驅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驅油聚合物聚丙烯酰胺（PAM）過濾因子的測試方法進行了研究。利用SEM等方法分析了濾膜孔徑與相對分子質量的匹配關系及配制水礦化度對測試過濾因子的影響。實驗結果表明，對同一孔徑的濾膜，隨PAM相對分子質量的增大，過濾時間延長。測試PAM過濾因子時，孔徑3 μm的濾膜適于相對分子質量小于28×106的PAM；相對分子質量大于28×106的PAM使用孔徑10 μm的濾膜較適宜。相對分子質量為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。對于相對分子質量為35×106的PAM，當配制水礦化度大于300 mg/L時，孔徑3 μm的濾膜已不適用；如采用孔徑10 μm的濾膜，當配制水礦化度小于1 000 mg/L或當礦化度為30 000 mg/L時，均可測得過濾因子。在油藏的實際地質條件下進行聚合物過濾因子測試，可更真實地反映聚合物溶液的溶解性與注入性。

驅油聚合物；聚丙烯酰胺；過濾因子；聚碳酸酯核孔濾膜

聚合物驅油技術目前是一些油田提高采收率的主要技術手段，現階段各個油田主要用過濾因子評價驅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，會造成聚合物注入困難或堵塞地層。因此，油田企業把過濾因子作為驅油聚合物的一項重要理化性能指標。中國石油和中國石化對驅油聚合物的過濾因子有不同的測試標準［1-2］。在測試驅油聚合物的過濾因子時，一方面要考慮所選濾膜孔徑的大小與所測聚合物的相對分子質量是否匹配［3-12］，因為隨合成技術的進步［13-15］，驅油聚合物的相對分子質量越來越大。另一方面要考慮配制水礦化度的影響，因為越來越多的三類油藏開展聚合物驅油，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分子質量的匹配關系以及配制水礦化度對測試PAM過濾因子的影響。

1 實驗部分

1.1 原料與儀器

PAM：相對分子質量（按SYT 5862—2008［16］中規定的方法測定）分別為10×106，18×106，22×106，28×106，35×106，實驗室自制；濾膜：孔徑分別為3 μm和10 μm，Millipore公司。

Hitachi S-4800型冷場發射掃描電子顯微鏡：日本日立公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 過濾因子的測試方法與標準

中國石油和中國石化的驅油聚合物過濾因子的測試標準見表1。

測試方法：在0.2 MPa的壓力下，將一定礦化度下質量濃度為1 000 mg/L的聚合物溶液流過一定孔徑的濾膜，記錄順序濾出100，200，300 mL聚合物溶液的時間。

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

1.2.2 過濾因子的計算

過濾因子（Fr）的計算方法見式（1）。

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

2 結果與討論

2.1 濾膜孔徑與相對分子質量的匹配關系

根據國內標準，本工作選用的濾膜是由重離子在絕緣物質薄膜上打孔，之后由化學蝕刻擴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，該濾膜的微孔結構為圓柱狀孔道，并具有孔徑大小均勻、表面平整、厚度薄和化學穩定性好等優點。

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

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

當PAM無法通過濾膜，或過濾時間遠超過規定時間時，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，對于孔徑10 μm的濾膜，即使過濾相對分子質量為35×106的PAM后，濾膜表面的孔洞除少數被不溶物堵住之外，大多數孔仍是暢通的（見圖1b）；而對于孔徑3 μm的濾膜，當過濾相對分子質量為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）；如過濾相對分子質量為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Fig.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在生產時受生產工藝和原料的影響，不可避免含有一定量的不溶物，而驅油聚合物標準中有不溶物含量的指標規定（如在配制水礦化度1 000 mg/L、聚合物質量濃度5 000 mg/L、25 μm鋼網的條件下，不溶物含量小于0.2%（w））。由于不溶物含量和過濾因子兩個指標的測試條件不同，在實際應用中，會出現不溶物含量指標合格，而過濾因子指標不合格的情況。在中高滲油藏中驅油使用的PAM的相對分子質量越高，其增黏性、對油層的調剖能力及控制油水流度比的能力越強，提高原油采收率的幅度越高。因此，在其他溶解性指標合格（溶解時間小于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，孔徑3 μm的濾膜適用于相對分子質量小于28×106的PAM，相對分子質量大于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，相應的PAM溶液配制水的礦化度也差別較大。相對分子質量為18×106的PAM，在不同礦化度下通過孔徑3 μm的濾膜時，礦化度對PAM過濾因子和過濾時間的影響見表3。

表3 礦化度對PAM過濾因子和過濾時間的影響（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，相對分子質量較小的PAM通過孔徑3 μm的濾膜時，在不同的礦化度下均可測得過濾因子。當礦化度由300 mg/L增至7 500 mg/L時，過濾時間呈逐漸縮短的趨勢，原因是隨礦化度的增大，PAM的分子線團由柔順舒展逐漸蜷縮變小，因此過濾時間變短；當礦化度增至15 000 mg/L時，過濾時間又開始延長，這是因為PAM的溶解性隨礦化度的增加而變差，分子線團相互纏結使濾膜堵塞的面積增大；當礦化度繼續增加到30 000 mg/L時，PAM分子線團進一步蜷縮變小占據了主導作用，過濾時間又開始縮短。

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

見表4。

表4 礦化度對超高相對分子質量PAM過濾因子和過濾時間的影響（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，對于超高相對分子質量的PAM，當采用孔徑3 μm的濾膜時，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，這是因為當PAM相對分子質量較大時，只有在礦化度較小時，PAM的分子線團充分柔順才可緩慢通過濾膜，但測試時間長；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間，僅在配制水礦化度增至30 000 mg/ L時，PAM的分子線團蜷縮非常小，才能測得濾出100 mL和200 mL時的過濾時間，但測試時間超過6 h后，由于濾膜被堵塞，無法測得濾出300 mL時的過濾時間。實驗結果表明，對于相對分子質量為35×106的PAM，當配制水礦化度大于300 mg/ L時，孔徑3 μm的濾膜已不能適用。如采用孔徑10 μm的濾膜，當配制水礦化度小于1 000 mg/L時，可測得PAM的過濾因子；而當礦化度增至7 500 mg/ L和15 000 mg/L時，由于PAM的溶解性變差，其過濾因子無法測得；但當配制水礦化度繼續增至30 000 mg/L時，此時由于PAM的分子線團蜷縮至非常小，可測得其過濾因子。

在實際應用中，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分子線團的水力學體積。配制水礦化度越大，PAM的分子線團水力學體積越小，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象越嚴重，PAM的溶解性變差。

3 過濾因子測試方法的探討

在油藏實際地質條件下測試聚合物的過濾因子，可更真實地反映聚合物溶液的溶解性和注入性。具體測試時應注意以下3點：1）聚合物的質量濃度一致。測試過濾因子時，聚合物待測液的質量濃度與注入實驗方案設計的質量濃度一致，可真實反映當前測試的質量濃度下聚合物的注入性。2）配制水礦化度一致。注入實驗方案中與實驗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際應用溫度下聚合物的過濾因子。如星型疏水締合型聚合物［17］，溫度對其溶解性有很大影響，其過濾因子應在實際應用溫度條件下進行測試。

4 結論

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

2）相對分子質量為18×106的PAM，在不同礦化度下通過孔徑3 μm的濾膜時均可測得過濾因子。對于相對分子質量為35×106的PAM，當配制水礦化度大于300 mg/L時，孔徑3 μm的濾膜已不適用；如采用孔徑10 μm的濾膜，當配制水礦化度小于1 000 mg/L時可測得PAM的過濾因子，繼續增大礦化度，無法測得過濾因子，但當礦化度為30 000 mg/L時，由于PAM的分子線團蜷縮，可測得PAM的過濾因子。

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

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（編輯 鄧曉音）

Testing Method for Filter Factors of Flooding Polymers

Liu Xi，Yi Zhuo，Fang 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，Fr 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。