低礦化度水/月桂酰胺丙基羥磺酸甜菜堿復(fù)配溶液驅(qū)油技術(shù)研究

劉楠楠， 胡 彤， 唐 偉， 陳 炎， 徐 慧， 莊加瑋， 邵明魯， 夏 敏， 鄧 偉

(1. 常州大學 石油工程學院， 江蘇 常州213164； 2. 常州紡織服裝職業(yè)技術(shù)學院 創(chuàng)意學院， 江蘇 常州213164； 3. 聊城市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗所， 山東 聊城252000)

目前，中國大多數(shù)老油田進入了開發(fā)后期，表現(xiàn)出流動阻力大、含水率高、采收率低下等特點，合理有效的開發(fā)方式在提高剩余油開采價值上具有重要的研究意義。而成本低廉、綠色清潔的低礦化度水驅(qū)在EOR方面具有巨大的潛力價值。低礦化度水驅(qū)通常是指向目標油藏內(nèi)注入礦化度低于5 000 mg/L的低質(zhì)量濃度可溶性固體總量的水。該技術(shù)早在20世紀60年代提出，當時的研究僅限于認識低礦化度水能夠提高驅(qū)油效率，但并未做深入研究。直到20世紀末期，國內(nèi)外研究學者才開始系統(tǒng)研究低礦化度水驅(qū)提高采收率，但此過程中對于低礦化度作用機理的認識仍然是非常淺薄的。低礦化度水所應(yīng)用的油藏必須具備合適的地層水礦化度、地層基本物性參數(shù)、地層溫度等，吳劍等[1]探明了低礦化度水驅(qū)的增產(chǎn)機理和適應(yīng)條件。王平等[2]的研究結(jié)果表明，低礦化度水驅(qū)在砂巖、碳酸鹽巖等不同巖性儲層中的提高采收率機理也不盡相同。除此之外，巖石基質(zhì)中黏土礦物是該方法提高采收率的必要條件，酸性環(huán)境下更適合，蒙脫石占優(yōu)的巖心中低礦化度水驅(qū)提高采收率效果更好[3-4]。低礦化度水驅(qū)提高采收率的機理是降低油水界面，減小潤濕角，提高洗油效率，同時減輕注水管線的腐蝕，減少因鹽析造成的地層堵塞問題[5-8]。另外，低礦化度水驅(qū)相較于高礦化度水驅(qū)具有成本低廉、施工簡單、清潔環(huán)保、驅(qū)油效果好等優(yōu)點。然而，低礦化度水驅(qū)雖具有良好的開發(fā)優(yōu)勢，但在提高采收率程度上還是比較小的，僅為5%～7%[9]。因此，如果需要大幅度提高剩余油開采程度，單純地利用低礦化度水驅(qū)可行性并不樂觀，需要綜合其他材料進行系統(tǒng)優(yōu)化。

表面活性劑因為來源廣、驅(qū)油效率高以及油藏適應(yīng)性強等特點，成為3次采油中室內(nèi)實驗或現(xiàn)場應(yīng)用較多的技術(shù)[10-12]。表面活性劑中分為陽離子、陰離子以及兩性表面活性劑，每一種試劑所應(yīng)用的油藏環(huán)境并不相同，文章所采用的是一種兩性表面活性劑，此試劑能夠增大波及體積，改善水油流度比和吸液剖面，同時具有良好的黏彈性[13]。低礦化度水與兩性表面活性劑復(fù)配溶液能夠最大程度上提高原油采收率是通過大量的研究工作得出，但對于其機理的認識上還存在不足。研究工作嘗試將低礦化度地層水與月桂酰胺丙基羥磺酸甜菜堿兩性表面活性劑進行復(fù)配，在研究過程中對比了高礦化度下水驅(qū)，分析了此復(fù)配溶液的流動特征和驅(qū)替特征，分析低礦化度環(huán)境下提高采收率的方法，為尋找新技術(shù)提供一種新思路。

1 室內(nèi)實驗設(shè)計

1.1 實驗材料與裝置

實驗所用不同礦化度地層水為蒸餾水和無機鹽混合而成，具體組成見表1。實驗用油為勝利油田脫水原油，黏度為12.5 mPa·s(油藏溫度約為28 ℃)；實驗所用巖心為勝利油田館陶組天然露頭巖心，巖心尺寸(直徑×長度)為2.5 cm×15 cm，滲透率為4.7×10-3～5.5×10-3μm2，孔隙度約為20%；初始含油飽和度約為60%；兩性表面活性劑為LHSB(C19H38N2O3)，純度為99.8%，購自江蘇省蘇州市乳潔化工有限公司。

JJ2000型旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀，上海中晨數(shù)字技術(shù)設(shè)備有限公司；美國博勒飛Brookfield DV2TLV黏度計；Bante210型實驗室pH計；D-8PC光譜儀，菲勒儀器有限公司；OCA25接觸角測量儀，北京奧德利諾儀器有限公司；巖心物理模擬驅(qū)替實驗裝置，包括平流泵、巖心夾持器、恒溫裝置、收集裝置等。

表1 不同礦化度下無機鹽離子組成

1.2 實驗測量方法

低礦化度地層水與月桂酰胺丙基羥磺酸甜菜堿兩性表面活性劑進行復(fù)配的材料包括0.1%潤濕性改變劑、0.03%滲透劑、降低油水界面張力的0.4%表面活性劑、其余為水。其中所述潤濕性改變劑為月桂基磺化琥珀酸單酯二鈉，滲透劑為異辛醇聚氧乙烯醚磷酸酯，降低油水界面張力的表面活性劑為月桂酰胺丙基羥磺基甜菜堿。低礦化度地層水與月桂酰胺丙基羥磺酸甜菜堿兩性表面活性劑進行復(fù)配的過程為：依次向攪拌容器中加入不同礦化度的水、潤濕性改變劑、滲透劑、降低油水界面張力的表面活性劑，每加入一種化學劑后充分攪拌，待所加化學劑完全溶解后再加入下一種化學劑，直至所有組分加完最終形成均勻、透明的水溶液,即為所述提高致密儲層驅(qū)替效果的水溶液。

1.2.1 界面張力、黏度以及pH的測定

使用旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀分別測定在溫度25 ℃ 高、低礦化度地層水配制質(zhì)量分數(shù)為0.3%的LHSB溶液與原油之間的界面張力，測量3次，取平均值；利用博勒飛黏度計測定溶液在溫度25 ℃ 的黏度；利用實驗室pH計測定原油/溶液以及巖石/溶液之間的pH。

1.2.2 LHSB表面活性劑吸附量及接觸角的測定

具體測量步驟如下：將巖心洗油、烘干并抽真空，飽和高、低礦化度地層水；并在不同礦化度環(huán)境中配制質(zhì)量分數(shù)為0.3%的LHSB溶液；再將巖心裝入驅(qū)替實驗裝置，其入口端注入2.5倍孔隙體積的不同礦化度環(huán)境下的LHSB溶液；使用光譜儀測定并計算巖心出口端表面活性劑的吸附損失率并測定注入溶液在入口端和出口端的潤濕角變化。

1.2.3 巖心驅(qū)替實驗

基于高、低礦化度水(2 500 mg/L，25 000 mg/L)環(huán)境中分別配制質(zhì)量分數(shù)為0.3%的LHSB溶液，進行巖心模擬驅(qū)油實驗，如圖1所示。實驗共設(shè)計4種可行性方案：①低礦化度水驅(qū)+高礦化度LHSB表面活性劑復(fù)配溶液驅(qū)；②低礦化度水驅(qū)+低礦化度LHSB表面活性劑復(fù)配溶液驅(qū)；③高礦化度水驅(qū)+高礦化度LHSB表面活性劑復(fù)配溶液驅(qū)；④高礦化度+低礦化度LHSB表面活性劑復(fù)配溶液驅(qū)。所用的巖心參數(shù)見表2。

圖1 巖心驅(qū)替實驗流程圖

表2 實驗巖心基本物性參數(shù)

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 界面張力變化

在高、低礦化度水環(huán)境下，不同質(zhì)量分數(shù)的LHSB溶液與原油之間的界面張力測定結(jié)果如圖2所示。從圖2曲線顯示的結(jié)果可以看出，當表面活性劑的質(zhì)量分數(shù)小于0.3%時，復(fù)配溶液與原油之間的界面張力較大；但當質(zhì)量分數(shù)大于0.3%時，在高、低礦化度環(huán)境中油水界面張力均可達到較小的值域范圍內(nèi)。綜合對比發(fā)現(xiàn)，當表面活性劑質(zhì)量分數(shù)為0.3%時，可以滿足實驗需要。此時，復(fù)配溶液中高礦化度體系的黏度約為5.4 mPa·s，低礦化度體系溶液的黏度為5.8 mPa·s。

2.2 pH變化

通過實驗分別測定了不同無機鹽離子質(zhì)量濃度下復(fù)配溶液與原油之間pH的變化，結(jié)果如圖3所示。從圖3曲線變化結(jié)果可以看出，隨著礦化度不斷增大，原油與溶液之間的pH不斷減小，結(jié)果說明了在高礦化度環(huán)境中質(zhì)量分數(shù)為0.3%的LHSB溶液，巖石表面的雙電子層被壓縮，致使陽離子質(zhì)量濃度H+不斷增加。而在低礦化度環(huán)境中，巖石表面黏附的陽離子H+較少，電荷不平衡，使得原油與復(fù)配溶液之間的靜電排斥力增大。

圖2 不同礦化度復(fù)配體系對油水界面張力變化影響Fig.2 Effect of different salinity complex system on the change of oil-water interfacial tension

圖3 不同礦化度LHSB復(fù)配體系對溶液pH變化影響Fig.3 Influence of LHSB complex system with different salinity on pH change of solution

2.3 LHSB表活劑吸附率及潤濕性結(jié)果

圖4 巖心驅(qū)替中不同礦化度LHSB復(fù)配體系吸附損失率及潤濕角變化影響Fig.4 Influence of adsorption loss rate and wettability angle of LHSB complex system with different salinity in core flooding

圖4展示了不同離子質(zhì)量濃度環(huán)境下表面活性劑溶液在實驗巖心中注入前后吸附量變化值以及巖心入口端注入表面活性劑溶液前后接觸潤濕角的變化。從圖4曲線變化結(jié)果可以看出，隨著無機鹽離子質(zhì)量濃度的增大，表面活性劑LHSB溶液經(jīng)過巖心之后吸附損失率逐漸降低，而在低礦化度環(huán)境中，吸附損失率達到30%。同時，基于接觸潤濕角的變化結(jié)果可以說明，低礦化度環(huán)境中接觸角較小，隨著礦化度質(zhì)量濃度增加，巖石水潤濕性能逐漸減弱，親水性變差，從而不利于提高采收率。這些結(jié)果說明了，低礦化度環(huán)境中表面活性劑更容易吸附在巖石表面，改變巖石潤濕性，使之更加具有親水性。

2.4 巖心驅(qū)替實驗結(jié)果

高/低礦化度環(huán)境中不同質(zhì)量分數(shù)的LHSB復(fù)配溶液驅(qū)油實驗結(jié)果如圖5所示，當表面活性劑質(zhì)量分數(shù)為0.3%時，采收效果最好，質(zhì)量分數(shù)越高，采收效率下降主要是因為表面活性劑的質(zhì)量分數(shù)與原油之間的界面張力升高導(dǎo)致的。

圖5 高/低礦化度環(huán)境中不同質(zhì)量分數(shù)LHSB復(fù)配溶液提高采收率結(jié)果Fig.5 The effect of LHSB complex system with different concentration on the EOR in core flooding

依據(jù)方案設(shè)計不同類型的注入方式下的結(jié)果如圖6和圖7(注入量均為孔隙體積的倍數(shù))所示，分別展示了不同礦化度下水驅(qū)結(jié)果以及高/低礦化度環(huán)境中LHSB復(fù)配溶液提高采收率結(jié)果。從4種實驗方案設(shè)計結(jié)果可以看出，表面活性劑LHSB復(fù)配溶液的加入能夠在原始水驅(qū)基礎(chǔ)上提高采收率。這是由于表面活性劑能夠降低原油與溶液之間的界面張力，減小了毛管阻力，使得毛細管數(shù)增大，針對低滲油藏巖心中的原油被迫從巖石表面剝離出來，增加了原油采收效率。

從圖6結(jié)果可以看出，采收率隨著高礦化度水注入量的增加而增加，當注入量達到1倍孔隙體積時，高礦化度水驅(qū)采收率達到最大值；隨著注入水的繼續(xù)增加，高礦化度水驅(qū)效果逐漸平穩(wěn)，采收率維持在34.4%。在高礦化度水驅(qū)注入量1.5倍孔隙體積之后，轉(zhuǎn)成高礦化度LHSB表面活性劑驅(qū)和低礦化度LHSB表面活性劑驅(qū)兩種作用方式，分別為方案①和方案②。通過圖6結(jié)果可以看出，在注入量為1.5～2.0倍孔隙體積時，高礦化度表面活性劑復(fù)合驅(qū)和低礦化度表面活性劑復(fù)合驅(qū)的采收率都增加，最后兩種提高采收率方式結(jié)果維持在37.4%和39.5%。說明低礦化度LHSB表面活性劑溶液復(fù)合驅(qū)替相較于高礦化度表面活性劑復(fù)合驅(qū)替最終采收率結(jié)果更好，說明低礦化度環(huán)境中的表面活性劑更容易吸附在巖石孔隙表面，改變了巖石的潤濕性。

低礦化度環(huán)境下注入水提高采收率結(jié)果如圖7所示，低礦化度水驅(qū)采收率達到35.5%，比高礦化度水驅(qū)結(jié)果提高了1.1%，這主要是由于低礦化度水與巖石之間的作用性更強，物理化學作用更明顯，致使其親水性增強，采收率提高。當注入量在1.5倍孔隙體積后，轉(zhuǎn)為高礦化度LHSB表面活性劑復(fù)配溶液，采收率結(jié)果提高了4.8%。但轉(zhuǎn)注低礦化度表面活性劑復(fù)配溶液后，采收率的提高幅度更大，約為10.4%。這主要是因為低礦化度環(huán)境中表活劑易吸附在孔隙表面，離子交換作用更強，驅(qū)油效果更高。另外，低礦化度與表面活性劑的復(fù)配在一定程度上使得黏度礦化作用增強，具有一定的調(diào)剖作用。

圖6 高礦化度水驅(qū)及復(fù)配溶液表面活性劑巖心驅(qū)替采收率結(jié)果Fig.6 EOR results of high salinity water flooding and complex solution surfactant core flooding

圖7 低礦化度水驅(qū)及復(fù)配溶液表面活性劑巖心驅(qū)替采收率結(jié)果Fig.7 EOR results of high salinity water flooding and complex solution surfactant core flooding

通過對比結(jié)果可以看出，低礦化度水驅(qū)+低礦化度LHSB表面活性劑驅(qū)更能提高原油采收程度，采收率最終提高10.4%。由此，低礦化度環(huán)境中，月桂酰胺丙基羥磺酸甜菜堿表面活性劑在砂巖巖石孔隙表面沖刷作用下，巖石親水性增強，黏土膨脹和微粒運移作用使得調(diào)剖效果明顯，驅(qū)油效率增加。

3 結(jié) 論

1) 低礦化度環(huán)境下，原油與復(fù)配表面活性劑溶液之間的界面張力隨著質(zhì)量分數(shù)的增加而增加，當表面活性劑質(zhì)量分數(shù)為0.3%時，體系中界面張力值趨于最小穩(wěn)定值。同時，隨著礦化度質(zhì)量濃度的增加，電子層間的排斥作用力使得溶液體系的pH不斷減小。

2) 在低礦化度環(huán)境中，表面活性劑的吸附損失率達到33%。低礦化度環(huán)境中表面活性劑更容易吸附在巖石表面，改變巖石潤濕性，使之更加具有親水性。隨著礦化度質(zhì)量濃度增加，巖石水潤濕性能逐漸減弱，親水性變差，從而不利于提高采收率。

3) 4種不同組合方案對比發(fā)現(xiàn)，低礦化度LHSB表面活性劑復(fù)配溶液能夠大幅度提高原油采收效率，提高程度約10.4%。這是由于在砂巖巖石孔隙表面沖刷作用下，巖石親水性增強，黏土膨脹和微粒運移作用使得調(diào)剖效果明顯，驅(qū)油效率增加。