基于低質(zhì)量濃度表面活性劑的復(fù)合驅(qū)效果評(píng)價(jià)

謝玉銀，侯吉瑞，張建忠，謝東海，任 飛，張 玥

（1.中國(guó)石油大學(xué)（北京）提高采收率研究院，北京102249；2.中國(guó)石油三次采油重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室低滲油田提高采收率應(yīng)用基礎(chǔ)理論研究室，北京102249；3.教育部油田開(kāi)發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102249；4.中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院，北京102249）

基于低質(zhì)量濃度表面活性劑的復(fù)合驅(qū)效果評(píng)價(jià)

謝玉銀1，2，3，侯吉瑞1，2，3，張建忠1，2，3，謝東海1，2，3，任 飛4，張 玥1

（1.中國(guó)石油大學(xué)（北京）提高采收率研究院，北京102249；2.中國(guó)石油三次采油重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室低滲油田提高采收率應(yīng)用基礎(chǔ)理論研究室，北京102249；3.教育部油田開(kāi)發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102249；4.中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院，北京102249）

以往為了達(dá)到超低界面張力，復(fù)合驅(qū)大多使用較高質(zhì)量濃度的表面活性劑，通常為1 000～3 000 mg/L，不僅增加了成本且未必能取得好的驅(qū)油效果。為了探究低質(zhì)量濃度表面活性劑的驅(qū)油效果，設(shè)計(jì)了低質(zhì)量濃度表面活性劑的復(fù)合驅(qū)物理模擬實(shí)驗(yàn)。靜態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在低質(zhì)量濃度表面活性劑條件下，油水界面張力可達(dá)到10-2mN/m數(shù)量級(jí)及以下，加堿后，界面張力更低；堿和表面活性劑都會(huì)對(duì)聚合物的粘度和粘彈性產(chǎn)生影響，堿在較高溫度下會(huì)大幅度降低復(fù)合體系的粘度和粘彈性。驅(qū)油實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與水驅(qū)相比，在所選擇的低質(zhì)量濃度表面活性劑驅(qū)油體系中，表面活性劑—聚合物二元復(fù)合驅(qū)和堿—表面活性劑—聚合物三元復(fù)合驅(qū)均可提高采收率19.5%以上，三元復(fù)合驅(qū)的驅(qū)油效果最好，提高采收率21.8%以上。這表明低質(zhì)量濃度表面活性劑驅(qū)油體系驅(qū)油效果很好。

低質(zhì)量濃度表面活性劑化學(xué)復(fù)合驅(qū)提高采收率界面張力粘度粘彈性

在中國(guó)化學(xué)驅(qū)是應(yīng)用較成熟的三次采油技術(shù)，其中堿—表面活性劑—聚合物三元復(fù)合驅(qū)近來(lái)一直倍受關(guān)注，而且取得了顯著的效果［1-3］。研究結(jié)果表明［4］，表面活性劑水溶液與原油形成并保持超低界面張力的性能是決定驅(qū)替效率的關(guān)鍵。因此，在復(fù)合驅(qū)中，為了使界面張力達(dá)到10-3或10-4mN/m數(shù)量級(jí)，表面活性劑的質(zhì)量濃度通常較高，一般為1 000～3 000 mg/L，甚至更高［5-6］，大大增加了采油成本，而且過(guò)低的界面張力將使得驅(qū)油過(guò)程處于“第二類”驅(qū)動(dòng)狀況下，驅(qū)油效果相對(duì)變差，超低界面張力并不是絕對(duì)必要的［7］。為了探討基于低質(zhì)量濃度表面活性劑的復(fù)合驅(qū)在南陽(yáng)油田的技術(shù)可行性，對(duì)6個(gè)驅(qū)油體系與原油的界面張力及其粘度和粘彈性進(jìn)行了測(cè)試和分析，并進(jìn)行了驅(qū)替實(shí)驗(yàn)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

化學(xué)試劑包括：堿（Na2CO3）為分析純；表面活性劑（SH6），有效質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%，由陰離子和非離子復(fù)配而成；聚合物（ZL-Ⅱ），有效質(zhì)量分?jǐn)?shù)為88.15%。

根據(jù)南陽(yáng)油田的地質(zhì)特征以及實(shí)驗(yàn)要求，驅(qū)替實(shí)驗(yàn)所用巖心為人造長(zhǎng)均質(zhì)巖心模型，其長(zhǎng)度、寬度、高度分別為30，4.5和4.5 cm。

測(cè)試界面張力所用油滴為南陽(yáng)油田脫水脫氣原油；驅(qū)替實(shí)驗(yàn)用油為南陽(yáng)油田脫水脫氣原油與煤油按體積比7.75∶2.25混合配制而成的模擬油，其在實(shí)驗(yàn)溫度81℃下粘度為3.3 mPa·s；實(shí)驗(yàn)用水為南陽(yáng)油田地層水，總礦化度為10 884 mg/L，其中Cl-，Ca2+和Mg2+的質(zhì)量濃度分別為3 009，17和4 mg/L。實(shí)驗(yàn)中所用的6個(gè)驅(qū)油體系配方見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)用驅(qū)油體系配方 mg/L

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

根據(jù)南陽(yáng)油田地層溫度，所有實(shí)驗(yàn)都是在81℃條件下完成的。

界面張力測(cè)試方法 采用旋滴法，在轉(zhuǎn)速為6 000 r/min的條件下，使用SVT20N型視頻旋轉(zhuǎn)滴張力儀測(cè)試界面張力。

粘度和粘彈性測(cè)試方法 在測(cè)試之前，將待測(cè)液放在81℃的恒溫箱中恒溫1 h后再取出，采用MCR301型界面流變儀測(cè)試粘度和粘彈性。

驅(qū)替液配制方法 首先，用蒸餾水配制質(zhì)量濃度為3 000 mg/L的ZL-Ⅱ、質(zhì)量濃度為3 000 mg/L的SH6和質(zhì)量濃度為50 000 mg/L的Na2CO3作為母液備用；然后根據(jù)驅(qū)替液的質(zhì)量濃度配方，取相應(yīng)體積的母液加入到250 mL的容量瓶中，用地層水稀釋到250 mL，搖勻備用。

驅(qū)替實(shí)驗(yàn)方法 驅(qū)替實(shí)驗(yàn)采用恒速法，在烘箱中進(jìn)行，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程由壓力傳感器自動(dòng)采集壓力。實(shí)驗(yàn)步驟包括：①巖心抽真空，飽和水，測(cè)定孔隙體積和孔隙度；②飽和模擬油，計(jì)算初始含油飽和度，靜置24 h；③水驅(qū)至含水率大于98%；④注入0.45倍孔隙體積的化學(xué)驅(qū)油體系；⑤繼續(xù)水驅(qū)至含水率大于98%，結(jié)束實(shí)驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 界面張力

驅(qū)油體系1—6的界面張力分別為：1.548，0.092，0.007，1.143，0.008和0.002 mN/m。因此，1 500 mg/L ZL-Ⅱ和300 mg/L SH6復(fù)配溶液的界面張力已達(dá)到10-2mN/m數(shù)量級(jí)，加入8 000 mg/L的Na2CO3后，界面張力可以達(dá)到超低。1 500 mg/L的ZL-Ⅱ和500 mg/L的SH6復(fù)配而得的溶液的界面張力也可以達(dá)到超低，加入8 000 mg/L的Na2CO3后，界面張力進(jìn)一步降低?？梢?jiàn)，低質(zhì)量濃度的SH6已經(jīng)可以使表面活性劑—聚合物二元復(fù)合驅(qū)油體系和堿—表面活性劑—聚合物三元復(fù)合驅(qū)油體系的界面張力均達(dá)到10-2mN/m數(shù)量級(jí)及以下。

2.2 粘度

對(duì)比粘度測(cè)試結(jié)果（圖1）可以看出，加入少量的SH6后，聚合物的粘度大幅度增加，說(shuō)明只需較少量此種表面活性劑便可以顯著增加聚合物的粘度。加入8 000 mg/L的Na2CO3后，聚合物以及聚合物—表面活性劑二元體系的粘度都大幅度降低，大約降到原來(lái)粘度的一半。

圖1 不同驅(qū)油體系粘度測(cè)試結(jié)果對(duì)比

2.3 粘彈性

多年研究表明，聚合物對(duì)三次采油提高采收率有很重要的作用［8-10］，聚合物不僅能擴(kuò)大注入水波及體積，而且能提高微觀驅(qū)油效率，這是由于其粘彈性所起的作用［11-12］。流體的粘彈性用其儲(chǔ)存模量和損耗模量來(lái)表征，儲(chǔ)存模量反映的是流體的彈性成分，損耗模量反映的是流體的粘性成分。聚合物及其復(fù)合體系溶液的粘彈性越高，驅(qū)油效率越高［13］。

對(duì)比不同體系的儲(chǔ)存模量（圖2）可以看出，無(wú)堿體系的儲(chǔ)存模量高于與之相應(yīng)的有堿體系，這說(shuō)明Na2CO3的加入，破壞了聚合物和表面活性劑復(fù)合體系的彈性，降低了其儲(chǔ)存模量。對(duì)于無(wú)堿體系，體系1的儲(chǔ)存模量最高，體系3的儲(chǔ)存模量次之，體系4的儲(chǔ)存模量最小。這說(shuō)明，該表面活性劑的加入會(huì)降低ZL-Ⅱ的儲(chǔ)存模量，也就是降低了聚合物的彈性，但是通過(guò)與體系2的曲線對(duì)比可以看出，表面活性劑對(duì)儲(chǔ)存模量的影響要遠(yuǎn)小于堿。對(duì)于有堿體系，體系6的儲(chǔ)存模量最高，體系5的儲(chǔ)存模量次之，體系2的儲(chǔ)存模量最小。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因應(yīng)該是Na2CO3的加入，削弱了SH6對(duì)聚合物彈性的破壞，而這一過(guò)程消耗了一部分堿，使得堿對(duì)聚合物儲(chǔ)存模量的影響減少，因此使有堿體系中含有表面活性劑的體系比不含表面活性劑的體系的儲(chǔ)存模量要高。

圖2 不同驅(qū)油體系的儲(chǔ)存模量

對(duì)比不同驅(qū)油體系的損耗模量（圖3）可以看出，無(wú)堿體系的損耗模量高于與之相應(yīng)的有堿體系。無(wú)論是無(wú)堿體系還是有堿體系，加入少量的表面活性劑后體系的損耗模量均增加，而且表面活性劑的質(zhì)量濃度越大，損耗模量越高，表明表面活性劑的加入增加了聚合物的粘性，這與前面的粘度結(jié)果相對(duì)應(yīng)。Na2CO3的加入會(huì)部分破壞SH6對(duì)ZL-Ⅱ的增粘作用，因此，在6個(gè)驅(qū)油體系中，體系4的損耗模量最高，3個(gè)有堿體系中體系6的損耗模量最高。

圖3 不同驅(qū)油體系的損耗模量

堿之所以會(huì)破壞聚合物的粘度和粘彈性，是由于三元體系中的堿會(huì)與聚合物分子鏈上負(fù)電荷中和，使分子鏈發(fā)生蜷縮和粘貼，形成“帶狀”分子結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致聚合物溶液粘彈性和流變性變差［14］。有人通過(guò)原子力學(xué)顯微鏡觀察到在無(wú)堿狀態(tài)下聚合物分子在液相中充分舒展，而在有堿條件下聚合物分子蜷縮的現(xiàn)象，而且堿質(zhì)量濃度越大，蜷縮越明顯［15］。

2.4 驅(qū)替實(shí)驗(yàn)

2.4.1 不同體系驅(qū)油結(jié)果對(duì)比

由不同體系驅(qū)油結(jié)果對(duì)比（表2）可以看出，聚合物驅(qū)、堿—聚合物二元復(fù)合驅(qū)、低質(zhì)量濃度表面活性劑—聚合物二元復(fù)合驅(qū)以及堿—低質(zhì)量濃度表面活性劑—聚合物三元復(fù)合驅(qū)的采收率提高值均能達(dá)到15%以上。在相同聚合物質(zhì)量濃度下，堿—聚合物二元復(fù)合驅(qū)的效果要好于聚合物驅(qū)，這可能是由于堿在降低了聚合物的粘度和粘彈性的同時(shí)也可以在一定程度上降低聚合物和原油的界面張力，且可以減少聚合物的吸附；同聚合物驅(qū)相比，聚合物和低質(zhì)量濃度表面活性劑復(fù)配后，提高采收率效果更好，且隨著表面活性劑質(zhì)量濃度的增大，提高采收率增加，1 500 mg/L的ZL-Ⅱ和500 mg/ L的SH6復(fù)配體系可提高采收率21.0%。在相同質(zhì)量濃度的聚合物和表面活性劑的情況下，加入堿后，驅(qū)油效果進(jìn)一步改善。這表明，在低質(zhì)量濃度表面活性劑的條件下，三元復(fù)合驅(qū)可以取得很好的驅(qū)油效果。由上述界面張力測(cè)試結(jié)果可知，無(wú)堿條件下，界面張力已經(jīng)可達(dá)到10-2甚至10-3mN/m數(shù)量級(jí)，因此推斷，三元復(fù)合驅(qū)比表面活性劑—聚合物二元復(fù)合驅(qū)效果好的原因應(yīng)該是堿降低了表面活性劑的吸附。很多室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和礦場(chǎng)試驗(yàn)表明，由于表面活性劑的大量吸附，使得表面活性劑—聚合物二元復(fù)合驅(qū)的驅(qū)油效果并不好，在三元復(fù)合驅(qū)中，堿吸附在孔隙表面上無(wú)疑降低了表面活性劑的吸附，所以雖然堿會(huì)使聚合物的粘度和粘彈性大幅度降低，但是，三元復(fù)合驅(qū)的效果還是好于表面活性劑—聚合物二元復(fù)合驅(qū)。

表2 不同體系驅(qū)油結(jié)果對(duì)比

2.4.2 復(fù)合驅(qū)過(guò)程中采收率、含水率、注入壓力變化規(guī)律

在設(shè)計(jì)的驅(qū)替實(shí)驗(yàn)中，6種體系的注入壓力、采收率和含水率隨注入孔隙體積倍數(shù)的變化規(guī)律相同，它們之間只有量的改變，沒(méi)有質(zhì)的差別。以體系5為例來(lái)分析整個(gè)驅(qū)替過(guò)程中注入壓力、采收率和含水率的變化規(guī)律（圖4）。由圖4可以看出，在前期水驅(qū)階段，開(kāi)始時(shí)，注入壓力、采收率和含水率都快速增加，當(dāng)注入0.5倍孔隙體積時(shí)，含水率達(dá)到90%。之后，注入壓力基本穩(wěn)定，采收率和含水率曲線都趨于平緩，當(dāng)含水率達(dá)到98%時(shí)，前期水驅(qū)階段結(jié)束。在堿—表面活性劑—聚合物三元復(fù)合驅(qū)階段，開(kāi)始時(shí)，注入壓力立刻升高至水驅(qū)階段的幾倍，這是注入體系的粘度增大造成的；但是，含水率下降和采收率提高有一個(gè)相對(duì)滯后的時(shí)間段，當(dāng)注入壓力上升到最高點(diǎn)之后，含水率突然降低，采收率曲線變陡，采油量增加；之后，含水率回升，采收率曲線又趨于平緩。在后續(xù)水驅(qū)階段，注入壓力又快速下降，含水率和采收率曲線都趨于平緩，最后三者都基本穩(wěn)定。后續(xù)水驅(qū)階段的最終注入壓力高于前期水驅(qū)階段，這應(yīng)該是復(fù)合體系在巖心孔隙中滯留，增加了滲流阻力的緣故［16-18］。

圖4 驅(qū)油體系5的驅(qū)替變化規(guī)律

3 結(jié)論

模擬南陽(yáng)油田地層環(huán)境，通過(guò)室內(nèi)驅(qū)替實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證低質(zhì)量濃度表面活性劑下復(fù)合驅(qū)提高采收率技術(shù)的可行性。通過(guò)一系列的靜態(tài)實(shí)驗(yàn)和動(dòng)態(tài)驅(qū)替實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析認(rèn)為：①表面活性劑SH6在300 mg/L的低質(zhì)量濃度下，已可以使油水界面張力降至10-2mN/m數(shù)量級(jí)，在500 mg/L的質(zhì)量濃度下，可以使油水界面張力達(dá)到超低，加入8 000 mg/L的Na2CO3后，效果更好。②Na2CO3的加入會(huì)降低SH6—ZL-Ⅱ二元復(fù)合體系的粘度和粘彈性；少量的SH6即可大幅度增加ZL-Ⅱ的粘度；SH6雖然會(huì)降低ZL-Ⅱ的儲(chǔ)存模量，卻可以增加ZL-Ⅱ的損耗模量。③基于低質(zhì)量濃度表面活性劑的復(fù)合驅(qū)體系取得了很好的驅(qū)油效果。雖然堿的加入大幅度降低了復(fù)合驅(qū)體系的粘度和粘彈性，但是它吸附在孔隙表面降低了表面活性劑的吸附，使得三元復(fù)合驅(qū)的驅(qū)油效果好于無(wú)堿二元復(fù)合驅(qū)。

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編輯劉北羿

TE357.43

A

1009-9603（2014）01-0074-04

2013-11-26。

謝玉銀，女，在讀碩士研究生，從事油氣田開(kāi)發(fā)及提高采收率研究。聯(lián)系電話：18010119882，E-mail：xyy19900418@163.com。

國(guó)家自然科學(xué)基金“ASP復(fù)合驅(qū)油藏油水界面張力變化規(guī)律及殘余油啟動(dòng)機(jī)制研究”（51174216）。