稠油油藏注水井降壓增注用表面活性劑的研制及性能評價(jià)

汪益寧，黃小娟，李　洪，徐　濤，段秋紅，王　暉

(1.振華石油控股有限公司，北京 100031；2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)能源學(xué)院，北京 100083；3.中國石化河南油田勘探開發(fā)研究院，河南 南陽 473132)

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稠油油藏注水井降壓增注用表面活性劑的研制及性能評價(jià)

汪益寧1，黃小娟2，李洪2，徐濤1，段秋紅3，王暉1

(1.振華石油控股有限公司，北京 100031；2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)能源學(xué)院，北京 100083；3.中國石化河南油田勘探開發(fā)研究院，河南 南陽 473132)

稠油油藏注水井注水過程中普遍存在壓力上升過快、欠注現(xiàn)象嚴(yán)重等問題。室內(nèi)通過一步法合成出一種適合于稠油油藏注水井降壓增注用季銨鹽陽離子雙子表面活性劑HYX-1，評價(jià)了其與地層水的配伍性、CMC值、界面張力以及降低稠油黏度性能，并通過巖心驅(qū)替模擬實(shí)驗(yàn)評價(jià)了其降壓增注效果。結(jié)果表明，不同濃度表面活性劑HYX-1與地層水均具有良好的配伍性，且具有較低的CMC值；當(dāng)其濃度為50～300 mg·L-1時(shí)，瞬時(shí)界面張力最低值可以達(dá)到10-3mN·m-1數(shù)量級；當(dāng)其體積分?jǐn)?shù)為0.05%～0.5%時(shí)，目標(biāo)區(qū)塊稠油黏度降低率達(dá)到90%以上；注入3 PV濃度為300～500 mg·L-1的HYX-1溶液后，第二次水驅(qū)壓力比第一次水驅(qū)壓力降低30%以上。表明，表面活性劑HYX-1具有較好的降壓增注效果，可以作為稠油油藏注水井降壓增注用表面活性劑。

稠油油藏注水井；雙子表面活性劑；降壓增注；性能評價(jià)

稠油油藏注水井在注水過程中由于注入水水質(zhì)差、原油中膠質(zhì)瀝青質(zhì)含量高、注入水與儲層不配伍等原因，普遍存在注水壓力上升過快、欠注現(xiàn)象嚴(yán)重等問題[1]。注入水水質(zhì)不達(dá)標(biāo)易造成地層堵塞；地層原油黏度較高，在注水過程中由于溫度變化易導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)堵塞的冷傷害；現(xiàn)場注水過程中壓力升高較快，酸化解堵后注水量雖然有較高幅度的增加，但是有效期較短[2-3]，注采矛盾依然較突出。所以，如何實(shí)現(xiàn)長期有效的降壓增注是稠油油藏注水過程中亟待解決的問題[4]。

注水井降壓增注措施主要包括酸化解堵增注、表面活性劑降壓增注、縮膨降壓增注、聚硅納米材料降壓增注、層內(nèi)生氣降壓增注和生物酶降壓增注等。其中表面活性劑降壓增注技術(shù)是在注水過程中向地層孔隙中注入一定量的表面活性劑[5]，通過降低油水界面張力，降低殘余油飽和度，改善流體滲流特征，從而提高水相滲透率，達(dá)到降壓增注的目的[6]，具有施工工藝簡單、有效期長、處理半徑較大等優(yōu)點(diǎn)。

鑒于此，室內(nèi)研制出一種適合于稠油油藏注水井降壓增注用季銨鹽陽離子雙子表面活性劑HYX-1，并評價(jià)了該表面活性劑的性能，擬為現(xiàn)場應(yīng)用提供參考。

1　實(shí)驗(yàn)

1.1材料、試劑與儀器

目標(biāo)區(qū)塊脫氣原油，中性煤油，目標(biāo)區(qū)塊儲層天然巖心。

烷基二甲基叔胺，溴代烷烴，無水乙醇，異丙酮，模擬地層水(礦化度為25 800 mg·L-1)。

三口燒瓶，冷凝管，燒杯，電加熱套，水浴鍋，磁力攪拌裝置，電子天平，真空干燥箱，JZ-200型自動界面張力儀，旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，巖心飽和實(shí)驗(yàn)裝置，巖心驅(qū)替裝置。

1.2表面活性劑的合成

1.2.1合成原理

目前很多季銨鹽陽離子雙子表面活性劑都采用多步反應(yīng)法合成，反應(yīng)步驟較多，從而影響產(chǎn)品的質(zhì)量和純度[7-8]。本實(shí)驗(yàn)采用一步法合成季銨鹽陽離子雙子表面活性劑HYX-1，合成原理如下：

(m=2、4、6；n=14、16、18；當(dāng)n=18時(shí)產(chǎn)率最高)

1.2.2合成方法

分別稱取烷基二甲基叔胺和溴代烷烴，與無水乙醇按一定比例加到1 000 mL具塞三口燒瓶中，連接冷凝管，開啟攪拌裝置使原料混合均勻，用電加熱套緩慢升溫至80 ℃，恒溫反應(yīng)48 h，即得到純度較低的黃色產(chǎn)物；將產(chǎn)物蒸發(fā)2 h，冷卻后置于55 ℃真空干燥箱中烘干；然后用異丙酮重結(jié)晶2次，抽濾提純；將提純后的產(chǎn)品置于55 ℃真空干燥箱中烘干，即得白色粉末狀表面活性劑HYX-1。

1.3表面活性劑的性能評價(jià)

1.3.1配伍性評價(jià)

將不同濃度的表面活性劑HYX-1溶液加到目標(biāo)區(qū)塊地層水中，在儲層溫度(60 ℃)下靜置24 h，觀察溶液是否澄清，評價(jià)表面活性劑與地層水的配伍性。

1.3.2臨界膠束濃度(CMC)的測定

用模擬地層水配制不同濃度(100、200、300、500、800、1 000、1 500、2 000、2 500、3 000，mg·L-1)的表面活性劑HYX-1溶液，在60 ℃下用自動界面張力儀測定各溶液的表面張力，由表面張力隨濃度的變化曲線得到CMC值。

1.3.3界面性能評價(jià)

在60 ℃下用自動界面張力儀測定表面活性劑HYX-1溶液與中性煤油之間的動態(tài)界面張力，評價(jià)表面活性劑HYX-1的界面性能。

1.3.4降低稠油黏度性能評價(jià)

用模擬地層水配制體積分?jǐn)?shù)分別為0.05%、0.1%、0.3%、0.5%、1.0%的表面活性劑HYX-1溶液。稱取280 g稠油樣品，加入120 g不同體積分?jǐn)?shù)的表面活性劑HYX-1溶液，放入60 ℃的恒溫水浴中恒溫1 h，用攪拌裝置于250 r·min-1恒溫?cái)嚢? min，迅速用旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測定其在60 ℃下的黏度μ；作為對比，將稠油樣品在60 ℃的恒溫水浴中恒溫1 h，攪拌去除游離水和氣泡，用旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)在60 ℃下測定其黏度μ0。計(jì)算黏度降低率f=[(μ0-μ)/μ0]×100%， 以評價(jià)表面活性劑HYX-1降低稠油黏度性能。

1.3.5巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)

(1)將天然巖心洗油后抽真空飽和模擬地層水，計(jì)算孔隙體積和孔隙度，將已飽和的巖心繼續(xù)驅(qū)替并測定其液測滲透率；(2)飽和模擬油，以0.1 mL·min-1的流速驅(qū)替模擬油10倍孔隙體積以上，在60 ℃下老化24 h；(3)再用地層水以0.5 mL·min-1的流速進(jìn)行第一次水驅(qū)，直至壓力基本穩(wěn)定，記錄壓力變化情況；(4)然后注入3 PV不同濃度的表面活性劑HYX-1溶液，記錄驅(qū)替壓力變化情況；(5)繼續(xù)以0.5 mL·min-1的流速進(jìn)行第二次地層水驅(qū)，直至壓力不再變化，記錄驅(qū)替過程的壓力變化情況。實(shí)驗(yàn)均在60 ℃下進(jìn)行。模擬油為儲層脫氣原油與中性煤油按2∶1(體積比)混合。

2　結(jié)果與討論

2.1配伍性評價(jià)結(jié)果

將不同濃度(100、500、1 000、1 500、2 000，mg·L-1)表面活性劑HYX-1溶液加到目標(biāo)區(qū)塊地層水中，在60 ℃下靜置24 h后，溶液均澄清透明。表明，不同濃度的表面活性劑HYX-1溶液與地層水在儲層溫度下均具有較好的配伍性。

2.2CMC值的確定

表面張力隨表面活性劑HYX-1濃度變化曲線見圖1。

圖1　表面張力隨表面活性劑 HYX-1濃度的變化曲線Fig.1　Change curve of surface tension of different concentrations of surfactant HYX-1

由圖1可以看出，在濃度為500 mg·L-1時(shí)，表面張力出現(xiàn)拐點(diǎn)。因此，確定CMC值為500 mg·L-1。

2.3界面張力的測定結(jié)果

不同濃度表面活性劑HYX-1溶液與中性煤油之間的界面張力見圖2和表1。

圖2　不同濃度表面活性劑HYX-1溶液 與中性煤油之間的動態(tài)界面張力(60 ℃)Fig.2　Dynamic interfacial tension between different concentrations of surfactant HYX-1 solution and neutral kerosene at 60 ℃

由圖2可以看出，不同濃度的表面活性劑HYX-1溶液與中性煤油之間的界面張力表現(xiàn)出不同的規(guī)律：當(dāng)HYX-1濃度為50～300 mg·L-1時(shí)，界面張力隨時(shí)間延長先降低至最小值，再慢慢上升至平衡狀態(tài)；當(dāng)HYX-1濃度為400～1 000 mg·L-1時(shí)，界面張力隨時(shí)間延長逐漸上升直至達(dá)到平衡狀態(tài)。

表1 不同濃度表面活性劑HYX-1溶液與中性煤油之間的瞬時(shí)界面張力(60 ℃)

Tab.1 Instantaneous interfacial tension between different concentrations of surfactant HYX-1 solution and neutral kerosene at 60 ℃

由表1可以看出，當(dāng)表面活性劑HYX-1溶液濃度為50～300 mg·L-1時(shí)，其與中性煤油之間的瞬時(shí)界面張力最低值均可以達(dá)到10-3mN·m-1數(shù)量級，平衡狀態(tài)時(shí)的界面張力也較低。當(dāng)HYX-1濃度在300 mg·L-1左右(低于CMC值)時(shí)，瞬時(shí)界面張力最小，效果最好。這是由于在油水界面上，表面活性劑HYX-1的極性基團(tuán)在水相表面緊密排列，從而迫使碳?xì)浞菢O性鏈在油相呈豎直分布狀態(tài)，使用較低濃度的HYX-1溶液就可以大幅降低油水界面張力。

2.4降低稠油黏度效果(表2)

表2 表面活性劑HYX-1溶液降低稠油黏度效果

Tab.2 Viscosity reduction effect of heavy oil by surfactant HYX-1 solution

由表2可以看出，當(dāng)表面活性劑HYX-1體積分?jǐn)?shù)在0.05%～0.5%時(shí)，稠油黏度降低率均可以達(dá)到90%以上。表明表面活性劑HYX-1可以有效降低稠油黏度，在稠油油藏注水井注水過程中，表面活性劑HYX-1與地層孔隙中的殘余稠油發(fā)生乳化反應(yīng)，形成水包油乳狀液，大幅降低稠油及其乳狀液的黏度，使稠油易于從地層孔隙表面剝離下來，降低了地層殘余油飽和度，從而減小滲流阻力，達(dá)到降壓增注的目的。

2.5降壓增注巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表面活性劑HYX-1溶液對巖心降壓增注的效果見表3，不同濃度的HYX-1溶液驅(qū)替實(shí)驗(yàn)壓力曲線見圖3。

表3 表面活性劑HYX-1溶液對巖心的降壓增注效果

Tab.3　Effect of decompression and augmented injection of core by surfactant HYX-1 solution

注：4塊巖心均為天然巖心，氣測滲透率均為500 mD左右，HYX-1注入量為3 PV。

由表3可以看出，當(dāng)?shù)谝淮嗡?qū)壓力基本穩(wěn)定時(shí)，注入3 PV不同濃度的表面活性劑HYX-1溶液，驅(qū)替壓力均出現(xiàn)不同程度的降低；當(dāng)HYX-1濃度為300～500 mg·L-1時(shí)，第二次水驅(qū)壓力比第一次水驅(qū)壓力均降低了30%以上。表明，表面活性劑HYX-1可以有效降低油水界面張力，降低稠油乳狀液黏度，改善滲流特征，從而降低注水壓力，提高水相滲透率，是一種針對稠油油藏注水井降壓增注用的有效表面活性劑。

圖3不同濃度HYX-1溶液驅(qū)替實(shí)驗(yàn)壓力曲線

Fig.3Displacement experiment pressure curve of different concentrations of HYX-1 solution

3　結(jié)論

室內(nèi)研制了一種稠油油藏注水井降壓增注用季銨鹽陽離子雙子表面活性劑HYX-1。該表面活性劑與目標(biāo)區(qū)塊稠油油田地層水具有良好的配伍性；具有較低的CMC值(500 mg·L-1)；當(dāng)其濃度為50～300 mg·L-1時(shí)，瞬時(shí)界面張力最低值可以達(dá)到10-3mN·m-1數(shù)量級；當(dāng)其體積分?jǐn)?shù)為0.05%～0.5%時(shí)，目標(biāo)區(qū)塊稠油黏度降低率達(dá)到90%以上。巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)注入3 PV濃度為300～500 mg·L-1的表面活性劑HYX-1溶液后，第二次水驅(qū)壓力比第一次水驅(qū)壓力降低30%以上。表明季銨鹽陽離子雙子表面活性劑HYX-1具有較好的降壓增注效果，可以作為稠油油藏注水井降壓增注用表面活性劑。

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Development and Performance Evaluation of Surfactant for Decompression and Augmented Injection of Heavy Oil Reservoir Water Injection Well

WANG Yi-ning1,HUANG Xiao-juan2,LI Hong2,XU Tao1,DUAN Qiu-hong3,WANG Hui1

(1.ZhenhuaOilCo.,Ltd.,Beijing100031,China;2.SchoolofEnergyResources,ChinaUniversityofGeosciences,Beijing100083,China;3.ResearchInstituteofExplorationandDevelopmentofHenanOilfield,SINOPEC,Nanyang473132,China)

Intheprocessofwaterinjectioninheavyoilreservoirwaterinjectionwells,thepressurerisestoofast,andtheproblemofunderinjectionisserious.Inthelaboratory,atypeofquaternaryammoniumcationicgeminisurfactantHYX-1fordecompressionandaugmentedinjectionofheavyoilreservoirwaterinjectionwellwassynthesizedbyaone-stepmethod.Itscompatibilitywithformationwater,CMCvalue,interfacialtensionandviscosityreductionpropertieswereevaluated,andtheeffectofdecompressionandaugmentedinjectionwasevaluatedbyacoredisplacementsimulationexperiment.Theresultsshowedthat,differentconcentrationsofsurfactantHYX-1hadgoodcompatibilitywithformationwater,andhadlowCMCvalues.WhentheconcentrationofHYX-1was50～300mg·L-1,thevalueofminimuminstantaneousinterfacialtensioncouldreach10-3mN·m-1.WhenthevolumefractionofHYX-1was0.05%～0.5%,theviscosityreductionratefortargetblockofheavyoilwasmorethan90%.Whenthe3PVHYX-1solutionwithconcentrationof300～500mg·L-1wasinjected,thesecondwaterfloodingpressurewas30%lowerthanthatofthefirst.ItindicatedthatHYX-1couldbeusedasasurfactantinheavyoilreservoirwaterinjectionwellduetoitsgoodeffectondecompressionandaugmentedinjection.

heavyoilreservoirwaterinjectionwell;geminisurfactant;decompressionandaugmentedinjection;performanceevaluation

2016-05-03

10.3969/j.issn.1672-5425.2016.10.011

TQ 423.9TE 357.61

A

1672-5425(2016)10-0049-04

汪益寧，黃小娟，李洪，等.稠油油藏注水井降壓增注用表面活性劑的研制及性能評價(jià)[J].化學(xué)與生物工程，2016，33(10)：49-52.