基于改性天然聚合物的绿色环保净水剂制备及驱油效率提升研究

一、引言

油田开发中，回注水处理与驱油效率直接影响水资源利用率（回注水占采出水 80% 以上）与原油采收率（传统水驱效率 <50% ）。传统处理模式存在三大痛点：一是净水剂功能单一，聚合氯化铝等仅能去除部分油污与悬浮物（率），无法提升驱油效果；二是环境风险高，化学合成药剂生物降解率 <40% ，易造成地层堵塞与生态污染；三是协同性不足，净水与驱油环节需分别投加药剂（成本增 30% ），与《油田含油污水处理设计规范》SY/T 0097“绿色高效、协同优化” 要求不符。天然聚合物（淀粉、壳聚糖等）因来源广、可降解（生物降解率 gtrsim80% ）成为理想基材，通过改性引入功能性基团（如氨基、羧基），可同步实现高效净水与驱油增效，对推动油田绿色高效开发意义重大，是石油环保领域核心研究方向。

二、现存问题与研究目标

2.1 现存核心问题

一是净水效能不足，传统天然聚合物（未改性）吸附能力弱（油污去除率 <70% ），絮体松散（粒径 <0.5mm，），沉降效率低（需 >2 小时）；二是驱油功能缺失，未改性聚合物无法降低油水界面张力（ >30mN/m ），对残余油剥离能力弱（驱油效率 <50% ）；三是改性工艺粗放，化学改性中试剂用量超理论值 40% （成本增 25% ），产物稳定性差（储存期 <3 个月）；四是环境适配差，高矿化度（ > 10×10⁴mg/L ）油田水中，药剂易失活（净水效率降 30% ）。

2.2 核心研究目标

体系优化需达成四目标：一是净水高效，除油除悬浮物率 ≈99% ，絮体粒径 0.8-1.2mm ，沉降时间 ⩽30 分钟；二是驱油增效，油水界面张力降至 ⩽10mN/m ，驱油效率 ≈75% ；三是工艺绿色，改性试剂用量误差 ⩽10% ，产物储存期 ⩾6 个月；四是环境适配，高矿化度下效能衰减 ⩽5% ，生物降解率≈85% ，回注水回用率 ≈90% 。

三、基于改性天然聚合物的绿色净水剂制备机理

3.1 基材选择与改性路径

突破单一功能局限：一是优选天然基材，选用淀粉（来源广，成本低）、壳聚糖（含氨基，易改性）按 7：3 比例复配，基材生物降解率 ≈85% ，为绿色性奠定基础；二是化学改性优化，采用 “醚化 - 接枝” 两步法：先通过环氧丙烷醚化引入羟基（提升水溶性，溶解度从 30% 升至 ≈90% ），再接枝丙烯酰胺与 2 - 丙烯酰胺 - 2 - 甲基丙磺酸（AMPS），引入吸附与驱油功能基团（氨基、磺酸基），改性试剂用量精准控制（摩尔比 1：0.8：0.2），成本降低 25% 。

3.2 净水 - 驱油协同机理

实现双功能协同：一是净水机理，改性后聚合物通过 “电中和 - 吸附架桥” 作用，氨基（带正电）中和油污与悬浮物（带负电），磺酸基增强吸附能力，絮体粒径增至 0.8-1.2mm ，除油除悬浮物率≈99% ；二是驱油机理，聚合物分子链可降低油水界面张力（从 35mN/m 降至 ⩽10mN/m ），剥离岩石表面残余油，同时三维结构可形成 “堵水调驱” 效应（提高水驱波及系数），驱油效率从 50% 提升至 ≈75% 。

四、性能优化与应用策略

4.1 制备工艺优化

提升产物效能与经济性：一是反应参数调控，控制醚化温度 50-60℃（反应速率提升 40% ）、接枝反应 pH7-8 （接枝率从 60% 升至 gtrsim90% ），反应时间缩短至 3 小时（传统需 6 小时）；二是试剂回收利用，采用减压蒸馏回收未反应丙烯酰胺（回收率 gtrsim80% ），降低试剂损耗（用量误差 ⩽10% ）；三是产物后处理，通过喷雾干燥（温度 120-130℃）制成粉末状药剂（含水率 ⩽5% ），便于储存与投加（投加精度 ±2% ）。

4.2 应用场景适配

适配油田差异化需求：一是投加方式优化，采用 “一次投加 - 分段起效” 模式，回注水处理段（投加量 20-30mg/L ）实现快速净水，驱油段（药剂随回注水进入地层）同步增效，无需额外投加驱油剂（成本降 30% ）；二是水质适配调整，低矿化度（）水体减少交联剂用量（0.5%）），高矿化度水体增加 AMPS 接枝比例（0.3），确保全场景效能稳定；三是协同设备应用，与撬装式水处理设备（如气浮装置）联动，净水效率再提升 10% ，回注水回用率从 70% 升至 gtrsim90% 。

4.3 环境与经济性能保障

确保绿色与效益平衡：一是环境安全性，通过急性毒性测试（鱼类死亡率 ⩽1% ）、土壤淋溶实验（药剂残留），生物降解率 ≈85% ，无二次污染；二是经济性分析，药剂制备成本约 8000 元/ 吨（低于进口药剂 30% ），年处理 100 万方回注水可节约成本 200 万元，同时原油采收率提升8%-12% ，新增产值超千万元。