污水稀释聚合物体系粘度的影响因素研究

张贞贞 魏静 张文辉 韩世寰 苑培培（新疆科力新技术发展股份有限公司，新疆 克拉玛依834000）

1 离子

1.1 Na+和K+对聚合物溶液粘度的影响

选取约5000mg/L 的母液进行Na+和K+的配置，分别配制成含有不同浓度的Na+和K+溶液并用定量的清水进行稀释（HPAM质量浓度确定为1700mg/L），通过不同浓度Na+、K+以及相同浓度分别对聚合物粘度的影响对比，可知在Na+、K+的浓度在0～1500mg/L 时，随着Na+、K+浓度的增高，聚合物粘度快速降低，并与离子浓度呈二次多项式递减的关系，当Na+、K+的浓度大于1500mg/L 时，HPAM 粘度在离子浓度增高时，下降过程逐渐变慢，两者慢慢处于一种趋势较为平缓的线性关系，随着离子浓度的再加大，粘度逐步稳定下来。当Na+、K+浓度相同时，可明显的看到Na+对聚合物粘度比K+影响更强。

1.2 Ca2+、Mg2+、Mn2+对聚合物溶液粘度的影响

同（1），配制出Ca2+、Mg2+、Mn2+的聚合物溶液，由实验可得出，Ca2+浓度在0～40mg/L时聚合物粘度下降较快，但是到40～80mg/L，粘度下降逐渐变缓，随着离子浓度进一步加大，在80～140mg/L 时，粘度再一次快速下降；Mg2+浓度在0～40mg/L 时聚合物粘度也在快速下降，在40～60mg/L时，粘度下降变缓，当离子浓度达到60～80mg/L，粘度再次快速下降；Mn2+浓度在20～40mg/L时，对聚合物粘度影响较大，粘度处于快速下降阶段，当浓度在80～100mg/L时，下降趋势变缓，直到、Mn2+浓度升至100～160mg/L，粘度进一步快速下降。Ca2+、Mg2+、Mn2+三种离子虽然在不同浓度时对聚合物粘度有差别影响，但是整体对粘度的影响都是下降的趋势，只是不同浓度区间，下降趋势快慢的问题，其中Ca2+和Mn2+对聚合物粘度的影响程度要高于Mg2+。

1.3 三价金属离子对聚合物粘度的影响

通过前期的调研，可知在污水中主要含有Fe3+、Al3+两种三价金属离子，在进行实验时发现，只需要很少量的Fe3+和Al3+就可以使聚合物出现絮状沉淀。

1.3.1 Al3+

同上面讲述的配制方法，将配制完成的0.5g/L 的Al3O2以0.125mL/滴的速度逐滴加入被稀释的聚合物溶液中，聚合物溶液的浓度统一都被稀释成1700mg/L。当前两滴Al3O2滴入聚合物溶液后，聚合物粘度快速加大，当第三滴Al3O2加入后开始出现白色絮状沉淀现象。为此开展对该种现象产生的原因分析，结果表明，三价的Al3+在此过程中起到了络合剂的效果，前人对此现象曾做过研究，水解聚丙烯酞胺可以与部分离子发生反应，络合成铝冻胶和铬冻胶。而这种反应不具有稳定性，因此在实际应用中一般不使用这类离子作为增粘剂。

1.3.2 Fe3+

与Al3+实验步骤相同，配制出浓度为1g/L的Fe3+溶液，并将其逐滴加入聚合物溶液中，溶液浓度依然被稀释成1700mg/L，将第一滴配置好的Fe3+溶液加入后，聚合物粘度虽然在加大，但是却没有较为明显的反映，但是在加入第二滴后，聚合物溶液中出现了褐色沉淀物，产生原因和三价铝离子对聚合物粘度的影响一样，而且价位越高的正离子会更快的让聚合物出现沉淀现象。在目前的研究中，一般要求使用低于10mg/L的三价金属离子，有些学者曾使用高于20mg/L的Fe3+进行聚合物粘度的研究实验，研究表明，这种浓度的的Fe3+会使聚合物的粘度急剧下降。

1.4 Fe2+对聚合物粘度的影响

1.4.1 Fe2+在有氧环境下

用氯化亚铁和水配制成浓度为0.5g/L 的溶液，按比例用清水稀释聚合物母液，将配制好的Fe2+溶液逐滴加入聚合物溶液中，可较为明显的看出，Fe2+对聚合物粘度的影响非常大，只需要一点点的Fe2+就可以大大降低聚合物的粘度，并且溶液的颜色也会发生变化，从浅绿色慢慢变成了黄褐色。当Fe2+的浓度高于1.5mg/L后，聚合物的粘度下降趋势逐渐变慢，而聚合物的粘度已经小于10mPa.s，产生这种现象主要原因是使用清水稀释过的聚合物溶液中含有大量的氧，Fe2+会与氧气发生化学反应，氧化为Fe3+，而聚合物溶液粘度得变化主要是根据自由基的反应原理，具有强还原性的Fe2+在此过程中起到催化的影响，产生了更多的活性自由基，加快了聚合物的粘度下降速率，因此在应用Fe2+进行降低聚合物粘度时，需要严格把控Fe2+的添加量。

1.4.2 Fe2+在无氧环境下

前面的实验已经得出，在有氧条件下Fe2+会极大地降低聚合物粘度，为了在无氧条件配制Fe2+溶液，先将500mL的水溶液通入氮气2.5h，再将浓度为0.0043g/L的Fe2+与该溶液溶合，将其配制成浓度为1700mg/L 的聚合物溶液，实验证明，在没有氧气的条件下，Fe2+不能对聚合物粘度产生较大的影响，而在有氧的条件下，聚合物的粘度会大幅下降，因此，在使用Fe2+进行聚合物粘度降解时，有没有氧起着关键性的作用，因此，若需要使用Fe2+来降低聚合物的粘度，需要适当地接触氧气，才可以对其粘度产生大幅下降。通过对Fe2+的两种实验，可知相对于无氧条件，在有氧条件下Fe2+对聚合物粘度有更大的影响。

1.5 无机阴离子对聚合物粘度的影响

为了验证阴离子对聚合物溶液粘度的影响，使用相同浓度的阳离子Na+进行溶液的配置，阴离子有Cl-、SO42-、CO32-、HCO3-，将配置好的四种溶液逐滴加入被稀释成相同浓度的四个聚合物溶液中，可知当Na+浓度相同时，四种阴离子对聚合物粘度都没有产生较大的影响，虽然随着阴离子以及含盐量的不断加大，聚合物的粘度会有增大的现象，但是其增加幅度却比较平缓。

2 温度

用适量的清水稀释出浓度为1000mg/L的聚合物溶液，在不同温度条件下，观察其粘度的变化。实验表明，温度对聚合物粘度有较大的影响，基本上呈负相关的线性关系，每增加10℃的温度，聚合物的粘度也相应降低10%左右。主要是因为随着温度的升高，分子加速活跃，会降低分子间的作用力，很多大分子会分解为很多的小分子，增加分子之间的接触关系，对于一些缠在一起的大分子也会产生疏离现象，减少分子的流动阻力，同时会减少一些大分子的结构链，也会降低离子之间的吸附作用，对于溶液中的水分子而言，随着温度的升高，水分子活跃速度加快，扩散能力加强，也加大了水的极性，较少了分子的流体力学体积。并且温度的升高也会加速一些化学反应的进行。因此对于一些高温油藏，在对其开展聚合物复合驱时，需要加入一些耐高温的添加剂在驱油剂中，不然会降低驱油性能的效果。

3 pH值对聚合物粘度的影响

同温度实验对聚合物粘度的影响实验一样，配制相同浓度的聚合物溶液，pH值使用HCl和NaCl两种溶液进行调节，由时间表明，pH 值对聚合物粘度影响非常大，在酸性溶液中，pH 值在2～4 时，聚合物的粘度小于5mPa.s，随着pH 值逐渐升高，当其处于4～5值时，聚合物粘度变化加快，当溶液趋于中性时，粘度变化变小，pH值继续增大，溶液呈碱性时，聚合物粘性再次大幅度变化，因此，从整体实验效果来看，当聚合物溶液处于酸性条件下，粘度下降较快，pH趋于中性时，粘度小幅变化，在碱性条件下，聚合物浓度大幅增加，随后又逐步趋于稳定。在实验中，碱性条件下，聚合物溶液会出现白色针状物质，pH值越大，增加的越明显。由此，在对聚合物溶液进行配制时，需要处在弱碱条件下，pH值再好在6～7。

4 S2-离子对聚合物粘度的影响

在油田污水中，S2-是以还原状态的形式存在，因此在进行实验时，也要尽可能的使其处在还原态，因此，需要选用一种较好的方法来清除氧，既可以使溶液处于无氧的状态又对聚合物本身不会造成影响。

（1）除氧方法

①NaNO2

在完全封闭的容器中，放进加入NO2-的自来水中，放置2天左右时间，之后进行容器内的氧气测量，可知在此种条件下，水中的氧并没有得到很好的去除；再进行二次实验，将配置好的溶液煮沸两小时左右，经测量，可以将溶液中的氧几乎完全去除，但是煮沸后，原溶液中的亚硝酸水开始呈现碱性，若用其配制聚合物溶液，需要再使用盐酸中和，再次加入新的离子，因此这种方法并不可取。

②C3H7NO

同上亚硝酸的实验配制C3H7NO 溶液进行实验，得到的结果表明其对自来水中的氧并没有很好的去除效果。因此C3H7NO不适合进行去氧处理

③铁粉

在装有自来水的封闭瓶子中加入适量铁粉，每天测量容器中的含氧量，连续测量三天，由实验数据可知，铁粉不仅对水中的氧没有去除效果，反而自身会氧化生锈。

④N2

在装有自来水的封闭瓶子中通入适量N2，间隔半小时测量1 次水溶液中的含氧量，可以得到在接近3h 以后，水中的氧几乎被全部去除，并且不含任何其他杂质。

通过以上4种实验结果对比，N2是最佳的除氧方法。

5 结语

（1）盐性溶液对聚合物粘度具有较强的影响，Na+和K+对聚合物的降粘效果相差不大，Ca2+和Mg2+也有相似的降粘效果，但是二价的Ca2+、Mg2+比一价的Na+、K+对聚合物的降粘有更大的影响。

（2）温度对聚合物溶液的浓度具有较大的影响，基本上呈负相关的线性关系，每增加10℃的温度，聚合物的粘度也相应降低10%左右。由于HPAM进行水化和溶解的速度比较慢，一般需要处在常温条件下配制聚合物溶液。

（3）在酸性和碱性溶液中，聚合物溶液粘度都会产生很大的变化，当聚合物溶液处在酸性条件下，会降低其粘度，在碱性溶液中，聚合物粘度也会发生较大变化并产生白色针状沉淀，由此，在对聚合物溶液进行配制时，需要处在弱碱条件下，pH值最好在6～7。