張繼紅， 楊豐源

(東北石油大學(xué) 提高油氣采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 大慶 163318)

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聚驅(qū)污水稀釋聚合物溶液黏度影響因素分析

張繼紅， 楊豐源

(東北石油大學(xué) 提高油氣采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 大慶 163318)

針對(duì)杏北油田利用聚驅(qū)污水稀釋聚合物溶液黏度低、穩(wěn)定性差、無(wú)法達(dá)到注入要求等問(wèn)題，在室內(nèi)進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，聚驅(qū)污水中的Fe2+和Na+是導(dǎo)致聚合物溶液黏度降低的主要原因，懸浮物及細(xì)菌為次要因素。在此基礎(chǔ)上，為了有效利用聚驅(qū)污水稀釋聚合物溶液進(jìn)行回注，使油田達(dá)到經(jīng)濟(jì)環(huán)保開(kāi)發(fā)的目的，采用曝氧及在聚驅(qū)污水中加入絮凝劑沉降過(guò)濾的處理方法來(lái)改善其污水水質(zhì)問(wèn)題。處理后的聚驅(qū)污水稀釋聚合物溶液與處理前的聚驅(qū)污水稀釋的聚合物溶液相比，黏度上升了10.83 mPa·s，黏損率由28.4%下降到12.16%，達(dá)到注入要求。

聚驅(qū)污水；聚合物溶液；影響因素；黏度；污水水質(zhì)

聚合物驅(qū)憑借其操作簡(jiǎn)便，原材料易得，價(jià)格成本低，驅(qū)油效果優(yōu)異而倍受青睞[1]。但隨著聚合物驅(qū)規(guī)模的擴(kuò)大，油田消耗淡水量也越來(lái)越大，如果油田產(chǎn)出污水不能與回注量平衡，剩余的污水必須經(jīng)過(guò)處理后才能外排，這樣既增加了地面操作費(fèi)用，又容易造成環(huán)境污染。因而，如果能夠解決污水稀釋聚合物溶液回注的問(wèn)題，將會(huì)對(duì)油田節(jié)能增效及可持續(xù)發(fā)展具有重大意義[2]。聚驅(qū)污水與清水相比，因其水中成分較為復(fù)雜，會(huì)對(duì)聚合物溶液的黏度產(chǎn)生較大影響。如果直接利用采出的聚驅(qū)污水稀釋聚合物溶液，可能會(huì)導(dǎo)致稀釋的聚合物溶液黏度達(dá)不到回注要求，從而影響驅(qū)油效果。本文針對(duì)杏北油田杏九污水站的聚驅(qū)污水的水質(zhì)進(jìn)行了分析，得出了聚驅(qū)污水稀釋聚合物溶液黏度低的影響因素，并提出解決方案。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)用水：蒸餾水，清水，去離子水，深度處理污水(取自杏十六聯(lián)合站)，聚驅(qū)污水(取自杏九污水站)。

實(shí)驗(yàn)藥劑：蒙脫土，黏土，石英砂，碳酸鈣，殺菌劑，絮凝劑，NaCl、Na2SO4、MgCl2·6H2O、CaCl2、KCl、NaHCO3和Na2CO3等均為市售分析純，聚合物(大慶煉化公司生產(chǎn)的水解聚丙烯酰胺，相對(duì)分子質(zhì)量為1 900×104)。

實(shí)驗(yàn)儀器：電動(dòng)攪拌器，電子天平，HAAKE RS 6000流變儀，恒溫箱，砂芯過(guò)濾器，2XZ-4B直連旋片式真空泵，滅菌裝置，全玻璃回流裝置，離子測(cè)定儀，干燥箱，蒸發(fā)皿，細(xì)菌瓶，500 mL錐形分液漏斗，0.45 μm濾膜，容量瓶以及燒杯、攪拌棒等其他常用玻璃儀器。

實(shí)驗(yàn)溫度：45 ℃。

剪切速率：300 r/min。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1黏度穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)使用蒸餾水和相對(duì)分子質(zhì)量1 900×104的聚合物干粉配制成含聚質(zhì)量濃度為5 000 mg/L的聚合物母液。用清水、深度處理污水和聚驅(qū)污水分別稀釋聚合物母液至質(zhì)量濃度1 400 mg/L，在恒定溫度下，使用HAAKE RS 6000流變儀測(cè)量15 d內(nèi)溶液黏度的變化。

1.2.2離子影響實(shí)驗(yàn)根據(jù)測(cè)得的聚驅(qū)污水中的離子含量，利用分析純和去離子水配制模擬聚驅(qū)污水，保持模擬污水中其他離子含量不變的情況下，改變其中某一種離子的離子含量，用配制的模擬聚驅(qū)污水稀釋聚合物母液質(zhì)量濃度至1 400 mg/L，測(cè)量稀釋后聚合物溶液黏度的變化。

1.2.3懸浮物影響實(shí)驗(yàn)將蒙脫土、黏土、石英砂和碳酸鈣按一定比例混合來(lái)模擬聚驅(qū)污水水樣中的懸浮物。將不同含量的混合物分別加入到等量的聚驅(qū)污水中，搖勻后用來(lái)稀釋聚合物母液至含聚質(zhì)量濃度為1 400 mg/L，測(cè)量稀釋后聚合物溶液黏度變化。

1.2.4細(xì)菌影響實(shí)驗(yàn)采用向含聚污水水樣中投放殺菌劑的方式進(jìn)行殺菌處理，根據(jù)油田現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用及經(jīng)濟(jì)效益分析情況，設(shè)計(jì)殺菌劑投放量為80 mg/L，測(cè)量殺菌前后污水中細(xì)菌的含量，并用殺菌后的聚驅(qū)污水稀釋聚合物母液至含聚質(zhì)量濃度為1 400 mg/L，測(cè)量稀釋后聚合物溶液黏度的變化。

1.2.5水處理實(shí)驗(yàn)對(duì)聚驅(qū)污水水樣進(jìn)行曝氧、絮凝和過(guò)濾等一系列處理，用處理過(guò)的聚驅(qū)污水稀釋聚合物母液至含聚質(zhì)量濃度為1 400 mg/L，測(cè)量15 d內(nèi)聚合物溶液黏度的變化。

2　結(jié)果與討論

2.1黏度穩(wěn)定性分析

圖1所示為15 d內(nèi)清水、深度處理污水和聚驅(qū)污水稀釋聚合物溶液的黏度變化規(guī)律。從圖1中可以看出，清水稀釋的聚合物溶液黏度最高，穩(wěn)定性最好，15 d內(nèi)黏損率為4.35%，下降幅度小。聚驅(qū)污水和深度處理污水稀釋的聚合物溶液黏度及穩(wěn)定性相對(duì)較差，在初始階段聚驅(qū)污水和深度處理污水稀釋的聚合物溶液黏度相差不大，約5 d后，開(kāi)始下降，相比之下，聚驅(qū)污水稀釋的聚合物溶液黏度下降的幅度大些。10 d時(shí)聚驅(qū)污水稀釋的聚合物溶液黏度由第5 d的31.93 mPa·s下降至25.53 mPa·s，黏損率達(dá)到了20.04%。10 d以后聚合物溶液黏度下降幅度減小，黏度趨于穩(wěn)定。15 d時(shí)深度處理污水稀釋的聚合物溶液黏損率為14.91%。聚驅(qū)污水稀釋的聚合物溶液黏度黏損率為28.4%。

圖1　稀釋聚合物溶液黏度穩(wěn)定性曲線

Fig.1Viscosity stability curve of diluted polymer solution

2.2黏度影響因素分析

2.2.1離子影響對(duì)聚驅(qū)污水進(jìn)行了水質(zhì)分析，結(jié)果見(jiàn)表1和表2。從表1中可以看出，聚驅(qū)污水中陰離子的質(zhì)量濃度大于陽(yáng)離子的質(zhì)量濃度，稀釋的聚合物溶液中陰離子的質(zhì)量濃度大于陽(yáng)離子的質(zhì)量濃度，但因使用的聚合物是陰離子型的水解聚丙烯酰胺，所以聚驅(qū)污水中的陰離子對(duì)聚合物溶液黏度的影響要小于陽(yáng)離子對(duì)其產(chǎn)生的影響[3]。

聚驅(qū)污水中的陽(yáng)離子對(duì)聚合物溶液的黏度的影響主要在于中和了水解聚丙烯酰胺分子基團(tuán)中的負(fù)電荷，導(dǎo)致水解聚丙烯酰胺分子基團(tuán)上羧酸根所帶的負(fù)電性減弱，水解聚丙烯酰胺分子基團(tuán)發(fā)生卷曲，分子間斥力降低，摩擦力下降，使聚合物溶液黏度減小。陽(yáng)離子的價(jià)態(tài)越高，對(duì)聚合物溶液的黏度影響越大[4-6]。

表1　聚驅(qū)污水中離子質(zhì)量濃度

圖2為不同種陽(yáng)離子質(zhì)量濃度對(duì)聚合物溶液黏度的影響。由圖2可知，在聚驅(qū)污水中，對(duì)聚合物溶液黏度影響最大的是Fe2+和Na+。在水質(zhì)分析中可知聚驅(qū)污水中Fe2+質(zhì)量濃度不足1 mg/L，但其對(duì)聚合物溶液黏度的影響卻僅次于Na+，高于其它陽(yáng)離子。這是因?yàn)镕e2+具有極強(qiáng)的還原性，它能夠和聚驅(qū)污水中的氧化物發(fā)生氧化還原反應(yīng)，生成對(duì)水解聚丙烯酰胺分子產(chǎn)生破壞作用的自由基，同時(shí)一部分Fe2+也會(huì)生成Fe3+，導(dǎo)致聚合物溶液的黏度降低。聚驅(qū)污水中，Na+為1價(jià)陽(yáng)離子，其對(duì)聚合物黏度的影響不如其它陽(yáng)離子，但在聚驅(qū)污水中Na+的質(zhì)量濃度高于其它陽(yáng)離子的質(zhì)量濃度，達(dá)到了1 897.23 mg/L，在實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)Na+質(zhì)量濃度超過(guò)1 500 mg/L時(shí)，聚合物溶液的黏損率達(dá)到了56%。Mg2+、Ca2+和Fe3+在污水中的質(zhì)量濃度較低，還原性較弱，因此Mg2+、Ca2+和Fe3+的質(zhì)量濃度對(duì)聚合物溶液黏度影響低于Fe2+和Na+[7-9]。

圖2　離子質(zhì)量濃度對(duì)黏度的影響

Fig.2The influence of ion concentration on the viscosity

2.2.2懸浮物影響 圖3為懸浮物質(zhì)量濃度對(duì)聚合物溶液黏度的影響。由圖3可知，懸浮物質(zhì)量濃度在一開(kāi)始增加時(shí)聚合物溶液的黏度下降并不明顯，隨著懸浮物固體質(zhì)量濃度超過(guò)30 mg/L，聚合物溶液的黏度下降變快。當(dāng)懸浮物固體質(zhì)量濃度超過(guò)40 mg/L時(shí)，黏度下降趨勢(shì)變緩。這是因?yàn)閹ж?fù)電的水解聚丙烯酰胺分子中—NH2基團(tuán)的N原子具有孤對(duì)電子，—COO—基團(tuán)具有多余電荷，—COO—與硅鋁酸鹽和碳酸鹽垢表面羥基間的氫鍵、范德華力等結(jié)合到硅鋁酸鹽和碳酸鹽垢的表面。水解聚丙烯酰胺分子與懸浮固體形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，壓縮雙電層，負(fù)電性減少，導(dǎo)致聚合物溶液黏度降低[10]。

圖3　懸浮物質(zhì)量濃度對(duì)黏度的影響

雖然聚合物溶液的黏度隨著懸浮物質(zhì)量濃度的增加而減小，但聚合物溶液的黏度下降不足5 mPa·s，所以，懸浮物會(huì)對(duì)聚合物溶液的黏度產(chǎn)生影響，但不是主要的影響因素。

2.2.3細(xì)菌影響殺菌處理前后聚驅(qū)污水稀釋聚合物溶液黏度的影響結(jié)果見(jiàn)表3和表4。由表3和表4可知，加入殺菌劑后，聚驅(qū)污水中的細(xì)菌含量有了明顯的下降。經(jīng)過(guò)殺菌處理的聚驅(qū)污水稀釋的聚合物溶液黏度比未加入殺菌劑前的溶液黏度上升了3.86 mPa·s，這是因?yàn)樗饩郾０方到馍傻漠a(chǎn)物可作為細(xì)菌的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，當(dāng)這些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)被消耗的同時(shí)又會(huì)促進(jìn)水解聚丙烯酰胺的降解，但其黏度上升較小，所以細(xì)菌含量也不是影響聚合物溶液黏度的主要因素[11-12]。

表3　殺菌前后細(xì)菌含量變化

表4　細(xì)菌含量對(duì)污水稀釋聚合物黏度的影響

2.3污水處理及效果分析

對(duì)聚驅(qū)污水水樣進(jìn)行曝氧、絮凝和過(guò)濾等一系列處理，表5為處理前后聚驅(qū)污水水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果。由表5可知，處理前后污水中的懸浮物質(zhì)量濃度、Fe2+質(zhì)量濃度有所降低，硫酸鹽還原菌含量降低，而腐生菌和鐵細(xì)菌含量升高。3種菌的含量也隨著溶解氧含量的變化發(fā)生了改變，SRB是厭氧異養(yǎng)菌，在無(wú)氧條件下把硫酸鹽還原成硫化物，而污水曝氧過(guò)程是溶解氧含量不斷增加的過(guò)程，所以SRB含量逐漸降低；FB鐵細(xì)菌與TGB腐生菌均屬于好氧菌，在曝氧處理時(shí)，會(huì)隨著溶解氧含量的增加，但含量均不超過(guò)1個(gè)數(shù)量級(jí)。經(jīng)過(guò)曝氧以及絮凝過(guò)濾后，污水水質(zhì)中影響稀釋聚合物溶液黏度較大的還原性物質(zhì)得到了改變，因此曝氧能夠有效地改善聚驅(qū)污水的水質(zhì)，提高了聚驅(qū)污水稀釋聚合物溶液的黏度。

表5　處理前后聚驅(qū)污水水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖4為處理前后聚驅(qū)污水稀釋聚合物溶液黏度在15 d內(nèi)的變化情況。

圖4　處理前后聚合物溶液黏度變化

Fig.4Polymer solution viscosity changes before and after processing

由圖4可知,經(jīng)過(guò)處理后的聚驅(qū)污水稀釋的聚合物溶液的黏度比處理前污水稀釋的聚合物溶液黏度平均增加了10.83 mPa·s，黏損率由28.4%下降到12.16%。這說(shuō)明通過(guò)一定程度的處理可以提高污水稀釋聚合物溶液的黏度。

3　結(jié)論

(1) 聚驅(qū)污水中的Fe2+具有還原性，是影響含聚污水稀釋聚合物溶液黏度的主要因素，其他離子中Na+雖然對(duì)黏度影響較小，但含量較多，也會(huì)對(duì)聚合物黏度產(chǎn)生影響，其他離子由于含量較少對(duì)黏度的影響不起主導(dǎo)作用。聚驅(qū)污水中的懸浮物與細(xì)菌能夠使溶液黏度有略微的影響。

(2) 聚驅(qū)污水通過(guò)曝氧和絮凝過(guò)濾處理后，稀釋的聚合物溶液黏度及穩(wěn)定性得到了提高，在15 d內(nèi)處理后聚驅(qū)污水稀釋的聚合物溶液黏度，與處理前相比聚合物溶液黏度平均增加了10.83 mPa·s，黏損率由28.4%下降到12.16%。

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(編輯閆玉玲)

Influence Factors of Polymer Flooding Sewage Dilute Polymer Solution Viscosity

Zhang Jihong, Yang Fengyuan

(KeyLaboratoryforEnhancingOil/GasRecoveryofMinistryofEducation,NortheastPetroleumUniversity,DaqingHeilongjiang163318,China)

Polymer flooding sewage was used to dilute polymer solution XingBei oilfield. The low viscosity and poor stability made it unable to reach the injection requirement. A series experiments were made to study the problems. The results showed that Fe2+and Na+in the polymer flooding sewage were the major causes which reduced viscosity of polymer solution. Suspended solids and bacteria were the secondary factors. In order to effectively use polymer flooding sewage recycle dilute polymer solution and to make the oil field to achieve the purpose of economic and environmental development, the sewage quality was improved by oxygen exposure and putting flocculent. The viscosity of polymer solution was increased by 10.83 mPa·s compared with untreated polymer flooding sewage dilute, and viscosity loss rate was decreased from 28.4% to 12.16%, reaching the reinjection standard.

Polymer flooding sewage; Polymer solution; Influence factor; Viscosity; Sewage quality

1006-396X(2016)03-0059-05

2015-11-09

2016-04-06

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2010D-5006-0207)。

張繼紅(1969-)，女，博士，教授，從事提高油氣采收率研究；E-mail：dqzhjh@126.com。

TE357

Adoi:10.3969/j.issn.1006-396X.2016.03.012

投稿網(wǎng)址：http://journal.lnpu.edu.cn