低滲透粘彈性表面活性劑的研制和評(píng)價(jià)

田茂章，宋新民，馬德勝，張群，周朝暉，蔡紅巖，張帆，宣英龍

(中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院 提高石油采收率國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

我國(guó)低滲透油藏儲(chǔ)量豐富，是未來(lái)油田開(kāi)發(fā)的主戰(zhàn)場(chǎng)。目前，注水開(kāi)發(fā)是低滲透開(kāi)發(fā)的主要方式，但是水驅(qū)突破快，無(wú)效水循環(huán)嚴(yán)重［1］。如何有效補(bǔ)充能量，減少水突破是改善低滲透油藏開(kāi)發(fā)面臨的問(wèn)題之一。

化學(xué)驅(qū)是目前我國(guó)中高滲油藏三次采油提高采收率的主要方法［2-5］。大慶、勝利等油區(qū)已經(jīng)先后開(kāi)展了聚驅(qū)、三元復(fù)合驅(qū)以及二元驅(qū)礦場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，效果顯著。礦場(chǎng)實(shí)驗(yàn)表明，驅(qū)油劑的粘度和界面張力是影響采收率的主要因素。在低滲透油藏中，水突破的問(wèn)題變得更加嚴(yán)重，如何封堵優(yōu)勢(shì)通道，減少水突破變得尤為重要。高粘復(fù)合驅(qū)體系，但是由于分子量大，高分高粘聚合物的注入必然會(huì)引起低滲透基質(zhì)的堵塞，無(wú)法起到深度調(diào)剖的作用［6］。而表面活性劑體系由于粘度低，竄流嚴(yán)重，因此不能有效地提高原油采收率。因此，低滲透油藏亟需一種能夠擴(kuò)大波及體積，并且能夠降低界面張力，同時(shí)能夠注入到低滲透基質(zhì)而不損害油層滲透率的新的化學(xué)劑。

蠕蟲(chóng)狀膠束是表面活性劑球形膠束在一維方向上生長(zhǎng)形成的棒狀或者線狀聚集體［7-9］。它具有類(lèi)似于聚合物的流變性能，但是同聚合物有著明顯的不同。聚合物是通過(guò)共價(jià)鍵形成的，因此剪切破壞后結(jié)構(gòu)不能恢復(fù)。而蠕蟲(chóng)狀膠束網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)是表面活性劑通過(guò)靜電作用、疏水作用、氫鍵等分子間作用力形成的。這些網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)在剪切作用破壞后，能夠通過(guò)分子間作用恢復(fù)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，因此又被稱(chēng)作活的聚合物。由于它的流變性能，蠕蟲(chóng)狀膠束引起了研究人員的廣泛關(guān)注［6-28］。Kaler 課題組［11］通過(guò)將油酸鈉(NaOA)和八烷基三甲基溴化銨(OTAB)復(fù)配得到了蠕蟲(chóng)狀膠束，并通過(guò)改變復(fù)配體系的混合比例得到了不同形貌的蠕蟲(chóng)狀膠束。Koshy 等［12］報(bào)道了兩種長(zhǎng)鏈陰陽(yáng)離子表面活性劑三甲基十六烷基溴化銨(CTAB)和油酸鈉(NaOl)復(fù)配體系在水溶液中構(gòu)筑粘彈性蠕蟲(chóng)狀膠束，并通過(guò)流變和中子散射研究了聚集體轉(zhuǎn)變過(guò)程。同樣研究在其他復(fù)配體系中［10-12］也發(fā)現(xiàn)了具有高粘度的蠕蟲(chóng)狀膠束溶液。在離子型表面活性劑溶液中加入鹽［13-20］也是形成蠕蟲(chóng)狀膠束的有效方法。Missel 等［19-20］發(fā)現(xiàn)當(dāng)在烷基硫酸鹽中加入NaCl 時(shí)會(huì)引起球形膠束向棒狀膠束轉(zhuǎn)變。Davies 等［18］研究在十六烷基三甲基溴化銨中加入5-甲基水楊酸形成的蠕蟲(chóng)狀膠束時(shí)發(fā)現(xiàn)，5-甲基水楊酸作為反離子插入到CTAB 膠束的柵欄層中，屏蔽了CTAB 頭基間的靜電排斥作用，導(dǎo)致球形膠束向蠕蟲(chóng)狀膠束的轉(zhuǎn)變。研究人員發(fā)現(xiàn)通過(guò)在表面活性劑中引入酰胺鍵和長(zhǎng)的疏水鏈構(gòu)筑了一系列具有高粘度的單一表面活性劑體系［21-22］。此外Zana 課題組［26-28］發(fā)現(xiàn)具有較短鏈接基團(tuán)的Gemini表面活性劑和寡聚表面活性劑也能夠促進(jìn)蠕蟲(chóng)狀膠束的形成。

本文研制了一種新的粘彈性表面活性劑體系。該表面活性劑復(fù)配體系具有高的粘度，和低界面張力的特性。巖心驅(qū)油實(shí)驗(yàn)表明該表面活性劑體系還具有良好的提高采收率的效果。使我們對(duì)粘彈性表面活性劑在低滲透油藏中的作用有了更深入的了解，并且為發(fā)展低滲透油藏驅(qū)油劑提供了指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

表面活性劑甜菜堿表面活性劑芥酸酰胺羧基甜菜堿、十八烷基磺基甜菜堿是課題組合成，并通過(guò)質(zhì)譜和核磁對(duì)其純度進(jìn)行了檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)用水為長(zhǎng)慶注入水+ 0.5% KCl;實(shí)驗(yàn)用油為長(zhǎng)慶原油，粘度6.5 mPa·s(50 ℃);實(shí)驗(yàn)用聚合物相對(duì)分子量為300 ～500 萬(wàn);實(shí)驗(yàn)用巖心為貝蕾巖心，巖心長(zhǎng)16.6 cm，直徑2.506 cm，滲透率3.1 mD。

RW20 型懸臂攪拌器;C.MAG 型磁力轉(zhuǎn)子攪拌器;TX-500C 界面張力儀;HAAKE 流變儀;OCAR-20型接觸角儀;Quizix 泵巖心驅(qū)替設(shè)備;DV-Ⅱ+ Pr0型旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 粘彈表活劑溶液和聚合物溶液配制 將表面活性劑按比例用長(zhǎng)慶注入水稀釋配制成0.3%的溶液，用磁力轉(zhuǎn)子攪拌器攪拌溶解，放在50 ℃恒溫箱中待用。在燒杯中用蒸餾水配制濃度為1 600 mg/L的聚合物溶液，用懸臂攪拌器攪拌4 h，放在50 ℃恒溫箱中待用。

1.2.2 界面張力測(cè)定 用旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)量不同乳化劑濃度、油水比和剪切速度下的乳液粘度，測(cè)試溫度50 ℃，剪切速率7.34 s－1。

1.2.3 剝離油膜實(shí)驗(yàn) 用接觸角儀測(cè)試粘彈性表面活性劑溶液剝離油膜的能力，記錄時(shí)間并拍攝剝離油膜的過(guò)程，測(cè)試溫度為50 ℃。

1.2.4 粘度測(cè)定 用流變儀測(cè)不同濃度下，粘彈性表面活性劑溶液的粘度隨剪切速率變化，測(cè)試溫度為50 ℃。

1.2.5 過(guò)濾性實(shí)驗(yàn) 過(guò)濾性實(shí)驗(yàn)儀器包括濾膜夾持器，溶液承壓儲(chǔ)罐，濾膜支撐盤(pán)，濾膜鑷子，量筒，以及濾膜，濾膜孔徑選擇0.4 μm 和0.2 μm。在恒定的壓力下，使聚合物或者表面活性劑溶液通過(guò)核孔膜，記錄不同時(shí)間下通過(guò)核孔膜的溶液的體積。

1.2.6 巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn) 驅(qū)油實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備主要包括Quizix 泵、手搖泵、壓力傳感器、巖心夾持器、恒溫箱、中間容器和相應(yīng)的管線等。夾持器和中間容器置于50 ℃恒溫箱內(nèi)。具體實(shí)驗(yàn)步驟如下:①在室溫條件下，將巖心抽真空，然后飽和模擬水，測(cè)算巖心的孔隙度和水相滲透率;②在50 ℃下，原油飽和巖心，測(cè)巖心的原始含油飽和度，并將巖心在烘箱內(nèi)老化2 周;③注入模擬水進(jìn)行驅(qū)替，直至出口端綜合含水率達(dá)98%，計(jì)算水驅(qū)采收率;④注入0.5 PV 粘彈性表面活性劑段塞，繼續(xù)水驅(qū)至綜合含水率達(dá)98%，計(jì)算采收率。驅(qū)替時(shí)保持溫度50 ℃，流量為0.1 mL/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 界面張力測(cè)定

界面張力是評(píng)價(jià)驅(qū)油劑效果的重要參數(shù)，降低界面張力可以有效地增加毛細(xì)管數(shù)，從而提高驅(qū)油效率［29-31］。對(duì)粘彈表面活性劑體系的界面活性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。圖1 是在0.01% ～0.5%范圍內(nèi)粘彈性表面活性劑體系動(dòng)態(tài)界面張力曲線。在此濃度范圍內(nèi)，該表面活性劑體系的界面張力曲線表現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)——先上升后下降。開(kāi)始時(shí)界面張力迅速下降，然后隨著時(shí)間延長(zhǎng)界面張力開(kāi)始緩慢升高，最后達(dá)到一個(gè)平衡值。該體系的界面張力值在最低時(shí)能夠達(dá)到10－3mN/m 數(shù)量級(jí)，尤其是濃度＜0.1%時(shí)，其最低值＜10－4mN/m。因此該表面活性劑體系具有較好的提高驅(qū)油效率的能力。當(dāng)體系的界面張力達(dá)到平衡以后，界面張力介于10－2～10－1mN/m 之間，遠(yuǎn)低于原油和地層水之間的界面張力。

圖1 不同濃度下動(dòng)態(tài)界面張力曲線(50 ℃)Fig.1 The dynamic IFT of the viscoelastic surfactant systems at different concentrations

界面張力的大小是和油膜驅(qū)替速度密切相關(guān)的，降低界面張力可以有效地克服原油內(nèi)聚力，原油巖石之間的粘附力，從而提高驅(qū)油效率。通過(guò)剝離油膜實(shí)驗(yàn)對(duì)該體系驅(qū)替油膜的速度進(jìn)行了測(cè)試。該體系剝離油膜的過(guò)程見(jiàn)圖2。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該粘彈性表面活性劑體系剝離油膜時(shí)間非常短，大約在12 s。

以上結(jié)果表明，該粘彈性表面活性劑體系具有良好的降低界面張力的能力，并且能夠迅速剝離油膜，因此該體系能夠有效地增加毛細(xì)管數(shù)，提高驅(qū)油效率。

圖2 0.3%的粘彈表面活性劑溶液剝離油膜的過(guò)程(50 ℃)Fig.2 The course of oil remove for the viscoelastic surfactant systems at 0.3% (50 ℃)

2.2 流變性能

通過(guò)流變儀對(duì)該粘彈性表面活性劑體系的流變性能進(jìn)行了表征。不同濃度下，粘彈性表面活性劑體系的粘度隨剪切速率變化曲線(50 ℃)見(jiàn)圖3。

圖3 不同濃度下粘度隨剪切速率變化曲線(50 ℃)Fig.3 The viscosity of the viscoelastic surfactant systems plotted against share rate at different concentrations (50 ℃)

由圖3 可知，當(dāng)溶液濃度較低時(shí)，粘度隨剪切速率變化很小。而當(dāng)濃度＞0.1%時(shí)，粘彈性表活劑溶液表現(xiàn)出明顯的非線性流體的特性。隨著剪切速率的提高溶液的粘度迅速下降。

粘彈表面活性劑獨(dú)特的非線性流體特性是由于蠕蟲(chóng)狀膠束的形成引起的。臨界膠束濃度以上，表面活性劑在水溶液中會(huì)自發(fā)形成有序聚集體。對(duì)于一般的離子型表面活性劑來(lái)說(shuō)，由于強(qiáng)的靜電排斥作用，表面活性劑頭基會(huì)離得較遠(yuǎn)，因此容易形成球形膠束。這種聚集狀態(tài)下的水溶液同純水一樣，粘度非常低，并表現(xiàn)出牛頓流體的特性。而甜菜堿表面活性劑則有著明顯的不同。這種甜菜堿表面活性劑的兩性頭基之間會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)的靜電吸引作用，從而降低表面活性劑頭基間的距離，導(dǎo)致聚集體結(jié)構(gòu)從球形膠束向蠕蟲(chóng)狀膠束的轉(zhuǎn)變。因此該表面活性劑體系具有類(lèi)似聚合物溶液的流變性能。

通過(guò)粘度隨剪切速率變化曲線得到了零剪切粘度。零剪切粘度隨濃度變化曲線見(jiàn)圖4。

圖4 粘彈表活劑零剪切粘度隨濃度變化曲線(50 ℃)Fig.4 The zero shear viscosity of the viscoelastic surfactant systems plotted against total concentrations

由圖4 可知，在低濃度條件下，溶液的粘度隨濃度變化很小，并且接近于水的粘度。而當(dāng)濃度＞0.1%時(shí)，溶液的粘度開(kāi)始隨濃度的增加而迅速升高。這說(shuō)明在這個(gè)濃度以上線狀的蠕蟲(chóng)狀膠束發(fā)生相互纏結(jié)，從而引起粘度升高。

以上結(jié)果表明，該粘彈性表面活性劑體系能夠在水溶液中自發(fā)形成相互纏結(jié)的蠕蟲(chóng)狀膠束，從而改善驅(qū)油體系的流變性能。

2.3 過(guò)濾性實(shí)驗(yàn)

在低滲透油藏中，注入性是評(píng)價(jià)化學(xué)驅(qū)油劑一個(gè)重要參數(shù)。高分子聚合物之所以在低滲透油藏中的應(yīng)用受到限制是由于它能夠堵塞孔喉。而過(guò)濾性實(shí)驗(yàn)是判斷化學(xué)劑注入性?xún)?yōu)劣非常有效的方法。

比較了相同粘度下表面活性劑溶液和聚合物溶液通過(guò)濾膜的能力。并由此得到了時(shí)間對(duì)通過(guò)核孔膜的濾液體積變化曲線，見(jiàn)圖5。

圖5 相同粘度的聚合物和粘彈表面活性劑過(guò)濾性對(duì)比Fig.5 Filtering ability of viscoelastic surfactant systems compared to polymer solutions

由圖5 可知，對(duì)于孔徑為0.2 μm 或者0.4 μm的濾膜，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)濾膜膜的體積幾乎為0，因此聚合物的注入會(huì)引起核孔膜堵塞。而對(duì)于粘彈性表面活性劑來(lái)說(shuō)，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)孔徑為0.2 μm或者0.4 μm 的濾膜的體積是基本不變的。因此，粘彈性表面活性劑的注入不會(huì)引起濾膜的堵塞。

以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，同聚合物溶液相比，粘彈性表面活性劑體系具有良好的注入性。

2.4 驅(qū)油實(shí)驗(yàn)

為了評(píng)價(jià)粘彈性表面活性劑體系的驅(qū)油效果，設(shè)計(jì)了驅(qū)油實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了評(píng)價(jià)。首先對(duì)巖心進(jìn)行抽真空，飽和水，飽和油處理，并在此過(guò)程中對(duì)巖心的基本參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。測(cè)得的巖心的孔隙度為16.87%，滲透率為5.3 mD。然后依次進(jìn)行水驅(qū)、化學(xué)驅(qū)以及后水驅(qū)。此過(guò)程中原油采收率、含水率及注入壓力變化曲線，見(jiàn)圖6。

圖6 采收率、含水及壓力變化曲線Fig.6 Production performance of surfactant flooding

由圖6 可知，開(kāi)始注水時(shí)注入壓力迅速升高，達(dá)到最高點(diǎn)后，注入壓力開(kāi)始下降，并達(dá)到平衡值。壓力出現(xiàn)最高點(diǎn)是由于低滲透油藏啟動(dòng)壓力高引起的，巖心滲透率越低，啟動(dòng)壓力越高。此過(guò)程中，水驅(qū)突破后含水迅速上升，并達(dá)到98%，水驅(qū)采收率31.8%。然后注入0.5PV 粘彈性表面活性劑段塞(無(wú)堿和聚合物)。粘彈表活劑開(kāi)始注入后，注入壓力迅速升高，當(dāng)注入量達(dá)到0.3PV 時(shí)，含水開(kāi)始下降，產(chǎn)油量增加。壓力的升高說(shuō)明，粘彈性表面活性劑能夠有效地封堵優(yōu)勢(shì)孔道，使驅(qū)油劑有效地波及體積。當(dāng)注入量達(dá)到0.5PV 時(shí)，停止注入粘彈表面活性劑，并進(jìn)行后水驅(qū)。后水驅(qū)過(guò)程中，原油含水繼續(xù)下降，同時(shí)采收率提高。壓力有所下降，達(dá)到5.5 MPa后基本不再發(fā)生改變。最終采收率達(dá)到40.1%，在水驅(qū)基礎(chǔ)上提高了8.3%。

驅(qū)替實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 驅(qū)替實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 Results of the displacing experiments

3 結(jié)論

(1)研制出粘彈性表面活性劑體系，并進(jìn)行了低滲透適應(yīng)性研究。

(2)粘彈性表活劑體系兼具良好的界面性能和流變性能，0.3%時(shí)油水界面張力降低到10－2mN/m數(shù)量級(jí)，粘度達(dá)到10 mPa·s 以上。

(3)粘彈性表活劑體系同聚合物相比表現(xiàn)出良好的注入性。粘彈性表面活性劑能夠容易通過(guò)孔徑為0.2 μm 或者0.4 μm 的濾膜，而聚合物則會(huì)堵塞濾膜。

(4)粘彈性表活劑體系，兼具聚合物擴(kuò)大波及體積和表面活性劑降低界面張力的性能，同時(shí)具有良好的注入性，在水驅(qū)基礎(chǔ)上提高收率8%左右。

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