舒 政 陶 剛 趙文森 陳文娟 崔盈賢
(1. 西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 四川成都 610500; 2. 西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院 四川成都 610500;3. 海洋石油高效開(kāi)發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100028; 4. 中海油研究總院有限責(zé)任公司 北京 100028)
聚合物驅(qū)油技術(shù)主要是通過(guò)增加注入水的黏度,降低水油流度比,擴(kuò)大注入水在油層中的波及體積來(lái)提高原油采收率[1-2]。該項(xiàng)驅(qū)油技術(shù)在陸上油田得到了廣泛應(yīng)用,已成為提高油藏采收率中比較成熟的三次采油技術(shù)。海上油田原油黏度高、剪切能力強(qiáng)、地層水礦化度高,常規(guī)的線性聚合物難以滿足在注聚條件下的增黏能力、抗剪切能力和耐鹽能力的需求[3-5],因此有關(guān)研究人員研制出了疏水締合聚合物,它是在傳統(tǒng)的水溶性聚合物的主鏈上引入極少量疏水基團(tuán)的一類新型水溶性聚合物[6-7]。與常規(guī)的部分水解聚丙烯酰胺(HPAM)相比,疏水締合聚合物能夠在高礦化度水中保持較高的黏度,滿足改善流度比和提高原油采收率的要求[8-9],但也因?yàn)槭杷鶊F(tuán)的引入使得疏水締合聚合物在水中的溶解能力變差,溶解時(shí)間延長(zhǎng)。陸地油田可通過(guò)增加熟化罐的數(shù)目和體積來(lái)實(shí)現(xiàn)聚合物完全溶解,而海上平臺(tái)面積與空間狹小、承重有限,不能照搬陸上油田常用的配注工藝[10-11]。因此,聚合物的溶解問(wèn)題是制約海上油田實(shí)施聚合物驅(qū)提高采收率的應(yīng)用技術(shù)瓶頸。
目前對(duì)于如何加速聚合物溶解,縮短溶解時(shí)間的方法已有研究報(bào)道,如改變聚合物自身的溶解性、升高溶劑溫度、改變攪拌器類型或者攪拌方式以增大系統(tǒng)的熵變[12-16],或者利用篩網(wǎng)切割、膠體研磨等方式提高溶脹膠團(tuán)的比表面積[11,17-18]。雖然這些方法在一定程度上縮短了聚合物的溶解時(shí)間,但也不同程度地造成了聚合物溶液的黏度損失,而且還需要改變現(xiàn)有配注裝置結(jié)構(gòu)或者額外增添設(shè)備,不利于減小配注系統(tǒng)總體積。因此,加速聚合物溶解的方法仍需繼續(xù)研究。
筆者針對(duì)疏水締合聚合物(AP-P4)、線性聚合物(FP3640C),對(duì)海上平臺(tái)提高聚合物母液配制濃度減小配注系統(tǒng)總體積的可行性進(jìn)行分析,以期獲得既能加速聚合物溶解,又不影響溶液黏度,還能直接減小配注系統(tǒng)總體積的方法,為海上平臺(tái)聚合物溶液的配制提供思路。
實(shí)驗(yàn)儀器:Brookfield DV-Ⅲ黏度計(jì)(美國(guó)Brookfield公司)、數(shù)顯懸吊臂攪拌器(江蘇江陰保利科研器材有限公司)、恒溫水浴鍋(上海光地儀器設(shè)備有限公司)、電子天平(上海精科公司)、計(jì)時(shí)器、燒杯、針筒(去針頭)。
試劑:疏水締合聚合物AP-P4(綏中36-1油田),四川光亞聚合物化工有限公司;聚合物FP3640C(錦州9-3油田),法國(guó)SNF公司;NaCl、KCl、NaHCO3、Na2CO3、Na2SO4、CaCl2、MgCl2均為分析純。
實(shí)驗(yàn)用水:綏中36-1油田模擬注入水(礦化度為9 120.0 mg/L)、錦州9-3油田模擬注入水(礦化度為1 678.0 mg/L),離子組成見(jiàn)表1。
表1 模擬注入水離子組成
1.2.1基本溶解時(shí)間測(cè)定
在45 ℃條件下,按照配制要求將AP-P4干粉在綏中36-1模擬注入水中攪拌溶解,F(xiàn)P3640C干粉在錦州9-3模擬注入水中攪拌溶解,攪拌轉(zhuǎn)速200 r/min。配制濃度分別為15 000、12 500、10 000、7 500和5 000 mg/L。在配制過(guò)程中,每隔5 min用針筒取樣測(cè)量溶液黏度,直至3次取樣測(cè)量黏度值變化不大(黏度變化率小于5%),停止取樣。
由于聚合物濃度太高,導(dǎo)致溶液黏度太高,經(jīng)測(cè)試00#、61#、62#、63#、64#、31#轉(zhuǎn)子在7.34 s-1條件下均不能測(cè)出溶液黏度,而31#轉(zhuǎn)子在0.027 s-1條件下可以測(cè)出溶液黏度,所以選用黏度測(cè)試條件:45 ℃,31#,0.027 s-1。
根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制不同配制濃度下母液黏度隨時(shí)間的變化曲線,取曲線相對(duì)平穩(wěn)時(shí)間段內(nèi)黏度值的平均值作為縱坐標(biāo),然后以此縱坐標(biāo)值作1條與橫坐標(biāo)軸平行的直線,再對(duì)溶液黏度平穩(wěn)前的曲線進(jìn)行擬合,擬合曲線與上述直線的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn),即是基本溶解時(shí)間點(diǎn)。
1.2.2注入液黏度測(cè)定
將配制好的不同濃度AP-P4母液與綏中36-1模擬注入水混合攪拌,不同濃度FP3640C母液與錦州9-3模擬注入水混合攪拌,分別配制濃度為2 500、2 250、2 000、1 750、1 500 mg/L的注入液,攪拌轉(zhuǎn)速260 r/min,攪拌2.5 h后停止。待注入液靜置2 h后進(jìn)行黏度測(cè)定。
黏度測(cè)試條件:45 ℃,31#,7.34 s-1(AP-P4注入液);57 ℃,31#,7.34 s-1(FP3640C注入液)。
圖1 AP-P4溶液黏度隨時(shí)間的變化曲線
圖2 FP3640C溶液黏度隨時(shí)間的變化曲線
根據(jù)AP-P4、FP3640C干粉顆粒分別在溶解過(guò)程中記錄的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制溶液黏度隨時(shí)間的變化曲線,如圖1、2所示。由圖1、2可以看出,隨著攪拌時(shí)間的延長(zhǎng),AP-P4、FP3640C的溶解過(guò)程均經(jīng)歷了2個(gè)界限較明顯的階段,即溶脹和溶解階段,即溶液黏度先緩慢增加,繼而迅速增大,最后逐漸趨于平穩(wěn)并有小幅波動(dòng)。對(duì)于AP-P4,溶液黏度緩慢上升的時(shí)間隨母液濃度的增加而縮短;而FP3640C比AP-P4溶脹更快,隨著母液濃度的增加,黏度緩慢增加的部分幾乎觀察不到。
分析認(rèn)為,聚合物溶解過(guò)程中溶液黏度出現(xiàn)上述變化規(guī)律是因?yàn)槿芙獬跗谒肿虞^小,能迅速滲透進(jìn)入聚合物顆粒的內(nèi)部自由體積和空隙中,使之體積膨脹,而聚合物分子鏈相互纏結(jié)在一起,作用力強(qiáng),分子鏈還不能運(yùn)動(dòng),所以溶液黏度緩慢增加;隨著水分子繼續(xù)滲入,聚合物分子鏈間的距離逐漸增大,鏈間的相互作用力逐漸減弱,使得越來(lái)越多的聚合物鏈段可以擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)進(jìn)入溶劑中,溶液黏度開(kāi)始迅速增加;最后,溶解時(shí)間繼續(xù)延長(zhǎng),整個(gè)高分子鏈中的所有鏈單元都已擺脫相鄰分子鏈的吸引作用,完全被水分子隔開(kāi),直到所有的聚合物分子都均勻分散在溶液中,所以溶液黏度逐漸趨于平穩(wěn)并有小幅波動(dòng)。
由圖1、2還可以看出,AP-P4、FP3640C母液隨著濃度的增加,聚合物溶液達(dá)到基本溶解后,黏度的波動(dòng)幅度略有增大。這是因?yàn)椋阂环矫?,聚合物基本溶解后聚合物分子在溶液中分布不均勻,造成濃度不均勻,從而出現(xiàn)黏度的波動(dòng),而溶液濃度越高,波動(dòng)就會(huì)越明顯;另一方面,黏度測(cè)定過(guò)程中存在誤差,溶液濃度越高,分子間作用力越強(qiáng),黏度也越大,溶液就更容易吸附在轉(zhuǎn)子的表面上,而吸附在轉(zhuǎn)子表面上的聚合物溶液會(huì)影響作用在轉(zhuǎn)子上的黏性力矩,造成轉(zhuǎn)子測(cè)定的黏度值不穩(wěn)定,所以溶液黏度的波動(dòng)幅度隨著濃度的增大略有增大。
根據(jù)基本溶解時(shí)間的判定方法,以15 000 mg/L的AP-P4、FP3640C溶液黏度隨時(shí)間的變化關(guān)系曲線為例,判斷其基本溶解時(shí)間,如圖3、4所示。
圖3 濃度15 000 mg/L的AP-P4溶液黏度隨時(shí)間的變化曲線
圖4 濃度15 000 mg/L的FP3640C溶液黏度隨時(shí)間的變化曲線
按照上述方法,對(duì)圖1、2中所示的不同配制濃度下的基本溶解時(shí)間、基本溶解黏度值(基本溶解時(shí)間點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溶液黏度值)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果見(jiàn)表2。
表2 不同配制濃度下聚合物的基本溶解時(shí)間及基本溶解時(shí)的黏度
根據(jù)表2可分別繪制聚合物基本溶解時(shí)的黏度、基本溶解時(shí)間與母液配制濃度的關(guān)系曲線,如圖5、6所示。
圖5 聚合物基本溶解時(shí)的黏度與母液配制濃度的變化曲線
圖6 聚合物基本溶解時(shí)間隨母液配制濃度的變化曲線
由圖5可以看出,隨著母液配制濃度的增加,AP-P4、FP3640C基本溶解時(shí)的黏度均逐漸增大。這是因?yàn)闈舛仍礁?,溶液中的高分子線團(tuán)數(shù)量越多,線團(tuán)間相互纏繞的機(jī)會(huì)就會(huì)越多,由于線團(tuán)相互纏繞的程度加大,高分子鏈的纏結(jié)點(diǎn)也會(huì)增加,從而更易形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),引起流動(dòng)阻力的增加,造成黏度的增高;另外,濃度增高之后還會(huì)使得溶液的非牛頓流變特性增強(qiáng),提高聚合物的增黏性,而且濃度越高增加效果越好[19]。所以,配制濃度越高,基本溶解時(shí)的黏度就越大。
由圖6可以看出,隨著母液配制濃度的增加,AP-P4、FP3640C的基本溶解時(shí)間均逐漸縮短。對(duì)于AP-P4,當(dāng)母液配制濃度為5 000 mg/L時(shí),基本溶解時(shí)間為65 min左右;而當(dāng)母液配制濃度為15 000 mg/L時(shí),基本溶解時(shí)間為20 min左右,與母液濃度為5 000 mg/L時(shí)相比,基本溶解時(shí)間縮短了69.2%。對(duì)于FP3640C,當(dāng)母液配制濃度為5 000 mg/L時(shí),基本溶解時(shí)間為30 min左右;而當(dāng)母液配制濃度為15 000 mg/L時(shí),基本溶解時(shí)間為5 min左右,與母液濃度為5 000 mg/L時(shí)相比,基本溶解時(shí)間縮短了83.3%。
由此說(shuō)明,當(dāng)配制時(shí)間一定時(shí),對(duì)AP-P4、FP3640C均有:母液的配制濃度越高,其基本溶解時(shí)間就越短,溶解速度也越快。這是因?yàn)殡S著聚合物濃度的增加,溶液中膠團(tuán)的分散密度也隨之增加,這意味著:一方面,攪拌過(guò)程中膠團(tuán)彼此間的摩擦碰撞幾率增大;另一方面,聚合物向水中擴(kuò)散后,分子鏈上的羧酸基在水中電離,增加了聚合物分子之間的作用力,有利于聚合物分子向水中擴(kuò)散,因此溶解速度加快[17]。所以,提高母液配制濃度有利于加快聚合物的溶解,縮短其基本溶解時(shí)間。
將不同濃度母液稀釋為不同濃度注入液,分別繪制AP-P4、FP3640C注入液黏度隨母液配制濃度的變化曲線,如圖7、8所示。
圖7 AP-P4注入液黏度隨母液配制濃度的變化曲線
圖8 FP3640C注入液黏度與配制濃度的變化關(guān)系
由圖7、8可以看出,注入液濃度越高,黏度就越大。當(dāng)不同濃度母液稀釋為相同濃度注入液時(shí),對(duì)于AP-P4,隨著母液配制濃度的增加,注入液的黏度值略有增加,但增加程度小于14.0%。這是因?yàn)槟敢簼舛仍礁?,分子間距離越近,以分子間締合為主,作用力也越強(qiáng),在相同的攪拌條件下,分子鏈網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)就越不易被破壞,所以在稀釋成注入液后黏度也會(huì)有所增加[12];對(duì)于FP3640C,母液配制濃度越高,注入液的黏度值差異越不明顯。由此說(shuō)明,提高聚合物母液的配制濃度對(duì)注入液黏度的影響不大,海上平臺(tái)可通過(guò)提高母液配制濃度來(lái)加速聚合物的溶解。
以渤海某注聚平臺(tái)實(shí)際情況為例,聚合物溶液日注入量為4 100 m3,注入濃度為1 750 mg/L,母液配制濃度為5 000 mg/L,配液速度為54 m3/h,分散裝置的額定配液量為60 m3/h,有效容積為60 m3,熟化罐有效容積為30 m3。
2.3.1配液總量的影響
根據(jù)該注聚平臺(tái)實(shí)際情況,計(jì)算母液的配制量,結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可以看出,當(dāng)配液時(shí)間一定時(shí),隨著配制濃度的升高,母液配制量逐漸減小。當(dāng)母液配制濃度為5 000 mg/L時(shí),母液配制量為59.8 m3/h;而當(dāng)母液濃度為15 000 mg/L時(shí),母液配制量為19.9 m3/h,比母液濃度為5 000 mg/L時(shí)的母液配制量減小了66.7%。因此,提高母液配制濃度能夠減小配液總量。
表3 不同配制濃度下的溶液配液量
2.3.2分散裝置體積的影響
若每套分散裝置額定配液速度為60 m3/h,有效容積為60 m3,則根據(jù)表3中母液配制量可計(jì)算出不同配制濃度下所需的分散裝置的總體積以及與5 000 mg/L相比時(shí)分散裝置總體積減小的幅度,結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可以得到,隨著母液配制濃度的增加,理論上所需的分散裝置數(shù)量逐漸減小。當(dāng)母液濃度為5 000 mg/L時(shí),需要1套分散裝置;而當(dāng)母液濃度為15 000 mg/L時(shí),只需要0.3套分散裝置,較母液濃度為5 000 mg/L時(shí)的分散裝置數(shù)量減少了0.7套,即分散裝置配液量為18 m3/h就可滿足現(xiàn)場(chǎng)對(duì)溶液配注量的需求。也就是說(shuō),當(dāng)母液濃度為15 000 mg/L時(shí),分散溶解裝置的有效體積為18 m3時(shí)就可滿足現(xiàn)場(chǎng)對(duì)配液量的需求,較母液濃度為5 000 mg/L時(shí)的分散溶解裝置有效體積減小了70.0%。因此,提高母液配制濃度能夠減少分散裝置的數(shù)量,進(jìn)而減小其總體積與質(zhì)量。
表4 不同配制濃度下的分散裝置體積
2.3.3熟化罐體積的影響
熟化罐是聚合物配注系統(tǒng)中占地面積最大、運(yùn)行負(fù)荷最大的部分。文獻(xiàn)[20]中分析了聚合物配制站主要運(yùn)行參數(shù)(分散能力、外輸能力、聚合物熟化罐有效容積、熟化時(shí)間、熟化罐數(shù)量)的關(guān)系,關(guān)系式如下:
Q2=(n-1)V/(V/Q1+T)
(1)
變換得到
n=Q2(1/Q1+T/V)+1
(2)
式(1)、(2)中:Q1為分散裝置的外輸液體量,m3/h;Q2為外輸泵的流量,m3/h;V為熟化罐有效容積,m3;T為熟化罐熟化時(shí)間,h;n為熟化罐數(shù)量。
由式(2)可知,V、Q1是現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際參數(shù),為常量;Q2、T是變量。當(dāng)Q2一定時(shí),熟化罐數(shù)量n是熟化時(shí)間T的單調(diào)函數(shù);而當(dāng)T一定時(shí),熟化罐數(shù)量n也是外輸泵流量Q2的單調(diào)函數(shù)。因此,隨著熟化時(shí)間、外輸泵流量的減小,熟化罐數(shù)量明顯減少。
根據(jù)表2、3及式(2)可計(jì)算出不同母液濃度下配制系統(tǒng)中所需的熟化罐總體積以及與5 000 mg/L相比時(shí)熟化罐總體積減小的幅度。假設(shè)熟化罐有效容積為30 m3,結(jié)果見(jiàn)表5、6。
由表5、6可以得到,隨著母液配制濃度的增加,熟化罐數(shù)量逐漸減少,母液配制所需熟化罐的總有效體積也逐漸減小。以AP-P4為例,當(dāng)母液濃度為5 000 mg/L時(shí),理論上需要4.3個(gè)熟化罐,熟化罐的總體積為129 m3;而當(dāng)母液濃度為15 000 mg/L時(shí),只需要1.6個(gè)熟化罐,熟化罐的總體積為48 m3,較母液濃度為5 000 mg/L時(shí)的熟化罐數(shù)量減少2.7個(gè),相當(dāng)于配制系統(tǒng)中熟化罐的總有效容積減小62.8%。由此說(shuō)明,隨著母液配制濃度的增加,熟化罐的數(shù)量明顯減少,熟化罐的總體積和總質(zhì)量也大幅減小。
表5 不同配制濃度下熟化罐的體積(AP-P4)
表6 不同配制濃度下熟化罐的體積(FP3640C)
提高母液配制濃度能大幅度減小熟化罐的總體積,這是因?yàn)椋阂环矫?,如圖5所示,母液配制濃度越高,聚合物干粉的基本溶解時(shí)間越短,溶解速度越快,溶液在熟化罐中熟化的時(shí)間就越短,因此所需的熟化罐數(shù)量越少,總體積就越小;另一方面,當(dāng)聚合物溶液的配注量一定時(shí),聚合物溶液的配制濃度越高,母液的配制量就越小,需要的熟化罐數(shù)量、體積也會(huì)越小。所以,母液配制濃度越高,熟化罐的總體積越小,總占地面積也越小。
2.3.4對(duì)配注系統(tǒng)總體積的影響
根據(jù)表4~6中不同母液配制濃度下配制系統(tǒng)中所需分散溶解裝置的總有效體積和熟化罐的總有效體積,可分別計(jì)算出不同母液配制濃度下所需的配制裝置的總體積以及與5 000 mg/L相比時(shí)配制裝置體積減小的幅度,結(jié)果見(jiàn)表7。
由表7可以得到,當(dāng)聚合物溶液日注入量一定時(shí),隨著母液配制濃度的增加,配制裝置總體積均逐漸減小。以AP-P4為例,當(dāng)母液配制濃度為5000 mg/L時(shí),配制裝置總體積為189 m3;而當(dāng)母液濃度為15 000 mg/L時(shí),配制裝置總體積為66 m3,后者與前者相比較,配制裝置的總體積減少了65.1%。
表7 不同配制濃度下配制裝置的體積
由此說(shuō)明,母液配制濃度越高,配制裝置總體積就越小,配注系統(tǒng)的總規(guī)模也越小。當(dāng)聚合物溶液日注入量為4 100 m3,母液配制濃度由5 000 mg/L提高至15 000 mg/L時(shí),配注系統(tǒng)總體積可減小60.8%~65.1%。這不僅大幅度減小了聚合物配制裝置的占地面積和質(zhì)量,節(jié)約了海上平臺(tái)的空間,減輕了海上平臺(tái)的承重,還降低了海上平臺(tái)的運(yùn)行負(fù)荷。
以疏水締合聚合物AP-P4和常規(guī)線性聚合物FP3640C為研究對(duì)象,實(shí)驗(yàn)分析了母液配制濃度對(duì)基本溶解時(shí)間、注入液黏度、配注系統(tǒng)總體積等的影響規(guī)律,結(jié)果表明:提高母液配制濃度能夠加快聚合物的溶解,縮短其基本溶解時(shí)間,且不會(huì)降低注入液的黏度。當(dāng)聚合物溶液的注入量一定時(shí),提高母液配制濃度可以大幅度減小配注系統(tǒng)的總體積。當(dāng)聚合物溶液日注入量為4 100 m3,母液配制濃度由5 000 mg/L提高至15 000 mg/L時(shí),配注系統(tǒng)總體積可減小60.8%~65.1%。建議在滿足海上平臺(tái)配注工藝要求的條件下,適當(dāng)提高聚合物母液配制濃度以減少配注系統(tǒng)總體積要求。