高濃度三元復(fù)合體系性能評(píng)價(jià)及機(jī)理分析＊

牛麗偉 盧祥國(guó) 李建冰 楊 敏 胡 勇 胡淑瓊 苑勝旺

（1．東北石油大學(xué) 提高油氣采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

2．中國(guó)石油大慶油田有限責(zé)任公司第八采油廠）

（3．中國(guó)石油塔里木油田勘探開發(fā)研究院

4．中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院）

三元復(fù)合驅(qū)是一種非常重要的化學(xué)驅(qū)強(qiáng)化采油技術(shù)，以三種驅(qū)替劑的協(xié)同效應(yīng)為基礎(chǔ)，發(fā)揮了驅(qū)油劑的洗油能力和擴(kuò)大波及體積能力，比水驅(qū)采收率提高20%以上［1－2］。三元復(fù)合驅(qū)實(shí)質(zhì)是用廉價(jià)堿部分或全部代替價(jià)格昂貴的表面活性劑，從而減少表面活性劑用量以及表面活性劑和聚合物的損耗量［3－4］。此外，堿與原油中的有機(jī)酸反應(yīng)生成石油酸皂，可增加活性物質(zhì)含量，進(jìn)一步提高驅(qū)油效率［5］。

近年來(lái)，大慶油田開展了高聚合物濃度三元復(fù)合驅(qū)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，取得了較好的增油降水效果。為了深入了解高濃度三元復(fù)合驅(qū)提高采收率機(jī)理，進(jìn)一步提高驅(qū)油效率，本實(shí)驗(yàn)開展了三元復(fù)合體系黏度、界面張力、靜吸附特性、流變性和流動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)研究，并分析了有關(guān)作用機(jī)理，為三元復(fù)合驅(qū)油技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提供了決策依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1．1 實(shí)驗(yàn)材料

化學(xué)藥劑均為大慶煉化公司生產(chǎn)，聚合物為部分水解聚丙烯酰胺干粉（HPA M），相對(duì)分子質(zhì)量2 500×104，固含量為88%（w）；表面活性劑為重烷基苯石油磺酸鹽，有效含量50%（w）；堿為Na OH濃溶液，質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%。

實(shí)驗(yàn)用水為大慶油田采油六廠注入污水，總礦化度4 000 mg／L。流動(dòng)性實(shí)驗(yàn)巖心為石英砂環(huán)氧樹脂膠結(jié)人造均質(zhì)柱狀巖心［6］，幾何尺寸為φ2．5 c m×10 c m。

1．2 實(shí)驗(yàn)儀器

采用LVDV－Ⅱ＋PRO布氏黏度計(jì)測(cè)量黏度，采用STX－500 H型界面張力儀測(cè)量界面張力，采用722型光柵分光光度計(jì)測(cè)量吸光值，采用HAAKE RS－150流變儀測(cè)量流變性和黏彈性。巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)裝置主要包括平流泵、壓力傳感器、巖心夾持器、手搖泵和中間容器等。

1．3 實(shí)驗(yàn)溫度

油藏溫度45℃。

2 結(jié)果與討論

2．1 黏度及其影響因素

2．1．1 堿濃度的影響

堿濃度對(duì)三元復(fù)合體系黏度的影響見表1。

表1 三元復(fù)合體系在不同堿濃度下的黏度數(shù)據(jù)Table 1 Experimental viscosity data of ASP system with different alkali concentration

從表1可知，在聚合物和表面活性劑濃度不變情況下，堿濃度愈大，三元復(fù)合體系黏度愈小。這是因?yàn)閴A濃度增加可以抑制聚丙烯酰胺羧鈉基的電離，導(dǎo)致聚丙烯酰胺分子長(zhǎng)鏈上羧基陰離子之間的斥力減弱，分子線團(tuán)收縮，視黏度下降［7］。

2．1．2 表面活性劑濃度的影響

表面活性劑濃度對(duì)三元復(fù)合體系黏度影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

從表2可知，隨表面活劑濃度升高，體系黏度呈現(xiàn)先下降后升高的變化趨勢(shì)，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0．1%時(shí) ，體系黏度最小。這是因?yàn)?，?dāng)w（S）小于0．1%時(shí)，重烷基苯石油磺酸鹽主要起到電解質(zhì)的作用，壓縮聚合物分子線團(tuán)雙電層，使體系黏度下降；當(dāng)w（S）大于0．1%時(shí)，體系中膠束增多，膠束與HPA M分子形成聚合物－表面活性劑絡(luò)合物，使體系黏度增加［8］。

表2 三元復(fù)合體系在不同表面活性劑濃度下的黏度數(shù)據(jù)Table 2 Experi mental viscosity data of ASP system with different surface concentration

2．2 界面張力及其影響因素

堿、表面活性劑和聚合物濃度對(duì)三元復(fù)合體系界面張力影響見圖1。

從圖1可以看出，在實(shí)驗(yàn)濃度范圍內(nèi)，隨堿和表面活性劑濃度升高，體系界面張力降低，并且可以達(dá)到10－3級(jí)超低界面張力。這是因?yàn)椋瑝A可以和原油中的有機(jī)酸反應(yīng)生成表面活性物質(zhì)，這種表面活性物質(zhì)與加入的表面活性劑之間產(chǎn)生協(xié)同作用使體系界面張力達(dá)到超低。同時(shí)，堿可以通過(guò)調(diào)整離子強(qiáng)度來(lái)調(diào)節(jié)表面活性劑分子在油水相的平衡分布，當(dāng)表面活性劑在油相與水相的分配比接近臨界值時(shí)，油水界面張力值最低［9］。

另外，對(duì)比圖1中（a）和（b）發(fā)現(xiàn)，在堿和表面活性劑濃度相同條件下，隨聚合物濃度升高，體系界面張力升高。這是因?yàn)?，聚合物可以吸附到油水界面上形成?fù)合界面膜［10］，使油水界面上表面活性劑的量略有降低，導(dǎo)致油水平衡界面張力略有升高。

2．3 靜吸附作用

將三元復(fù)合體系與大慶油田天然油砂按固液比為1∶3、1∶9和1∶18比例置于具塞磨口燒杯中，攪拌均勻，置于45℃恒溫水浴內(nèi)，定期進(jìn)行振蕩，48 h后取樣離心分離，取上層清液進(jìn)行濃度檢測(cè)，并按以下公式計(jì)算靜吸附量：

靜吸附量＝（吸附前化學(xué)劑量（mg）—吸附后化學(xué)劑量（mg））／油砂重量（g） （1）

實(shí)驗(yàn)中固液比定義為油砂與溶液的質(zhì)量比。聚合物濃度采用分光光度法測(cè)定，表面活性劑濃度采用兩相滴定法測(cè)定，堿濃度采用酸堿滴定法測(cè)定。

三元復(fù)合體系中各組分靜吸附量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 三元復(fù)合體系靜吸附量實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 3 Experimental data of static adsorption of ASP system

從表3可以看出，在三元復(fù)合體系中，表面活性劑靜吸附量最大，堿次之，聚合物最??；隨固液比增大，各組分靜吸附量增大。

在三元復(fù)合體系中，表面活性劑在油砂上的吸附是表面活性劑分子或其絡(luò)合物同油砂表面或臨近表面的化學(xué)物質(zhì)間相互作用的結(jié)果［11］。而堿的存在會(huì)影響表面活性劑在油砂表面的吸附量，因?yàn)閴A可在油砂表面發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)吸附，增加礦物表面的負(fù)電荷，降低表面活性劑的吸附量；同時(shí)，堿使溶液中Na＋增加，Na＋會(huì)使吸附在固－液界面的陰離子間的電性斥力減弱，排列變緊密，使表面活性劑吸附量升高。與小分子的固液吸附相比，高分子聚合物的固液吸附具有以下特點(diǎn)：①聚合物可在油砂表面發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)吸附，但由于聚合物分子線團(tuán)尺寸較大，導(dǎo)致其吸附量小于表面活性劑和堿；②高分子在油砂表面可以有許多構(gòu)型，使其達(dá)到吸附平衡的過(guò)程緩漫；③聚丙烯酰胺分子在范德華力作用下可形成多層吸附；④由于聚合物大分子在膠束和油砂粒子表面上的架橋絮凝作用，可使表面活性劑吸附損失量進(jìn)一步增大［12］。

2．4 流變性和黏彈性

2．4．1 流變性

堿和表面活性劑濃度對(duì)三元復(fù)合體系流變性影響實(shí)驗(yàn)見圖2。從圖2可知，堿和表面活性劑濃度對(duì)三元復(fù)合體系流變性存在影響，表面活性劑的影響較小。當(dāng)剪切速率較低時(shí)，在聚合物和表面活性劑濃度相同條件下，堿濃度愈大，體系視黏愈小；在聚合物和堿濃度相同條件下，w（表面活性劑）為0．3%，時(shí)體系表觀黏度最大，w（表面活性劑）為0．1%時(shí)體系表觀黏度最小。當(dāng)剪切速率較高時(shí)，各體系表觀黏度趨于一定值。

2．4．2 黏彈性

堿和表面活性劑濃度對(duì)三元復(fù)合體系黏彈性影響實(shí)驗(yàn)見圖3。

從圖3（a）可知，堿濃度對(duì)三元復(fù)合體系黏彈性存在影響。在線性黏彈區(qū)域內(nèi)，堿濃度愈低，體系黏彈性愈好。當(dāng)振蕩頻率在0．01～0．1 Hz時(shí)，除堿濃度為0的體系外，其余體系均以黏性占主導(dǎo)；當(dāng)振蕩頻率較高時(shí)（1～10 Hz），體系彈性占主導(dǎo)。從圖3（b）可知，表面活性劑濃度對(duì)三元復(fù)合體系黏彈性影響不大。隨振蕩頻率增加，幾種三元復(fù)合體系黏彈性變化規(guī)律類似，即當(dāng)振蕩頻率較小時(shí)，體系黏度占主導(dǎo)，當(dāng)振蕩頻率較大時(shí)，彈性占主導(dǎo)。

2．5 流動(dòng)特性

2．5．1 堿濃度對(duì)流動(dòng)特性的影響

除垢前后三元復(fù)合體系阻力系數(shù)（FR）和殘余阻力系數(shù)（FRR）測(cè)試結(jié)果見表4。

表4 阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)測(cè)試結(jié)果Table 4 Resistance factor and residual resistance factor

從表4可以看出，在相同巖心滲透率條件下，除垢前堿濃度愈大，三元復(fù)合體系阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)愈大；除垢后堿濃度愈大，三元復(fù)合體系阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)愈小。

通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)可以看出，除垢前后，堿濃度對(duì)三元復(fù)合體系流動(dòng)性質(zhì)影響正好相反。未除垢時(shí)，體系中存在粒徑較大的垢晶粒，垢晶粒比聚合物分子具有更強(qiáng)的抗剪切和捕集滯留能力，在多孔介質(zhì)中流動(dòng)阻力更大。而堿濃度越大，垢晶粒越多，對(duì)巖心的堵塞越嚴(yán)重。除垢后，隨著堿濃度升高，溶液中陽(yáng)離子的電荷屏蔽作用起主導(dǎo)地位，使聚合物分子線團(tuán)尺寸減小，進(jìn)而降低聚合物分子的捕集滯留特性。

2．5．2 表面活性劑濃度對(duì)流動(dòng)特性的影響

表面活性劑濃度對(duì)三元復(fù)合體系阻力系數(shù)（FR）和殘余阻力系數(shù)（FRR）影響測(cè)試結(jié)果見表5。

從表5可以看出，在相同巖心滲透率條件下，隨著表面活性劑濃度的增加，三元復(fù)合體系阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢(shì)。當(dāng)體系中無(wú)表面活性劑時(shí)，阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)最大，當(dāng)w（S）為0．1%時(shí)，其阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)最小。

表5 阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)測(cè)試結(jié)果Table 5 Test results of resistance factor and residual resistance factor

2．5．3 聚合物濃度對(duì)流動(dòng)特性的影響

聚合物濃度對(duì)三元復(fù)合體系阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)影響測(cè)試結(jié)果見表6。

表6 阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)測(cè)試結(jié)果Table 6 Test results of resistance factor and residual resistance factor

從表6可以看出，在相同巖心滲透率條件下，聚合物濃度愈大，三元復(fù)合體系阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)愈大。

2．5．4 巖心滲透率對(duì)流動(dòng)特性的影響

表7 阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)測(cè)試結(jié)果Table 7 Test results of resistance factor and residual resistance factor

巖心滲透率對(duì)三元復(fù)合體系阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)影響測(cè)試結(jié)果見表7。

從表7中可以看出，在相同條件下，巖心滲透率愈大，三元復(fù)合體系阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)愈小。

3 結(jié)論

（1） 隨堿濃度增加，三元復(fù)合體系黏度和界面張力降低；隨表面活性劑濃度增加，三元復(fù)合體系黏度先降后升，界面張力降低。

（2） 在三元復(fù)合體系中，表面活性劑靜吸附量最大，堿次之，聚合物最小。隨堿濃度增加，三元復(fù)合體系黏彈性降低；表面活性劑對(duì)三元復(fù)合體系黏彈性影響不大。

（3） 除垢后三元復(fù)合體系阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)變小。隨堿（除垢后）濃度減小、聚合物濃度增加和巖心滲透率減小，三元復(fù)合體系阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)增大；隨表面活性劑濃度增加，三元復(fù)合體系阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)先減小后增大。

［1］ 盧祥國(guó)，牛金剛．化學(xué)驅(qū)油理論與實(shí)踐［M］．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2000：114－120．

［2］ 郭萬(wàn)奎，程杰成，廖廣志．大慶油田三次采油技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向［J］．大慶石油地質(zhì)與開發(fā)，2002，21（3）：1－6．

［3］ 閆義田，王克亮，王娟，等．復(fù)配表面活性劑對(duì)三元復(fù)合體系界面張力影響研究［J］．石油與天然氣化工，2006，35（3）：224－228．

［4］ 何代平，林培滋，丁云杰，等．ASP驅(qū)油過(guò)程中蒙脫石的堿溶規(guī)律研究［J］．石油與天然氣化工，2001，30（3）：135－137．

［5］ 康萬(wàn)利，單秀華，李媛，等．三元復(fù)合驅(qū)污水動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性機(jī)理研究［J］．石油與天然氣化工，2011，4（6）：628－631．

［6］ 盧祥國(guó)，高振環(huán)．人造巖心制作及其影響因素實(shí)驗(yàn)研究［J］．大慶石油地質(zhì)與開發(fā)，1994，13（4）：53－55．

［7］ 康萬(wàn)利，孟令偉，牛井崗，等．礦化度影響HPA M溶液黏度機(jī)理［J］．高分子材料科學(xué)與工程，2006，22（5）：176－177．

［8］ 王曉燕，盧祥國(guó)，姜維東．正負(fù)離子和表面活性劑對(duì)水解聚丙烯酰胺分子線團(tuán)尺寸的影響及其作用機(jī)理［J］．高分子學(xué)報(bào)，2009（12）：1260－1265．

［9］ 張路，羅瀾，趙濉，等．油相性質(zhì)對(duì)水相中混合表面活性劑協(xié)同效應(yīng)的影響［J］．油田化學(xué)，2000，17（3）：268－271．

［10］ Joseph D Mclean，Peter K Kilpatrick．Effects of asphaltene aggregation in model heptane－toluene mixtures on stablility of water－in－0il e mulsions［J］．Jour nal of Colloid and Interface Science，1997（196）：23－34．

［11］ 段文猛．ASP三元復(fù)合驅(qū)中各驅(qū)油劑的吸附滯留研究［D］．成都：西南石油學(xué)院，2002．

［12］ 李道山．三元復(fù)合驅(qū)表面活性劑吸附及堿的作用機(jī)理研究［D］．大慶：大慶石油學(xué)院，2002．