聚表劑/S二元復合體系評價及驅油實驗

任剛，李宜強，4，余昭艷，王超群，陳剛

（1.中國石油大學（北京）石油工程學院，北京102249；2.中國石油大學（北京）石油工程教育部重點實驗室，北京102249；3.中國石油天然氣集團公司三次采油重點實驗室，北京102249；4.中國石油大學（北京）提高采收率研究院，北京102249；5.中國石油大慶油田有限公司第一采油廠，黑龍江 大慶163000）

由于聚驅后仍有近50%的原油殘留在地層中，因此發(fā)展聚驅后繼續(xù)提高原油采收率的新技術迫在眉睫［1-2］。聚驅后地層非均質性加強，調整難度較大，必須增大驅替劑的流度控制能力，擴大波及體積。三元復合驅可提高采收率20%，但由于三元復合驅采用的部分聚丙烯酰胺在堿的作用下，黏度下降幅度較大，為了提高流度控制能力，必須加大聚合物用量，而如此則容易傷害地層，造成生產(chǎn)成本較高。二元復合驅避免了驅替流體與地層巖石礦物間發(fā)生的堿耗反應，減小了井筒結垢等問題；但普通聚合物與表面活性劑體系在地層中容易發(fā)生色譜分離，導致界面張力升高。聚表劑綜合了聚合物和表面活性劑二者優(yōu)勢，可在不用堿的條件下，增黏，降低流度比，擴大波及系數(shù)，降低油水界面張力，提高對原油的增溶和乳化能力［3-7］，但是目前對于聚表劑/S（S 為表面活性劑）二元體系的作用機理及提高采收率效果的研究尚不系統(tǒng)。本文針對這一問題研究了聚表劑/S 二元體系的界面張力、 乳化性能及動態(tài)驅油效果，探討了聚表劑/S 二元復合驅技術的可行性，為其作為聚驅后接替技術的應用和推廣提供了理論參考。

1 實驗

1.1 實驗材料

實驗中采用的聚合物相對分子質量不小于2 500×104，固體質量分數(shù)90%，水解度24.4%。聚表劑固體質量分數(shù)88.3%，相對分子質量450×104，水解度21.9%，海博公司生產(chǎn)。表面活性劑為非離子型表面活性劑，有效質量分數(shù)50%，華龍祥公司生產(chǎn)。

1.2 實驗儀器

Brookfield DV 型黏度計，TX-500C 型界面張力儀，巖心驅油裝置。

1.3 實驗內容與方法

黏度測定：在45 ℃下、7.34-1剪切速率下進行溶液表觀黏度的測定。

界面張力的測定：在45 ℃下，以5 000 r/min 的轉速進行復合體系-原油界面張力的測定。

老化穩(wěn)定性測定：取50 mL 溶液，抽真空后密封于安瓿瓶中，置于45 ℃的恒溫箱進行老化穩(wěn)定性實驗。

乳化能力測定： 將不同組成的復合體系分別與原油按1∶1 混合，充分震蕩后密封，觀察不同時間的乳狀液析水率。

驅油實驗：將3 層非均質巖心（見表1）抽真空、飽和水，測定孔隙體積與水相滲透率，飽和油并計算原始含油飽和度，水驅油至含水率98%，計算水驅采收率；注入0.57 PV 的相對分子質量為1 500×104、 質量濃度1 000 mg/L 的聚合物前置段塞，接著進行后水驅，至含水率達到98%，計算采收率；再注入0.01 PV 的相對分子質量為2 500×104、質量濃度2 500 mg/L 的聚合物前置保護段塞，接著分別注入0.45 PV 的聚合物/S 二元體系和聚表劑/S 二元體系，進行后續(xù)水驅，驅至含水98%，計算最終采收率。

表1 巖心參數(shù)

2 復合體系性能評價

2.1 界面張力

用現(xiàn)場污水配制不同質量濃度聚表劑和0.3%表面活性劑復合體系，45 ℃下測定其界面張力，放置7 d后再測其界面張力。具體數(shù)據(jù)見表2。

表2 聚表劑/S 二元體系界面張力

從表2可以看出，聚表劑/S 二元體系能夠達到超低界面值，且隨著聚表劑質量濃度的增加而降低。這是因為聚表劑是一種高分子表面活性劑，具有聚合物類性質和表面活性劑類性質，并且聚表劑分子間的締合結構可以將一部分表面活性劑分子增溶在其中，從而增加了溶液中可以吸附在油水界面上表面活性劑的分子數(shù)目。所以，隨著聚表劑質量濃度的增加，體系界面張力值會隨之降低。

從表2中還可以看出，7 d 之后的界面張力比當天的界面張力值高，但仍可達到10-2mN/m 附近。其原因是：聚表劑剛剛配制完成后一直處于形成節(jié)點、鏈束的過程中，這會影響到表面活性劑在油水界面上的吸附；隨著時間的推遲，分子之間、分子內部彼此聯(lián)結，形成均勻布滿整個溶液體系的三維立體網(wǎng)狀結構，當溶液內部的結合作用達到平衡后，油水界面上吸附的分子達到平衡，界面張力有所增加。

2.2 黏度

復合體系提高驅油效率的機理，一方面是依靠聚合物溶液黏度控制油水流度比，另一方面是依靠表面活性劑產(chǎn)生的超低界面張力將殘余油捕集并驅出地層。二元復合體系注入地層后，在油藏條件下會發(fā)生化學降解，因此驅替劑自身的物理化學性質的穩(wěn)定性是保證其驅油效果的前提。室內在45 ℃條件下，配制了不同質量濃度二元復合體系，并評價了其黏度（見表3）。

表3 聚表劑/S 二元體系穩(wěn)定性

由表3可以看出： 低質量濃度的聚表劑未達到其臨界膠束質量濃度，沒有形成大分子線團或網(wǎng)狀聚集體，而且隨著降解、老化作用使聚表劑分子鏈斷裂，從而造成了體系黏度降低的現(xiàn)象。

2.3 微觀形態(tài)

為了進一步研究聚表劑/S 二元體系，室內應用掃描電鏡對聚合物/S 二元體系與聚表劑/S 二元體系的微觀形態(tài)進行研究（見圖1，100×）。

圖1 聚合物/S 與聚表劑/S 二元體系微觀形態(tài)

普通聚合物分子在清水溶液中的形態(tài)見圖1a。聚合物大分子鏈間相互扭曲成結，形成了局部、單層的網(wǎng)狀結構，網(wǎng)孔較大，并較為稀疏，聚合物分子鏈水化，結合水化分子，網(wǎng)格骨架較粗；聚表劑分子由于功能基的存在，分子內、分子間相互聯(lián)結，形成致密的網(wǎng)狀結構，放大1 000 倍時，看到的網(wǎng)孔不明顯。在相同的放大倍率下，聚表劑與表面活性劑形成的二元復合體系分子尺寸明顯大于相對分子質量2 500×104聚合物與表面活性劑形成的二元體系，這間接說明了在不考慮剪切降解的影響下，聚表劑/S 二元體系可以在相同的注入?yún)?shù)下，封堵較大的孔隙喉道，因而有利于進一步擴大波及體積，增加洗油效率；且由于聚表劑的剪切恢復特性，又使得聚表劑/S 二元體系具有較好的抗剪切性能，在經(jīng)過炮眼剪切和地層滲流巖石孔隙剪切后仍具有較好的工作黏度，相比普通聚合物而言，其驅油效果依舊可以保持［8］。

2.4 乳化性

室內配制聚表劑/S 二元體系，聚表劑質量濃度分別為1 000，1 500，1 800 mg/L，復合體系與脫水原油以1∶1 比例混配，進行乳化性能評價及乳化穩(wěn)定性實驗（見圖2）。

由圖2可以看出： 高質量濃度聚表劑/S 二元體系的乳狀液穩(wěn)定性較好，而質量濃度1 000 mg/L 二元液-油體系在放置7 d 后出現(xiàn)分相，上相為黑色油相，下相為水相，呈棕黃色。這說明了較高質量濃度的聚表劑可以將表面活性劑穩(wěn)定分布在油水界面上，在降低油水界面張力的同時，平衡了表面活性劑在油水體系中的分配系數(shù)，聚表劑/S 二元體系與原油形成的乳狀液穩(wěn)定性更好。這是由于，聚表劑分子鏈在溶液中形成了彈性的三維網(wǎng)格結構，體系的黏度增加，可將乳化的液滴捕獲在網(wǎng)格內，降低了乳滴的碰撞幾率，同時聚表劑具有一定的界面活性，可在乳滴表面形成吸附，增強了乳滴的膜的強度，這些都有利于乳狀液的穩(wěn)定性。

圖2 復合體系放置7 d 時乳化情況

3 聚表劑/S 二元體系驅油效果

提高采收率的2 條根本途徑是擴大波及體積和提高驅油效率。為了進一步研究聚表劑/S 二元體系的驅油效果［9-10］，設計了2 組方案進行巖心實驗：在方案1中，首先將巖心水驅到含水98%以上，前置段塞階段注入質量濃度1 000 mg/L、相對分子質量1 500×104的聚合物，注入量0.57 PV；再次將巖心水驅至含水98%以上，在前置保護段塞階段注入質量濃度2 500 mg/L、相對分子質量2 500×104的聚合物，注入量0.01 PV；在主段塞階段，注入組成為質量濃度1 800 mg/L、相對分子質量2 500×104的聚合物+0.3%S，注入量0.45 PV。方案2 僅在主段塞階段與方案1 不同，注入組成為質量濃度1 800 mg/L、 相對分子質量450×104的聚表劑+0.3%S，注入量0.45 PV。

對上述2 個方案的驅油效果進行了比較（見表4）?？梢钥闯?，聚表劑/S 二元體系與聚合物的總采收率均大于60%，比聚合物/S 二元體系提高采收率11.84 百分點。這說明了聚表劑/S 二元體系具有較好的驅油效果。

表4 驅油實驗結果 %

聚表劑/S 二元體系可以在相同的注入?yún)?shù)下，封堵較大的孔隙喉道，因而有利于進一步擴大波及體積，增加洗油效率，而且由于聚表劑的剪切恢復特性，又使得聚表劑/S 二元體系具有較高的黏度保持率，地層滲流巖石孔隙剪切后仍具有較好的工作黏度。

由含水率變化曲線也可以看出（見圖3），聚表劑/S二元體系含水率最低點比質量濃度為1 800 mg/L 的聚合物/S 二元體系低，后續(xù)水驅見效時間長于聚合物/S 二元體系，驅油效果比聚合物/S 二元體系好。聚表劑/S 二元體系的注入壓力大，尤其在后續(xù)水驅階段，突破壓力是聚合物/S 二元體系的10 倍，這也證明了聚表劑/S 二元體系具有更高黏度。

圖3 實驗結果曲線

4 結論

1）含有高質量濃度的聚表劑/S 二元體系比含有低質量濃度的聚表劑/S 二元體系的界面張力更小，黏度更大；同一質量濃度的聚表劑/S 二元體系，放置7 d后的界面張力會有所增加，且黏度更大。

2）聚表劑分子具有獨特的“網(wǎng)狀”結構，分子線團尺寸遠大于普通聚合物，具有更好的液流轉向能力。

3）含有高質量濃度的聚表劑/S 二元體系乳化性能穩(wěn)定，放置7 d 之后沒有發(fā)生油水分離。

4）實驗表明，聚驅后聚表劑/S 二元體系主段塞提高采收率比聚合物/S 二元體系主段塞高11.84 百分點，說明聚驅后聚表劑體系有很大的潛力，因此，聚驅后的剩余油可以采用聚表劑/S 二元體系進行開發(fā)。

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