耐溫型分子膜驅(qū)油劑性能評價(jià)及應(yīng)用

王鵬濤，趙 琪，王小軍，張 旭，王 勇，劉學(xué)偉，趙玉東

（1延長油田股份有限公司杏子川采油廠2青海油田公司采油四廠3青海油田公司采油一廠4中國石油大港油田石油工程研究院）

王鵬濤等.耐溫型分子膜驅(qū)油劑性能評價(jià)及應(yīng)用.鉆采工藝，2019，42（5）：91-94

分子膜驅(qū)油技術(shù)是一種新型的納米膜驅(qū)油技術(shù)，其驅(qū)油機(jī)理和傳統(tǒng)的化學(xué)驅(qū)有所不同，分子膜以水溶液為介質(zhì)，通過離子間的靜電引力作用吸附在儲層巖石的表面，形成一層單分子膜，從而改變巖石表面潤濕性，可以降低原油與儲層巖石表面的粘附力，使原油易于從儲層孔隙表面剝離開來，達(dá)到提高采收率的目的［1-7］。

分子膜驅(qū)油技術(shù)具有驅(qū)油效率高、易施工、費(fèi)用低和對地層無傷害的特點(diǎn)，具備良好的發(fā)展前景。近年來，國內(nèi)學(xué)者對分子膜驅(qū)油劑的研究較多，主要集中在分子膜驅(qū)油劑的吸附及潤濕特性、驅(qū)油機(jī)理及現(xiàn)場應(yīng)用方面［8-13］，但對于分子膜驅(qū)油劑的抗溫性能研究報(bào)道較少，在中高溫油藏的應(yīng)用中，需要考慮分子膜驅(qū)油劑的抗溫能力。本文針對一種耐溫型分子膜驅(qū)油劑進(jìn)行了室內(nèi)性能評價(jià)，并開展了礦場應(yīng)用試驗(yàn)，為分子膜驅(qū)油技術(shù)在此類型油藏的應(yīng)用提供了一定的借鑒。

一、實(shí)驗(yàn)部分

1.實(shí)驗(yàn)試劑與儀器

1.1 主要實(shí)驗(yàn)試劑

硝酸銀、環(huán)氧氯丙烷、二甲胺，均為分析純；模擬地層水（礦化度為35 520 mg／L）；地層原油（密度為0.82 g／cm3，25℃時(shí)黏度為6.85 mPa·s）；儲層天然巖心；耐溫型分子膜驅(qū)油劑，自制（有效成分聚合陽離子型季銨鹽的濃度為60%）。

1.2 主要實(shí)驗(yàn)儀器

JZ-200系列自動界面張力儀；HARKE-SPCA視頻接觸角測量儀；巖心抽真空飽和裝置；多功能巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)裝置。

2.實(shí)驗(yàn)方法

2.1 表面張力測定

使用模擬地層水配制不同濃度（0、1 000、3 000和5 000 mg／L）的分子膜驅(qū)油劑溶液，在25℃下使用JZ-200系列自動界面張力儀測定溶液的表面張力。

2.2 耐溫性能評價(jià)

耐溫型分子膜驅(qū)油劑屬于聚合陽離子型季銨鹽，陽離子度是影響其性能的一個(gè)重要參數(shù)。陽離子度表示陽離子單元在聚合物分子鏈中所占的摩爾分?jǐn)?shù)，如果聚合物的耐溫性能較差，隨著溫度的升高，聚合物分子鏈發(fā)生部分?jǐn)嗔?，一部分陽離子單元從聚合物分子鏈上脫落，導(dǎo)致聚合物的陽離子度下降。所以，室內(nèi)可以通過測定分子膜驅(qū)油劑在不同溫度下的陽離子度變化情況，考察分子膜驅(qū)油劑的耐溫性能。摩爾滴定法測定不同濃度耐溫型分子膜驅(qū)油劑在不同溫度下老化24 h后的陽離子度［14］。根據(jù)式（1）計(jì)算出分子膜驅(qū)油劑的陽離子度CD：

式中：c—AgNO3標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度，mol／L；

v—試樣所消耗的AgNO3標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積，L；

m—滴定實(shí)驗(yàn)時(shí)不同試樣溶液中含有的分子膜驅(qū)油劑的質(zhì)量，g；

M1—環(huán)氧氯丙烷的相對分子質(zhì)量，為92.52；

M2—二甲胺的相對分子質(zhì)量，為45.08。

2.3 潤濕性能評價(jià)

取三塊天然巖心切片，其中一塊處理成強(qiáng)親水，另一塊處理成強(qiáng)親油，最后一塊不做任何處理。使用OCA15EC型視頻光學(xué)接觸角測量儀分別測定不同濃度的分子膜驅(qū)油劑溶液在不同巖心切片上的接觸角，評價(jià)分子膜驅(qū)油劑的潤濕性能。

2.4 吸附性能評價(jià)

使用模擬地層水配制不同濃度的分子膜驅(qū)油劑溶液，選用洗凈烘干的100～120目鉆屑，將鉆屑與分子膜溶液按質(zhì)量比為1∶20進(jìn)行混合，置于恒溫振蕩水浴鍋中，在儲層溫度下恒溫不同時(shí)間，用分光光度法測定分子膜驅(qū)油劑在巖石表面上的吸附量，評價(jià)分子膜驅(qū)油劑的吸附性能［15］。

2.5 防膨性能評價(jià)

參照石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY／T 5971-2016《油氣田壓裂酸化及注水用粘土穩(wěn)定劑性能評價(jià)方法》測定不同濃度分子膜驅(qū)油劑溶液的防膨性能，具體實(shí)驗(yàn)步驟為：使用模擬地層水配制不同濃度（0、1 000、3 000和5 000 mg／L）分子膜驅(qū)油劑溶液，備用。稱取0.5 g鈉膨潤土（精確至0.01 g），裝入10 mL離心管中，加入10 mL不同濃度的分子膜驅(qū)油劑溶液，充分搖勻，在室溫下放置2 h，放入離心機(jī)中，在轉(zhuǎn)速為1 500 r／min下離心15 min，讀出鈉膨潤土膨脹后的體積V1。使用蒸餾水和煤油代替分子膜驅(qū)油劑溶液，重復(fù)以上步驟，測定鈉膨潤土在蒸餾水和煤油中的膨脹體積V2和V0，計(jì)算防膨率B＝（V2-V1）／（V2-V0）×100%。

2.6 驅(qū)油效果評價(jià)

（1）選取目標(biāo)儲層天然巖心洗油后烘干，飽和模擬地層水，計(jì)算巖心的孔隙體積和孔隙度。

（2）將處理后的巖心裝入驅(qū)替裝置中，加熱至儲層溫度，加圍壓，使用儲層原油驅(qū)替至束縛水狀態(tài)，并在儲層溫度下恒溫24 h。

（3）在相同溫度和圍壓條件下使用模擬地層水驅(qū)替巖心，直至沒有油滴產(chǎn)出，計(jì)算水驅(qū)油效率Rw。

（4）注入2 PV不同濃度的耐溫型分子膜驅(qū)油劑溶液后，關(guān)閉驅(qū)替流程，在儲層溫度下使巖心吸附反應(yīng)24 h。

（5）繼續(xù)使用模擬地層水驅(qū)替至含水率100%，停止實(shí)驗(yàn)，計(jì)算最終驅(qū)油效率Rt。

二、結(jié)果與討論

1.表面張力

按照表面張力測試的實(shí)驗(yàn)方法，在25℃下使用JZ-200系列自動界面張力儀測定溶液的表面張力，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 分子膜驅(qū)油劑的表面張力測定結(jié)果

由表1實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，隨著分子膜驅(qū)油劑溶液濃度的升高，溶液的表面張力呈下降趨勢，但是降低幅度不大，均在一個(gè)數(shù)量級上。所以認(rèn)為該分子膜驅(qū)油劑具有一定的表面活性，但不屬于表面活性劑。

2.耐溫性能

按照耐溫性能評價(jià)的實(shí)驗(yàn)方法，分別測定濃度為1 000 mg／L、3 000 mg／L和5 000 mg／L的分子膜驅(qū)油劑溶液在25℃、50℃、70℃、90℃和120℃下老化24 h后的陽離子度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 分子膜驅(qū)油劑耐溫性能評價(jià)結(jié)果

由表2實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在25℃～120℃下老化24 h后，測定分子膜驅(qū)油劑的陽離子度基本沒有變化，這是由于耐溫型分子膜驅(qū)油劑的結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，在高溫下聚合物分子鏈基本沒有斷裂，陽離子單元損失較少，所以陽離子度變化較小，說明該分子膜驅(qū)油劑的耐溫性能較好。當(dāng)溫度升高至130℃時(shí)，陽離子度明顯下降，表明該分子膜驅(qū)油劑適合應(yīng)用于130℃以下溫度的儲層。

3.潤濕性

按照濕潤性能評價(jià)的實(shí)驗(yàn)方法，分別測定不同濃度分子膜驅(qū)油劑在不同巖心切片上的接觸角，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 不同濃度分子膜驅(qū)油劑在不同巖心切片上的接觸角

由表3實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，不同濃度的分子膜驅(qū)油劑均可以降低水在不同潤濕性質(zhì)的巖心切片上的接觸角（潤濕角），使巖石表面更加親水。這是由于分子膜驅(qū)油劑中含有陽離子基團(tuán)和疏水基，通過水溶液作為傳遞介質(zhì)，依靠較強(qiáng)的離子間靜電作用力，使分子膜沉積吸附在巖心切片表面形成一層牢固的單分子層納米膜，同時(shí)分子膜側(cè)鏈上伸展的親水基團(tuán)排列能使巖石表面具有親水性，從而能夠使巖心切片表面潤濕性向親水方向轉(zhuǎn)變。在實(shí)際應(yīng)用中可以降低原油與儲層巖石表面之間的粘附力，使原油易于被驅(qū)出地層，達(dá)到提高采收率的目的。

4.吸附量

按照吸附性能評價(jià)的實(shí)驗(yàn)方法，測定不同濃度分子膜驅(qū)油劑在巖石表面上的吸附量，見圖1。

圖1 分子膜驅(qū)油劑不同時(shí)間下在鉆屑上的吸附量

由圖1結(jié)果可以看出，不同濃度分子膜驅(qū)油劑在鉆屑上的吸附量隨著時(shí)間的延長而逐漸增大，當(dāng)吸附時(shí)間為15 h以后，吸附量逐漸趨于穩(wěn)定。另外，當(dāng)分子膜驅(qū)油劑濃度達(dá)到3 000 mg／L以后，隨著分子膜驅(qū)油劑濃度的增加，吸附量基本不再變化，說明分子膜在固相界面上的吸附量已經(jīng)達(dá)到飽和，飽和吸附量達(dá)到15 mg／g以上，吸附量較大。這是由于耐溫型分子膜驅(qū)油劑屬于聚合陽離子型季銨鹽，陽離子度較高，與鉆屑之間具有較強(qiáng)的陽離子交換吸附能力，分子間以氫鍵作用力結(jié)合，從而可以在巖石表面形成一層分子膜，改變巖石表面性質(zhì)和原油的存在狀態(tài)，有利于提高原油采收率。

5.防膨性

按照防膨性能評價(jià)的實(shí)驗(yàn)方法，測定模擬地層水和不同濃度分子膜驅(qū)油劑溶液的防膨性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 不同濃度分子膜驅(qū)油劑的防膨率

由表4實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，分子膜驅(qū)油劑濃度達(dá)到3 000 mg／L時(shí)，其防膨率可以達(dá)到90%左右，具有良好的防膨性能。這是由于分子膜驅(qū)油劑具有較強(qiáng)的吸附在黏土表面的能力，其在黏土表面大量吸附以后，會阻止水溶液與黏土礦物之間的陽離子交換，使水分子不容易進(jìn)入到黏土礦物的晶格中，從而表現(xiàn)出較好的防止黏土水化膨脹的能力［16］。另外，分子膜中的陽離子基團(tuán)能夠中和黏土表面的負(fù)電荷，減少其負(fù)電性，通過壓縮黏土顆粒的雙電層來抑制黏土顆粒的水化分散作用。在現(xiàn)場驅(qū)油過程中，無需單獨(dú)添加防膨劑，可以達(dá)到節(jié)約成本的目的。

6.驅(qū)油效率

按照驅(qū)油效果評價(jià)中的實(shí)驗(yàn)方法分別測定濃度為1 000 mg／L、3 000 mg／L和5 000 mg／L的分子膜驅(qū)油劑溶液的驅(qū)油效率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 不同濃度分子膜驅(qū)油劑驅(qū)油效率

由表5實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，水驅(qū)后注入2 PV的不同濃度分子膜驅(qū)油劑后，均可以提高最終驅(qū)油效率。通過比較不同濃度分子膜驅(qū)油劑的驅(qū)油效率，并綜合考慮經(jīng)濟(jì)因素，認(rèn)為分子膜驅(qū)油劑濃度為3 000 mg／L時(shí)最為合適，其驅(qū)油效率的增幅較為明顯，可使水驅(qū)后的采收率提高11%以上，最終采收率達(dá)到67%左右，增油效果顯著。

三、礦場應(yīng)用

陸上某油田M區(qū)塊屬于中低滲儲層，泥質(zhì)含量較高（8.6%），儲層溫度較高（106℃）。區(qū)塊內(nèi)目前共有油井19口，水井10口，由于長期采用注水開發(fā)，已進(jìn)入中高含水期，注水開發(fā)效果不理想。

為進(jìn)一步提高該區(qū)塊水驅(qū)開采效果，開展了耐溫型分子膜驅(qū)油技術(shù)研究及應(yīng)用，結(jié)合室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果和現(xiàn)場實(shí)際情況，對區(qū)塊內(nèi)中心區(qū)域的3口注水井進(jìn)行注耐溫型分子膜驅(qū)油劑現(xiàn)場試驗(yàn)，注入濃度為3 000 mg／L，累積注入耐溫型分子膜驅(qū)油劑4.5 t。采取施工措施30 d后，對應(yīng)的兩口油井（M-3井和M-9井）產(chǎn)液量和產(chǎn)油量均有大幅提高，并且有效期較長，累計(jì)增油均達(dá)到500 t以上。具體應(yīng)用效果統(tǒng)計(jì)見表6。

四、結(jié)論

（1）室內(nèi)對耐溫型分子膜驅(qū)油劑的性能進(jìn)行了評價(jià)，結(jié)果表明，該分子膜驅(qū)油劑的陽離子度較高，耐溫性能較好，與儲層巖石表面的吸附作用較強(qiáng)，形成沉積膜后，能顯著改變巖石表面的潤濕性，使其親水性增強(qiáng)，并且具有良好的防膨性能，從而有利于提高原油采收率。

（2）驅(qū)油實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)耐溫型分子膜驅(qū)油劑濃度為3 000 mg／L時(shí)，可在原來水驅(qū)的基礎(chǔ)上，使驅(qū)油效率提高11%以上。

（3）通過對M區(qū)塊中心區(qū)域內(nèi)3口注水井注入耐溫型分子膜驅(qū)油劑試驗(yàn)，在施工措施30 d后，對應(yīng)油井產(chǎn)能大幅度提高，有效期達(dá)250 d左右，單井累計(jì)增油達(dá)到500 t以上，增油效果顯著，具有良好的推廣應(yīng)用前景。