抗盐聚合物对采出液和采出水油水分离特性的影响研究

李瑞达 邵臣良 吴迪 薛强 张鑫

1大庆油田设计院有限公司

2大庆油田有限责任公司技术发展部

为提高二、三类油层的原油采收率，大庆油田在多个区块展开了不同类型抗盐聚合物的应用。不同于普通部分水解聚丙烯酰胺，通过改性或引入具有特殊功能的结构单元得到的抗盐聚合物具有更优异的耐温、耐盐、抗剪切及保黏性能，能够更好地适应二、三类油层开发，有效提高采收率[1-3]；但部分抗盐聚合物驱采出液进入常规聚合物驱地面系统处理后出现了油珠聚并困难、处理难度大幅度增加、处理费用增高等问题[4]，其中在萨中开发区北部和杏八区丁块应用的两种抗盐聚合物的影响尤其严重。

针对驱油聚合物对采出液油水分离特性的影响已做过大量研究，得到的结论主要是聚合物能够增强乳状液稳定性[5-7]：随着聚合物浓度的增大油珠表面的电荷密度也会随之增强，阻碍油珠的聚集和聚并；此外聚合物还会增大采出液的水相黏度，降低界面膜的排液速度以及油珠的上浮速度，从而增强采出液和采出水的稳定性。

为实现抗盐聚合物驱采出液和采出水的有效处理，需要针对抗盐聚合物对采出液和采出水的油水分离特性的影响进行研究，确定抗盐聚合物影响采出液和采出水油水分离特性的主要机制，从而为抗盐聚合物驱采出液处理药剂、工艺和设备研发提供理论指导。

1 试验材料及方法

1.1 材料和设备

油样：脱水脱气原油，取自大庆油田第一采油厂北Ⅰ-1联合站外输流量计处。

化学试剂：无水碳酸钠、碳酸氢钠、无水硫酸钠、氯化钠，均为分析纯；表面活性剂AES（工业品），白猫（辽宁）有限公司产品。

模拟水驱采出水样：参照大庆油田第四采油厂水驱采出水水质分析数据配制的模拟采出水样（表1）。

表1 模拟水驱采出水配方Tab.1 Formula of simalated produced water by water floodingmg/L

模拟聚合物驱采出水：按表1配方配制的模拟水驱采出水样溶解表2中所示的聚合物干粉，配制聚合物质量浓度为2 000 mg/L的母液，用模拟水驱采出水稀释聚合物母液得到不同聚合物含量的模拟常规和抗盐聚合物驱采出水。

表2 试验中使用的聚合物干粉样品Tab.2 Sample of polymer dry powder used in the tests

仪器：KINEMATICA PT3100D 均化仪，Leica DMRXP 偏光显微镜，Krüss K20 界面张力仪，Ankersmid EyeTech 激光粒度粒形分析仪，Haake MARS流变仪。

1.2 含水率为80%的模拟O/W型采出液制备和油水分离特性评价方法

在容积为500 mL 的Schott 瓶中加入油样60 g、模拟聚合物驱采出水240 g；将Schott 瓶置于40 ℃水浴中预热30 min；将Schott 瓶放到振幅为4 cm、频率为280 min-1的振荡机上振荡6 min，制得含水率为80%的模拟O/W 型采出液；将Schott 瓶置于40 ℃水浴中静置30 min后取出，上下颠倒1次，置于室温下静置60 s，用配有长针头的注射器从Schott 瓶底部抽取40 mL 水样，参照石油行业标准SY/T 5329—2012 中的步骤测定其含油量，记作水相乳化含油量[8]；用注射器将Schott 瓶内的水层和油水过渡层全部抽出，用显微镜拍摄油水过渡层的显微照片；将Schott瓶上下手振50次使其中残留的油样混合均匀，倒出50 g 油样参照国标GB/T 8929测定其含水率，记作油相含水率。

1.3 含油质量浓度为1 000 mg/L的模拟采出水制备和油水分离特性评价方法

在容积为500 mL的Schott瓶中配制200 g聚合物A和表面活性剂AES质量浓度（下同）均为1 000 mg/L的水样，加入油样200 g后置于水温为40 ℃的水浴中预热30 min；将Schott瓶内的油水样用均化仪在20 000 r/min的转速下乳化5 min，制得含油量为50%（质量分数）的油珠母液[9]；用模拟水驱采出水将油珠母液稀释100倍，制得含油质量浓度为5 000 mg/L的水样；在容积为1 000 mL的Schott瓶中加入200 g 含油浓度为5 000 mg/L的水样、模拟聚合物驱采出水800 g，上下振荡50次混合均匀，制得初始含油浓度为1 000 mg/L的模拟聚合物驱采出水；将Schott瓶置于40 ℃水浴中静置24 h后，用注射器从瓶底抽取40 mL水样测定其含油量，记作水相悬浮含油量[8]。

1.4 含油量为2%的O/W型模拟采出液制备和油珠粒径分布测试方法

在容积为1 000 mL 的Schott 瓶中加入796 g 模拟聚合物驱采出水，放入40 ℃烘箱老化16 h；用均化仪在20 000 r/min下将Schott瓶内的水样搅拌均匀至产生稳定漩涡；向漩涡处加入16 g 已预热至40 ℃的油样，在20 000 r/min下乳化2 min，制得含油量为2%的模拟采出液；用Ankersmid EyeTech 激光粒度粒形分析仪测试O/W 型模拟采出液中油珠的粒径分布。

1.5 油水界面平衡界面张力测试

张力测试采用Krüss K20界面张力仪进行，测试探头采用Wilhelmy 板，测试温度为45 ℃，测试介质为不含破乳剂的脱水脱气原油和模拟聚合物驱采出水，测试前油样和水样在测试杯中静置预平衡30 min。

1.6 水相黏度测试

黏度测试采用哈克MARS流变仪，测试介质为模拟聚合物驱采出水，检测参数为：7.36 s-1、40 ℃。

2 结果与讨论

2.1 聚合物对O/W 型模拟聚合物驱采出液油水分离特性的影响

从图1可以看出，含水率为80%的O/W型聚合物驱采出液在40 ℃下经过30 min 静置沉降后，油相含水率随水相普通聚丙烯酰胺A含量增大而逐渐降低，但随水相抗盐聚合物B 和C 含量增大而增大，其中抗盐聚合物C对油水分离的影响程度略大于抗盐聚合物B。从图2 看出，含水率为80%的O/W 型聚合物驱采出液在40 ℃下经过30 min 静置沉降后的水相乳化油量随水相聚合物A、B 和C 含量增大均呈现增大的趋势，且少量抗盐聚合物B和C便会造成采出液破乳难度大幅增高。相同水相聚合物含量下，含有抗盐聚合物B和C的模拟采出液经过30 min静置沉降后，水相乳化含油量相较含普通部分水解聚丙烯酰胺A的模拟采出液分别最大相差62.5倍和87.2倍。

图1 聚合物对含水率为80%的O/W型模拟聚合物驱采出液静置沉降30 min后油相含水率的影响Fig.1 Effects of polymers on water cut of oil phase of O/W type simulated polymer flooding produced fluid with an initial water cut of 80%after 30 min static settlement

图2 聚合物对含水率为80%的O/W型模拟聚合物驱采出液静置沉降30 min后水相乳化油量的影响Fig.2 Effects of polymers on emulsified oil content in the water phase of O/W type simulated polymer flooding produced fluid with an initial water cut of 80%after 30 min static settlement

综合上述分析发现，抗盐聚合物会大幅增大采出液的油水分离难度，且对分离采出水含油量的影响程度远大于油相含水率，三种聚合物对采出液油水分离特性的影响程度排序为：抗盐聚合物B＞抗盐聚合物C＞普通部分水解聚丙烯酰胺A。

2.2 聚合物对模拟聚合物驱采出水油水分离特性的影响

从图3 看出，少量抗盐聚合物B 和C 的存在就会大幅增大模拟采出水的油水分离难度。相同聚合物含量下，含有抗盐聚合物B和C的模拟采出水经过24 h静置沉降，水相悬浮油量较含有普通部分水解聚丙烯酰胺A的模拟采出水分别最大相差6倍和5.2 倍，抗盐聚合物B 对残余水相悬浮油量的影响程度大于抗盐聚合物C。三种聚合物对模拟采出水油水分离特性的影响程度排序为：抗盐聚合物B＞抗盐聚合物C＞普通部分水解聚丙烯酰胺A。

图3 聚合物对初始含油浓度为1 000 mg/L的聚合物驱模拟采出水静置沉降24 h后残余水相悬浮油量的影响Fig.3 Effects of polymers on the residual suspended oil content in the water phase of simulated polymer flooding produced water with an initial oil content of 1 000 mg/L after 24 h static settlement

2.3 聚合物对油水界面张力的影响

从图4看出，油水平衡界面张力随水相抗盐聚合物B和C含量增大逐渐降低，在水相聚合物含量为400 mg/L的情况下，两种聚合物可将油水平衡界面张力从不含聚合物情况下的18.4 mN/m 分别降低到11.7 mN/m 和13.2 mN/m，表明这两种聚合物均具有显著的油水界面活性，易吸附在油滴表面影响油水界面膜的性质。

图4 聚合物对油水平衡界面张力的影响Fig.4 Effects of polymers on equilibrium oil/water interfacial tension

2.4 聚合物对水相黏度的影响

从图5 看出，水相黏度随3 种聚合物含量增大均呈上升趋势；相同浓度下，抗盐聚合物B的增黏效果大于抗盐聚合物C。

图5 聚合物含量对聚合物水溶液黏度的影响Fig.5 Effects of polymer content on the viscosity of aqueous polymer solutions

2.5 聚合物对模拟采出液油珠粒径的影响

从图6 看出，抗盐聚合物B 和抗盐聚合物C 均会使模拟采出液中油珠粒径变小，乳化程度增强；相同浓度下，抗盐聚合物B对模拟采出液油水乳化程度的影响大于抗盐聚合物C。

图6 聚合物对含油量为2%的O/W型模拟采出液中粒径的影响Fig.6 Effects of polymers on oil droplet sizes in O/W type simulated produced fluid with an initial oil content of 2%

2.6 具有油水界面活性的抗盐聚合物对O/W 型乳状液稳定性的影响机制

2.6.1 高乳化程度稳定机制

具有较高油水界面活性的抗盐聚合物会降低采出液界面张力。根据公式（1）[10]可知，油水界面张力降低会导致采出液中油珠粒径变小，增大采出液的油水乳化程度。根据Stokes公式（2），O/W型原油乳状液中的油滴上浮速率与油滴粒径平方成正比，因此抗盐聚合物B和C不仅增大了O/W型采出液的乳化程度，还使其油水分离速度大幅度降低。

式中：dmax为简单剪切力场中的最大液滴直径，m；σ为分散相和连续相之间的界面张力，mN/m；μc为连续相的动态黏度，Pa·s；G为剪切速率，s-1；Cacrit为液滴破裂的临界毛细管数，取决于分散相黏度与连续相黏度的比值。

式中：Vt为液滴上浮速度，m/s；ρc为连续相密度，kg/m3；ρd为分散相密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；d为液滴直径，m；μ为连续相黏度，Pa·s。

2.6.2 高连续相黏度稳定机制

根据Stokes公式（2），O/W型原油乳状液中的油滴上浮速度与水相黏度成反比，因此抗盐聚合物对采出液水相的增黏作用导致油珠上浮速度下降。水相黏度越大，油珠上浮速度就越慢，乳状液分层所需时间越长，即采出液越稳定。

2.6.3 静电斥力稳定机制

从图7看出，含有抗盐聚合物B和C的模拟O/W型采出液在长时间静置沉降过程中水层中出现多个从上到下含油量逐渐降低的亚层，表明水层中的油滴之间存在很强的静电排斥力，其形成机理为：具有较高油水界面活性、表面带有过剩负电荷的聚合物分子团吸附在油珠表面，会增大油珠表面的过剩负电荷密度，使得油珠之间的静电排斥力增大，其作用结果会延迟油珠的上浮和聚集。

图7 采出液沉降过程中水层内的多个亚层实物图Fig.7 Physical picture of multiple sublayers in water layer during the produced fluid static settlement

2.6.4 空间位阻稳定机制

从图8 看出，含有抗盐聚合物B 和C 的模拟O/W型采出液经过长时间静置沉降后，在油水界面下方出现的O/W 型油水过渡层中存在由小油珠（粒径<10 μm）聚集形成的聚集体，尽管这些油滴之间已经充分靠近，但仍不能发生聚并而合并成大油滴，只能形成相对松散的次稳态聚集体。从图9看出，油珠次稳态聚集体的形成机制为：较高油水界面活性、表面带有过剩负电荷的聚合物分子团吸附在油珠表面，其一部分子链还会在水相中伸展，形成了阻碍油滴间进一步接近进而发生聚并的所谓空间位阻[11-12]。

图8 含有抗盐聚合物B和C的模拟O/W型采出液静置沉降过程中油水过渡层的显微镜照片Fig.8 Micrograph of oil-water transition layer in O/W gype simulated produced liquid prepared with polymer B and C during static settlement

图9 胶体粒子之间的静电斥力和空间位阻Fig.9 Static electrical repulse and steric hindrance among colloidal particles

油珠在距离较远时由双电层产生的静电斥力起主导作用，使采出液形成稳定的悬浮态、产生水层分多个亚层的现象；油珠在距离较近时空间位阻产生影响，阻止分散的油珠发生聚并，使O/W 型采出液中形成图8所示的次稳态油珠聚集体。

3 结论

（1）大庆油田萨中开发区北部和杏八区丁块应用的两种抗盐聚合物，均会造成采出液和采出水中O/W型乳状液稳定性显著增大；对采出液和采出水油水分离特性的影响程度排序为：抗盐聚合物B＞抗盐聚合物C＞普通部分水解聚丙烯酰胺A。

（2）具有油水界面活性的抗盐聚合物对采出液和采出水油水分离特性的影响机制主要为：聚合物B和C分子团具有油水界面活性，还带有过剩负电荷，其吸附在油滴表面会降低油水界面张力，增大采出液的油水乳化程度；同时还会增大油滴表面的过剩负电荷密度，产生阻碍油珠间相互聚集和聚并的静电斥力和空间位阻；此外聚合物B和C对水相的增黏作用还降低了油珠的上浮速度。