二類油層中三元復(fù)合驅(qū)體系的損耗及有效作用距離

劉 剛，侯吉瑞，李秋言，王少朋，李明遠，2，劉 帥

（1.中國石油大學提高采收率研究院，北京102249；2.中國石油大學重質(zhì)油國家重點實驗室，北京102249；3.天津工業(yè)大學機械工程學院，天津300387）

二類油層中三元復(fù)合驅(qū)體系的損耗及有效作用距離

劉 剛1，侯吉瑞1，李秋言1，王少朋1，李明遠1，2，劉 帥3

（1.中國石油大學提高采收率研究院，北京102249；2.中國石油大學重質(zhì)油國家重點實驗室，北京102249；3.天津工業(yè)大學機械工程學院，天津300387）

采用天然露頭巖心進行驅(qū)油物理模擬，研究三元復(fù)合體系在地層中不同運移距離下的界面張力以及化學劑損失規(guī)律。結(jié)果表明：二類油層中復(fù)合體系的各組分損失嚴重，表面活性劑在運移前20%距離后即損失了80%，此時堿、聚合物的損失率也達到23%和12%；復(fù)合體系運移全程距離后表面活性劑、堿和聚合物的損失率分別達到了92%、42.8%和31%，損失量都較為顯著。復(fù)合體系的化學劑主要損失在注入井附近地層中，且這部分損失主要為“無效損耗”，對采收率的貢獻值有限?；瘜W劑的損失導(dǎo)致復(fù)合驅(qū)的驅(qū)油效果也逐步降低。復(fù)合體系的超低界面張力實際的有效作用距離僅為前20%距離，因而對提高采收率的貢獻十分有限，而對20%井距之后的水驅(qū)殘余油的進一步啟動則是三元復(fù)合驅(qū)發(fā)展的潛力方向。

三元復(fù)合驅(qū)；大慶二類油層；露頭巖心；吸附滯留；超低界面張力；提高采收率

大慶油田主力油層含水率高達80%［1-2］。根據(jù)大慶油田的油層劃分，二類油層是指屬于三角洲分流平原中小型分流河道沉積砂體，其特點是油層單層厚度?。?～2 m），有效滲透率低（（100～300）× 10-3μm2），平面及縱向非均質(zhì)嚴重，以及黏土礦物含量高［3-6］。三元復(fù)合驅(qū)技術(shù)（ASP）發(fā)揮了堿、表面活性劑和聚合物的協(xié)同作用，可增大宏觀波及體積［7-9］，同時提高微觀驅(qū)油效率［10-12］，從而能大幅度提高石油采收率［13］。室內(nèi)研究［14-15］及礦場試驗［16-17］表明，三元復(fù)合驅(qū)可在水驅(qū)的基礎(chǔ)上提高采收率約20%。經(jīng)過在主力油層礦場應(yīng)用的成功實施，大慶油田已計劃推廣ASP技術(shù)在二類油層中的應(yīng)用。ASP在油層中的運移是非常復(fù)雜的物理化學滲流過程，包括化學劑在油層中的滲流和傳質(zhì)。影響三元復(fù)合驅(qū)在油層中滲流傳質(zhì)的因素主要包括物理及化學吸附［18-19］、機械捕集［20］、剪切降解［21］、色譜分離［22-23］、擴散彌散［24-25］等。筆者采用天然露頭巖心模型進行驅(qū)油模擬，克服地層取心模型尺寸小的局限和人造巖心的礦物組成及孔喉結(jié)構(gòu)差異巨大的局限［26-27］，研究復(fù)合體系在二類油層中的化學劑損失規(guī)律及其性能的實際有效作用距離。

1 實 驗

1.1 實驗儀器及材料

儀器：方巖心夾持器（30 cm×4.5 cm×4.5 cm），恒溫箱，恒速恒壓泵，活塞中間容器，壓差變送器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

材料：天然露頭巖心（30 cm×4.5 cm×4.5 cm），其巖石礦物組成見表1；大慶二廠混合原油與煤油按比例7∶3混配的模擬油，45℃下黏度為10.6 mPa·s，接近地層中原油黏度；大慶模擬地層水（礦化度6.778 g/L）及注入水（礦化度5.129 g/L），各礦物離子組成見表2。

化學試劑：恒聚陰離子聚丙烯酰胺（HPAM）相對分子質(zhì)量為1200萬，水解度25%，固含量88%；表面活性劑是碳支鏈為C12～C24的重烷基苯磺酸鈉（HABS），有效含量為50%，大慶采油二廠提供。堿劑（NaOH）和無機鹽均為分析純。

三元復(fù)合體系配方及性能：質(zhì)量濃度組成為12 g/L堿、3 g/L重烷基苯磺酸鈉和2 g/L聚合物。ASP復(fù)合體系45℃下的表觀黏度為25.6 mPa·s，與模擬油的界面張力（IFT）為1.25×10-3mN·m-1。

1.2 巖心驅(qū)替方法

（1）巖心抽真空飽和地層水測定孔隙體積（VP），水測滲透率。

（2）恒溫45℃飽和模擬油，老化72 h。

（3）水驅(qū)至含水率超過98%，驅(qū)替速度為0.3 mL/min。

（4）按照巖心孔隙體積分別注入1.5VP、1.0VP、0.7VP和0.3VP的復(fù)合劑段塞，共計4組驅(qū)替實驗，并后續(xù)水驅(qū)4VP為止。

（5）實驗得到不同產(chǎn)出體積時的壓力、含水率及采出程度曲線。在開始注入復(fù)合體系的同時，每10 mL收集并分析采出液的各組分濃度、黏度及其與原油的界面張力。

表1 露頭巖心礦物種類和含量Table 1 Mineral types and contents of outcrop core

表2 注采水礦物離子含量Table 2 Mineral ion content of formation water

1.3 分析測試方法

（1）X射線多晶體衍射（XRD）分析。采用Bruker AXS產(chǎn)D8 Focus X射線衍射儀分析巖石礦物組成。

（2）界面張力測定。采用Dataphysics SVT20N型視頻旋轉(zhuǎn)滴張力儀，轉(zhuǎn)速5000 r/min，溫度45℃，時間2 h。

（3）黏度測定。采用Bookfield DV-Ⅱ+Pro型旋轉(zhuǎn)黏度儀，ULA轉(zhuǎn)子，剪切速率為7.34 s-1。

（4）重烷基苯磺酸鈉濃度測定［28］。高效液相色譜（HPLC）分析，Dionex GP50 Gradient Pump；Dionex LC30 Oven；Rainin Dynamax UV Detector；色譜柱為Waters ODS C18 46 mm×150 mm，5 μm；流動相為V（甲醇）/V（水）=90∶10；流量為0.5 mL/min；紫外吸收波長設(shè)為226 nm。

（5）堿濃度測定。使用溴甲酚綠-甲基紅混合指示劑和稀鹽酸進行滴定。

（6）聚合物濃度測定采用淀粉-碘化鎘比色法［29］。

2 結(jié)果分析

2.1 復(fù)合體系注入量與采收率及化學劑濃度變化

通過巖心驅(qū)替實驗考察復(fù)合體系不同注入量下的采收率、化學劑損失及其界面張力的變化。結(jié)果見表3?？梢钥闯觯瑢τ谠摻M物性相近的巖心模型，其水驅(qū)采收率均約為40%，三元復(fù)合驅(qū)提高采收率的幅度隨著注入量的增加而增大，0.3VP注入量的采收率為13.5%，0.7VP注入量的采收率達到20.2%，增加幅度較大。但在0.7VP注入量之后，采收率的增幅明顯降低，繼續(xù)增大注入量的增效不高。

圖1為采出液中化學劑產(chǎn)出的動態(tài)曲線。其中，c/c0為化學劑的產(chǎn)出濃度與復(fù)合體系中初始濃度的比值（化學劑的保留率）；υ/υ0為采出液黏度與復(fù)合體系初始黏度的比值（保留率），A、P、υ、S、σ分別指代堿、聚合物、黏度、表面活性劑和界面張力?？梢钥闯?，在各組實驗中，復(fù)合體系的注入量雖然不同，但是各化學劑的損失規(guī)律基本一致，其耗損程度由大到小分別為：表面活性劑，聚合物和堿。

表3 巖心三元復(fù)合驅(qū)驅(qū)油實驗結(jié)果Table 3 Results of ASP flooding in outcrop cores

圖1 復(fù)合體系化學劑產(chǎn)出及性能變化動態(tài)曲線Fig.1 Chemicals output and performance variations dynamic curves of ASP flooding

復(fù)合體系的化學劑產(chǎn)出濃度隨著注入量的增加而增大。當復(fù)合體系的注入量為0.3VP時，堿、聚合物及表面活性劑產(chǎn)出濃度峰值的保留率分別為50%、49%和17%。表面活性劑的損失尤為顯著。當注入量為1.5VP時，堿、聚合物及表面活性劑產(chǎn)出濃度峰值的保留率分別為88%、64%和57%。相比之下，堿和表面活性劑的損失量大幅度降低，究其原因，除了增加注入量引起擴散傳質(zhì)對段塞濃度的影響減弱外，堿的絕對濃度較大（12 g/L），巖心孔隙表面對堿的吸附趨于平衡，因此堿的產(chǎn)出濃度較大，而且堿的吸附速度最快而優(yōu)先吸附，對其余兩種組分尤其是表面活性劑的吸附起到很好的抑制作用［18，30］。

復(fù)合體系油水界面張力的變化與體系中化學劑含量尤其是表面活性劑含量是密切相關(guān)的。圖1中低界面張力的區(qū)間和表面活性劑的峰值濃度區(qū)間是直接對應(yīng)的，在注入量為0.3VP（圖1（d））時，表面活性劑濃度保留率的峰值為0.17，而其對應(yīng)的界面張力也低至6.4×10-2mN·m-1，可知即使是少量表面活性劑，其降低界面張力的效果也很顯著。當注入量為1.5VP（圖1（a））時，采出液中表面活性劑濃度峰值的保留率為0.57，并且其濃度在峰值后迅速下降，保持的產(chǎn)出區(qū)間也很短，但其油水界面張力均保持較低的狀態(tài)（2.8×10-2～6.5×10-2）mN·m-1，且界面張力保持的區(qū)間較大。采出液中表面活性劑的濃度雖然不大，但是卻有著較好的界面活性，可知復(fù)合體系中堿在降低界面張力中的“協(xié)同效應(yīng)”［31-32］在此時發(fā)揮了很重要的作用。

2.2 復(fù)合體系化學劑隨滲流距離的損失

利用巖心實驗數(shù)據(jù)，模擬計算在總長為150 cm的巖心中，復(fù)合體系注入量為0.3Vp情況下，復(fù)合體系在巖心中運移不同距離后各組分的損失量及界面張力的變化。對于每組巖心實驗而言，0.3Vp是相對注入量。

如圖2所示，以巖心L-2為例說明具體的模擬計算方法。巖心L-2長30 cm，復(fù)合體系實際注入量為該巖心的1.0Vp，此注入量當量于長度為150 cm巖心的0.2Vp，但是復(fù)合體系是從距離注入口30 cm處采出，模擬計算轉(zhuǎn)換為150 cm巖心的0.3Vp復(fù)合體系從其距離注入口45 cm處采出，當量于運移了150 cm巖心的30%的距離，此時產(chǎn)出復(fù)合體系的性能可以視為0.3Vp復(fù)合體系在注采井間運移30%距離后的性能。以此類推，4組巖心實驗L-1、L-2、L-3、L-4中復(fù)合體系的性能代表了0.3Vp復(fù)合體系在注采井間分別運移20%、30%、43%、100%距離后的性能。

通過以上的模擬計算，根據(jù)物質(zhì)平衡方程，通過計算累積產(chǎn)出的復(fù)合體系各化學劑的總量，求得3種化學劑的損失量（L）、與相應(yīng)的界面張力最低值（σ）及采收率（η），結(jié)果見圖3。可以看出，復(fù)合體系中各組分的損失量都隨著距離的增加而增大，與此同時，界面張力也上升了一個數(shù)量級。其中，表面活性劑的損失最為顯著，在運移20%距離后損失量即達到了80%，此時堿和聚合物的損失為23%和12%，相比較低；在復(fù)合體系運移全程后表面活性劑，堿和聚合物的損失量分別達到了92%、42.8%和31%?？芍诙愑蛯又?，雖然復(fù)合體系中有堿優(yōu)先吸附的保護作用，表面活性劑的損失量依然很高。

化學劑的損失量在前20%距離內(nèi)增幅較大，之后增幅迅速減緩。在巖心入口附近，由于水驅(qū)的效果很好，水驅(qū)殘余油較少，裸露的巖石孔隙表面對化學劑的吸附能力較強［19］。復(fù)合體系在注入井附近油層中即損失了相當多的化學劑，而且這部分化學劑的損失為“無效損耗”，對復(fù)合體系提高采收率的貢獻較小，因此降低這部分化學劑的損耗是三元復(fù)合驅(qū)技術(shù)的瓶頸問題及其發(fā)展的突破口。

圖2 復(fù)合體系運移距離比例模擬示意圖Fig.2 Simulation schematic diagram of ASP migration distance percentage

2.3 超低界面張力性能的實際作用距離

由圖3可知，在前20%運移距離之后，復(fù)合體系的界面張力最低值由初始的1.25×10-3mN·m-1躍升到2.8×10-2mN·m-1，由于這段距離內(nèi)表面活性劑大量吸附損耗（濃度峰值損失率為43%），因而界面張力增幅較大。復(fù)合體系在30%、43%、100%距離后的界面張力增長幅度不大，均在1×10-2數(shù)量級內(nèi)，由此可見復(fù)合體系的超低界面張力性能主要損失在前20%運移距離內(nèi)。

圖3 化學劑損失及界面張力隨運移距離的變化Fig.3 Chemicals loss and IFT changes along migration distance

當復(fù)合體系的注入量為0.3Vp時，其發(fā)揮超低IFT性能的距離僅為全程的前20%。再從采收率曲線來看，在復(fù)合體系驅(qū)油的不同階段前20%距離內(nèi)的采收率最大（25.6%），之后依次降低，這說明在前20%距離內(nèi)，復(fù)合體系的超低界面張力性能的確有很好的驅(qū)油效果。但是，由于化學劑的大幅損失造成超低界面張力迅速上升，保持的距離區(qū)間較短，復(fù)合體系大部分是在“非超低界面張力”［32］性能下發(fā)揮驅(qū)油作用的，并且該距離區(qū)間要占到80%左右。所以ASP復(fù)合體系發(fā)揮超低IFT的實際距離很短，而其在“非超低界面張力”狀態(tài)下的作用距離不可忽視［33］。此外值得重視的是，在注入井附近水驅(qū)的效果很好，復(fù)合體系只能啟動很有限的水驅(qū)殘余油，提高采收率的潛力不大，而事實上最有潛力的地方是注采井距的中后程部分，即水驅(qū)殘余油較多的部分，復(fù)合驅(qū)在這部分的實際界面活性及驅(qū)油效果尤為重要。

綜合以上分析，三元復(fù)合驅(qū)在二類油層中的應(yīng)用研究中，不必片面追求復(fù)合體系的超低界面張力性能，復(fù)合體系的超低界面張力的實際作用距離不可忽視，保持良好的抗吸附性能和乳化性能是ASP復(fù)合驅(qū)更好的發(fā)展方向。

3 結(jié) 論

（1）三元復(fù)合驅(qū)在二類油層條件下有較好的驅(qū)油效果。復(fù)合體系中各組分的損失量都隨著運移距離的增大而大幅增加，其中，前20%距離后表面活性劑、堿和聚合物的損失量分別為80%、23%和12%，雖然有堿的保護作用，但表面活性劑的損失尤為突出；運移全程后，表面活性劑、堿和聚合物的損失量分別達到了92%、42.8%和31%，損失量都較為顯著。化學劑主要損失在注入井附近地層中，且這部分損失主要為“無效損耗”，對提高采收率的貢獻值不大，是復(fù)合驅(qū)發(fā)展的瓶頸問題。

（2）復(fù)合體系的界面張力在前20%距離之后迅速上升了一個數(shù)量級，之后增長幅度不大，均在同一數(shù)量級內(nèi)。由此可見復(fù)合體系的超低界面張力性能的實際作用距離僅為前20%距離，對提高采收率的貢獻值十分有限。

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（編輯 劉為清）

Chemicals loss and effective distance of ASP flooding in second-class oil layers

LIU Gang1，HOU Jirui1，LI Qiuyan1，WANG Shaopeng1，LI Mingyuan1，2，LIU Shuai3
（1.Enhanced Oil Recovery Research Institution in China University of Petroleum，Beijing 102249，China；2.State Key Laboratory of Heavy Oil Processing in China University of Petroleum，Beijing 102249，China；3.School of Mechanical Engineering in Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China）

The interfacial tension（IFT）change and the chemicals loss of alkali/surfactant/polymer（ASP）at different migration distances in the oil layer were investigated through the simulation experiments of oil displacement using natural outcrops cores.The results show that the chemical loss of ASP in second class oil layer is serious.The loss percentage of surfactant is 80%in the former 20%migration distance，and the loss percentage of alkali and polymer is 23%and 12%respectively.After ASP flooding 100%migration distance，the loss percentages of surfactant，alkali and polymer reach 92%，42.8%and 31%respectively，which is significant.The chemicals loss occurs near the injection well in the oil layer，which is mainly useless and has limited contributions to the enhanced oil recovery.And this loss leads to gradually reduce the oil displacement efficiency of ASP flooding.Only the top 20%of the distance of the ultra-low IFT for ASP system is effective，therefore its contributions to oil recovery enhancement is extremely limited.The displacement of residual oil after former 20% well spacing is the potential direction of ASP flooding development.

alkali/surfactant/polymer flooding；Daqing second class oil layers；outcrop cores；adsorption and retention；ul-tra-low interfacial tension；enhanced oil recovery

TE 357

A

劉剛，侯吉瑞，李秋言，等.二類油層中三元復(fù)合驅(qū)體系的損耗及有效作用距離［J］.中國石油大學學報（自然科學版），2015，39（6）：171-177.

LIU Gang，HOU Jirui，LI Qiuyan，et al.Chemicals loss and effective distance of ASP flooding in second-class oil layers［J］.Journal of China University of Petroleum（Edition of Natural Science），2015，39（6）：171-177.

1673-5005（2015）06-0171-07

10.3969/j.issn.1673-5005.2015.06.023

2014-06-11

國家自然科學基金項目（51174216）；國家科技重大專項（2011ZX05052）

劉剛（1986-），男，博士研究生，研究方向為提高石油采收率與采油化學。E-mail：cup_lg@163.com。