铁离子对深部调剖技术的影响及其控制方法

柳荣伟

(辽河油田钻采工艺研究院，辽宁盘锦 124010)

随着油田进入高含水或特高含水开发期，油田水驱问题越来越复杂。为改善高含水油藏的水驱效果，实现油田的高效开发，深部调剖技术逐渐成为实现控水稳油、提高注水波及系数的重要手段［1］。然而在进行深部调剖过程中，铁离子会使聚丙烯酰胺发生降解，甚至不能进行交联，调剖效果严重变差［2－3］。因此，研究了铁离子对深部调剖技术的影响及其控制方法。

1 铁离子来源

在进行深部调剖过程中，主要使用污水配制调剖剂溶液。来自污水站的污水铁离子含量通常都较高;同时，输送污水的管线已使用多年，涂层已发生老化，污水在流动过程中也会带来部分铁离子。这两方面是铁离子的主要来源。

2 铁离子对聚丙烯酰胺溶液黏度的影响

在进行深部调剖过程中，铁离子对调剖剂的影响主要表现在使聚丙烯酰胺发生降解，破坏了聚丙烯酰胺的结构，使其无法与交联剂进行交联反应。在水中铁离子主要以Fe3+和Fe2+的形式存在。

2.1 单独影响

用清水配制1 200 mg/L的聚丙烯酰胺溶液，测其黏度后，平均分成 14 份，按 1，3，5，10，20，40，80 mg/L分别加入络合亚铁盐和三氯化铁各7份，在常温条件下2 h内测定聚丙烯酰胺溶液黏度，实验结果见图1。

从图1可以看出，随着Fe2+的浓度(0～10 mg/L)的增加，聚丙烯酰胺的黏度急剧下降，说明聚丙烯酰胺对Fe2+非常敏感，每升仅几毫克的亚铁离子就可导致聚丙烯酰胺溶液在2 h内失去黏度;而随着Fe3+浓度(0～40 mg/L)的增加，聚丙烯酰胺的黏度略有增加，这是三价铁离子交联或絮凝的结果，当Fe3+加量大于50 mg/L时，黏度开始下降，说明三价铁离子对聚丙烯酰胺也有一定的降解作用，但其物理现象与二价铁离子的降解作用不同，在二价铁离子体系中，聚丙烯酰胺降解后呈水样稀，且透明;而三价铁离子中，聚丙烯酰胺有絮凝物。实验结果说明，在进行深部调剖过程中，首先对Fe2+进行处理，否则聚丙烯酰胺凝胶调剖将会完全失去意义。

图1 Fe2+和Fe3+对聚丙烯酰胺溶液黏度的影响

2.2 共同影响

考察了Fe2+和Fe3+同时存在(两者比为1∶1)时对聚丙烯酰胺溶液的影响。分别配制1 200 mg/L和1 500 mg/L的聚丙烯酰胺溶液，测其黏度后，各平均分成 6 份，按 0，0.8，1.5，2.5，5，10，15 mg/L分别加入络合亚铁盐和三氯化铁，室温下2 h内测体系的黏度。随着铁离子浓度增加聚丙烯酰胺降解程度如图2所示。

图2 Fe2+和Fe3+同时存在条件下对聚丙烯酰胺溶液黏度的影响

从图2可以看出，在Fe2+和Fe3+同时存在条件下，1 200 mg/L和1 500 mg/L聚丙烯酰胺溶液的降解过程和降解程度是相同的;铁离子浓度在0～5 mg/L之间，聚丙烯酰胺溶液黏度显著下降，且Fe2+和Fe3+铁离子共存时的降解程度略大于Fe2+单独存在时的降解。

2.3 降解机理

金属离子能够通过单电子氧化反应产生助氧化效应。金属离子先与烷基氢过氧化物形成不稳定的配位络合物，然后通过电子转移形成自由基，对自动氧化产生催化作用。根据金属的种类及氧化态的不同，金属离子可能起氧化剂作用，也可能起还原剂作用［4－5］，反应式如下:

发生以上两种反应的难易，取决于金属离子作为氧化剂还是还原剂的相对强度。由于铁离子具有两种比较稳定的价态Fe2+和Fe3+，将加速过氧化物的分解，反应式如下:

(3)式生成的HO·引起了(4)式及(5)式的分解反应，在(3)式中生成的阴离子，在(6)式中使Fe3+还原为原来的Fe2+。可见少量的Fe2+可继续不断地起催化作用。所以在有氧条件下，铁离子的存在会使聚丙烯酰胺自动氧化速率加快，铁离子对聚丙烯酰胺降解有催化作用。

3 铁离子对深部调剖技术影响的控制

3.1 现场和室内配制的溶液黏度对比

由于现场配制调剖剂出现不成胶现象，而取回水样在实验室进行实验时可以成胶。为此，用相同污水分别在现场和实验室配制不同浓度的聚丙烯酰胺溶液，按联合站样水温度(45℃)测聚丙烯酰胺溶液黏度，结果如图3所示。

图3 现场和室内配制的溶液黏度对比

从图3可以看出，室内配制的溶液黏度远大于现场配制的。这是由于现场使用的新鲜污水中含使聚丙烯酰胺降解的铁离子，而带回的样水因与空气接触，使亚铁盐被氧化成三价铁盐，从而导致聚丙烯酰胺降解的活性物钝化或含量减少［6－8］，所以实验室配制的聚丙烯酰胺溶液保持较高黏度。因此，增加暴露时间可以减少聚丙烯酰胺的降解。

3.2 暴露时间对溶液黏度的影响

实验选用欢四联污水处理站新鲜污水，在空气中暴露不同时间后，分别配制2 000 mg/L的聚丙烯酰胺溶液，并测定黏度，结果如图4所示。

图4 聚丙烯酰胺黏度与污水曝气时间的关系曲线

从图4可以看出，随着新鲜污水在空气中暴露时间延长，聚丙烯酰胺黏度增加。曝气时间从5 s增加到120 min，黏度从23 mPa·s迅速增加到48 mPa·s;曝气时间超过120 min后，黏度值增加幅度减缓。

3.3 铁离子对聚丙烯酰胺降解的控制

取欢四联新鲜污水经曝气处理后，污水中铁离子的变化情况见表1。新鲜污水经曝气处理后，总铁含量不变(3.6 mg/L)，二价铁由 2.9 mg/L降至 0.8 mg/L，三价铁由0.7 mg/L 升至2.8 mg/L;经过15天的曝气处理后，污水总铁含量不变，二价铁由0.8 mg/L 降至0.3 mg/L，三价铁由2.8 mg/L 升至 3.2 mg/L。

表1 活性组分变化情况

从前面的研究(见图1)可知，随着二价铁离子浓度上升，聚丙烯酰胺溶液黏度呈急剧下降趋势，但三价铁离子对聚丙烯酰胺降解作用并不严重。因此，将Fe2+氧化为Fe3+，可以减少Fe2+对聚丙烯酰胺的降解，增强凝胶的成胶效果。在深部调剖过程中，可以采用增加污水的暴露时间，即在配制调剖剂工艺中增加一个储水罐，同时进行搅拌，使新鲜污水充分与空气接触，通过曝气失活将Fe2+氧化为Fe3+后再进行调剖剂的配制。

4 结论

在进行深部调剖过程中，铁离子对聚丙烯酰胺溶液的黏度有很大影响，微量的亚铁离子将导致聚丙烯酰胺溶液的黏度与水接近。因此，在配制调剖剂溶液时，增加一个储水罐，延长污水曝气时间是解决现场聚丙烯酰胺降解的有效方法。

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