聚合物母液快速熟化技術現場試驗

周鋼

大慶油田有限責任公司提高采收率項目經理部

聚合物驅是在水驅開采之后提高采油率重要的技術之一[1-4]。大慶油田自1995 年開始工業化推廣聚合物驅以來，形成了相對成熟的“集中配制、分散注入”的聚合物配制工藝流程[5-7]。截至2021年6月，已建成配制站27座，年配制干粉20×104t，配制聚合物相對分子質量從700 萬至2 500 萬，為正在注劑的147 座注入站、6 767 口注入井提供母液。聚合物母液配制采用“分散—熟化—外輸”短流程配制工藝，熟化罐以平臺高架方式安裝，雖然能夠滿足現場實際生產需求，但存在投資大、占地面積大等問題，制約著聚合物驅技術在中低滲透油藏的大規模推廣。

1 聚合物配制工藝存在的問題

目前大慶油田聚合物母液配制普遍采用“分散—熟化—外輸”的“集中配制、分散注入”短流程工藝（圖1）。該工藝流程需要熟化罐攪拌熟化，聚合物熟化時間一般需要2.0～2.5 h，分散及熟化裝置均為間歇運行。當單座熟化罐處于低液位時，啟動分散裝置；當熟化罐均處于正常液位或滿負荷時，分散裝置自動停運，此時分散裝置易出現頻繁啟停現象。熟化罐數量多，占地面積大，導致投資較大、運行成本及能耗較高等問題。

圖1 聚合物母液配制工藝流程Fig1 Preparation process flow of polymer mother liquor

2 快速熟化技術的應用

2.1 室內實驗及現場小試試驗

（1）室內實驗。2013 年，加工了配制能力為0.15 m3/h的模擬試驗裝置。在室內將薩南四配制站配制母液用清水加入模擬試驗裝置中，啟動模擬試驗裝置，將轉子轉速范圍調整為200～600 r/min，緩慢均勻加入高分子量聚合物干粉，配制出不同濃度的聚合物母液。測試不同濃度聚合物母液黏度并與標準樣進行對比，從圖2可以看出，快速熟化裝置配制出的聚合物母液黏度與常規工藝配制效果相當。

圖2 室內實驗效果Fig2 Effect of indoor experiment

（2）2014 年，進行了現場小試試驗，規模放大到2 m3/h，裝置內部轉子轉速250 r/min、預處理時間4 min，從圖3 中可以看出，裝置配制聚合物母液的黏度與常規配制聚合物母液黏度相當，同時裝置在運行過程中未出現故障，穩定可靠，小試裝置能夠適應不同水質配制不同相對分子質量聚合物母液。

圖3 現場小試試驗效果Fig3 Effect of field pilot test

2.2 現場工業化試驗

2019 年7 月—2020 年10 月，在大慶油田喇六配制站利用該項技術開展了配制1 600 萬相對分子質量聚合物母液現場試驗；設定母液質量濃度為5 500 mg/L，快速熟化裝置設計處理能力為40 m3/h，試驗流程如圖4 所示。圖4 中的超重力熟化機為快速熟化系統自有設備，其他設備為站內已建設備。

圖4 快速熟化系統工藝流程Fig.4 Rapid curing system process flow

2.2.1 快速熟化裝置運行參數的確定

聚合物母液快速熟化系統的核心設備是超重力熟化機[8-10]，而聚合物母液熟化效果主要與超重力熟化機的處理量和轉子（旋轉填充床）的轉數有關，因此試驗主要是確定超重力熟化機的合理處理量和轉數等運行參數。

（1）處理量對聚合物母液熟化效果的影響。在保證超重力熟化機轉數不變的條件下，在流量20～40 m3/h 范圍內，調節超重力熟化機處理量。快速熟化系統運行平穩后，每天上午10 點在出液緩沖罐出口每間隔5 min 連續取5 個樣品，分別化驗樣品黏度，并與常規工藝配制出的聚合物母液黏度進行對比，試驗結果如圖5所示。

從圖5 中可以看出，在轉數200～400 r/min 范圍內，快速熟化工藝熟化后的聚合物母液黏度與常規熟化工藝相比絕對誤差均在5%范圍內波動，滿足工業化對聚合物母液黏度的要求。試驗結果表明，進液量對超重力熟化機熟化聚合物母液效果影響較小。

圖5 進液量對聚合物母液配制效果的影響Fig.5 Effect of liquid intake on the preparation of polymer mother liquor

（2）轉數對聚合物母液熟化效果的影響。在保證超重力熟化機處理量不變的條件下，在轉數200～400 r/min 范圍內，調節超重力熟化機轉數。快速熟化系統運行平穩后，每天上午10 點在出液緩沖罐出口每間隔5 min 連續取5 個樣品，分別化驗樣品黏度，并與常規工藝配制出的聚合物母液黏度進行對比（圖6）。

圖6 轉速對聚合物母液配制效果的影響Fig.6 Effect of rotate speed on the preparation of polymer mother liquor

從圖6 中可以看出，當轉數小于250 r/min 時，快速熟化系統熟化后的聚合物母液黏度與常規工藝相比差距較大，隨著轉數的升高，這種差距逐漸減小。此試驗結果表明，超重力熟化機連續運行轉數在250 r/min以上較為合理。

2.2.2 連續運行試驗

2020 年7 月6 日—2020 年10 月13 日，開 展了連續運行試驗。配制1 600 萬相對分子質量聚合物，7 月6 日—9 月23 日設定配制質量濃度為5 500 mg/L，9月29日—10月13日設定配制質量濃度為6 025 mg/L，每天連續運行時間為21～23 h，平均連續運行22 h/d，配制能力為37～38 m3/h。快速熟化系統運行平穩后，每天上午10 點在出液緩沖罐出口每間隔5 min 連續取5 個樣品，分別化驗樣品濃度和黏度，并與標準樣品進行對比。試驗結果如圖7、圖8所示。

從圖7、圖8 可以看出，連續運行試驗期間，共計檢測聚合物濃度、黏度各129樣次，樣品平均質量濃度為5 508 mg/L，與標準樣品相差0.15%，樣品平均黏度為68.5 mPa·s，與標準樣品相差0.11%，樣品濃度、黏度均能夠滿足生產對聚合物母液的配制要求。同時在連續運行期間，快速熟化裝置運行穩定，未出現過不正常停機等現象，可靠性同樣可以滿足實際生產的要求。

圖7 快速熟化裝置出口濃度與標準樣濃度對比曲線Fig.7 Comparison curve of rapid curing unit outlet concentration and standard sample concentration

圖8 快速熟化裝置出口黏度與標準樣黏度對比曲線Fig.8 Comparison curve of rapid curing unit outlet viscosity and standard sample viscosity

2.3 聚合物母液理化性能評價結果

為了評價兩種配制工藝配制出的聚合物母液理化性能是否一致，在室內利用安東帕MCR301流變儀，分別開展了流變性和穩定性測試實驗。

（1）聚合物母液流變特性測試。在溫度25～45 ℃、剪切速率0～100 s-1的條件下，測試兩種熟化工藝配制出的聚合物母液流變特性，測試結果如圖9所示。

圖9 兩種熟化工藝配制出的聚合物母液流變特性測試曲線Fig.9 Rheological properties test curves of polymer mother liquid prepared by two kinds of curing processes

從圖9中可以看出，隨著剪切速率的增加黏度逐漸降低，兩種工藝配制出的聚合物母液黏度隨剪切速率變化規律基本一致。

（2）聚合物母液穩定性評價。現場取兩種工藝配制出的聚合物母液，用清水稀釋至1 700 mg/L后，室內常溫放置30 d，測試放置不同天數兩個聚合物溶液黏度變化情況，測試結果如圖10所示。

從圖10 中可以看出，兩種工藝配制出的聚合物母液經過稀釋后，30 d 后黏度保留率分別達到79%和78.6%，可見快速熟化工藝熟化后的聚合物稀釋液穩定性與常規工藝配制出的聚合物溶液基本一致。

圖10 兩種熟化工藝配制出的聚合物母液穩定性曲線Fig.10 Stability curves of polymer mother liquid prepared by two curing processes

3 熟化時間與工程投資

超重力熟化機的有效容積約為2.5 m3，進液預混緩沖罐+出液緩沖罐總有效容積為13.2 m3，當處理量為20～40 m3/h 時，計算快速熟化系統熟化聚合物母液時間約為23.6～47.1 min，而常規熟化工藝單座熟化罐配制相同分子質量的聚合物母液熟化時間為2.5 h，快速熟化工藝與常規工藝相比，熟化時間減少68.6%～84.3%。

快速熟化工藝采用“分散裝置→高效配制裝置→緩沖罐（熟化罐）→外輸泵→過濾”的工藝流程（工業化應用考慮外輸緩沖需求），常規配制工藝采用“分散裝置→熟化罐→外輸泵→過濾”的工藝流程。在相同熟化能力條件下，快速熟化工藝工程投資為563.31 萬元，而常規熟化工藝工程投資為697.12萬元，工程投資減少了133.81萬元，工程投資費用降低了19.2%（表1）。

表1 工藝投資對比分析（2020年）Tab.1 Process investment comparison analysis(2020)

4 結論

快速熟化工藝技術能夠實現聚合物母液的快速熟化，熟化后的聚合物母液各項性能指標與常規熟化工藝熟化后聚合物母液性能指標相當，且各類設備能夠連續運行穩定，可以滿足工業化生產要求。快速熟化工藝與常規工藝相比，熟化時間減少了68.6%～84.3%，工程投資降低了19.2%。