高溫高鹽油藏甜菜堿型表面活性劑TCJ-5的性能及應(yīng)用

趙國柱， 金仁高， 李圣濤， 陳 亮， 李興文， 解遼博

( 1. 遼河油田分公司 遼興油氣開發(fā)公司，遼寧 盤錦 124010; 2. 中國石油集團測井有限公司 生產(chǎn)測井中心，陜西 西安 710000; 3. 長慶油田分公司 油田開發(fā)處，陜西 西安 710000; 4. 中國石油集團測井有限公司 長慶事業(yè)部，陜西 西安 710000 )

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高溫高鹽油藏甜菜堿型表面活性劑TCJ-5的性能及應(yīng)用

趙國柱1， 金仁高2， 李圣濤2， 陳 亮3， 李興文4， 解遼博4

( 1. 遼河油田分公司 遼興油氣開發(fā)公司，遼寧 盤錦 124010; 2. 中國石油集團測井有限公司 生產(chǎn)測井中心，陜西 西安 710000; 3. 長慶油田分公司 油田開發(fā)處，陜西 西安 710000; 4. 中國石油集團測井有限公司 長慶事業(yè)部，陜西 西安 710000 )

針對傳統(tǒng)表面活性劑在高溫高鹽油藏中適應(yīng)性差的問題,研制一種耐溫耐鹽的甜菜堿型表面活性劑TCJ-5.利用表面張力儀和界面張力儀研究TCJ-5的界面特性、穩(wěn)定性、吸附性，借助巖心流動實驗評價它在高溫高鹽油藏中的驅(qū)油效率.結(jié)果表明：甜菜堿型表面活性劑TCJ-5溶液具有很高的表面活性，在質(zhì)量分數(shù)為0.03%～0.05%的范圍內(nèi)油水之間的界面性能良好，在30～90 ℃的溫度范圍內(nèi)，油水之間的界面張力能達到10-3mN/m數(shù)量級的超低界面張力；在模擬油藏條件下，體系的耐鹽能力能達到10×104mg/L，在油藏溫度90 ℃下100 d內(nèi)穩(wěn)定性良好；在高溫高鹽油藏條件下，表面活性劑體系可在水驅(qū)基礎(chǔ)上提高采收率幅度平均達21.37%.該驅(qū)油體系在高溫高鹽油藏中增油控水效果明顯，具有廣泛的應(yīng)用前景.

甜菜堿； 高溫高鹽油藏； 界面特性； 吸附性； 穩(wěn)定性

近年來，我國東部大部分油田已進入三次采油階段，表面活性劑具有降低油水界面張力強、可啟動孔隙中的殘余油的優(yōu)點，在油田被廣泛應(yīng)用[1].目前，應(yīng)用最廣的是陰離子型和非離子型表面活性劑，特別是以鈉鹽為主的陰離子表面活性劑已成為三次采油最主要的表面活性劑[2-3].隨著原油消耗量的不斷增加，常規(guī)油藏開發(fā)已不能滿足人們?nèi)找嬖鲩L的石油需求，以高溫高鹽、低滲、非均質(zhì)嚴重的二、三類油藏已成為開發(fā)的重點，特別是高溫高鹽油藏開發(fā)成為關(guān)鍵，油田對表面活性劑的要求也日益增高.目前，常用的陰離子表面活性劑耐鹽性差，非離子表面活性劑耐溫性較差，難以滿足高溫高鹽油藏開發(fā)的需要[4]；因此，研發(fā)具有良好耐溫、耐鹽性能的表面活性劑是高溫高鹽油藏化學驅(qū)驅(qū)油的必經(jīng)之路[5-6].

兩性表面活性劑由于在水中可電離出兩性離子，對地層水中的金屬離子具有螯合作用，抗鹽能力強，可作為高溫高鹽油藏驅(qū)油用表面活性劑[7-8].甜菜堿類耐溫耐鹽表面活性劑作為一種兩性表面活性劑，以良好的界面、乳化和增溶性能成為研究對象[9-11].甜菜堿表面活性劑性能全面，除具有傳統(tǒng)表面活性劑優(yōu)點外，還具有很好的耐溫耐鹽性能，表現(xiàn)出良好的驅(qū)油能力[12].目前，對于適用于高溫高鹽油藏的驅(qū)油用表面活性劑的報道較少，也不全面，且常見甜菜堿表面活性劑具有羥基或磺基[13-14]，同時,具有羥基和磺基的甜菜堿表面活性劑較少[15].筆者針對高溫高鹽的油藏條件，合成一種油田驅(qū)油用新型的羥磺基類甜菜堿表面活性劑TJ-5，并評價其耐溫耐鹽性及穩(wěn)定性，借助巖心流動實驗，評價TJ-5在油田提高采收率方面的潛力.

1 實驗

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料

十二烷基苯，分析純，百靈威試劑有限公司生產(chǎn)；1,4-二氯丁烷，分析純，上海晶純生化科技股份有限公司生產(chǎn)；二甲胺，分析純，上海晶純生化科技股份有限公司生產(chǎn)；催化劑CH-2，實驗室自制；2-羥基-3-氯丙基磺酸鈉，實驗室自制；氯化鈉，分析純，國藥集團化學試劑有限公司生產(chǎn)；氫氧化鈉，分析純，國藥集團化學試劑有限公司生產(chǎn)；二次蒸餾水，實驗室自制.

實驗用地層水為遼河油田某油區(qū)地層水，礦化度為68 460 mg/L，鈣鎂離子質(zhì)量濃度為945 mg/L，水型為CaCl2型，pH值為6.8；實驗用油為遼河油田某油區(qū)原油與柴油按體積比為5∶1配制而成，在90 ℃溫度下平均地面原油黏度為19.2 mPa·s.

實驗用巖心為方形巖心.

1.1.2 儀器

TX-500C全量程旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀，美國CNG公司生產(chǎn)；DCAT41接觸角/表面張力測定儀，德國DataPhysics公司生產(chǎn)；EQUINOX-55傅里葉紅外光譜儀，德國Bruke公司生產(chǎn)；高溫高壓化學驅(qū)多功能動態(tài)模擬系統(tǒng)，南通華興石油儀器有限公司生產(chǎn)；BH-1型巖心抽空加壓飽和裝置，海安石油科研儀器有限公司生產(chǎn)；AB204-S電子天平，上海帥寧儀器有限公司生產(chǎn)；DC-2010節(jié)能型智能恒溫槽，上海恒平儀器儀表廠生產(chǎn)；NDJ-5S旋轉(zhuǎn)黏度計，上海羽通儀器儀表廠生產(chǎn)；DF-1型集熱式磁力攪拌器，常州市凱航儀器有限公司生產(chǎn)；恒溫振蕩水浴，常州浦光物理化學儀器有限公司生產(chǎn).

1.2 實驗方法

1.2.1 表面活性劑TJ-5的合成

稱取一定量的1,4-二氯丁烷和十二烷基苯置于裝有攪拌器、冷凝管和溫度計的四口燒瓶中，再滴入適量的催化劑CH-2，在N2的保護下，升溫至一定溫度后，恒溫反應(yīng)3 h，結(jié)束反應(yīng)，得到中間體對十二烷基苯基丁基氯；向中間體中加入二甲胺及氫氧化鈉溶液，在N2的保護下，升溫至120 ℃左右，反應(yīng)5 h，得到叔胺，再向其中加入實驗室自制的溶有2-羥基-3-氯丙基磺酸鈉的無水乙醇，反應(yīng)完全后，待溫度降至室溫后過濾，將生成物中的無機鹽除去，用石油醚萃取未反應(yīng)的胺，然后蒸餾去除水和乙醇.將殘留物烘干、洗滌、重結(jié)晶即可得到羥磺基類甜菜堿表面活性劑TJ-5.

1.2.2 紅外光譜分析

將合成的表面活性劑TJ-5烘干粉碎后用溴化鉀壓片法制備出待測樣品，利用EQUINOX-55型紅外光譜儀表征其分子結(jié)構(gòu)，波數(shù)為4 000～400 cm-1，分辨率為0.01 cm-1.

1.2.3 界面特性

(1)表面活性.在常溫下，利用DCAT41接觸角/表面張力測定儀測定不同質(zhì)量分數(shù)的甜菜堿表面活性劑TJ-5的表面張力.

(2)動態(tài)界面張力.在30 ℃溫度條件下，利用TX-500C界面張力儀測量不同質(zhì)量分數(shù)(0.01%、0.02%、0.03%、0.04%、0.05%)的甜菜堿表面活性劑TJ-5與原油之間的界面張力，測量條件為6 000 r/min，測量間隔時間為5 min.

(3)耐溫耐鹽性能.在不同的溫度條件(30、40、50、60、70、80、90 ℃)下，利用TX-500C界面張力儀測量質(zhì)量分數(shù)為0.05%的甜菜堿表面活性劑TJ-5與原油之間的界面張力.

配制不同礦化度(0.5、1、5、10、30、50、100 g/L)的NaCl鹽水，通過在鹽水中加入甜菜堿表面活性劑TJ-5，配制質(zhì)量分數(shù)為0.05%的甜菜堿表面活性劑溶液.在90 ℃溫度條件下，利用TX-500C界面張力儀測量TJ-5溶液與原油之間的界面張力.

1.2.4 穩(wěn)定性

配制質(zhì)量分數(shù)為0.05%的表面活性劑TJ-5，置于90 ℃溫度條件下，每隔5 d利用界面張力儀測定表面活性劑溶液與實驗原油之間的油水界面張力，評價TJ-5體系的穩(wěn)定性.

1.2.5 吸附性

稱取90 g質(zhì)量分數(shù)為0.05%的表面活性劑TJ-5和油砂10 g,以質(zhì)量比9∶1放入150 mL的具塞三角瓶中，然后置于90 ℃溫度的恒溫振蕩器中20 h；待吸附平衡后取出上層清液，利用TX-500C界面張力儀測定吸附后的TJ-5溶液對實驗原油的界面張力；以上層清液為液相，按照質(zhì)量比9∶1與新取油砂混合，重復(fù)上述步驟，直到測定的界面張力不在10-3mN/m數(shù)量級.

1.2.6 提高采收率評價

選取3塊不同滲透率的巖心，測量尺寸后抽真空4 h，在一定壓力下飽和模擬地層水，計算巖心的孔隙度和水側(cè)滲透率(見表1)；在90 ℃溫度下飽和模擬原油，并置于90℃溫度恒溫箱中老化2 d.在90 ℃溫度條件下，以0.5 mL/min的驅(qū)替速度水驅(qū)油至出口端含水率98%以上，記錄驅(qū)替過程中的壓力、產(chǎn)液量和產(chǎn)油量，計算水驅(qū)采收率.注入一定體積的質(zhì)量分數(shù)為0.5%甜菜堿表面活性劑TJ-5，繼續(xù)水驅(qū)至出口端含水率98%以上，記錄驅(qū)替過程中的壓力、產(chǎn)液量和產(chǎn)油量，計算總采收率和表面活性劑采收率.

表1 甜菜堿型表面活性劑TJ-5在不同滲透率巖心中的驅(qū)油結(jié)果

2 結(jié)果與討論

2.1 紅外光譜分析

2.2 界面特性

2.2.1 表面活性

甜菜堿型表面活性劑TJ-5溶液的表面張力與濃度c的關(guān)系曲線見圖2.由圖2可知：隨著TJ-5濃度的增大表面張力逐漸降低，當濃度增大至一定程度時，表面張力不再降低，維持在32 mN/m左右;曲線拐點處濃度為6.269×10-5mol/L(0.035 g/L)，即為TJ-5的臨界膠束濃度ccmc.TJ-5的ccmc遠低于普通的單鏈陰離子表面活性劑的濃度，主要是由于TJ-5表面活性劑為兩性表面活性劑，在水溶液中可電離出兩性離子，可屏蔽單一離子的靜電斥力場，具有很高的表面活性.這也是油田礦場應(yīng)用過程中甜菜堿類表面活性劑用量小即可達到很好的驅(qū)油效果的重要原因.

圖1 甜菜堿型表面活性劑TJ-5的紅外光譜圖Fig.1 FTIR spectrum of betaine type surfactant TJ-5

圖2 甜菜堿型表面活性劑TJ-5溶液表面張力與濃度的關(guān)系Fig.2 The relationship between surface tension of betaine type surfactant TJ-5 and concentration

2.2.2 動態(tài)界面張力

表面活性劑在化學驅(qū)中的機理主要是通過降低油水之間的界面張力，降低殘余油的啟動阻力,以提高油藏采收率.利用旋轉(zhuǎn)滴法評價不同質(zhì)量分數(shù)表面活性劑TJ-5下的水溶液與實驗原油間的動態(tài)界面張力，測定溫度為30 ℃，測定結(jié)果見圖3.由圖3可知：在質(zhì)量分數(shù)為0.03%～0.05%的范圍內(nèi)，油水之間的界面張力下降至10-3mN/m數(shù)量級的超低界面張力.在質(zhì)量分數(shù)為0.05%時，最低界面張力可下降至2.24×10-3mN/m.這說明TJ-5的親油基部分較大，使得分子更易在油水界面處富集，具有降低油水界面張力的能力，隨著TJ-5質(zhì)量分數(shù)的增大，油水界面上的表面活性劑分子排列緊密，使得界面張力急劇下降，達到10-3mN/m數(shù)量級超低界面張力.

2.2.3 耐溫耐鹽性能

目前，常用的三次采油用表面活性劑分子鍵能相對較小，在高溫下不穩(wěn)定，在高礦化度下易形成沉淀，對鹽敏感.甜菜堿型表面活性劑是一種兩性表面活性劑，在地層水pH值范圍內(nèi)，不會表現(xiàn)出接受質(zhì)子或者釋放質(zhì)子的能力，始終以內(nèi)鹽的形式存在[5]，使高溫高鹽環(huán)境對表面活性劑親水基團的影響變?nèi)?，表面活性劑分子的HLB值(親水親油平衡值)保持穩(wěn)定，表現(xiàn)出很好的耐溫耐鹽性能.

甜菜堿型表面活性劑TJ-5與原油間界面張力隨溫度的變化關(guān)系曲線見圖4.由圖4可知：在30～90 ℃較寬的溫度范圍內(nèi)，界面張力維持在10-3mN/m數(shù)量級的超低界面張力范圍內(nèi).這說明甜菜堿型表面活性劑TJ-5可以在較寬的溫度范圍內(nèi)保持較高的活性.甜菜堿型表面活性劑TJ-5與原油間界面張力隨礦化度的變化關(guān)系曲線見圖5.由圖5可知：隨著鹽水礦化度的升高，油水間的界面張力呈上升趨勢，但在10×104mg/L的范圍內(nèi)，界面張力保持在10-3mN/m數(shù)量級，說明表面活性劑TJ-5的內(nèi)鹽結(jié)構(gòu)使其具有很好的耐鹽性能.因此，甜菜堿型表面活性劑TJ-5在高溫高鹽油藏中具有很大的應(yīng)用潛力.

圖3 不同質(zhì)量分數(shù)的甜菜堿型表面活性劑TJ-5與原油動態(tài)界面張力變化關(guān)系Fig.3 Dynamic interfacial tension between different mass fractions of betaine type surfactant TJ-5 and crude oil

圖4 溫度對甜菜堿表面活性劑TJ-5與原油間界面張力的影響Fig.4 Effect of temperature on interfacial tension between betaine type surfactant TJ-5 and crude oil

2.3 穩(wěn)定性

質(zhì)量分數(shù)為0.05%的甜菜堿型表面活性劑TJ-5的界面張力隨時間的變化關(guān)系見圖6.由圖6可知：隨著時間的增大，甜菜堿型表面活性劑TJ-5體系與原油之間的界面張力逐漸增大，但在100 d內(nèi)界面張力穩(wěn)定在10-2mN/m數(shù)量級范圍內(nèi)，界面活性穩(wěn)定.

2.4 吸附性

甜菜堿型表面活性劑TJ-5在地層內(nèi)吸附量的大小影響TJ-5在地層內(nèi)作為驅(qū)油劑時的質(zhì)量分數(shù)，進而影響降低界面張力的能力.TJ-5在油砂上吸附后的界面張力變化關(guān)系見圖7.由圖7可知：甜菜堿型表面活性劑TJ-5在油砂上吸附6次后，界面張力明顯升高，說明TJ-5在油砂上的吸附量較大.由于油田用表面活性劑要求的最大吸附量較小，因此，甜菜堿型表面活性劑TJ-5在使用時應(yīng)提前注入預(yù)處理段塞，減小表面活性劑的吸附損失或者增大表面活性劑的質(zhì)量分數(shù)，確保達到良好的驅(qū)油效果.

2.5 提高采收率性能

選取3塊不同滲透率的方形巖心評價甜菜堿型表面活性劑TJ-5的驅(qū)油效果(見表1).由表1可知：甜菜堿表面活性劑TJ-5可大幅度提高巖心的采收率，較水驅(qū)提高采收率幅度平均為21.37%.滲透率為51×10-3μm2時的甜菜堿型表面活性劑TJ-5巖心驅(qū)油動態(tài)曲線見圖8.由圖8可知：水驅(qū)含水率98%后，注入表面活性劑TJ-5段塞0.4 PV(PV為注入孔隙體積倍數(shù))，綜合含水率下降，最低為72%，采收率急劇升高，說明表面活性劑TJ-5具有很好的驅(qū)油效果，可大幅度提高原油采收率.

圖5 礦化度對甜菜堿型表面活性劑TJ-5與原油間界面張力的影響Fig.5 Effect of mineralization of water on interfacial tension between betaine type surfactant TJ-5 and crude oil

圖6 質(zhì)量分數(shù)為0.05%甜菜堿型表面活性劑TJ-5的界面張力隨時間的變化關(guān)系Fig.6 Interfacial tension change with time of betaine type surfactant TJ-5 with 0.05% mass fraction

圖7 甜菜堿型表面活性劑TJ-5在油砂上吸附后的界面張力變化關(guān)系Fig.7 Interfacial tension of betaine type surfactant TJ-5 after adsorption on oil sand

圖8 甜菜堿型表面活性劑TJ-5在滲透率為51×10-3 μm2時的巖心驅(qū)油動態(tài)曲線Fig.8 Oil displacement dynamic curves of betaine type surfactant TJ-5 in the core with permeability of 51×10-3 μm2

評價甜菜堿表面活性劑TJ-5的界面特性、穩(wěn)定性、吸附性和提高采收性能，其適用油藏條件為溫度低于90 ℃，礦化度小于10×104mg/L，在高溫高鹽油藏中具有推廣價值.

3 現(xiàn)場應(yīng)用

遼河油田某高溫高鹽油藏平均氣測滲透率為125.7×10-3μm2，油層溫度為89 ℃，地下原油黏度為21 mPa·s，調(diào)驅(qū)前試驗區(qū)油藏的采出程度為23.6%，綜合含水率為89.45%，部分井組水淹、水竄現(xiàn)象嚴重.ZX-132井組是試驗區(qū)中的一個注水井組，ZX-132為一口注水井，對應(yīng)2口采油井ZX-131和ZX-133.根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)資料分析，注水井ZX-132井與采油井ZX-131和ZX-133之間存在高滲通道.2012年5月2日—2012年7月5日，該井組開展復(fù)合調(diào)驅(qū)措施，措施前井組日產(chǎn)油4.8 t，井組綜合含水率為96.4%.

針對ZX-132井設(shè)計2個段塞，第1個段塞為高強度凝膠顆粒封堵段塞，封堵高滲通道，提高后續(xù)注入流體的波及系數(shù)，其中凝膠顆粒為體膨顆粒，在模擬地層水中膨脹后的平均粒徑為200 μm；第2個段塞為質(zhì)量分數(shù)為0.3%的TJ-5表面活性劑段塞.復(fù)合調(diào)驅(qū)期間共注入調(diào)剖劑305 m3、表面活性劑5 508 m3，第1個段塞注入后注入壓力由15.8 MPa上升至23.8 MPa；之后,隨著表面活性劑的注入，注入壓力開始下降，最終保持在20 MPa左右(見圖9)，均高于調(diào)驅(qū)前的15.8 MPa，反映油水井之間的高滲通道已被成功封堵，后續(xù)注入表面活性劑可進入油藏中的低滲層，迫使其中的剩余油被啟動，使得油井的產(chǎn)油量增加.ZX-132井組的產(chǎn)油量及綜合含水率曲線見圖10.由圖10可知，日產(chǎn)油最高為9.9 t，綜合含水率最低為91.5%.截至2014年12月底，不考慮遞減的情況下，井組累計增油3 059.4 t.

圖9 ZX-132井月平均注入壓力Fig.9 The monthly average injection pressure of ZX-132 well

4 結(jié)論

(1)合成的甜菜堿型表面活性劑TCJ-5溶液具有很高的表面活性，在質(zhì)量分數(shù)為0.03%～0.05%的范圍內(nèi)油水之間的界面性能良好，在30～90 ℃的溫度范圍內(nèi)，油水之間的界面張力能達到10-3mN/m數(shù)量級的超低界面張力.在模擬油藏條件下，體系的耐鹽能力能達到10×104mg/L，在油藏溫度90 ℃下100 d內(nèi)穩(wěn)定性良好.TJ-5在油砂上的吸附量較大，使用時應(yīng)考慮表面活性劑在地層的吸附.在高溫高鹽油藏條件下，TJ-5可大幅度提高巖心采收率，較水驅(qū)提高采收率幅度平均為21.37%.

(2)礦場試驗井組增油控水效果明顯，井組綜合含水率由措施前的96.4%下降至最低91.5%，井組日產(chǎn)油由措施前的4.8 t增至最高9.9 t，截至2014年12月底，不考慮遞減情況下，井組累計增油3 059.4 t.

(3)甜菜堿表面活性劑TJ-5適用的油藏條件為溫度低于90 ℃，礦化度小于10×104mg/L，在高溫高鹽油藏中具有推廣價值.

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2015-04-23；編輯：關(guān)開澄

國家自然科學基金項目(41272169)

趙國柱(1982-)，男，碩士，工程師，主要從事油氣田開發(fā)方面的研究.

TE357.46

A

2095-4107(2015)03-0111-07

DOI 10.3969/j.issn.2095-4107.2015.03.014