聚丙烯酰胺影响原油乳状液稳定性的机理

缪云展1,2段明13常大远4蒋晓慧2

(1.西南石油大学油气藏及地质开发国家重点实验室 2.西华师范大学化学化工学院)

(3.中国海油石油研究中心 4.中国海油能源发展股份有限公司采油技术服务分公司)

摘要以不同粘均分子量(用紫外光降解制得,相对分子质量分别为:398万、114万、60万、26万)和不同浓度的聚丙烯酰胺溶液作为水相,和原油配制成含聚原油乳状液。通过对原油乳状液脱水率的测定,考察了聚丙烯酰胺的相对分子质量、浓度对原油乳状液稳定性的影响,同时测定了它们的分配系数和粘度,并与通过加NaCl降粘的聚丙烯酰胺溶液对比考察了聚丙烯酰胺影响原油乳状液稳定性的本质。结果表明:当聚丙烯酰胺相对分子质量大于114万时,将明显增强原油乳状液稳定性;当聚丙烯酰胺相对分子质量低于114万时,其对乳状液稳定性无明显影响。影响原油乳状液稳定性的根本因素是聚合物溶液自身的粘度,与分配系数关系不大。聚丙烯酰胺溶液的自身粘度越大,对原油乳状液稳定性的增强作用越明显。

关键词原油乳状液聚丙烯酰胺粘均分子量分配系数粘度

DOI:10.3969/j.issn.1007-3426.2010.03.015

聚合物驱油是提高采收率、增加原油产量的重要技术手段[1],但是聚合物驱采出液的处理一直是个困扰油田的难题[2]。随着采出液中聚合物含量的增加,采出液的破乳变得更加复杂和困难[3]。因此聚驱采出液的破乳已成为一个必须解决的问题。尽管通过开发新型破乳剂[4]等一系列手段可以从一定程度上改善脱水效果,但由于采出液组成复杂,目前对其形成的原油乳状液稳定性的机理认识还不足,因此难以提供良好的破乳方法。本试验采用渤海油田现场所用聚合物(聚丙烯酰胺),制得不同相对分子质量的聚合物溶液来模拟现场配制不同浓度聚合物溶液作为水相的原油乳状液,研究了聚合物对原油乳状液稳定性影响的根本原因,以期为现场采出液的破乳处理提供理论依据。

1实验部分

1.1实验仪器及药品

渤海某油田原油;聚丙烯酰胺(LD H PAM):工业品,中海油能源发展股份有限公司采油技术服务分公司提供,粘均相对分子质量M G=9.80@106; NaCl,分析纯,成都长征化玻有限公司。

1.2聚合物溶液的配制

将采出液中的水相进行除油除杂处理后,加入一定量的LD H PAM,搅拌过夜,配制成浓度为1000mg/L的聚合物母液,然后稀释成实验所需溶液浓度。采用500W紫外灯在搅拌条件下光降解不同时间段来制取不同相对分子质量的聚合物,其粘均分子量(M G)按GB/T12005.10-19925聚丙烯酰胺分子量测定)粘度法6标准计算得到。

1.3原油乳状液脱水率的测定

依据中华人民共和国石油天然气行业标准SY /T5281-20005原油破乳剂使用性能检测方法(瓶试法)6进行。将原油与不同浓度的聚合物溶液按体积比为3B2的比例加入到脱水瓶中,充分振荡混合均匀,置于恒温水浴锅中55e下静态热脱水。根据

320

石油与天然气化工

C HEM IC AL EN GIN EE RIN G OF OIL&GAS2010

*基金项目:国家高技术研究发展专项经费资助(863计划)项目编号:2007AA090701-5。

公式(脱水率=(脱出水体积/脱前水相体积)@ 100%)进行计算。

1.4相对流速时间的测定

本实验采用相对流速时间来表征聚合物溶液自身相对于空白样(即聚合物浓度为0mg/L)粘度。以处理后采出液水样的流速时间(t0)为基准,在恒温30e下,用管径为0.7mm的乌氏粘度计测定其流速时间(t),相对流速时间=t-t0。

1.5分配系数的测定

按照文献[5]方法用淀粉)碘化镉法在分光光度计下测定乳状液水相在破乳前后的聚合物浓度。按照公式(分配系数(Pc)=(脱水后水相含聚浓度/脱水前水相含聚浓度)@100%)进行计算。

2结果与讨论

2.1LD H PAM的相对分子质量及浓度对原油乳状

液稳定性的影响

地层中的聚合物在一定程度上会发生降解[6-7],相对分子质量不断降低。注聚后不同时间段聚合物的相对分子质量不一样。因此,本试验将1000mg/L的LD H PAM母液在紫外灯下分别降解1min、3min、5m in和10min,制得粘均相对分子质量分别为398万、114万、60万和26万的聚合物溶液。将未降解以及4种不同相对分子质量的聚合物溶液分别稀释成100mg/L、300mg/L、500 mg/L及1000mg/L,和原油按比例配制成含不同浓度聚合物的原油乳状液,在恒温水浴锅中静置120min,测定其脱水率来考察聚合物浓度和相对分子质量对原油乳状液稳定性的影响,结果见图1。

由图1可以看出,LD H PAM浓度和相对分子质量对乳状液脱水率均有影响,在相对分子质量超过114万时,低浓度(100m g/L和300mg/L)的聚合物对脱水率影响较小,随着浓度的增加,当浓度达到500mg/L以上时,脱水率急剧下降。在相对分子质量低于114万时,任一浓度的聚合物对脱水率都无明显影响。可以认为:当原油乳状液水相中的聚合物相对分子质量小于114万时,其浓度的变化对原油乳状液稳定性的影响不大;当聚合物相对分子质量大于114万时,随着聚合物溶液浓度的增加,其对乳状液稳定性的影响增强。

2.2原油乳状液脱水率与分配系数的关系

原油乳状液的稳定性主要取决于油水界面膜[8-9],当聚合物溶液作为水相时,能被吸附到油水界面膜上,与界面膜上的天然活性物质形成更强大的网状膜结构,从而增强原油乳状液的稳定性。因此,本试验测定了脱水后水相聚合物的浓度来计算其分配系数,考察其与脱水率的关系,结果见图2

。

由图2可以看出,任一相对分子质量和浓度的LD H PAM溶液的分配系数变化幅度很小。这说明,吸附到油相中的聚合物的比例没有发生较大的变化。随着浓度的增大,吸附到油相中的聚合物的量也逐渐增大。但是,在聚合物相对分子质量较低的时候,由于乳状液脱水率与聚合物浓度关系不大,即使在高浓度时,被吸附的聚合物量较多,但其对界面膜强度的影响并没有增强。分配系数和脱水率的

321

第39卷第4期聚丙烯酰胺影响原油乳状液稳定性的机理

趋势无任何关联。因此,对于不同浓度及相对分子

质量的LD H PAM 来说,其分配系数和乳状液的稳

定性无较大的直接关系。

2.3原油乳状液脱水率与粘度的关系

由于乳状液稳定性与聚合物的分配系数无关,

我们认为,被吸附的聚合物由于相对分子质量的变

化,其本身性质可能也发生了变化,导致其对界面膜

强度的作用发生了较大的变化。因此,本试验考察

了不同浓度和相对分子质量的LD H PAM 的粘度,

以其在乌氏粘度计中的相对流速时间为表征,结果

见图3

。由图3可以看出,在相对分子质量较高时,随着

聚合物浓度的增大,其相对流速时间迅速增大;在相

对分子质量较低时,相对流速时间则变化不大。对

比图3和图1,相对分子质量相同时,随着粘度的降

低,乳状液脱水率逐渐变大。以浓度为1000m g/L

的聚合物溶液作为乳状液水相时,从光降解不同时

间段其流速时间和最终脱水率的关系图(图4)上可

以看出,聚合物溶液的粘度与最终脱水率明显成反

比。当聚合物的相对分子质量降低到一定程度时,

其粘度降低趋势减缓,脱水率的变化也呈同样趋势。

由此可以看出LD H PAM 溶液的粘度与乳状液稳

定性有着密切的关联。

为此,本试验采用加盐的方式降低聚合物溶液

的粘度来验证相对粘度与脱水率的关系。在1000

mg/L 的LD H PAM 溶液中分别加入2000m g/L 、5000mg/L 、10000mg /L 和15000mg/L 的NaCl,搅拌使其充分溶解后制得含不同浓度NaCl 的聚合物溶液,测定其作为乳状液水相后的脱水率,结果见图5。

由图5可以看出,粘度和脱水率成反比关系。

随着含盐量的增加,粘度下降,脱水率则上升。因

此,对于不同浓度及相对分子质量的LD H PAM 来说,粘度是其影响乳状液稳定性的关键因素。3结论(1)当作为水相的聚丙烯酰胺相对分子质量大于114万时,其浓度的变化对形成的原油乳状液稳定性有较大影响,乳状液的稳定性随其溶液的浓度增大而增强;当其相对分子质量较小时,其对原油乳状液的稳定性影响不大。(2)不同浓度或相对分子质量的聚丙烯酰胺溶液作为原油乳状液的水相,其分配系数区别不大,分配系数对原油乳状液稳定性的影响不大。(3)相对分子质量和浓度的变化导致的是聚丙烯酰胺溶液相对粘度的变化,因此,对于聚驱采出液(下转第343页)

322石油与天然气化工

C HEM IC AL EN GIN EE RIN G OF OIL &GAS 2010

21蔡美峰,何满朝,刘东燕.岩石的力学性质[M].北京:科学出版社,68-72

22楼一珊,等.岩石力学与石油工程[M].工业出版社,2006,3(1): 48-49

23刘向君,罗平亚.岩石力学与石油工程.北京:石油工业出版社.

2004,10:42-45

24孙广忠.岩体力学基础[M].北京:科学出版社,1979

25郑永学.矿山岩体力学[M].北京:冶金工业出版社,1988

26华东水利学院、成都科技大学合编.岩石力学[M].北京:水利水电出版社,1986

27Schroeder B A.FE in environmental engin eering:cou pled thermo -hydro-mechanical process in po rous media inclu ding pollu tant trallsport[J].Arch ives of Com putational M ethod s in Enginer-ing,1999,(2):1~54

28冯夏庭,丁梧秀.应力-水流-化学耦合下石破裂全过程的细观力学试验[J].岩石力学与工程学报,2005,24(9):1465-1470 29Lajtai E Z,S chmidtke R H,Bielus L P.T he effect of w ateronth e-tim e-depen dentdeformationan dfractureofagranite[J].Int.J.

Rock M ech.M in.S ci.&Geom ech.Abstr.,1987,24(4):247-255 30Burge A.何宇彬译.喀斯特化和水的化学.国外地质[J].1981,

(4):23-27

31李先炜.岩块力学性质[M].北京:煤炭工业出版社,1983

32何宇彬,金玉璋,李康.碳酸盐岩溶蚀机理研究[J].中国岩溶, 1984,5(2):12-16

33汤连生,王思敬.水-岩化学作用对岩体变形破坏力学效应研究进展[J].地球研究进展,1999,14(5):433-43934冯夏庭,赖户政宏.化学环境侵蚀下的岩石破裂特性)))第一部分:试验研究[J].岩石力学与工程学报,2000,19(4):403-407 35丁梧秀,冯夏庭.化学腐蚀下灰岩力学效应的试验研究[J].岩石力学与工程学报,2004,23(21):3571-3576

36丁梧秀,冯夏庭.灰岩细观结构的化学损伤效应及化学损伤定量化研究方法探讨[J].岩石力学与工程学报,2005,24(8):1283-1288

37RE YE S O,EINST EIN H.Failu re m echanics of fractu red rock-a fracture coalescence model[C]//Pr oceedings of the7th Interna-tional Congress on Rock M ech anics.Rotterdam:A.A.Balkema, 1991:333-340)

38陈四利,冯夏庭.岩石单轴抗压强度与破裂特征的化学腐蚀效应.

岩石力学与工程学报,2003,22(4):547-551

39黄明利.岩石单轴压缩下破坏失稳过程SEM即时研究.东北大学学报,1999,20(4):426-429

40冯增朝,赵阳升.岩体裂隙尺度对其变形与破坏的控制作用.岩石力学与工程学报,2008,27(1):78-83

作者简介

刘林森:男,1985年生,现为西南石油大学在读硕士研究生,现从事压裂酸化改造理论及技术方面的研究工作。地址:(610500)四川省成都市新都区西南石油大学研究生部07级9班。

收稿日期:2009-12-03

编辑:冯学军

(上接第322页)

来说,影响原油乳状液稳定性的根本因素是注聚用聚合物在地层中自身粘度的变化。粘度较高的聚合物容易导致原油乳状液的稳定性增强。

参考文献

1冈秦麟.论我国的三次采油技术[J].油气采收率技术,1998,5(4): 1-7

2,韩明,向问陶,等.海上稠油油田聚合物驱原油破乳研究:Ò破乳剂辅助剂研制[J].石油与天然气化工,2006,35(2):134-136 3吴晶,曾红霞,李之平,等.聚丙烯酰胺对克拉玛依复合驱采出液破乳过程的影响[J].油田化学,2000,17(3):272-275

4,韩明,向问陶,等.海上稠油油田聚合物驱原油破乳研究Ñ破乳剂研制[J].石油与天然气化工,2006,35(2):130-133

5薛龙英,吕志凤,何芳,等.污水中聚丙烯酰胺的水解度、摩尔质量及含量的测定[J].石油与天然气化工,2007,36(2):169-1726王启民.聚台物驱油技术的实践与认识[J].大庆石油地质与开发, 1999,18(4):1-5

7Taylor K C,Burke R A,Nasr-EI-Din H A,S chramm L L.De-velopment of a flow injection an alys is m ethod for the determination of acrylamid e copolymer in brines[J].J ou rnal of Petroleum Science and Engineering.1998,21(2):129-139

8李明远,甄鹏.原油乳状液稳定性研究:Ô界面膜特性与原油乳状液稳定性[J].石油学报:石油加工,1998,14(3):1-5

9李学文,康万利.原油乳状液的稳定性与界面膜研究进展[J].油气田地面工程,2003,22(10):7-8

收稿日期:2009-12-22

收修改稿:2010-01-08

编辑:冯学军

343

石油与天然气化工第39卷第4期CHE MICAL ENGIN EERIN G OF OIL&GAS