海上油田聚合物超重力速溶技术研究

舒 政，齐 勇，程飞豹，王同旺，黄 霞

（1.西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川成都 610500；2.西南石油大学石油与天然气工程学院，四川成都 610500）

聚合物驱油机理主要是通过增加注入水的黏度，降低水油流度比，扩大注入水在油层中的波及体积来提高原油采收率［1-6］。聚合物驱在陆上油田得到了广泛应用，已成为提高油藏采收率比较成熟的三次采油技术［7-11］。随着海上油田开发的不断进行，聚合物驱油技术在海上油田获得大规模推广和应用［12-13］。

海上平台空间和承载能力有限，而聚合物溶解时间长，因此陆上油田所使用的聚合物配注系统不再适合。由于海上油田原油黏度高、地层剪切能力强、地层水矿化度高，常规的线性聚合物难以满足在海上油田注聚条件下的增黏能力、抗剪切能力和耐盐能力的需求，为此研发了疏水缔合聚合物［14-15］，疏水缔合聚合物由于疏水基团的引入使其溶解更加缓慢，进一步加剧了海上平台空间及承载能力有限与聚合物溶解时间长的矛盾［16-18］。因此，加速海上平台聚合物的溶解成为亟待解决的问题。

针对疏水缔合聚合物溶解时间长的问题，研发了聚合物分级强制拉伸装置，并取得了显著的成果。经过强制拉伸装置后聚合物溶解时间从120 min 缩短至25 min。聚合物分级强制拉伸装置在满足海上油田配注要求的情况下极大地缩短了疏水缔合聚合物的溶解时间，在一定程度上减小了配注系统的占地面积。为进一步优化聚合物配注系统，减小配注系统的占地面积，将超重力技术引入海上平台聚合物快速溶解，配制聚合物溶液，设计了一种超重力速溶装置，并对其进行室内实验研究。

1 实验器材与方法

1.1 实验器材

实验仪器主要包括超重力速溶装置（自主研发）、Brookfield DV-Ⅲ黏度计（美国Brookfield 公司）、数显悬吊臂搅拌器（江苏江阴保利科研器材有限公司）、恒温水浴锅（上海光地仪器设备有限公司）、电子天平（上海精科公司）、计时器、烧杯、针筒（去针头）。

化学试剂主要包括疏水缔合聚合物AP-P4（四川光亚聚合物化工有限公司）；NaCl，KCl，CaCl2，Mg⁃Cl2，Na2CO3，NaHCO3和Na2SO4均为分析纯，模拟水中的Na+，K+，Ca2+，Mg2+，CO32-，HCO3-，SO42-和Cl-的质量浓度分别为3 091.96，3 091.96，276.17，158.68，14.21，311.48，85.29 和5 436.34 mg/L。模拟注入水矿化度为9 374.13 mg/L。

1.2 实验方法

1.2.1 实验步骤

按聚合物超重力高效配制的工艺流程（图1）连接仪器，速溶装置入口和出口均设有取样口，便于取样。

图1 聚合物超重力高效配制工艺流程Fig.1 High-efficiency high-gravity polymer compounding process

经离心泵输送的水与AP-P4 干粉在溶解罐内混合，经过搅拌后形成处于溶胀阶段的AP-P4 溶液，经过转液泵进入超重力速溶装置，最后流入废液池。装置稳定运行2 min 后，用烧杯从取样口接取AP-P4溶液，测定其溶解时间。

1.2.2 聚合物基本溶解时间测定

在45 ℃条件下，将所取AP-P4溶液样品置于恒温水浴锅内搅拌溶解，搅拌转速为200 r/min。搅拌溶解过程中，每隔5 min 测定一次溶液黏度，直至3次取样测量黏度变化不大（黏度变化率小于5%），停止取样。黏度测试使用Brookfield DV-Ⅲ黏度计，剪切速率为7.34 s-1，不同型号转子的转速及黏度见表1。

表1 不同型号转子的转速及黏度Table1 Rotation speed and viscosity of different types of rotors

根据测试数据绘制聚合物溶液黏度随时间的变化曲线，对溶液黏度相对平稳时的曲线进行拟合得到一条直线，再对溶液黏度平稳前的曲线进行拟合得到另一条直线，两条直线的交点所对应的时间点，即是基本溶解时间点。

2 结果与讨论

2.1 填料孔隙尺寸对聚合物溶解时间的影响

设定配制温度为45 ℃，配液质量浓度为5 000 mg/L，超重力因子为1 037，考察速溶装置填料孔隙尺寸对聚合物溶解时间的影响。根据AP-P4 溶液在溶解过程中记录的实验数据绘制溶液黏度随时间的变化曲线（图2）和AP-P4 溶液基本溶解时间、基本溶解黏度与填料孔隙直径的关系曲线（图3）。从图2 和图3 可以看出，超重力速溶装置可有效实现聚合物的加速溶解，缩短溶解时间。空白组（未经超重力速溶装置）AP-P4 溶液黏度上升缓慢，基本溶解时间为80 min，基本溶解黏度为2 628.2 mPa·s；经速溶装置处理后AP-P4 溶液黏度上升速度显著提升，45～70 min内黏度达到稳定完成基本溶解，溶解时间缩短15～35 min。随着填料孔隙直径的减小，AP-P4 溶液的基本溶解时间逐渐减小，基本溶解黏度逐渐降低。

图2 不同填料孔隙直径条件下AP-P4溶液黏度随时间的变化Fig.2 Viscosity curve of AP-P4 solution with time under the condition of different filler pore diameters

图3 不同填料孔隙直径下AP-P4溶液的基本溶解时间和基本溶解黏度Fig.3 Basic dissolution time and basic dissolution viscosity of AP-P4 under different filler pore diameters

2.2 超重力因子对聚合物溶解时间的影响

设定配制温度为45 ℃，配液质量浓度为5 000 mg/L，速溶装置填料孔隙直径为100 μm，考察超重力因子对聚合物溶解时间的影响。根据AP-P4 溶液在溶解过程中记录的实验数据绘制溶液黏度随时间的变化曲线（图4）和AP-P4 溶液基本溶解时间、基本溶解黏度与超重力因子的关系曲线（图5）。从图4 和图5 可以看出，随着超重力因子的增加，AP-P4 溶液的基本溶解时间逐渐减小，基本溶解黏度逐渐降低。超重力因子从770 增加到1 307，基本溶解时间从50 min缩短至40 min。这是因为随着超重力因子的增加，水和AP-P4 溶胀颗粒在填料内聚并和分散的过程中，相际界面得到快速更新，强化了水和聚合物溶胀颗粒的传质；另外，由于超重力因子增加，水和AP-P4 溶胀颗粒所受的离心力增加，加速了水向AP-P4 溶胀颗粒内部的渗透。超重力因子为1 307 时，取得最佳速溶效果，此时溶解时间缩短至40 min，基本溶解黏度为1 516.5 mPa·s。考虑到目前加工工艺和动力消耗，选择适宜的超重力因子为1 307。

图4 不同超重力因子条件下AP-P4溶液黏度随时间的变化Fig.4 Viscosity curve of AP-P4 solution with time under different high-gravity factors

图5 不同超重力因子下AP-P4溶液的基本溶解时间和基本溶解黏度Fig.5 Basic dissolution time and basic dissolution viscosity of AP-P4 under different high-gravity factors

2.3 装置填料组合对聚合物溶解时间的影响

设定配制温度为45 ℃，配液质量浓度为5 000 mg/L，超重力因子为1 307，考察填料组合对聚合物溶解时间的影响。根据AP-P4 溶液在溶解过程中记录的实验数据绘制溶液黏度随时间的变化曲线（图6）和AP-P4 溶液基本溶解时间、基本溶解黏度与填料组合的关系曲线（图7）。从图6 和图7 可以看出，当速溶装置填料组合为组合1（单层厚度为100 μm）时，AP-P4 溶液的基本溶解时间为40 min，基本溶解黏度为1 516.5 mPa·s；填料组合为组合2（双层：内径为200 μm、外径为100 μm）和组合3（双层：内径为300 μm、外径为100 μm）时，AP-P4 溶液黏度上升速度明显提升，35 min左右黏度达到稳定，完成基本溶解，基本溶解时间较采用组合1 时缩短5 min，基本溶解时采用组合3 的溶液黏度为1 731.2 mPa·s，高于采用组合2 的溶液黏度（1 602.1 mPa·s）；速溶装置填料组合为组合4（双层：内径为300 μm、外径为200 μm）时，AP-P4 溶液的基本溶解时间为45 min，基本溶解黏度为1 779.2 mPa·s。这是因为组合2和组合3采用双层填料，增加了水和APP4 溶胀颗粒在装置内的运动行程和混合传质时间，加速了AP-P4 溶胀颗粒水化，缩短其溶解时间；此外AP-P4 溶胀颗粒先经过300 μm 填料分散，形成均匀的300 μm左右的溶胀颗粒，提高在下一层填料中AP-P4 溶胀颗粒水渗效果，加速其溶解。而组合4由于二层填料尺寸为200 μm，孔隙尺寸大，对聚合物溶胀颗粒作用小，所以其溶解时间较长，基本溶解时的黏度较高。综合考虑速溶装置加速AP-P4溶解的效果，以及AP-P4 溶液基本溶解黏度，速溶装置填料组合选取组合3，即填料孔隙直径300 μm/100 μm的双层填料组合。

图6 不同填料组合条件下AP-P4溶液黏度随时间的变化Fig.6 Viscosity curve of AP-P4 solution under different filler combinations

图7 不同填料组合下AP-P4溶液的基本溶解时间和基本溶解黏度Fig.7 Basic dissolution time and basic dissolution viscosity of AP-P4 solution under different filler combinations

3 结论

超重力速溶实验装置可有效地加速聚合物的溶解，显著缩短聚合物溶解时间，满足海上平台聚合物的配制需求。填料孔隙尺寸越小，超重力因子越大，聚合物溶解时间越短。在配液温度为45 ℃，配液质量浓度为5 000 mg/L，填料组合为300 μm/100 μm、超重力因子为1 307 的条件下，AP-P4 溶液的基本溶解时间由80 min 缩短至35 min，缩短了56.25%。