抗鹽聚合物對采出液和采出水油水分離特性的影響研究

李瑞達 邵臣良 吳迪 薛強 張鑫

1大慶油田設計院有限公司

2大慶油田有限責任公司技術發展部

為提高二、三類油層的原油采收率，大慶油田在多個區塊展開了不同類型抗鹽聚合物的應用。不同于普通部分水解聚丙烯酰胺，通過改性或引入具有特殊功能的結構單元得到的抗鹽聚合物具有更優異的耐溫、耐鹽、抗剪切及保黏性能，能夠更好地適應二、三類油層開發，有效提高采收率[1-3]；但部分抗鹽聚合物驅采出液進入常規聚合物驅地面系統處理后出現了油珠聚并困難、處理難度大幅度增加、處理費用增高等問題[4]，其中在薩中開發區北部和杏八區丁塊應用的兩種抗鹽聚合物的影響尤其嚴重。

針對驅油聚合物對采出液油水分離特性的影響已做過大量研究，得到的結論主要是聚合物能夠增強乳狀液穩定性[5-7]：隨著聚合物濃度的增大油珠表面的電荷密度也會隨之增強，阻礙油珠的聚集和聚并；此外聚合物還會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，從而增強采出液和采出水的穩定性。

為實現抗鹽聚合物驅采出液和采出水的有效處理，需要針對抗鹽聚合物對采出液和采出水的油水分離特性的影響進行研究，確定抗鹽聚合物影響采出液和采出水油水分離特性的主要機制，從而為抗鹽聚合物驅采出液處理藥劑、工藝和設備研發提供理論指導。

1 試驗材料及方法

1.1 材料和設備

油樣：脫水脫氣原油，取自大慶油田第一采油廠北Ⅰ-1聯合站外輸流量計處。

化學試劑：無水碳酸鈉、碳酸氫鈉、無水硫酸鈉、氯化鈉，均為分析純；表面活性劑AES（工業品），白貓（遼寧）有限公司產品。

模擬水驅采出水樣：參照大慶油田第四采油廠水驅采出水水質分析數據配制的模擬采出水樣（表1）。

表1 模擬水驅采出水配方Tab.1 Formula of simalated produced water by water floodingmg/L

模擬聚合物驅采出水：按表1配方配制的模擬水驅采出水樣溶解表2中所示的聚合物干粉，配制聚合物質量濃度為2 000 mg/L的母液，用模擬水驅采出水稀釋聚合物母液得到不同聚合物含量的模擬常規和抗鹽聚合物驅采出水。

表2 試驗中使用的聚合物干粉樣品Tab.2 Sample of polymer dry powder used in the tests

儀器：KINEMATICA PT3100D 均化儀，Leica DMRXP 偏光顯微鏡，Krüss K20 界面張力儀，Ankersmid EyeTech 激光粒度粒形分析儀，Haake MARS流變儀。

1.2 含水率為80%的模擬O/W型采出液制備和油水分離特性評價方法

在容積為500 mL 的Schott 瓶中加入油樣60 g、模擬聚合物驅采出水240 g；將Schott 瓶置于40 ℃水浴中預熱30 min；將Schott 瓶放到振幅為4 cm、頻率為280 min-1的振蕩機上振蕩6 min，制得含水率為80%的模擬O/W 型采出液；將Schott 瓶置于40 ℃水浴中靜置30 min后取出，上下顛倒1次，置于室溫下靜置60 s，用配有長針頭的注射器從Schott 瓶底部抽取40 mL 水樣，參照石油行業標準SY/T 5329—2012 中的步驟測定其含油量，記作水相乳化含油量[8]；用注射器將Schott 瓶內的水層和油水過渡層全部抽出，用顯微鏡拍攝油水過渡層的顯微照片；將Schott瓶上下手振50次使其中殘留的油樣混合均勻，倒出50 g 油樣參照國標GB/T 8929測定其含水率，記作油相含水率。

1.3 含油質量濃度為1 000 mg/L的模擬采出水制備和油水分離特性評價方法

在容積為500 mL的Schott瓶中配制200 g聚合物A和表面活性劑AES質量濃度（下同）均為1 000 mg/L的水樣，加入油樣200 g后置于水溫為40 ℃的水浴中預熱30 min；將Schott瓶內的油水樣用均化儀在20 000 r/min的轉速下乳化5 min，制得含油量為50%（質量分數）的油珠母液[9]；用模擬水驅采出水將油珠母液稀釋100倍，制得含油質量濃度為5 000 mg/L的水樣；在容積為1 000 mL的Schott瓶中加入200 g 含油濃度為5 000 mg/L的水樣、模擬聚合物驅采出水800 g，上下振蕩50次混合均勻，制得初始含油濃度為1 000 mg/L的模擬聚合物驅采出水；將Schott瓶置于40 ℃水浴中靜置24 h后，用注射器從瓶底抽取40 mL水樣測定其含油量，記作水相懸浮含油量[8]。

1.4 含油量為2%的O/W型模擬采出液制備和油珠粒徑分布測試方法

在容積為1 000 mL 的Schott 瓶中加入796 g 模擬聚合物驅采出水，放入40 ℃烘箱老化16 h；用均化儀在20 000 r/min下將Schott瓶內的水樣攪拌均勻至產生穩定漩渦；向漩渦處加入16 g 已預熱至40 ℃的油樣，在20 000 r/min下乳化2 min，制得含油量為2%的模擬采出液；用Ankersmid EyeTech 激光粒度粒形分析儀測試O/W 型模擬采出液中油珠的粒徑分布。

1.5 油水界面平衡界面張力測試

張力測試采用Krüss K20界面張力儀進行，測試探頭采用Wilhelmy 板，測試溫度為45 ℃，測試介質為不含破乳劑的脫水脫氣原油和模擬聚合物驅采出水，測試前油樣和水樣在測試杯中靜置預平衡30 min。

1.6 水相黏度測試

黏度測試采用哈克MARS流變儀，測試介質為模擬聚合物驅采出水，檢測參數為：7.36 s-1、40 ℃。

2 結果與討論

2.1 聚合物對O/W 型模擬聚合物驅采出液油水分離特性的影響

從圖1可以看出，含水率為80%的O/W型聚合物驅采出液在40 ℃下經過30 min 靜置沉降后，油相含水率隨水相普通聚丙烯酰胺A含量增大而逐漸降低，但隨水相抗鹽聚合物B 和C 含量增大而增大，其中抗鹽聚合物C對油水分離的影響程度略大于抗鹽聚合物B。從圖2 看出，含水率為80%的O/W 型聚合物驅采出液在40 ℃下經過30 min 靜置沉降后的水相乳化油量隨水相聚合物A、B 和C 含量增大均呈現增大的趨勢，且少量抗鹽聚合物B和C便會造成采出液破乳難度大幅增高。相同水相聚合物含量下，含有抗鹽聚合物B和C的模擬采出液經過30 min靜置沉降后，水相乳化含油量相較含普通部分水解聚丙烯酰胺A的模擬采出液分別最大相差62.5倍和87.2倍。

圖1 聚合物對含水率為80%的O/W型模擬聚合物驅采出液靜置沉降30 min后油相含水率的影響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

圖2 聚合物對含水率為80%的O/W型模擬聚合物驅采出液靜置沉降30 min后水相乳化油量的影響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

綜合上述分析發現，抗鹽聚合物會大幅增大采出液的油水分離難度，且對分離采出水含油量的影響程度遠大于油相含水率，三種聚合物對采出液油水分離特性的影響程度排序為：抗鹽聚合物B＞抗鹽聚合物C＞普通部分水解聚丙烯酰胺A。

2.2 聚合物對模擬聚合物驅采出水油水分離特性的影響

從圖3 看出，少量抗鹽聚合物B 和C 的存在就會大幅增大模擬采出水的油水分離難度。相同聚合物含量下，含有抗鹽聚合物B和C的模擬采出水經過24 h靜置沉降，水相懸浮油量較含有普通部分水解聚丙烯酰胺A的模擬采出水分別最大相差6倍和5.2 倍，抗鹽聚合物B 對殘余水相懸浮油量的影響程度大于抗鹽聚合物C。三種聚合物對模擬采出水油水分離特性的影響程度排序為：抗鹽聚合物B＞抗鹽聚合物C＞普通部分水解聚丙烯酰胺A。

圖3 聚合物對初始含油濃度為1 000 mg/L的聚合物驅模擬采出水靜置沉降24 h后殘余水相懸浮油量的影響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 聚合物對油水界面張力的影響

從圖4看出，油水平衡界面張力隨水相抗鹽聚合物B和C含量增大逐漸降低，在水相聚合物含量為400 mg/L的情況下，兩種聚合物可將油水平衡界面張力從不含聚合物情況下的18.4 mN/m 分別降低到11.7 mN/m 和13.2 mN/m，表明這兩種聚合物均具有顯著的油水界面活性，易吸附在油滴表面影響油水界面膜的性質。

圖4 聚合物對油水平衡界面張力的影響Fig.4 Effects of polymers on equilibrium oil/water interfacial tension

2.4 聚合物對水相黏度的影響

從圖5 看出，水相黏度隨3 種聚合物含量增大均呈上升趨勢；相同濃度下，抗鹽聚合物B的增黏效果大于抗鹽聚合物C。

圖5 聚合物含量對聚合物水溶液黏度的影響Fig.5 Effects of polymer content on the viscosity of aqueous polymer solutions

2.5 聚合物對模擬采出液油珠粒徑的影響

從圖6 看出，抗鹽聚合物B 和抗鹽聚合物C 均會使模擬采出液中油珠粒徑變小，乳化程度增強；相同濃度下，抗鹽聚合物B對模擬采出液油水乳化程度的影響大于抗鹽聚合物C。

圖6 聚合物對含油量為2%的O/W型模擬采出液中粒徑的影響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鹽聚合物對O/W 型乳狀液穩定性的影響機制

2.6.1 高乳化程度穩定機制

具有較高油水界面活性的抗鹽聚合物會降低采出液界面張力。根據公式（1）[10]可知，油水界面張力降低會導致采出液中油珠粒徑變小，增大采出液的油水乳化程度。根據Stokes公式（2），O/W型原油乳狀液中的油滴上浮速率與油滴粒徑平方成正比，因此抗鹽聚合物B和C不僅增大了O/W型采出液的乳化程度，還使其油水分離速度大幅度降低。

式中：dmax為簡單剪切力場中的最大液滴直徑，m；σ為分散相和連續相之間的界面張力，mN/m；μc為連續相的動態黏度，Pa·s；G為剪切速率，s-1；Cacrit為液滴破裂的臨界毛細管數，取決于分散相黏度與連續相黏度的比值。

式中：Vt為液滴上浮速度，m/s；ρc為連續相密度，kg/m3；ρd為分散相密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；d為液滴直徑，m；μ為連續相黏度，Pa·s。

2.6.2 高連續相黏度穩定機制

根據Stokes公式（2），O/W型原油乳狀液中的油滴上浮速度與水相黏度成反比，因此抗鹽聚合物對采出液水相的增黏作用導致油珠上浮速度下降。水相黏度越大，油珠上浮速度就越慢，乳狀液分層所需時間越長，即采出液越穩定。

2.6.3 靜電斥力穩定機制

從圖7看出，含有抗鹽聚合物B和C的模擬O/W型采出液在長時間靜置沉降過程中水層中出現多個從上到下含油量逐漸降低的亞層，表明水層中的油滴之間存在很強的靜電排斥力，其形成機理為：具有較高油水界面活性、表面帶有過剩負電荷的聚合物分子團吸附在油珠表面，會增大油珠表面的過剩負電荷密度，使得油珠之間的靜電排斥力增大，其作用結果會延遲油珠的上浮和聚集。

圖7 采出液沉降過程中水層內的多個亞層實物圖Fig.7 Physical picture of multiple sublayers in water layer during the produced fluid static settlement

2.6.4 空間位阻穩定機制

從圖8 看出，含有抗鹽聚合物B 和C 的模擬O/W型采出液經過長時間靜置沉降后，在油水界面下方出現的O/W 型油水過渡層中存在由小油珠（粒徑<10 μm）聚集形成的聚集體，盡管這些油滴之間已經充分靠近，但仍不能發生聚并而合并成大油滴，只能形成相對松散的次穩態聚集體。從圖9看出，油珠次穩態聚集體的形成機制為：較高油水界面活性、表面帶有過剩負電荷的聚合物分子團吸附在油珠表面，其一部分子鏈還會在水相中伸展，形成了阻礙油滴間進一步接近進而發生聚并的所謂空間位阻[11-12]。

圖8 含有抗鹽聚合物B和C的模擬O/W型采出液靜置沉降過程中油水過渡層的顯微鏡照片Fig.8 Micrograph of oil-water transition layer in O/W gype simulated produced liquid prepared with polymer B and C during static settlement

圖9 膠體粒子之間的靜電斥力和空間位阻Fig.9 Static electrical repulse and steric hindrance among colloidal particles

油珠在距離較遠時由雙電層產生的靜電斥力起主導作用，使采出液形成穩定的懸浮態、產生水層分多個亞層的現象；油珠在距離較近時空間位阻產生影響，阻止分散的油珠發生聚并，使O/W 型采出液中形成圖8所示的次穩態油珠聚集體。

3 結論

（1）大慶油田薩中開發區北部和杏八區丁塊應用的兩種抗鹽聚合物，均會造成采出液和采出水中O/W型乳狀液穩定性顯著增大；對采出液和采出水油水分離特性的影響程度排序為：抗鹽聚合物B＞抗鹽聚合物C＞普通部分水解聚丙烯酰胺A。

（2）具有油水界面活性的抗鹽聚合物對采出液和采出水油水分離特性的影響機制主要為：聚合物B和C分子團具有油水界面活性，還帶有過剩負電荷，其吸附在油滴表面會降低油水界面張力，增大采出液的油水乳化程度；同時還會增大油滴表面的過剩負電荷密度，產生阻礙油珠間相互聚集和聚并的靜電斥力和空間位阻；此外聚合物B和C對水相的增黏作用還降低了油珠的上浮速度。