家學者對硫化氫的地質成因、分布等進行了全面的研究。國內在這方面的研究起步較晚，我國專家學者在查閱大量國外相關研究領域的文獻后，對硫化氫的地質成因、分布等方面有了較深刻的認識，在此基礎上做了更深入的探討[3-4]。目前有關污水影響聚合物溶液降粘方面的研究較多[5-9]，但國內外就污水中硫化氫對聚合物溶液粘度影響的相關報道卻少之又少。另外，含硫化氫污水難以室內存儲，無法準確測定其對聚合物溶液粘度影響規律。針對這些問題，作者通過室內合成硫化氫，建立了室內研究硫化氫對聚合物粘度影響實驗方法。通過實驗研究確定了比較理想的室內合成硫化氫的條件，從而確定了硫化氫對聚合物粘度影響的最佳室內模擬條件[10]。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

硫化鈉：上海統亞化工科技有限公司；無水氯化鈣：天津巴斯夫化工有限公司；氯化鈉、六水合氯化鎂：國藥集團化學試劑有限公司；鹽酸：河北省滄州化學試劑廠東平分廠；氫氧化鈉：萊陽市經濟技術開發區精細化工廠，以上試劑均為分析純。聚丙烯酰胺：相對分子質量2×107，水解度20%，山東寶莫生物化工股份有限公司。

CP214電子天平：奧豪斯儀器(上海)有限公司；GBW氮氣裝置：山東省半導體研究所；DV-ⅢBrookfield可編程流變儀：美國博樂飛公司；DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪器：鞏義市予華儀器有限責任公司；ZZW加熱反應器、ZZW-Ⅱ/P水質多參數現場測試儀：河南省科學院鄭州沃特測試技術有限公司；LZB-3WB微小流量玻璃轉子流量計：常州市成豐流量儀表有限公司；MY3000-6N混凝試驗攪拌儀：武漢梅宇儀器有限公司。

1.2 操作步驟

裝置的構成依次為氮氣發生裝置、硫化氫生成裝置、硫化氫吸收裝置及聚合物攪拌裝置。操作過程如下：將含一定量硫化鈉的溶液加入到硫化氫生成裝置中，滴加鹽酸，氮氣為載氣在一定流速下吹脫，最終采用200 mL的堿液吸收，ZZW-Ⅱ/P水質多參數儀檢測S2-含量，評價硫化氫轉化率，從而確定吹脫條件。

1.3 模擬污水與聚合物溶液的配制

模擬污水中離子組成見表1。

表1 模擬污水中離子組成

依據現場水各主要離子的礦化度，用去離子水配制以上離子濃度相似的模擬污水。

2 結果與討論

2.1 反應溫度對硫化氫回收率的影響

在反應時間30 min，氮氣流量0.2 L/min，鹽酸在5 min內滴加完畢條件下，考察反應溫度對硫化氫回收率的影響，其實驗結果見圖1。

t/℃圖1 硫化氫回收率與反應溫度變化關系

從圖1可以看出，隨著反應溫度的升高硫化氫的回收率逐漸升高，反應溫度為70～80 ℃時升高較大。當反應溫度為80 ℃時硫化氫回收率約為90%，大于80 ℃后，硫化氫回收率基本不變。該發生裝置是一個吹脫-氣提過程，體系的宏觀性質(T、p等)不隨時間變化而變化，鹽酸逐滴加入硫化鈉溶液中反應時，產生的少量硫化氫氣體分子溶解在硫化鈉溶液中，當達到氣液平衡[11-13]時，繼續滴加鹽酸，富裕和溶解在液相中的硫化氫氣體在氮氣的吹掃下將克服分之間作用力從液相穿過氣液界面轉移到氣相中從而達到脫除的目的。此外，硫化氫在水中的溶解度隨溫度升高而降低(見表2)。

表2 H2S在水中的溶解度(氣相分壓101.325 kPa)

因此，相同條件下，升高溫度有利于硫化氫收率的提高，80 ℃達到最佳，繼續升溫對硫化氫收率影響較小，反應溫度選為80 ℃適宜。

2.2 氮氣流量對硫化氫回收率的影響

在反應溫度80 ℃，反應時間30 min，鹽酸在5 min內滴加完畢條件下，考察氮氣流量對硫化氫回收率的影響，其實驗結果見圖2。

由圖2可知，隨氮氣流量的加大硫化氫的回收率呈先增大后減小的趨勢。當氮氣流量為0.1～0.5 L/min時硫化氫回收率均約90%。雖然在氮氣流量0.1～0.5 L/min下均可以實現硫化氫吹脫，但將硫化氫氣體通入聚合物溶液中測定其對粘度的影響時，為了增加硫化氫與聚合物溶液的氣液接觸時間，應選擇較低的載氣流量，因此確定氮氣流量0.1 L/min進行吹脫。

氮氣流量/(L·min-1)圖2 硫化氫回收率與氮氣流量變化關系

2.3 加酸速度對硫化氫回收率的影響

在反應溫度80 ℃，反應時間30 min，氮氣流量0.1 L/min條件下，考察鹽酸滴加時間對硫化氫回收率的影響，其實驗結果見圖3。

t/min圖3 硫化氫回收率與加酸速度變化關系

由圖3可以看出，加酸速度對ρ(硫化物)=5 mg/L時影響不大，對高ρ(硫化物)有較大影響。當ρ(硫化物)=10 mg/L反應，滴酸時間為1 min時，硫化氫收率僅約70%；當ρ(硫化物)=15 mg/L反應，滴酸時間為1 min時，硫化氫收率僅約60%；隨著鹽酸滴加時間的延長，硫化氫的收率提高，當選擇在5 min內滴完時硫化氫回收率均約90%，因此，選擇選擇最佳滴加時間為不小于5 min。

綜上，硫化氫發生的最佳條件為反應溫度80 ℃、氮氣流量為0.1 L/min、滴酸時間5 min。

2.4 室內模擬硫化氫對聚合物粘度影響

將聚丙烯酰胺干粉在攪拌器轉速為320 r/min時緩慢加入到清水中攪拌120 min，然后將攪拌器轉速降低為300 r/min繼續攪拌120 min，配制成ρ(聚合物)=5 000 mg/L的溶液，密封熟化24 h待用。

用配制好的模擬污水稀釋成ρ(聚合物)=2 000、2 200、2 500 mg/L溶液，在上述研究確定好的最佳反應條件下通入不同濃度的硫化氫氣體，熟化24 h后，再用Brookfield DV-Ⅲ ULTRA可編程流變儀在70 ℃、7.35 s-1條件下測定其粘度，結果見圖4。

由圖4可以明顯的看出，模擬污水中的ρ(硫化氫)對不同質量濃度的聚合物溶液有較強的降粘作用。通過硫化氫對不同質量濃度聚合物溶液粘度的影響研究，確定了硫化氫對聚合物溶液粘度影響規律[14]。經多次實驗比對，該研究方法的重現性較好。鑒于含硫化氫的污水難于存儲運輸，現場又無法實現聚合物溶液的配制，為了進一步明確含硫化氫的污水對聚合物影響，可以采用室內合成硫化氫的方式，控制硫化氫的生成量，以便硫化氫對聚合物溶液粘度的影響機理進行深入研究。

ρ(硫化氫)/(mg·L-1)圖4 聚合物溶液粘度與模擬污水中ρ(硫化氫)關系

3 結 論

(1) 研究確定室內模擬硫化氫生成的最佳反應條件，其最佳反應溫度80 ℃、氮氣流量為0.1 L/min、滴酸時間5 min。

(2) 室內模擬硫化氫對聚合物溶液粘度影響研究中規律性強，重現性好，可以作用室內評價方法。

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