海上平臺(tái)提高母液配制濃度減小配注系統(tǒng)總體積的可行性分析*

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。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)條件

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 實(shí)驗(yàn)方法

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)。

2 結(jié)果與討論

2.1 母液配制濃度對(duì)基本溶解時(shí)間的影響

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。

2.2 母液配制濃度對(duì)注入液黏度的影響

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。

2.3 母液配制濃度對(duì)聚合物配注系統(tǒng)總體積的影響

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。

3 結(jié)論

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。