渤海J油田聚合物驅(qū)油配液除氧體系研究與應(yīng)用

鄭繼龍，吳彬彬，左清泉

1.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452；2.海洋石油高效開發(fā)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300452

J 油田位于渤海遼東灣北部海域，油層組分布以縱向?yàn)橹鳎瑵B透率差異較大，非均質(zhì)嚴(yán)重。油田初期開采方式為注水開發(fā)，水驅(qū)采收率僅為13%左右。2008年，8 口注水井轉(zhuǎn)為聚合物驅(qū)油，為了強(qiáng)化聚合物驅(qū)油效果，8 口聚合物驅(qū)油注入井陸續(xù)轉(zhuǎn)為二元復(fù)合驅(qū)注入井，形成8 注33 采規(guī)模。截至2018年12月，二元復(fù)合驅(qū)見效井22 口，累計(jì)增油1.028×106m3，顯著提高了油田的開發(fā)效率。然而，在聚合物驅(qū)油實(shí)施過程中，聚合物溶液中存在大量氣泡，導(dǎo)致注入壓力偏高、聚合物降解、地面設(shè)備管道和地下管柱腐蝕等問題。因此，有必要開展J 油田聚合物驅(qū)油配液除氣技術(shù)研究，以滿足海上油田聚合物驅(qū)油礦場實(shí)施需求，保障聚合物驅(qū)油實(shí)施效果。

1 J油田聚合物驅(qū)油配液生泡原因及解決方法

J油田聚合物驅(qū)油配注工藝流程如圖1所示。通過流程分析，整個(gè)配液以及注入過程中可形成氣泡的位置主要集中在溶解罐和熟化罐中，先后多次對(duì)溶解罐和熟化罐中的聚合物母液取樣觀察，發(fā)現(xiàn)聚合物溶液存在如下特點(diǎn)：其一，母液樣品中含有大量肉眼可見的氣泡；其二，單純通過延長熟化時(shí)間，氣泡分離時(shí)間超過10 h，且僅有少部分氣泡分離；其三，母液取樣檢測氣泡O2含量高達(dá)10 mg/L，O2含量嚴(yán)重超標(biāo)（現(xiàn)場回注水控制指標(biāo)中溶解氧含量應(yīng)小于0.1 mg/L）。

圖1 聚合物驅(qū)油配注工藝流程

通過梳理配注工藝流程，分析氣體引入點(diǎn)，認(rèn)為氣泡主要是在聚合物干粉與水混合時(shí)形成，高壓注入泵前與空氣連通的節(jié)點(diǎn)主要為聚合物干粉上料系統(tǒng)，該系統(tǒng)以鼓風(fēng)機(jī)空氣為氣源，干粉、空氣、低壓水快速攪拌混合溶解的過程會(huì)包裹空氣形成含氣泡的聚合物母液（質(zhì)量濃度為6 000 mg/L，黏度約為3 000 mPa·s）。由于聚合物母液黏度較高，氣泡上浮較慢，熟化過程中無法完全分離，從而隨著聚合物溶液進(jìn)入后續(xù)注入環(huán)節(jié)和地層。

通過文獻(xiàn)調(diào)研［1-2］，大慶油田采油三廠在聚合物驅(qū)油現(xiàn)場配注聚合物母液過程中也同樣出現(xiàn)過母液起泡的問題，文獻(xiàn)中重點(diǎn)分析了熟化罐進(jìn)藥位置高進(jìn)低出造成母液的二次生泡，并提出通過熟化罐改造可有效改善此問題，建議在熟化罐進(jìn)液管出口設(shè)置導(dǎo)流槽，使母液沿著管壁螺旋流入管內(nèi)，既可降低母液的流動(dòng)速度，又可改變流體與液面的接觸角度，從而可以避免大量的氣泡產(chǎn)生，大幅度消減氣泡對(duì)后續(xù)流程的影響。

從技術(shù)實(shí)現(xiàn)程度和成本等角度考慮［3-4］，完全隔絕空氣或無氣體輸送的聚合物配制裝備很難實(shí)現(xiàn)。再加上海上油田聚合物驅(qū)油現(xiàn)場使用的母液濃度、熟化時(shí)間、配制方式等均屬于工藝方案優(yōu)化后的結(jié)果［5-7］，所以本研究嘗試在聚合物母液配制環(huán)節(jié)，通過注入化學(xué)藥劑，消耗掉氣泡和溶液中的O2，從而避免聚合物溶液的降解和管道、管柱腐蝕的危害。

2 除氧劑室內(nèi)篩選評(píng)價(jià)

2.1 實(shí)驗(yàn)材料及儀器

2.1.1 主要實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)用水，J 油田平臺(tái)配聚水；聚合物，工業(yè)品，固含量≥90%，四川光亞聚合物化工有限公司；除氧劑（CQ-1、CQ-2、CQ-3、CQ-4、CQ-5），工業(yè)品，江陰華東水處理有限公司；除氧劑（BHJ3-N），工業(yè)品，濟(jì)南雅歌新材料科技有限公司。

2.1.2 主要實(shí)驗(yàn)儀器

電子天平，德國賽多利斯集團(tuán)；恒溫水浴槽，優(yōu)萊博技術(shù)（北京）有限公司；多點(diǎn)磁力攪拌器，美國Variomag 公司；旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，美國Brookfield 公司；電熱恒溫箱，德國Binder 公司；DO-HX-12 型測氧管，上海才韻貿(mào)易有限公司。

2.2 除氧劑材料優(yōu)選

在溫度50 ℃、攪拌速度300 r/min 條件下，按照下列要求使用J 油田平臺(tái)配聚水分別配制質(zhì)量濃度為6 000 mg/L的聚合物母液樣品。①空白樣；②配液時(shí)分別加入300 mg/L 的除氧劑CQ-1、CQ-2、CQ-3、CQ-4、CQ-5 以及BHJ3-N。將聚合物充分?jǐn)嚢枞芙夂?，于恒溫箱中靜置1 h，參照文獻(xiàn)［8］，使用測氧管測定不同樣品中的氧含量，同時(shí)觀察不同樣品中氣泡的分布情況，結(jié)果見表1和圖2。

表1 聚合物母液樣品中氧含量測定結(jié)果

圖2 樣品靜置1 h后的狀態(tài)

由表1可知：不加除氧劑的空白樣中溶解氧含量為8～10 mg/L，說明聚合物溶液在攪拌配制過程中，溶解氧基本達(dá)到飽和；加入除氧劑后，6個(gè)樣品中的溶解氧含量均有減少，加入除氧劑BHJ3-N的除氧效果最好，溶解氧含量低于1 mg/L。

在聚合物溶液攪拌配制過程中，7 個(gè)樣品中均出現(xiàn)大量氣泡，靜置1 h 后結(jié)果如圖2所示。由圖2可以明顯看出：空白樣中還有較多微小氣泡，分布比較均勻，而加入除氧劑的6 個(gè)樣品中氣泡含量均大幅減少，加入除氧劑CQ-1、CQ-5 和BHJ3-N 樣品中已沒有肉眼可見的氣泡，說明加入除氧劑后，能夠消耗掉氣泡中約占21%的O2，可以減少聚合物溶液中氣泡的消泡時(shí)間。

綜合表1和圖2結(jié)果可知，除氧劑BHJ3-N 的除氧效果最佳，且可以大幅縮短聚合物溶液中氣泡的消泡時(shí)間。

2.3 除氧劑使用濃度優(yōu)選

2.3.1 消泡時(shí)間

在溫度50 ℃、攪拌速度300 r/min 條件下，使用J 油田平臺(tái)配聚水分別配制質(zhì)量濃度為6 000 mg/L的聚合物母液樣品若干，分別加入100、150、200、250 和300 mg/L 的除氧劑BHJ3-N［9］，充分?jǐn)嚢枞芙夂蟮谷刖呷客膊⒎庞诤銣叵渲?，觀察聚合物溶液中的氣泡分布和消泡規(guī)律，結(jié)果如圖3～4所示。

圖3 加入不同濃度除氧劑后靜置不同時(shí)間的消泡規(guī)律

由圖3可知：聚合物溶液配制完成后，溶液中含有大量分布較為均勻的氣泡，隨著恒溫靜置時(shí)間的延長，溶液中的氣泡不斷上浮并消失，30 min后溶液中僅殘留少量集中在上層分布的微小氣泡。

由圖4可知：加入不同濃度除氧劑后，隨著除氧劑濃度的增加，消泡時(shí)間呈先減少后增加的規(guī)律，當(dāng)除氧劑質(zhì)量濃度為200～250 mg/L 時(shí)，消泡時(shí)間少于50 min，消泡最快速。

圖4 除氧劑濃度與消泡時(shí)間關(guān)系曲線

2.3.2 聚合物黏度及熱穩(wěn)定性

在溫度50 ℃、攪拌速度300 r/min 條件下，使用J 油田平臺(tái)配聚水分別配制質(zhì)量濃度為6 000 mg/L的聚合物母液樣品若干，分別加入不同濃度的除氧劑BHJ3-N，充分?jǐn)嚢枞芙夂?，于恒溫箱中靜置1 h，使用旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測定不同樣品的表觀黏度，測試完成后重新放回恒溫箱中，每隔一段時(shí)間使用旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測定樣品的表觀黏度，測定條件設(shè)置為溫度50 ℃、使用6.34 s-1速率剪切5 min，結(jié)果如圖5～6所示。

圖5 除氧劑濃度對(duì)聚合物溶液黏度的影響

由圖5可知：配制好的聚合物溶液靜置1 h后，不加除氧劑的聚合物溶液的黏度要比加除氧劑的稍高?？赡艿脑蚴牵河捎诓患映鮿┑木酆衔锶芤褐杏写罅康奈⑿馀?，這些微小氣泡能在一定程度上增強(qiáng)聚合物的彈性模量，使得表觀黏度有所增加；而加入不同濃度除氧劑后，聚合物溶液的黏度基本不變，說明除氧劑對(duì)聚合物溶液黏度的影響可忽略不計(jì)。

圖6是除氧劑對(duì)聚合物溶液長期熱穩(wěn)定性的影響。由圖6可知：加入除氧劑后，聚合物溶液主要受熱降解的作用，黏度不斷降低?？赡艿脑蚴牵河捎谌芤褐泻械腛2會(huì)對(duì)聚合物產(chǎn)生氧化降解，恒溫放置一段時(shí)間后，聚合物溶液黏度衰減迅速，氧化降解過程主要發(fā)生在0～30 d內(nèi)，超過30 d后，O2被耗盡，聚合物氧化降解減弱，但持續(xù)的熱降解仍使得聚合物溶液黏度不斷降低。

圖6 除氧劑對(duì)聚合物溶液長期熱穩(wěn)定性的影響

2.3.3 除氧效果

在溫度50 ℃、攪拌速度300 r/min 條件下，使用J 油田平臺(tái)配聚水分別配制質(zhì)量濃度為6 000 mg/L的聚合物母液樣品若干，分別加入不同濃度的除氧劑BHJ3-N，充分?jǐn)嚢枞芙夂?，于恒溫箱中靜置1 h，使用測氧管測定不同樣品中的氧含量，結(jié)果見表2。

表2 不同濃度除氧劑對(duì)聚合物母液樣品中氧含量的影響

由表2可知：當(dāng)除氧劑濃度大于150 mg/L時(shí)，聚合物溶液中氧含量均低于1 mg/L。

綜合以上室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在聚合物母液配制過程中，為達(dá)到最佳的除氧效果，優(yōu)選除氧劑BHJ3-N，其最佳使用質(zhì)量濃度為200～250 mg/L。

2.4 除氧劑對(duì)產(chǎn)出液的影響

使用J 油田聚合物驅(qū)油受益井產(chǎn)出液，分別配制水油體積比為1∶9、5∶5、8∶2 和9∶1 的油水樣50 mL，再分別加入1 mL 質(zhì)量濃度為250 mg/L 的除氧劑BHJ3-N，充分振蕩混合油水樣，然后放入50 ℃恒溫箱中，觀察油水界面變化情況，結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知：油水樣停止振蕩后，油水便快速分離，油水界面清晰，油水比例與配制比例基本一致，說明除氧劑BHJ3-N不會(huì)對(duì)油水樣分離產(chǎn)生影響。

圖7 除氧劑對(duì)產(chǎn)出液油水分離的影響

3 礦場試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方案概述

考慮到現(xiàn)場注入工藝流程中，氣泡主要在溶解罐中產(chǎn)生，然后沿著流程進(jìn)入熟化罐，選定加藥位置為溶解罐之前以及溶解罐與熟化罐之間。使用藥劑注入泵恒速加藥，藥劑使用質(zhì)量濃度為250 mg/L，加藥速度為7 L/h。為了對(duì)加藥后除氧效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，在整個(gè)試驗(yàn)過程中準(zhǔn)確記錄各個(gè)井口的注入壓力和注入量，取樣測定加藥前后聚合物溶液的含氧量、消泡時(shí)間等參數(shù)。

3.2 效果分析

3.2.1 除氧效果

表3是加藥后井口取樣樣品中含氧量隨時(shí)間的變化。由表3可知：未加藥時(shí)，井口取樣樣品中氧氣含量為5 mg/L，加藥12 h 后，含氧量降低至1 mg/L，隨著除氧劑的持續(xù)加入，含氧量小于1 mg/L。

表3 加藥后井口取樣樣品中含氧量變化

圖8是現(xiàn)場試驗(yàn)過程中，根據(jù)井口取樣測定的聚合物溶液中溶解氧含量計(jì)算的除氧率變化規(guī)律。由圖8可知：注入工藝流程中加入除氧劑后，除氧率高達(dá)91%，后期加藥穩(wěn)定后，除氧率穩(wěn)定在95%，說明除氧劑BHJ3-N 在J 油田現(xiàn)場注入工藝流程中可有效除去絕大部分O2。

圖8 試驗(yàn)期間井口聚合物溶液除氧率變化規(guī)律

3.2.2 降壓增注效果

選取J 油田注入井連續(xù)5～10 d 的注入壓力和日注入量計(jì)算平均壓力和平均日注入量，對(duì)比除氧試驗(yàn)前后J 油田注入井降壓增注效果，結(jié)果如圖9所示。由圖9可知：注入除氧劑后，超過一半的注入井壓力有所降低，平均壓力降低0.26 MPa，其中W7-3Ⅲ井注入壓力下降0.82 MPa，降壓幅度最大。試驗(yàn)期間，注入井平均日增注4.02 m3，其中W4-4Ⅰ最高日增注達(dá)到40 m3。從所有試驗(yàn)井注入情況來看，整體降壓增注效果較好。

圖9 除氧試驗(yàn)開始前后J油田注入井降壓增注效果

除氧試驗(yàn)結(jié)束后，再次選取J 油田注入井連續(xù)5～10 d 的注入壓力和日注入量并計(jì)算平均值，對(duì)比除氧試驗(yàn)結(jié)束前后J 油田注入井降壓增注效果，結(jié)果如圖10所示。由圖10可知：停止注入除氧劑后，聚合物溶液配制時(shí)又會(huì)產(chǎn)生大量氣泡，進(jìn)入地層時(shí)形成“賈敏效應(yīng)”，導(dǎo)致平均注入壓力升高，平均升高幅度為0.16 MPa，其中，W4-2Ⅲ井壓力升高0.66 MPa，增壓幅度最大。停止注入除氧劑后，日平均注入量降低2.25 m3，其中，W8-4Ⅰ注入量減少11.6 m3。

圖10 除氧試驗(yàn)結(jié)束前后J油田注入井降壓增注效果

綜上，從除氧試驗(yàn)前后注入井平均壓力和平均日注入量變化來看，除氧劑縮短聚合物溶液中氣泡的消泡時(shí)間后，一定程度上降低了注入壓力，增加了日注入量，保障了聚合物驅(qū)油實(shí)施效果。

4 結(jié)論

1）通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)篩選出適合J 油田聚合物驅(qū)油配液除氣的處理藥劑除氧劑BHJ3-N，最佳使用質(zhì)量濃度為200～250 mg/L。

2）J 油田現(xiàn)場試驗(yàn)效果表明，除氧劑BHJ3-N可有效除去配液中的O2，縮短消泡時(shí)間，間接表現(xiàn)出一定的降壓增注效果。

3）聚合物驅(qū)油配液除氧技術(shù)可以改善聚合物驅(qū)油礦場實(shí)施效果，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。