污水回注耐温抗盐聚丙烯酰胺研发及应用

吕晓华，刘 正， 杨力生，李二晓

河南正佳能源环保股份有限公司，河南新郑 451100

聚合物驱油技术是提高原油采收率的重要措施。目前国内油田开发面临“高含水、高温、高矿化度”的三高油藏[1]。随着环保压力的不断增加，90%以上的矿场采用清水配制聚合物母液，油田产出污水稀释的注入方式，既能减少污水处理费用，又能解决注采不平衡问题。由于油田产出污水中含有Ca2+、Mg2+、Fe2+、HCO3-等阴阳离子以及硫酸盐还原菌(SRB)、腐生菌等杂质，会造成聚合物不同程度的降解[2]。同时高温油藏会引起聚丙烯酰胺热分解、热水解以及氧化降解。通过研发的新型油田污水回注耐温抗盐聚丙烯酰胺ZJ-WP，能够解决油田污水配制聚合物黏度损失，成本上升，驱油效率降低的技术难题。

ZJ-WP是河南正佳能源环保股份有限公司研发生产的新型污水回注耐温抗盐聚丙烯酰胺。在工业化生产过程中，通过控制聚合单体比例、反应过程及水解剂用量等，能够生产水解度15%～30%，相对分子质量(1800～3300)×104的系列产品，满足不同油藏开发需要。

1 ZJ-WP的合成方法

1.1 ZJ-WP的分子设计

由于库仑力作用，赋予普通聚合物微嵌段结构，每个嵌段中间电荷受环境影响小，相互保持着一定的库仑排斥力，使聚合物保持相对较大的水动力学半径。从分子设计角度，改变普通HPAM单一分子结构，引入耐温抗盐磺酸基团，从而保持较高的分子质量和溶液黏度。

通过分子间引入对盐不敏感的磺酸基AMPS-AM基团，减少二价离子对羧酸根影响，引入乙烯基吡咯烷酮(NVP )抗温单体，提高耐温抗盐性能，进一步提高了聚合物长期稳定性。其结构式：

1.2 ZJ-WP共聚单体组成及质量分数

新型污水回注耐温抗盐聚合物ZJ-WP共聚单体由：丙烯酰胺(AM)、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)、乙烯基吡咯烷酮(NVP)组成。

聚合物合成过程中，共聚单体质量分数直接影响聚合反应的成败。共聚单体质量分数对聚合反应的影响见表1。

表1 单体质量分数之和优化

表1实验表明，当单体总浓度控制在22%时，反应时间、反应速度和反应温度满足聚合要求，ZJ-WP共聚单体优化总浓度为22%。

1.3 ZJ-WP合成工艺条件

在反应釜中依次加入质量分数8.7%的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸AMPS，质量分数1%的丙烯酰胺AM，质量分数3%的乙烯基吡咯烷酮NVP抗温单体，用去离子水配制成单体总浓度为22%的水溶液，各种聚合单体物质的量比为：n(AM)∶n(AMPS)∶n(NVP)=4.5∶0.18∶0.099。

在配置溶液中加入NaOH调节pH值至6.0，控制溶液温度在0～6 ℃，再加入质量分数0.15%的偶氮二异丁咪唑啉盐酸盐引发剂，同时通入氮气60 min，控制含氧量≤0.02 mg/L，密封反应7 h；待反应结束后密闭保温2 h。将反应胶体破碎成胶粒放入水解器内，加入质量分数7%的NaOH水解剂，在55～65 ℃水解6 h，反应结束后烘干、粉碎造粒制得污水回注耐温抗盐聚丙烯酰胺ZJ-WP。

2 ZJ-WP性能评价

2.1 ZJ-WP基本质量性能

研发的ZJ-WP基本质量性能依据国家标准GB/T 12005—2004、行业标准SY/T 5862—2008、企业标准Q/HNZJ001—2019进行评价[3]。评价结果见表2。

表2 聚合物ZJ-WP质量性能评价

2.2 ZJ-WP与其他聚合物增黏性比较

为验证ZJ-WP在油田污水体系中的黏度优势，开展ZJ-WP与油田在用聚合物黏度对比实验。分别针对河南油田某区块TDS：10 884 mg/L，92.4 ℃；胜利油田某区块TDS:19 334 mg/L，75 ℃；大庆油田某区块TDS:6 000 mg/L，45 ℃；加拿大Husky某区块TDS:49 260 mg/L，81 ℃采用自配模拟污水进行黏度评价，结果见表3。相同浓度条件下，研发ZJ-WP比其他聚合物黏度提高27%以上。说明ZJ-WP在模拟油田污水中具有好的增黏及耐温性能。适合在油田矿化度≤50 000 mg/L，温度≤90 ℃的油藏推广应用。

表3 不同聚合物黏度评价

2.3 ZJ-WP在油田产出污水中增黏性及驱油效率评价

试验用大庆油田联合站产出污水开展ZJ-WP与大庆在用聚合物P2500黏度及驱油效率对比。大庆油田污水平均矿化度为5 129 mg/L，污水中含有Ca2+、Mg2+、Fe2+、硫酸盐还原菌、腐生菌、硫化氢等杂质。

2.3.1 聚合物增黏性能评价

采用大庆联合站污水分别配制不同浓度的ZJ-WP、P2500聚合物溶液。不同聚合物黏度评价实验结果见表4。

表4 不同聚合物黏度评价

由表4可见，在污水体系中，ZJ-WP浓度1 100 mg/L黏度39.4 mPa·s与P2500浓度1 350 mg/L时39.5 mPa·s的黏度相当。相同浓度条件下，ZJ-WP比P2500黏度高22%以上，说明研发聚合物ZJ-WP在油田产出污水中具有好的增黏性能。

2.3.2 岩心驱油效率评价

试验温度50 ℃，注入速度0.2 mL/min。岩心驱油天然岩心(尺寸：5 cm×5 cm×10 cm)，含油饱和度69.3%、69.5%。实验方法：水驱至含水98%以上，稳定2 h；注入经50 ℃老化60 d的聚合物溶液0.6 PV；转后续水驱至含水98%以上，稳定2 h结束实验。驱油效率评价结果见表5。表明，ZJ-WP浓度1100 mg/L驱油效率13.6%，P2500浓度1350 mg/L驱油效率9.1%，ZJ-WP驱替浓度低于P2500聚合物250 mg/L，提高采收率值高出4.5个百分点，折合单位聚合物用量，相当于节省聚合物用量45%。说明ZJ-WP在油田污水体系中有较好的驱油效果。

表5 不同聚合物驱油效率评价

3 ZJ-WP聚合物矿场试验

聚合物ZJ-WP在油田渗透率454×10-3m2，油藏温度49.9 ℃，孔隙度26.8%，地下原油黏度6.3 mPa·s，总矿化度8 217.5 mg/L(Ca2+、Mg2+含量分别为30 mg/L、20 mg/L)的目标区块开展矿场试验。

试验设计方案：采用清水配制5 000 mg/L的母液，油田产出污水稀释的配注方式。前置段塞0.05 PV，注入浓度1 400 mg/L，注入速度0.16 PV/a；主体段塞0.7 PV，注入浓度1 300 mg/L，注入速度0.2 PV/a。图1聚合物综合含水与采出程度曲线表明，累计注入0.7 PV时，综合含水下降，采出程度17.9%，提高采收率14.2个百分点，增油降水效果明显。

图1 综合含水及采出程度曲线图

4 结论

污水回注耐温抗盐聚丙烯酰胺ZJ-WP通过对普通聚合物单一分子结构进行改性，降低聚合物对油田污水及温度的敏感性，在油田产出污水中，能保持较高的溶液黏度及驱油效率。通过矿场试验表明，ZJ-WP增油降水效果明显，能有效解决油田产出污水配制聚合物遇到的黏度损失、成本上升、驱油效率降低的技术难题，适合在油田矿化度≤50 000 mg/L、温度≤90 ℃的油藏推广应用。