特低滲油藏表面活性劑改善水驅(qū)實(shí)驗(yàn)研究及應(yīng)用

楊 歡，張永剛，魏開鵬，劉學(xué)全，徐 斌，斯 容

（中國石化華北分公司工程技術(shù)研究院，河南 鄭州 450006）

紅河油田長6油藏位于甘肅省鎮(zhèn)原和涇川兩縣，儲(chǔ)層地層溫度65℃，砂巖累積厚度11～33m，單井累計(jì)含油厚度變化在5～26m，平均油層厚度18.3m，平均含油飽和度59.0%，平均孔隙度13.3%，平均滲透率1.49×10-3μm2，屬于低孔、低滲、中小孔隙細(xì)喉型儲(chǔ)層。由于油層微裂縫發(fā)育普遍，非均質(zhì)性強(qiáng)，導(dǎo)致注入水沿裂縫水竄嚴(yán)重，注入水難以進(jìn)入基質(zhì)，水驅(qū)出現(xiàn)水淹和不見效兩個(gè)極端現(xiàn)象，嚴(yán)重影響水驅(qū)開發(fā)效果，目前油田平均采收率僅9.7%，水驅(qū)開發(fā)效果遠(yuǎn)低于國內(nèi)同類型油田。

為了提高低滲透油藏的開發(fā)效果，克服在低滲透油藏注水開發(fā)過程中存在的問題，提高低滲透油田的采收率，采用注表面活性劑驅(qū)油就是一種非常好的解決以上問題的方法[1]。皂苷是一類較復(fù)雜的苷類化合物，與水混合振搖時(shí)可生成持久性的似肥皂泡沫狀物。皂苷由皂苷配基與糖、糖醛酸或其他有機(jī)酸組成。多數(shù)皂苷能降低液體（水）的表面張力，具有起泡沫性質(zhì)和乳化劑作用[2]。目前應(yīng)用在油田化學(xué)領(lǐng)域的主要是三萜皂苷，由于分子結(jié)構(gòu)中有環(huán)狀貼烯，它具有很高的抗鹽和抗油能力；另外環(huán)狀貼烯長鏈在親油表面的附著力很強(qiáng)，能有效地改變表面的潤濕性，因此，它是很好的驅(qū)油劑和流度控制劑[3-5]。根據(jù)紅河油田油藏特性和原油特性，開發(fā)一種適合超低滲油田開采的主要成分為皂苷（Saponin）的表面活性劑，同時(shí)復(fù)配滲透劑和乳化劑，制得一種高能表面活性劑ZJ2-2。該表面活性劑與地層水配伍性好，對(duì)油層無傷害，在油藏溫度條件下能有效地降低油水界面張力，同時(shí)改變巖石潤濕性，在很大程度上提高了原油采收率。

1 表面活性劑的驅(qū)油機(jī)理

1.1 降低油水界面張力

表面活性劑驅(qū)提高采收率主要是提高原油的洗油效率。一般通過增加毛細(xì)管數(shù)來實(shí)現(xiàn)提高洗油效率，而增加毛細(xì)管準(zhǔn)數(shù)的主要途徑則是降低油水界面張力。毛細(xì)管準(zhǔn)數(shù)與界面張力的關(guān)系式如下：

式中：Nc——毛細(xì)管數(shù)；ν——驅(qū)替速度，m/s；μw——驅(qū)替液黏度，mPa·s；σwo——油水界面張力，mN/m。

從式中可以看出：毛細(xì)管數(shù)與油水界面張力成反比。界面張力呈數(shù)量級(jí)的降低，可使毛細(xì)管準(zhǔn)數(shù)增加幾個(gè)數(shù)量級(jí)，從而大大降低或消除地層的毛細(xì)管作用，減少剝離原油時(shí)所需的黏附功，提高了洗油效率[6]。

1.2 改變巖石表面潤濕性

驅(qū)油用表面活性劑的親水性大于親油性，它們?cè)诘貙颖砻嫖?，可使親油的地層表面反轉(zhuǎn)為親水表面，油對(duì)地層表面潤視角增加，可減小黏附功，也提高了洗油效率。

1.3 改變?cè)偷牧髯冃詸C(jī)理

具有非牛頓流體性質(zhì)的原油，其黏度隨剪切應(yīng)力而變化，這部分原油大部分含有膠質(zhì)、瀝青質(zhì)、石蠟等。進(jìn)行表面活性劑驅(qū)時(shí)，部分表面活性劑溶入油中，吸附在瀝青質(zhì)點(diǎn)上，增強(qiáng)其溶劑化外殼的牢固性，減弱瀝青質(zhì)點(diǎn)間的相互作用，削弱原油中大分子的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而降低原油的極限動(dòng)剪切應(yīng)力，提高采收率[7-8]。

1.4 乳化機(jī)理

表面活性劑體系對(duì)原油具有較強(qiáng)的乳化能力，在水油兩相流動(dòng)剪切的條件下，能迅速將巖石表面的原油分散、剝離，形成水包油型（O/W）乳狀液，從而改善油水兩相的流度比，提高波及系數(shù)[9]。

1.5 聚并形成油帶機(jī)理

若從地層表面洗下來的油越來越多，則它們?cè)谙蚯耙苿?dòng)時(shí)可發(fā)生相互碰撞。當(dāng)碰撞的能量克服它們之間的靜電斥力時(shí)，就可聚并。油的聚并可形成油帶。油帶在向前移動(dòng)時(shí)，又不斷遇到分散的油聚并進(jìn)來，使油帶不斷擴(kuò)大，最后從油井采出。

1.6 提高表面電荷密度機(jī)理

陰離子或非離子—陰離子型表面活性劑驅(qū)油時(shí)，表面活性劑在油滴和巖石表面上吸附，提高了油滴和巖石表面的電荷密度，增加了油滴與巖石表面間的靜電斥力，從而使油滴易被驅(qū)替介質(zhì)驅(qū)替，洗油效率提高[9]。

2 實(shí)驗(yàn)藥劑和儀器

XZD-3型全量程界面張力儀，接觸角測(cè)定儀，巖心流動(dòng)裝置。

表面活性劑ZJ2-2，活性物含量大于45%；實(shí)驗(yàn)用油為長6油藏SP2井區(qū)原油，密度0.858 g/cm3，黏度7.75 mPa·s（50℃）；實(shí)驗(yàn)用水為長6油藏SP2井區(qū)地層水，pH為6，密度為1.087 g/cm3，水型為CaCl2型，離子組成見表1。

3 表面活性劑制備

將皂角原料置入封閉反應(yīng)器內(nèi)，加熱使反應(yīng)器內(nèi)的壓力升0.2～1.2 MPa后停止加熱。用水作溶劑將加熱處理之后的皂角進(jìn)行浸提，從浸提液中提取皂角素，皂角素的提取率為45%～90%。然后在皂角素中加入滲透劑和乳化劑等添加劑，即可得到表面活性劑（ZJ2-2），外觀為棕黃色透明液體，密度1.0～1.1 g/cm3，pH 6.0～9.0。

表1 實(shí)驗(yàn)用水離子組成Table 1 Ion composition of laboratory used water

4 表面活性劑性能評(píng)價(jià)

4.1 配伍性能評(píng)價(jià)

將ZJ2-2與地層水按不同比例配制成不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的表面活性劑溶液，觀察溶液狀態(tài)，評(píng)價(jià)ZJ2-2與地層水的配伍性。評(píng)價(jià)結(jié)果表明（表2）：表面活性劑ZJ2-2與地層水具有良好的配伍性，在評(píng)價(jià)質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍（5%）之內(nèi)，表面活性劑對(duì)地層水流動(dòng)性能不會(huì)產(chǎn)生影響。

4.2 巖心傷害性能評(píng)價(jià)

實(shí)驗(yàn)中用巖心流動(dòng)裝置測(cè)試SP2井區(qū)巖心在水驅(qū)和注入ZJ2-2后水驅(qū)壓力變化和滲透率變化，進(jìn)而評(píng)價(jià)表面活性劑對(duì)巖心的傷害性能。實(shí)驗(yàn)中所用表面活性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7‰，注入量為1PV，測(cè)試結(jié)果（表3）表明：注入7‰表面活性劑溶液前后，巖心驅(qū)替壓差和滲透率幾乎不變，說明藥劑的注入不會(huì)堵塞巖心孔隙，在注入過程中不會(huì)對(duì)巖心造成傷害。

表2 ZJ2-2與地層水配伍性測(cè)試結(jié)果Table 2 Compatibility test results of ZJ2-2 and formation water

表3 ZJ2-2對(duì)SP2井區(qū)巖心傷害性測(cè)試結(jié)果Table 3 Core hurtful test results of SP2 well field caused by ZJ2-2

4.3 界面張力評(píng)價(jià)

圖1 表面活性劑水溶液與原油界面張力曲線（65℃）Fig.1 Tension curves of surface acting agent water solution and oil interface(65℃)

在65℃下，用XZD-3型界面張力儀測(cè)定不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的表面活性劑溶液與原油之間的界面張力（圖1）。從圖1可以看出：ZJ2-2具有較好的界面活性，能有效降低油水間界面張力；隨著表面活性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，界面張力降低；在質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.3%時(shí)，下降幅度較快，之后趨于平緩；在質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.5%時(shí)，能與實(shí)驗(yàn)油樣達(dá)到10-3mN/m超低界面張力。超低界面張力可以有效降低原油與巖石表面的黏附功，增強(qiáng)原油的流動(dòng)能力，提高洗油效率[10-11]。

4.4 改變巖石表面潤濕性能評(píng)價(jià)

為考察ZJ2-2型表面活性劑改變巖石表面潤濕性的能力，采用接觸角測(cè)定儀測(cè)量不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)溶液與載波片（預(yù)處理為親油表面）的水相接觸角，結(jié)果（表4）可見：隨著ZJ2-2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，水相接觸角逐漸減小，表明表面的親油性逐漸降低，而親水性逐漸增強(qiáng)，這樣可以降低原油與巖石表面的黏附功，有效增強(qiáng)原油的流動(dòng)能力，提高洗油效率[12-13]。

表4 不同質(zhì)量質(zhì)量分?jǐn)?shù)ZJ2-2溶液與載波片的接觸角Table 4 Contact angles of different mass fraction ZJ2-2 liquor and glass slide

4.5 驅(qū)油效率評(píng)價(jià)

為了評(píng)價(jià)ZJ2-2表面活性劑的驅(qū)油效果，用巖心流動(dòng)實(shí)驗(yàn)考察該高能表面活性劑對(duì)長6油藏原油的驅(qū)油效果。實(shí)驗(yàn)采用SP2井區(qū)巖心，實(shí)驗(yàn)溫度為45℃，巖心長度5 cm，直徑2.51 cm，孔隙度14.84%，滲透率2.16×10-3μm2。實(shí)驗(yàn)主要步驟為：①測(cè)定巖心孔隙度和滲透率；②巖心飽和油；③以0.10 mL/min流速用地層水驅(qū)替至含水率達(dá)到98%；④以0.10 mL/min流速注0.3PV一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的表面活性劑溶液；⑤以0.10 mL/min流速用地層水驅(qū)替至含水率再次達(dá)到98%，計(jì)算水驅(qū)采收率和最終原油采收率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果（表5）表明：ZJ2-2表面活性劑體系注入巖心后，得到明顯的增油效果。ZJ2-2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%、0.3%、0.5%、0.7%和1%時(shí)，能在水驅(qū)的基礎(chǔ)上分別提高采收率5.84%、8.21%、10.88%、12.21%和12.28%。

表5 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)表面活性劑驅(qū)油效率結(jié)果Table 5 Oil displacement efficiencies of surface acting agent of different mass fractions

5 現(xiàn)場(chǎng)先導(dǎo)試驗(yàn)

選擇紅河油田長6油藏SP2井區(qū)ST1-3井組進(jìn)行表面活性劑驅(qū)先導(dǎo)試驗(yàn)。ST1-3井組油層連通性較好，注采層位為長62油層，井組共有注水井一口，采油井6口。ST1-3井于2005年7月7日投注，注水層位為長6，初期注水泵壓19 MPa、注水油壓11 MPa、配注量30m3/d；截止2012年7月29日該井組累計(jì)注水46 635.4m3，井組累產(chǎn)液25 242.26t，累積注采比1.63。試驗(yàn)前開油井2口，正常日產(chǎn)油水平0.35t，其余4口井均水淹關(guān)井，平面上井距最大的SP7-3井在ST1-3井開注40天后投產(chǎn)即水淹，而井距最小的SK1-1井則無明顯見效反應(yīng)，說明該井組平面上非均質(zhì)性強(qiáng)、注入水方向性明顯、波及面積小、注水效果不理想。

2012年10月，現(xiàn)場(chǎng)采用一次性段塞注入方式加注藥劑，試驗(yàn)井組注入藥劑稀釋液量按0.3PV計(jì)算。注完高效驅(qū)油劑后，繼續(xù)按正常配注量注清水。依據(jù)不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下驅(qū)油劑驅(qū)油能力實(shí)驗(yàn)結(jié)果，ZJ2-2驅(qū)油劑稀釋質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.7%時(shí)，其驅(qū)油效率最佳；考慮到地層巖石對(duì)藥劑的吸附性，附加吸附藥量30%，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)ZJ2-2驅(qū)油劑稀釋質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%。

5.1 注水指示曲線測(cè)試

試驗(yàn)期間定期對(duì)注入井注水指示曲線進(jìn)行監(jiān)測(cè)（圖2）。從測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出：注入表面活性劑后，同等排量下，注入壓力明顯降低。由指示曲線可知：第一段和第二段吸水指數(shù)分別由試驗(yàn)前的10.2m3/（d·MPa）和21.6m3/（d·MPa），增大至5個(gè)月后的25.3m3/（d·MPa）和48.4m3/（d·MPa），這表明注入表面活性劑后，注入壓力降低，吸水指數(shù)增大，油層吸水能力增強(qiáng)。

圖2 注入井注水指示曲線Fig 2 Water injection instruction curves of injection well

5.2 實(shí)施效果

施工之后定期對(duì)生產(chǎn)井進(jìn)行監(jiān)測(cè)（圖3），監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：試驗(yàn)井組的產(chǎn)液量和產(chǎn)油量明顯升高，截止2013年5月，井組累計(jì)增油130t，其中SK1-1井和SP6-2井受效明顯，分別增油36t和51t。其中，生產(chǎn)井SK1-1井動(dòng)液面由2012年10月的1 944m升高至2013年3月的673m，受效明顯，表明地層能量得到有效的補(bǔ)充。截止目前表面活性劑驅(qū)仍然有效。

圖3 井組試驗(yàn)前后生產(chǎn)曲線Fig.3 Production curves before and after well group testing

6 結(jié)論

1）用皂角原料制得的表面活性劑ZJ2-2與地層水配伍性好，對(duì)巖心傷害小，同時(shí)具有良好的降低界面張力性能和改變巖石表面潤濕性能，能大幅度提高驅(qū)油效率。

2）礦場(chǎng)試驗(yàn)表明：ZJ2-2表面活性劑能有效降低注入壓力，提高注入井的吸水能力，有效補(bǔ)充地層能量。

3）紅河油田長6油藏SP2井組SK1-3井組采用表面活性劑驅(qū)，取得了較好的降水增油效果，截止2013年5月，井組累計(jì)增油130t。

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