聚表劑納米催化劑驅(qū)油體系效果評(píng)估

賀皓楠，張志全，閆夢(mèng)

聚表劑納米催化劑驅(qū)油體系效果評(píng)估

賀皓楠，張志全，閆夢(mèng)

（長(zhǎng)江大學(xué) 石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100）

聚表劑驅(qū)油技術(shù)是一種集調(diào)剖及驅(qū)替為一體的新型驅(qū)油技術(shù)，主要是通過(guò)增粘性，粘彈性和乳化性這三種性能來(lái)提高采收率。納米催化劑材料在石油化工工業(yè)中具有改善產(chǎn)品構(gòu)造，提高產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)率和附加值的作用。在研究聚表劑和納米催化劑在稠油熱采中的主要作用以及他們提高采收率效果的同時(shí)，探究聚表劑和納米催化劑混合后，同時(shí)注入地層是否能同時(shí)發(fā)揮二者優(yōu)勢(shì)，并尋求最優(yōu)化的聚表劑-催化劑驅(qū)油體系，從而極大的提高原油采收率。納米催化劑的注入性好，聚表劑的流度控制作用強(qiáng)，先注聚表劑擴(kuò)大波及體積，后注入納米催化劑改善原油物性，最后蒸汽吞吐能夠提高單井吞吐效果。

聚表劑；納米催化劑；稠油熱采；提高采收率

聚表劑也被稱作活性聚合物[1]，與普通聚合物相比，聚表劑的優(yōu)勢(shì)在于：聚表劑的水溶液擁有在聚丙烯酰胺碳?xì)滏淸2]的分子鏈側(cè)基上發(fā)生接枝共聚而得到功能性單體或功能基團(tuán)，使得表面活性劑附著在原聚合物的碳?xì)滏溕?，所以聚表劑的水溶液在具備了新特性的同時(shí)也具備了雙重特性[3]。根據(jù)聚表劑的分子結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)來(lái)看，它與表面活性劑有很大的區(qū)別，表面活性劑是通過(guò)減小在油水兩相體系中的油水界面張力來(lái)提高采收率，而聚表劑則是將非極性物質(zhì)高度分散在非水體系中，首先形成乳狀液[4]，從而在非水體系中來(lái)突破表面活性劑的局限性；對(duì)于低分子量和較低濃度的水溶液或者不含水的原油，聚表劑是通過(guò)統(tǒng)一體相粘度和活性以及增粘能力和增溶能力來(lái)使油水界面降低[5]。

納米技術(shù)[6]是一種用單個(gè)原子或分子制造物質(zhì)的科學(xué)技術(shù)，特點(diǎn)在于其研究的尺寸極小，范圍在0.1~100 nm之間。隨著石油化工的發(fā)展，催化劑技術(shù)也變得越來(lái)越重要。納米技術(shù)之所以能夠運(yùn)用在催化劑當(dāng)中，是因?yàn)榧{米晶粒具有表面活性多且沒(méi)有空隙的特點(diǎn)，能夠改變反應(yīng)物的反應(yīng)速度且不改變化學(xué)平衡、質(zhì)量及性質(zhì)。通常情況下，納米催化劑主要分為兩類：一類是金屬納米催化劑，主要是將貴金屬作為基礎(chǔ)，例如：鉑、銀等，另一類是將氧化物作為基礎(chǔ)，并利用活性等手段，結(jié)合化學(xué)反應(yīng)歷程研發(fā)的納米催化劑。納米催化劑能夠直接添加到液體中，確保在熱量向外擴(kuò)散的同時(shí)局部不會(huì)失去活性。納米催化劑材料在石油化工工業(yè)中表現(xiàn)出的特性有：改善產(chǎn)品構(gòu)造，提高產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)率和附加值。納米催化劑技術(shù)在石油化工中占據(jù)著不可替代的位置。

隨著世界油氣的不斷開(kāi)發(fā)，稠油[7]開(kāi)采越來(lái)越受到人們的重視，如何有效的利用熱采技術(shù)開(kāi)采稠油油藏變得越來(lái)越重要，蒸汽吞吐[8]是開(kāi)采稠油的主要方法。就當(dāng)前化學(xué)驅(qū)發(fā)展的前景來(lái)看，單一的表面活性劑驅(qū)、聚合物驅(qū)和催化劑驅(qū)不能滿足現(xiàn)代采油要求，彼此相互結(jié)合的協(xié)同作用被更加看好。各種類型的驅(qū)替劑相互作用產(chǎn)生的協(xié)同效果使驅(qū)替劑的濃度較小同時(shí)油水界面降低，這作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于單一驅(qū)油劑[9]。本次實(shí)驗(yàn)在研究聚表劑和納米催化劑在驅(qū)油中的主要作用以及提高采收率的同時(shí)，探究聚表劑和納米催化劑混合后，同時(shí)注入地層是否能同時(shí)發(fā)揮二者優(yōu)勢(shì)，并尋求最優(yōu)化的聚表劑-催化劑體系從而極大的提高原油采收率。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

平流泵、恒溫烘箱、蒸汽發(fā)生器、填砂管、活塞容器、壓力表若干、電子秤、回壓閥等。

1.2 實(shí)驗(yàn)條件

溫度：主烘箱180 ℃，副烘箱110 ℃；

飽和用水：模擬地層水、蒸餾水；

驅(qū)替劑：蒸餾水（蒸汽）、HB-BI聚表劑(濃度為0.5%)、納米催化劑（濃度為0.5%）；

實(shí)驗(yàn)用油：超稠油（180 ℃黏度為9.5 mPa·s）。

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

方案一：蒸汽驅(qū)至含水率98%；

方案二：1PV蒸汽驅(qū)＋1PV聚表劑（燜井4 h）＋1PV蒸汽驅(qū)＋1PV催化劑（燜井24 h）＋蒸汽驅(qū)至含水率98%；

方案三：1 PV蒸汽驅(qū)＋1.5 PV混合劑（燜井6 h）＋蒸汽驅(qū)至98%含水率。

1.4 實(shí)驗(yàn)步驟

1.4.1 填砂管抽空飽和

往填砂管內(nèi)均勻填砂，抽至真空后飽和水，測(cè)滲透率，飽和油。

1.4.2 蒸汽驅(qū)階段

采用一注一采井位[10]，把平流泵的流量設(shè)定為3 mL/min將蒸餾水注入蒸汽發(fā)生器（考慮到恒溫箱外管線的溫度流失將蒸汽發(fā)生器[11]溫度設(shè)定為220 ℃，主恒溫箱設(shè)定為180 ℃，副恒溫箱110 ℃，出口端回壓閥設(shè)定為1 MPa。蒸汽驅(qū)1 h即1 PV，每10 min在出口端取一組樣品，待油水分離后分別稱重計(jì)算含水率及采收率。

1.4.3 化學(xué)驅(qū)階段

將配置好的聚表劑和納米催化劑放置在副烘箱的中間容器中，將平流泵的流量設(shè)定為3 mL/min，采用一注一采井位按照方案中的要求進(jìn)行化學(xué)驅(qū)，入口端模擬注入井，出口端模擬生產(chǎn)井，每10 min在出口端取一組樣品，油水分離后分別稱重計(jì)算含水率及采收率。

1.4.4 后續(xù)蒸汽驅(qū)階段

采用一注一采井位，把平流泵的流量設(shè)定為3 mL/min將蒸餾水注入蒸汽發(fā)生器，方法同蒸汽驅(qū)階段，每10 min在出口端取一組樣品，驅(qū)替至含水率98%，目的是與蒸汽驅(qū)和化學(xué)驅(qū)做對(duì)比，觀察后續(xù)水驅(qū)的效果。

1.4.5 清洗實(shí)驗(yàn)儀器，結(jié)束實(shí)驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

在忽略滲透率、空隙體積有所差異的影響下，第一組實(shí)驗(yàn)單純注蒸汽驅(qū)油[12]其最終采收率為40%，其他幾組均注入了藥劑，可以看出其他幾組最終采收率皆有提高平均在20%左右，詳情見(jiàn)表1。說(shuō)明在復(fù)合驅(qū)替的過(guò)程中，聚表劑與納米催化劑存在協(xié)同效應(yīng)[13]，并且這種協(xié)同效應(yīng)強(qiáng)于單一驅(qū)替劑的作用，他們通過(guò)不同的作用機(jī)理改善驅(qū)替過(guò)程，提高原油采收率[14]，為進(jìn)一步探究其協(xié)同增效奠定基礎(chǔ)。

表1 模擬驅(qū)替實(shí)驗(yàn)結(jié)果

第一組實(shí)驗(yàn)為不添加任何化學(xué)驅(qū)替劑的蒸汽吞吐[15]實(shí)驗(yàn)，在蒸汽注入的初始階段啟動(dòng)壓力較高，隨著蒸汽的注入壓力略有降低并趨于平衡，但壓力始終處于一個(gè)較高的數(shù)值。蒸汽驅(qū)到含水率98%時(shí)，最終采收率為40%，詳情見(jiàn)圖1。

圖1 第一組模擬驅(qū)替實(shí)驗(yàn)

可以看出在不添加任何化學(xué)驅(qū)替劑的情況下蒸汽驅(qū)的效果并不理想，這也為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。

從圖2第二組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，第一次蒸汽驅(qū)1 PV后采收率為30%，從注入聚表劑開(kāi)始一直到蒸汽驅(qū)結(jié)束最終采收率接近55%，原油采收率提高25%。從采出油的狀態(tài)看，注入聚表劑后采出原油均有乳化現(xiàn)象，其乳狀液類型以油包水乳狀液[16]為主，對(duì)采出液需要進(jìn)行破乳脫水。這種現(xiàn)象體現(xiàn)出聚表劑的驅(qū)替機(jī)理是首先發(fā)揮調(diào)剖作用，從而擴(kuò)大波及體積，通過(guò)粘彈性[17]展現(xiàn)洗油效率，并且能夠有效降低流度比[18]。在注入納米催化劑的過(guò)程中注入壓力有明顯上升，反映出納米粒子催化劑的不穩(wěn)定性，溫度的升高導(dǎo)致了納米顆粒的膨脹，從而出現(xiàn)了空隙體積減小滲和透率減小的情況，導(dǎo)致注入壓力上升。從驅(qū)油效果和最終采收率來(lái)看，納米催化劑驅(qū)和后續(xù)蒸汽驅(qū)的驅(qū)油效果較差，采收率提高10%左右。對(duì)比第一組最終采收率提高20%左右，說(shuō)明在聚表劑擴(kuò)大波及體積和納米催化劑改善原油物性的協(xié)同作用下，無(wú)論是驅(qū)油效果還是最終采收率都有明顯的提高。

圖2 第二組模擬驅(qū)替實(shí)驗(yàn)

從圖3可以看出在注入按1∶1聚表劑和納米催化劑的混合劑過(guò)程中，注入壓力越來(lái)越高，說(shuō)明在注入混合劑的復(fù)合驅(qū)替過(guò)程中仍然出現(xiàn)了高溫導(dǎo)致納米顆粒膨脹的情況，使得空隙體積和滲透率下降，聚表劑和納米催化劑的混合并沒(méi)有改善納米顆粒在高溫下的不穩(wěn)定性。根據(jù)采出樣品的情況來(lái)看，采出液乳化情況相對(duì)于第二組實(shí)驗(yàn)較差并且出液量變少，聚表劑和納米催化劑的混合劑使得聚表劑濃度降低，乳化性下降，導(dǎo)致洗油效率下降。后續(xù)蒸汽驅(qū)[19]采收率56.2%，采收率提高16.2%。對(duì)比方案一來(lái)看洗油效率和最終采收率[20]都有所提高，但是對(duì)比方案二可以發(fā)現(xiàn)洗油效率和最終采收率都有所下降。聚表劑和納米催化劑1：1混合后，同時(shí)注入地層并不能完全發(fā)揮聚表劑擴(kuò)大波及體積和納米催化劑改善原油物性的效果，無(wú)法達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

圖3 第三組模擬驅(qū)替實(shí)驗(yàn)

3 結(jié)論

（1）聚表劑的乳化性和粘彈性在稠油熱采中對(duì)于提高采收率和洗油效率有明顯的作用。

（2）納米催化劑在高溫下的不穩(wěn)定性導(dǎo)致驅(qū)替過(guò)程中注入壓力不斷升高，其提高反應(yīng)速度且不改變化學(xué)平衡的特性在稠油熱采中起到一定的作用，對(duì)于最終采收率和洗油效率有小幅提升。

（3）聚表劑和納米催化劑混合注入后提高采收率16.2%，后續(xù)水驅(qū)效果一般，二者的協(xié)同作用沒(méi)有很好的表現(xiàn)出來(lái)，存在注入壓力上升和乳化性下降的問(wèn)題，建議改變催化劑或聚表劑濃度優(yōu)選出較好的驅(qū)油體系。

（4）結(jié)合二者的注入性，在稠油吞吐過(guò)程中需要發(fā)揮二者的優(yōu)勢(shì)，建議先注聚表劑擴(kuò)大波及體積，后注納米催化劑改善原油物性，最后蒸汽吞吐提高原油采收率。

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Evaluation on the Effect of Polymer-surfactant Nano-catalyst Flooding System

（College of Petroleum Engineering, Yangtze University, Hubei Wuhan 430100, China）

Polymer-surfactant flooding technology is a new oil displacement technology with profile control and displacement, improving three properties of viscosity, viscoelasticity and emulsification can improve oil recovery. Nano-catalyst materials in the petrochemical industry can improve product structure, quality and yield. In this paper, the main role of polymer-surfactant and nano-catalyst in heavy oil thermal recovery was studied as well as their effect for improving oil recovery. After they were mixed and injected into the formation together, the synergistic action was investigated, the optimal polymer-surfactant catalyst flooding system was determined to greatly improve the oil recovery. The injectivity of nano-catalyst is good, the flow control effect of the polymer-surfactant is strong, so polymer-surfactant should be first injected to extend swept volume, and then nano-catalyst should be injected to improve physical properties of crude oil, final steam stimulation can improve single well throughput.

Polymerization agent; Nano catalyst; Heavy oil thermal recovery; Enhanced oil recovery

TE 357

A

1671-0460（2017）12-2490-03

2017-05-06

賀皓楠（1992-），男，湖北省潛江市人，研究生在讀，研究方向：油氣開(kāi)采理論與工藝技術(shù)。E-mail：superhhn163@.com。