冀東低滲透油藏降壓增注劑的性能評價與應(yīng)用*

劉 京，劉 彝，李良川，王金忠，張 霞，唐 聰

（1.中國石油冀東油田公司鉆采工藝研究院，河北 唐山 063002；2.中國石油天然氣集團(tuán)公司油田化學(xué)重點實驗室，北京 100083）

冀東高尚堡油田地質(zhì)儲量7627.8 萬噸，其中淺層儲量為2730 萬噸，中深層、深層儲量為4897.8 萬噸，絕大多數(shù)儲量屬于中、低滲地質(zhì)儲量。中、低滲透儲層開發(fā)中，注水開發(fā)技術(shù)是高尚堡油田重要的采油措施。高尚堡深層油藏主要以砂巖為主，油藏埋深3100數(shù)4000 m，平均孔隙度14.7%，平均滲透率6.59×10-3μm2，屬于中孔低滲儲層。儲層孔隙結(jié)構(gòu)特征總體表現(xiàn)為中孔細(xì)喉型，平均孔喉半徑1.22 μm、喉道分布不集中、喉道半徑差異較大，主要表現(xiàn)為中等偏弱水敏、強速敏、弱酸敏、中等偏弱堿敏、中等偏弱鹽敏［1］。注水開發(fā)過程中，注水壓力抬升快，高壓欠注問題嚴(yán)重，給油田有效開發(fā)帶來了很大的難度。低滲透油藏降壓增注技術(shù)主要有兩類［2-7］：一是通過改善儲層改造即酸化、壓裂等措施來實現(xiàn)降壓增注［8］；二是通過儲層表面改性即活性降壓增注［9-10］?；钚越祲涸鲎⑹墙陙淼蜐B透油藏實現(xiàn)降壓增注的有效方法之一，目前已成為低滲透油藏降壓增注的支撐技術(shù)。

在活性降壓增注中研究應(yīng)用較多的有單一型表面活性劑（以陰離子、非離子、兩性表面活性劑為主）、復(fù)配型表面活性劑及其雙子表面活性劑。近幾年來針對陽離子表面活性劑的研究較多，其優(yōu)勢主要表現(xiàn)在具有較強的吸附作用，可以通過靜電吸附在儲層表面，從而改變儲層的表面性質(zhì)。由于吸附性強，對實現(xiàn)長效降壓增注具有重要意義。陽離子表面活性劑也有其自身缺陷，通常對區(qū)塊原油難以形成超低界面張力，對原油的增溶作用較差。同時由于活性降壓增注具有選擇性、適應(yīng)性，油藏性質(zhì)，注入水性質(zhì)、原油性質(zhì)等對區(qū)塊應(yīng)用效果的影響很大。降壓增注劑設(shè)計要求為：（1）帶有正電荷，通過化學(xué)鍵作用自發(fā)吸附在固/液或氣/固界面上，形成熱力學(xué)穩(wěn)定和能量最低的緊密有序的二維納米級的超薄膜，化學(xué)鍵包括共價鍵或者非共價鍵弱相互作用力（如氫鍵、范德華力、靜電力、疏水作用力、吸附作用）；（2）改變潤濕性，除了要求增注劑本身帶正電荷外，為了降低低滲透砂巖油藏的注水摩阻，需要把儲層巖石表面變成弱水濕；（3）高表面活性，由于增注劑溶液注入、吸附過程中，不可避免的會有增注劑流向水驅(qū)前緣，如果增注劑同時具有高表面活性，就可以實現(xiàn)減阻驅(qū)油一體化。筆者結(jié)合冀東低滲透油藏特性及前期試驗情況，自制陽離子-非離子表面活性劑降壓增注體系JDZC，研究了JDZC增注劑的各項性能并進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

十二烷基三甲基氯化銨、烷基聚氧乙烯基/丙烯基烷基溴化銨、十二烷基二甲基甜菜堿（BS-12）、石油磺酸鹽、3種脂肪醇聚氧乙烯醚類表面活性劑、烷基胺，工業(yè)品，上海金山經(jīng)緯化工有限公司；乙醇、環(huán)氧氯丙烷、乙醚、石油醚、氯化銨，分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；冀東高尚堡油田注入水礦化度2096 mg/L、pH 值為7.0、NaHCO3型，采出水礦化度2606 mg/L、pH 值為6.8、NaHCO3型，離子組成見表1；高尚堡深層采出油屬常規(guī)原油，原油密度0.81數(shù) 0.92 g/cm3、地面原油黏度5.98數(shù) 43.59 mPa·s、含硫0.08%數(shù)0.3%、膠質(zhì)瀝青質(zhì)含量15.8%數(shù)24.7%、含蠟量6.6%數(shù)22.3%、注水區(qū)塊凝固點為31數(shù)35℃；高尚堡低滲透油藏天然巖心。

Kruss型全自動表界面張力儀，德國Krüss公司；X-500C旋液滴表界面張力測試儀，美國科諾工業(yè)有限公司；巖心流動試驗裝置，海安石油科研儀器有限公司；傅里葉變換紅外光譜儀，德國布魯克公司。

表1 高尚堡油藏注入水與采出水離子組成

1.2 實驗方法

（1）增注劑的制備

①主劑B 環(huán)氧丙基三季銨鹽的合成：向裝有攪拌器、滴液漏斗和冷凝回流裝置的三口燒瓶中加入一定量的環(huán)氧氯丙烷及乙醇溶劑，不斷攪拌并用滴液漏斗滴加一定量的烷基胺，控制一定的滴加速度，同時加熱至80℃，恒溫反應(yīng)數(shù)小時后停止反應(yīng)。將所得產(chǎn)物減壓蒸餾，以除去溶劑，然后用無水乙醚洗滌，離心分離，盡可能除去產(chǎn)品中環(huán)氧氯丙烷等雜質(zhì)。將離心后的產(chǎn)品置于表面皿中，放入真空干燥箱中于20℃下真空干燥12 h。②JDZC 增注劑的合成：稱取一定質(zhì)量的A 劑（見2.1 節(jié)）和等摩爾質(zhì)量的B劑于三口燒瓶中，攪拌后在45℃下反應(yīng)一定時間，即得減阻增注劑。

（2）臨界膠束濃度及表界面張力的測定

用油田注入水配制質(zhì)量濃度（c）為100數(shù)3000 mg/L 的JDZC 溶液，在室溫下用全自動表界面張力儀測定溶液的表面張力σ，由σ—c 曲線確定溶液的臨界膠束濃度（ccmc）。在70℃下，用旋液滴表界面張力測試儀測定冀東高尚堡油田原油與注入水配制的不同濃度的JDZC溶液的界面張力。

（3）乳化性能測定

用定量恒溫量筒量取用注入水配制的增注劑溶液和冀東高尚堡脫水原油，溶液與原油的體積比為7∶3。在70℃下設(shè)定一定速率（3000 r/min）攪拌，30 min 內(nèi)觀察原油能否分散在溶液中形成均勻相，若原油在30 min 內(nèi)溶入水相，則降低轉(zhuǎn)速25 r/min繼續(xù)攪拌，否則提高轉(zhuǎn)速25 r/min繼續(xù)攪拌，直到找出原油在溶液中分散所需的最小轉(zhuǎn)速。

（4）接觸角的測定

采用Washburn 法［11］測定冀東低滲透油藏儲層巖心經(jīng)不同濃度表面活性劑溶液處理后的接觸角。將100數(shù)120 目（0.15數(shù)0.125 mm）的巖心洗油（用石油醚）后在105℃下干燥至恒重，放在干燥器中備用。配制不同濃度的JDZC 增注劑溶液，稱取干凈的巖心倒入溶液中，液固質(zhì)量比50∶7。攪拌均勻后將置于空氣振蕩器中振蕩48 h，取出巖心烘干。稱取6 g 處理好的巖心分兩次裝入玻璃管中，玻璃管端口用脫脂棉封堵，均勻振動，壓實，使巖心管每次的填充高度相同以保證巖心的堆積密度恒定。將巖心管放在支架上并保持與地面垂直，當(dāng)巖心管剛一接觸液面時開始記時，記錄液面上升的高度H與對應(yīng)的時間t。測定裝置如圖1所示。在t時間內(nèi)液體流過的高度H服從Washburn方程：

式中，H—液體在毛細(xì)管中的上升高度，m；γ—液體表面張力，mN/m；θ—接觸角，°；η—液體黏度，mPa·s；r—毛細(xì)管半徑，m；t—液體上升的時間，s。根據(jù)H數(shù)t的關(guān)系計算接觸角θ。

圖1 接觸角測定裝置示意圖

（5）耐溫性能

將JDZC 增注劑在一定溫度下加熱48 h，然后用地層水配制成1000 mg/L 的溶液，測定其表（界）面張力、接觸角和乳化能力。

（6）降壓增注巖心實驗

取高尚堡主力層段巖心，按石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5358—2010《儲層敏感性流動實驗評價方法》進(jìn)行鉆取。實驗分為兩部分：①測定其活性降壓增注實驗（通過消除殘余油來提高注入水流動能力、降低注水壓力）：巖心未經(jīng)洗油，直接飽和3%氯化銨溶液，用經(jīng)0.45 μm 濾膜過濾的油田注入水在一定流速下測定初始壓力、滲透率，注入一定量1000 mg/L 增注劑溶液，穩(wěn)定10 h，繼續(xù)用過濾的油田注入水測其壓力、滲透率。②測定其降壓增注能力：將鉆取好的標(biāo)準(zhǔn)巖心按標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5358—2010洗油后，按與①相同的步驟進(jìn)行后續(xù)實驗。

2 結(jié)果與討論

2.1 表面活性劑的篩選

高尚堡低滲透油藏天然巖心以砂巖為主，顆粒分選中等-差，磨圓以次圓-次棱為主，部分呈棱角狀-次棱狀，膠結(jié)類型以接觸式為主，填隙物多為泥質(zhì)（10.0%）和碳酸鹽礦物（2.2%），黏土礦物相對含量主要以伊/蒙混層主（49.4%）和綠泥石（26.6%）為主、高嶺石（16.8%）和伊利石（6.1%）次之，儲層表面帶負(fù)電荷。因此，降壓增注劑需要帶正電荷以消除注水邊界層的影響；同時需帶有疏水基團(tuán)，以改變巖石表面潤濕性，降低注水摩阻。減阻增注劑對高尚堡低滲油藏的油水界面張力達(dá)到10-2mN/m 時，有利于消除孔喉的堵塞。消除邊界層、改善潤濕性和降低界面張力三者協(xié)同作用實現(xiàn)減阻增注。

4 類、7 種表面活性劑溶液（1000 mg/L）與高尚堡低滲透油藏不同斷塊3種原油（3種原油屬于同一區(qū)塊、不同斷塊，原油性質(zhì)區(qū)別較?。╅g的界面張力見表2。同一種表面活性劑和不同產(chǎn)地原油間的界面張力差別很大，說明表面活性劑的選擇性較強。非離子-2型表面活性劑與3種原油間的界面張力均較低，故選擇非離子-2型的表面活性劑為主劑A。

表2 不同表面活性劑與原油間的界面張力

2.2 增注劑結(jié)構(gòu)表征

JDZC增注劑合成產(chǎn)物的紅外光譜圖（圖2）中，1635 cm-1處出現(xiàn)了C—N 的中強特征吸收峰；1149 cm-1和917 cm-1處分別出現(xiàn)了C—O—C醚鍵的伸縮振動峰；2923 cm-1和2853 cm-1處分別出現(xiàn)了—CH2—的不對稱伸縮振動峰和對稱伸縮振動峰；1468 cm-1處出現(xiàn)了—CH2—的不對稱變形振動峰；720 cm-1處的峰消失，說明C—Cl 發(fā)生取代反應(yīng)，游離出氯離子。紅外表征結(jié)果與增注劑的設(shè)計結(jié)構(gòu)相符。

圖2 JDZC增注劑的紅外光譜圖

2.3 表、界面張力及ccmc值

100、300、500、800、1000、2000、3000 mg/L JDZC溶液的表面張力分別為42.3、30.5、28.0、27.6、27.4、27.3、27.4 mN/m。隨著 JDZC 溶液濃度的升高，表面張力不斷降低并逐漸穩(wěn)定。1000 mg/L 為其臨界膠束濃度。

在注水過程中，增注劑較低的表界面張力有利于改變儲層潤濕性，對原油具有較好的溶解能力，有利于實現(xiàn)降壓增注。JDZC濃度對油水界面張力的影響見圖3。隨著JDZC濃度的增加，高尚堡3種原油油水界面張力明顯降低，當(dāng)質(zhì)量濃度為1000 mg/L 時，油水界面張力最低為0.02 mN/m。JDZC加量為1000數(shù)數(shù)5000 mg/L時，濃度對油水界面張力的影響較小，界面張力趨于平穩(wěn)。JDZC 適宜的加量為1000 mg/L。

圖3 增注劑加量對油水界面張力的影響

2.4 增注劑的乳化能力

在注水過程中，增注劑對區(qū)塊原油有較強的乳化能力，可以使儲層中原有的非連續(xù)的油包水乳液狀態(tài)轉(zhuǎn)變成微乳液中的連續(xù)液相，大大提高流度比，從而降低注入壓力，同時可以解除注水過程中的油污污染。500、1000、2000、3000、5000、8000 mg/L JDZC 增注劑與原油形成均勻相所需的最小轉(zhuǎn)速分別為 700、625、450、450、425、400 r/min。隨著JDZC加量的增大，原油乳化所需的轉(zhuǎn)速明顯降低，說明JDZC濃度越高，乳化能力越強。

2.5 增注劑對巖心接觸角的影響

在注水過程中，潤濕能力對注水摩阻具有重要的影響，當(dāng)儲層表面變?yōu)槿跛疂窦唇佑|角接近90°時，注水摩阻達(dá)到最低。巖心經(jīng)500、1000、2000、3000、5000 mg/L JDZC增注劑處理后的接觸角分別為78°、85°、85°、87°、87°。隨著增注劑濃度的增加，接觸角增大并逐漸接近90°。

2.6 耐溫性能

溫度對1000 mg/LJDZC 增注劑溶液性能的影響見表3。JDZC 的耐溫性良好，130℃內(nèi)的性能參數(shù)基本與常溫下的一致。

表3 溫度對JDZC增注劑溶液性能的影響

2.7 降壓增注能力

1000 mg/L JDZC 增注劑對高尚堡低滲透天然巖心驅(qū)替前后的水驅(qū)壓力變化見表4。由表4可見，JDZC 增注劑可降低驅(qū)替壓力，驅(qū)替壓力降幅約為30%。

未經(jīng)洗油巖心實驗經(jīng)過增注劑處理后，壓力由1.5 MPa 降至1.35 MPa，壓力降低了10%，滲透率由4.4×10-3μm2增至7.5×10-3μm2，滲透率上升了70%；洗油的巖心經(jīng)過增注劑處理后壓力由0.84 MPa 降至0.62 MPa，降壓幅度為26%，滲透率由7.5×10-3μm2增至10.5×10-3μm2，上升了40%。當(dāng)注水量不變時，增注劑處理后，注水壓力下降，巖心滲透率增加，由達(dá)西定律［12］可以反推出增注劑處理后，巖心的滲透率增加，在注水壓力不變的情況下，且?guī)r心的截面積、長度是不變的，即注水量就會增加?？梢奐DZC增注劑既可以通過洗掉殘余油降低注水壓力、又可以通過改變巖石表面潤濕性降低注水摩阻，進(jìn)一步降低注水壓力。

表4 巖心流動降壓增注實驗數(shù)據(jù)

2.8 現(xiàn)場應(yīng)用

在室內(nèi)實驗的基礎(chǔ)上，于2017年12月在高5斷塊高36-32 井進(jìn)行現(xiàn)場試驗（表5）。該井油藏埋深3600 m，滲透率5.4×10-3μm2，平均孔隙度15%，泥質(zhì)含量11%。正常注水時注水油壓32 MPa，日注20 m3，用JDZC 增注劑處理后該井注水壓力降至25 MPa，日注量保持在20 m3，有效期達(dá)一年以上。隨后陸續(xù)在高尚堡油田G5、G3102、G12 等低滲斷塊推廣應(yīng)用，到2018年底共計應(yīng)用38 口井，有效率達(dá)到94%，注水井初期注水壓力平均下降8.5 MPa，階段有效期超過6個月，平均單井增注超過2×103m3，累計增注2.3×104m3。從部分井現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)（表5）可見，實施增注后，注水效果明顯得到改善，注水壓力降低，注水量增加，滿足配注要求，改善了冀東高尚堡低滲透油藏注水難題。

表5 冀東高尚堡油田部分井現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

用聚氧乙烯醚類非離子表面活性劑和環(huán)氧丙基三季銨鹽制得的JDZC 減阻增注劑具有較低的表、界面張力，對冀東原油具有較強的乳化能力，耐溫130℃。JDZC 增注劑對冀東高尚堡主力層巖心有較好的降壓增注效果。在高尚堡低滲透斷塊推廣應(yīng)用中，共計實施38井次，有效率達(dá)到94%，注水井初期注水壓力平均下降8.5 MPa，階段有效期超過6個月，累計增注2.3×104m3。