聚合物溶液黏度影響因素分析及控制對策

董林林

(中油遼河工程有限公司)

0 引 言

油藏進入高含水期后，殘余油高度分散且難以波及，儲量動用程度十分有限。以聚合物驅油技術為主導的三次采油技術是現有技術條件下最重要的提高石油采收率技術[1]，已在國內各大油田實現了工業化應用，取得了較為理想的增產效果。聚合物驅油的機理是通過在注入水中加入高分子量的聚合物，并配以表面活性劑或堿，以改變驅替流體的物化性質及驅替流體與原油和巖石礦物之間的界面性質，從而有利于原油采收[2-3]。黏度是聚合物溶液從地面配注到地下驅替全過程中最主要的考核指標，黏度降低將影響聚合物溶液的波及效果，增加聚合物投加量，降低聚合物驅油的經濟效益。根據測算，二元驅地面工藝每增加1%的黏度損失率，開采1 t原油將增加5.37元的聚合物成本[4]。從水量平衡角度考量，如果將化學驅污水處理后用作母液摻水水源，可以實現系統內污水的循環利用，不產生剩余污水，避免因污水外排或無效回注對水環境的污染。因此，對影響聚合物溶液黏度的因素進行分析并提出有效控制對策，對實現聚合物驅油的降本增效以及對水環境的保護具有重要意義。

1 聚合物類型及溶解過程

聚丙烯酰胺是線型水溶性高分子聚合物，根據其分子鏈上的官能團在水溶液中的離解性質，可分為陽離子型(CPAM)、陰離子型(HPAM)、兩性離子型和非離子型(NPAM)[5]。目前廣泛應用于油層驅替液增黏的是陰離子型聚丙烯酰胺，又叫部分水解聚丙烯酰胺。聚合物溶解過程可分為兩個階段，首先是分子量小、擴散速度快的溶劑分子向聚合物中滲透，使聚合物體積膨脹；其次是聚合物分子向溶劑中擴散，進而形成完全溶解的聚合物分散體系，整個過程持續2～3 h。聚合物溶解完成的判斷標準是溶液黏度不再發生變化。

2 聚合物溶液黏度影響因素

2.1 聚合物溶液性質

在目的油藏確定的前提下，聚合物的分子量與濃度直接決定體系的黏度，也決定了其與目標儲層物性的適應性[6]。有研究針對不同儲層滲透率分別采用不同分子量的聚合物進行驅油試驗，得出了采收率的變化趨勢，但沒有明確儲層滲透率與聚合物分子量的對應關系[7-9]。

2.1.1 聚合物分子量

在聚合物濃度相同的條件下，聚合物分子量越大，溶液黏度越大，驅油效果越好。但分子量越大，受物理剪切的影響越大，黏彈性恢復能力也越差，且分子量過大會給注入帶來困難。因此，在設計聚合物分子量時應結合區塊的具體情況進行合理設計[10-11]。由于聚合物溶液黏度除了與聚合物分子量有關，還與聚合物濃度、儲層配伍性等因素有關，因此，無法確定普遍適用的聚合物分子量范圍。

2.1.2 聚合物濃度

溶液黏度隨聚合物濃度的增加而增加，兩者近似呈對數關系。在溶液黏度相同的條件下，聚合物濃度和聚合物分子量呈負相關性，即聚合物分子量越大，聚合物濃度越低，反之亦然。聚合物注入濃度是根據油層滲透率曲線及最佳油水流度比所需要的地下黏度值通過室內模擬實驗得出的[6]。

2.1.3 聚合物水解度

溶液黏度與聚合物水解度呈正相關性，但隨著聚合物水解度的增加，受分子鏈上官能團的分布及溶液中金屬陽離子的影響，聚合物之間形成的穩定結構遭到破壞，溶液黏度開始下降。當水解度大于30%時，溶液的熱穩定性變差，耐鹽性也下降[12]。

2.2 配制水源水質

不同的配制水源對聚合物溶液黏度的影響很大，分別用遼河油田歡三聯站內軟化清水及軟化污水(水驅凈化污水)配制聚合物母液，分別摻水驅(凈化)污水及二元驅(凈化)污水配制目的液，不同配制水源水質指標見表1，母液與摻水的比例是1∶1，再加入不同濃度的表面活性劑，測定目的液黏度，結果見表2。聚合物采用陰離子型聚丙烯酰胺，分子量3 000萬，有效物含量88%；表面活性劑采用十二烷基苯磺酸鈉，有效物含量50%。主要水質指標依據SY/T 5329—2012《碎屑巖油藏注水水質指標及分析方法》確定，其他指標由地質部門根據污水與儲層的配伍性試驗確定。

表1 不同配制水源水質指標

由表2可知，“軟化清水+水驅污水”配制的目的液黏度最大；“軟化污水+二元驅污水”配制的目的液黏度最??；在目的液中增加表面活性劑，對目的液的黏度基本無影響。由于二元驅污水處理達標外排或進一步軟化處理回用尚無成熟可靠的技術，因此，實際工程中通常采用化學驅污水作為聚合物溶液的摻水水源實現注采平衡，避免環境風險，但化學驅污水的各項水質指標會對溶液黏度造成不同程度的影響。

表2 不同水源配制的目的液黏度測定結果

2.2.1 溶解氧

溶解氧的存在一方面可以殺滅SRB，抑制水中S2-、Fe2+的生成，或直接進行氧化反應，進而降低水中還原性物質對黏度的影響；另一方面又可以使聚合物發生氧化降解，即通過產生自由基與聚合物分子發生反應，導致聚合物分子鏈斷裂，使溶液黏度降低[13]。因此，溶解氧對溶液黏度的影響是各種因素綜合作用的結果，取決于具體的水質情況，但總體起改善作用。

2.2.2 金屬陽離子

配制水源中的金屬陽離子主要有Fe3+、Fe2+、Ca2+、Mg2+、Na+、K+等，隨著金屬陽離子濃度的增加，聚合物溶液的黏度呈現先急后緩的降低趨勢，且陽離子所帶電荷數越多，這種影響越明顯。主要原因是聚合物分子之間依靠官能團—COO—所帶負電荷產生的靜電斥力而保持舒展狀態，隨著金屬陽離子的濃度增加，這種靜電斥力逐漸減弱，聚合物分子由舒展狀態恢復為卷曲狀態，進而溶液的黏度隨之降低[14]。

2.2.3 細菌

含油污水中常見的細菌有IB、TGB、SRB，其中IB能將水中的Fe2+氧化為Fe3+，在沒有Fe的環境中很難存活；TGB利用污水中的有機物作為養料，可以促進SRB的繁殖；SRB能將硫酸鹽還原成硫化氫，一般在有氧環境中存活率低。各種細菌通過酶的作用使聚合物分子鏈發生斷裂，進而降低溶液黏度，而聚合物降解后的產物又可以作為營養物質被細菌利用。實驗表明，3種細菌對聚合物溶液黏度的影響為IB>SRB>TGB[15]。

2.2.4 化學藥劑

采用含油污水配制聚合物溶液時，配制水源中不可避免地含有破乳劑、殺菌劑、緩蝕劑等化學藥劑，當這些化學藥劑的濃度低于15 mg/L時，對聚合物溶液黏度的影響可以忽略不計，但隨著化學藥劑的濃度逐漸增大，溶液黏度將呈現下降趨勢[16]。

2.3 機械剪切因素

在母液配制階段，攪拌可以促進聚合物干粉在水中的溶解，但也會對已經溶解的聚合物分子產生機械剪切，進而降低溶液的黏度。選用遼河油田歡三聯站內的軟化污水配制聚合物母液，聚合物采用陰離子型聚丙烯酰胺，分子量3 000萬，有效物含量88%，濃度4 000 mg/L。聚合物在水中溶脹2 h后攪拌1 h，測定不同轉速下的溶液黏度，結果見表3。

表3 不同轉速下的溶液黏度

由表3可知，當攪拌時間相同時，轉速越小溶液黏度越大，但轉速越小意味著熟化時間越長，會導致熟化裝置容積過大，進而增加地面工程投資。因此，熟化工藝的關鍵在于如何在低轉速的條件下提高攪拌效率。

聚合物溶液在輸送過程中發生流道斷面和流速的變化也會對聚合物分子產生機械剪切，當剪切速率較小時，舒展的聚合物分子鏈變得卷曲，溶液黏度雖然降低，但可以部分恢復；當剪切速率較大時，會使聚合物分子鏈發生斷裂，降低的溶液黏度也無法恢復。研究表明，向聚合物溶液中加入一、二價金屬鹽(Na+、Ca2+、Mg2+)，因機械剪切引起的黏度損失比不加鹽時小[17]。

3 聚合物溶液黏度控制方法

3.1 做好聚合物的選型

通過對聚合物各項理化指標進行檢測，并開展聚合物與地層孔隙結構配伍關系評價，篩選出適宜的聚合物類型。研究表明，聚合物分子半徑與地層孔喉半徑滿足一定關系后，聚合物才能夠順利注入[18-19]。聚合物的分子量越大，溶液的黏度越大，但同時受機械剪切的降解越明顯?？梢酝ㄟ^交聯和擴鏈反應，在聚合物分子鏈上增加支鏈或形成網狀高分子，以提高聚合物分子鏈的剛度，增強其抗剪切性能。王云芳等[20]以過氧化物為引發劑，將丙烯酸酯(AFSN)、丙烯酰胺(AM)、丙烯酸(AA)三元共聚合成了共聚物PAMF，結果表明，PAMF溶液比HPAM溶液具有更優異的增黏性能。還可以在聚合物分子結構中嵌入強親水基團或兩性離子基團提高其抗鹽性能。在鹽水中，由于鹽水對聚合物分子內的陰、陽離子基團間吸引力的削弱或屏蔽，致使聚合物分子比在淡水中更舒展，宏觀上表現為聚合物在鹽水中的黏度升高或黏度下降幅度減小。

3.2 確定合理的污水處理工藝

為了實現注采平衡，通常采用化學驅污水作為聚合物母液的摻水水源，水質指標需滿足含油量≤20 mg/L，懸浮物≤20 mg/L，Ca2++Mg2+≤20 mg/L，而三菌、粒徑中值等指標需要根據地層的空氣滲透率確定。由于化學驅污水水質不同于常規水驅污水，因此，需要對常規的污水處理工藝進行改造。原水先經混凝沉降和氣浮處理，初步去除水中的浮油及懸浮物；接著進入生物接觸氧化池，利用生物協同作用，降解水中的有機物，同時曝氣充氧可以氧化水中的S2-、Fe2+等還原性物質，且抑制SRB和IB的生長；然后經過濾進一步去除水中的油和懸浮物，如水中含有Ca2+、Mg2+，還需要對污水進行軟化處理將其去除；最后向水中投加化學殺菌劑，將水中的微生物和細菌殺滅，殺菌劑的選擇要考慮對聚合物溶液黏度的影響。

3.3 設備及材料選擇

針對熟化罐中普遍采用的雙螺帶攪拌器，在采用低轉速的前提下，使內外兩層螺帶以不同的速度旋轉，以實現聚合物的徑向和軸向的混合循環，可以顯著提高攪拌效率；通過減小螺帶的傾斜角度(25～35°)以及加大螺帶的槳葉半徑(外螺帶槳葉半徑∶熟化罐半徑=0.9～0.95)，可以減少聚合物攪拌的滯留區。雙螺帶攪拌器結構示意見圖1。輸送原水、聚合物母液及目的液的管線選用非金屬材質，可以避免輸送過程中因金屬管材的腐蝕對溶液黏度造成不利影響。

圖1 雙螺帶攪拌器結構示意

3.4 優化配注工藝及運行管理

利用配制站的外輸泵直接為注入站的注入泵輸入聚合物母液，減少聚合物母液因進出緩沖構筑物而導致的黏度損失。外輸泵采用恒壓變頻連鎖控制，防止聚合物母液的流態出現波動。母液和稀釋用水的混合選用低剪切靜態混合器，管線路由的選擇盡量減少彎頭數量并采用彈性敷設，均能夠起到降低機械剪切的作用。配注系統增加掃線流程，定期對聚合物母液管線、目的液管線及摻水管線進行清洗，以降低管線長期運行過程中內壁附著污染物對黏度的影響。

4 結 論

1)聚合物溶液黏度作為聚合物驅油的重要指標，從地面配制到注入地下的全過程中受到多種因素的影響，主要包括聚合物溶液性質，配制水源水質和機械剪切，這3方面因素往往相互作用，共同影響聚合物溶液的驅替效果。

2)選擇高分子聚合物并在聚合物分子鏈上進行擴鏈和嵌入等反應，可以提高聚合物溶液的抗剪切和抗鹽性能。

3)通過將化學驅污水處理后用于聚合物母液摻水，既可以實現污水在系統內的循環利用，又可以降低污水外排和回注帶來的環保風險。

4)內外螺帶以不同速度旋轉，同時減小螺帶傾斜角度和增大槳葉半徑，可以提高雙螺帶攪拌器的攪拌效率；減少聚合物溶液通過的設備及彎頭數量，可以降低機械剪切；增加聚合物溶液配注系統的掃線流程，可以減少管道中附著污染物對溶液黏度的影響。