乳液聚合物溶解性能影响因素研究

张润芳 ，吴晓燕 ，王成胜 ，罗春鹏 ，左清泉

（1.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452；2.海洋石油高效开发国家重点实验室，天津 300452；3.中国石化销售有限公司华中分公司，湖北武汉 420100）

目前我国在渤海油田进行了聚合物驱的矿场实验，已取得了较明显的增油降水效果[1，2]。渤海油田多属于河流沉积相，地质构造复杂，存在多种油气藏类型，地质断层交错、油水系统分布不规律，油藏埋深较浅，油层厚度大，大部分油藏具有高孔高渗、非均质性强、储层结构疏松、易出砂等特点。经过长期的水冲刷作用导致大孔道的形成，进一步加剧油藏的非均质性，同时由于水油流度比大导致油田含水上升速度快，导致油田的稳油控水变得日益紧迫[3，4]。

由于海上油田平台空间狭小，常规聚合物干粉的溶解速度慢，溶解时间需要40 min～60 min，因此必须配备搅拌溶解和熟化装置，占据大量的平台空间，常常影响平台的其他作业[5，6]。乳液聚合物具有溶解速度快、注入工艺简单的特点，只需增加一个储料罐和一台泵就可以实现配注，不需要改变原有注入流程实现海上平台的在线注入[7，8]。调驱用乳液聚合物通常是油包水型乳液聚合物，破乳不充分往往会由于乳化作用导致注入压力上升而影响乳液聚合物的注入。本文针对渤海油田BZ油田条件，通过室内实验考察了影响乳液聚合物溶解和增黏性能的影响因素，优化出适合BZ油田的最佳溶解条件，为海上油田乳液聚合物调驱提供参考。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

实验材料：乳液聚合物RP（相对分子质量1 200×104，有效含量33%），北京希涛化工有限公司；盐酸、氢氧化钠，分析纯；实验用水为渤海BZ油田注入水，离子组成（见表1）。

实验仪器：Brookfield DV-II数字黏度计（美国）；JJ-4B六联搅拌器（苏州威尔公司）；电子天平（北京梅特勒-托利多仪器公司）；一次性塑料注射器，1 mL、5 mL、10 mL。

1.2 实验方法

1.2.1 直接配制目标浓度溶液 选择合适的一次性注射器（无针头）充满乳液聚合物产品，然后将乳液聚合物排至废液缸中，用注射器再次充满乳液聚合物，用纸巾擦拭注射器外壁，排出过多的聚合物产品到注射器中留有近似的需要量，称重并记录注射器加内存物的总质量。

迅速将乳液聚合物产品一次连续地注射到涡旋体的肩部，注意避免注射到器壁或螺旋桨叶片上；以设定的转速搅拌聚合物溶液至一定的时间。重新称量空的注射器，以总质量减去注射器质量来确定乳液聚合物产品的准确质量，并计算所配制溶液的准确浓度。

1.2.2 母液稀释配制目标液 根据所需聚合物母液的量和浓度，计算出所需乳液产品和过滤后的现场注入水的用量，参考上述方法配制5 000 mg/L聚合物母液，然后再根据目标液的浓度和量，用现场注入水稀释成所需浓度的聚合物目标液。

1.2.3 乳液聚合物表观黏度测定 用Brookfield DVII数字黏度计在设定温度下测定乳液聚合物目标液的表观黏度，转速6 r/min。

2 结果与讨论

2.1 搅拌速度

采用BZ油田注入水（水温50℃），分别在转速为100 r/min、200 r/min、300 r/min、400 r/min、500 r/min 条件下，采用直接配制法配制2 000 mg/L的乳液聚合物溶液，搅拌60 min，在BZ油田油藏温度下（75℃）测定各个目标液的黏度以考察搅拌速度对乳液聚合物溶解的影响（见表2）。由表2可见，在100 r/min搅拌转速下，溶液中存在胶团，说明在低转速下，乳液聚合物不能有效分散导致溶解不充分。在300 r/min～500 r/min搅拌转速下的乳聚溶解比较均一，由此可知，溶解乳聚宜采用300 r/min的转速较为合适。

表1 BZ油田水源井水质分析（单位：mg/L）

表2 不同搅拌速度下乳聚RP的黏度值（75℃）

图1 乳聚随时间的推移黏度值的变化

2.2 搅拌时间

用BZ现场水将乳液聚合物配制成有效浓度为2 000 mg/L的溶液，50℃水浴加热溶解，采用300 r/min的搅拌速度，控制不同的搅拌时间，测定各个目标液的黏度，测黏温度为75℃。由实验结果看出（见图1和表3），2 000 mg/L的乳液聚合物RP在15 min内黏度迅速升高，到30 min时已经完全溶解了。因此，为保证溶解充分，推荐搅拌至30 min即可。

2.3 溶解温度

用BZ现场水将乳液聚合物RP在25℃和50℃下分别配制成浓度2 000 mg/L的溶液，溶解搅拌速度为300 r/min、搅拌时间为30 min，采用Brookfield DVII数字黏度计分别测定25℃和50℃下的RP溶液的表观黏度（测试温度为75℃）。测试结果表明（见表4），现场注入水温度下（50℃）比25℃更有利于RP乳液的溶解分散，因此，不需要额外的加热设备。

2.4 pH值对乳液聚合物溶解性的影响

用BZ油田注入水配制2 000 mg/L的RP聚合物溶液，用盐酸和氢氧化钠调节配聚水的pH值分别为3、5、7、10.5、13，配制乳聚的浓度相同的五组样品。溶解过程中的搅拌速度为300 r/min，溶解温度为25℃，搅拌时间定为30 min。溶解结束后采用Brookfield黏度计采用0号转子转速为6 r/min，75℃下测定乳液聚合物的表观黏度。

表5 不同pH值下，相同浓度的乳聚的黏度值

图2 不同pH配制温度的水对配聚黏度的影响

实验结果（见表5和图2），由实验结果可知，BZ注入水配制的RP乳聚的黏度值随pH值的增大呈现递增趋势。pH值低的情况下注入水中金属离子、易水解，金属离子将聚丙烯酰胺分子链上的COO-电荷屏蔽，则聚丙烯酰胺分子链卷曲，降低聚丙烯酰胺分子链的流体力学体积，所以黏度值低。当-OH离子多时易促进酰胺基-COO-NH2水解成-COO-负离子，聚丙烯酰胺分子链上COO-离子的相互排斥，使聚丙烯酰胺分子链舒展，同时-OH和注入水中金属离子发生水解反应生成沉淀悬浮物，抑制了金属离子对聚丙烯酰胺分子链的静电屏蔽影响，所以聚丙烯酰胺分子链舒展，流体力学体积增大。则其黏度值比较大。现场配注水的pH值偏弱碱性（8左右），虽然pH值的增大能加快RP的溶解，但是过高的碱性也会导致管线、设备结垢等问题，因此，无需另加碱。

2.5 不同配制方法对乳液溶解性的影响

图3 不同配制方法对黏浓关系的影响

表6 用5 000 mg/L的母液稀释至目标浓度的黏度值（单位：mPa·s）

为了对比不同配制方法对乳液聚合物溶解性能的影响，实验中分别采用直接配制目标液法和先配制母液后稀释法来配制系列浓度的RP目标液，目标液的浓度分别为：500 mg/L、1 000 mg/L、2 000 mg/L、3 000 mg/L、5 000 mg/L，搅拌速度为300 r/min，搅拌时间30 min，50℃水浴加热溶解，在75℃测定目标液的表观黏度。实验结果（见表6和图3）。由图3可知：在配制低于3 000 mg/L的目标液时，采用母液稀释法得到的乳液聚合物黏度值比直接配制的乳聚黏度值大。这说明，先配制成母液，有利于乳液聚合物的充分破乳溶解，才能释放出最佳的黏度。而配制3 000 mg/L以上浓度时，母液稀释法和直接配制法的黏度值基本差别不大。

2.6 不同加药方式对乳聚黏度的影响

为了考察乳液聚合物加药方式对目标液的影响，分别采用两种加药方式，即一次性快速注入和缓慢滴加两种方式。实验条件为：溶解保温温度为：25℃、搅拌时间：30 min、配聚水为：自来水、搅拌转速：300 r/min，目标液浓度：2 000 mg/L。在搅拌过程中加入RP到配聚水中。实验结果（见表7），从实验现象看到，一次性将所需聚合物全部快速注入时发现聚合物溶解状态很好，比逐滴加药方式获得更高的黏度，这可能是由于在高速搅拌条件下，快速加入促使W/O乳液液滴在极短时间内迅速被旋转的叶片剪切成更小的液滴，更有利于乳液液滴的快速分散，因此更能促进其溶解；反之，逐滴加药方式反而不利于W/O液滴的分散，得到的液滴粒径偏大，因此不利于其溶解。

表7 用5 000 mg/L的母液稀释至目标浓度的黏度值

3 结论

通过室内实验，研究了乳液聚合物RP的溶解性能的影响因素，结果表明，乳液聚合物的溶解性能主要受到如下几个方面的因素影响：搅拌速度、搅拌时间、溶解温度、配聚用水的矿化度、pH值、配制方法和加药方式等外在因素的影响；实验优化结果表明，乳液聚合物RP的快速溶解方法，即在5 000 r/min～7 000 r/min搅拌速度下，一次性快速注入RP，搅拌1 min后降低至300 r/min，再继续搅拌30 min，即可实现乳液聚合物的快速溶解；同时对于配制低于3 000 mg/L的目标液时，宜先配制成高浓度的母液，然后再稀释成所需浓度的目标液，而对于3 000 mg/L及以上浓度时可以直接配制。

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