稠油活化劑降黏機(jī)理及驅(qū)油效果研究

王旭東，張 健，施雷庭，趙 娟，楊 光，梁旭偉

(1.海洋石油高效開發(fā)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100028；2.中海石油(中國)有限公司北京研究中心，北京 100028；3.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610500)

0 引 言

稠油資源在渤海油田總儲(chǔ)量中占據(jù)十分重要的地位，其水驅(qū)開發(fā)的標(biāo)定采收率約為20%。針對(duì)原油黏度低于70 mPa·s的普通稠油油藏，采用聚合物驅(qū)技術(shù)在綏中36-1、旅大10-1和錦州9-3油田獲得較好的提高采收率效果，可在水驅(qū)基礎(chǔ)上增加5～7個(gè)百分點(diǎn)[1-6]；對(duì)于原油黏度大于1 000 mPa·s的稠油油藏，通過降黏方法如蒸汽吞吐或蒸汽驅(qū)能獲得較好的提高采收率效果，但目前常用的稠油降黏劑對(duì)原油黏度為150～1 000 mPa·s的常規(guī)可流動(dòng)稠油降黏效果不顯著，而在該類油藏進(jìn)行海上蒸汽吞吐又存在經(jīng)濟(jì)效益問題。為此，研發(fā)了一種高分子稠油活化劑[7-8],通過修飾丙烯酰胺分子長鏈，增加驅(qū)替相黏度、降低油水之間的界面張力；同時(shí)，稠油活化劑能拆解稠油中的膠體結(jié)構(gòu)，降低原油黏度[9-11]。

在原油黏度為150～350 mPa·s的稠油中，膠質(zhì)、瀝青質(zhì)和金屬卟啉等組分之間互相締合，使稠油很難在較小外力作用下被破壞，為了進(jìn)一步明確稠油活化劑的降黏機(jī)理，需要從分子層面研究其對(duì)稠油組分的作用效果。耗散粒子動(dòng)力學(xué)方法(DPD)作為較成熟的介觀層面的分子模擬手段，是通過模擬粒子之間施加的作用力，來求解牛頓運(yùn)動(dòng)方程描述體系的運(yùn)動(dòng)情況。針對(duì)稠油活化劑與原油組分的相互作用，DPD在時(shí)間與空間尺度上與其有很高的契合度，因此，結(jié)合室內(nèi)微觀實(shí)驗(yàn)和DPD模擬技術(shù)，從分子尺度闡明稠油活化劑對(duì)原油重質(zhì)組分的作用效果，為稠油活化劑的現(xiàn)場應(yīng)用以及結(jié)構(gòu)改進(jìn)等提供理論指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

稠油活化劑，相對(duì)分子質(zhì)量為600×104，通過修飾丙烯酰胺骨架，添加調(diào)控分子親疏水性單體、高位阻側(cè)基和Gemini型兩親功能單體合成；部分水解聚丙稀酰胺HPAM，相對(duì)分子質(zhì)量為1 100×104；實(shí)驗(yàn)用驅(qū)油體系均預(yù)先通過吳茵攪拌器1檔剪切20 s，以模擬近井的剪切作用，濃度為1 600 mg/L的稠油活化劑剪切后黏度為25.8 mPa·s，同時(shí)，油水界面張力從38.00 mN/m 降至1.85 mN/m。渤海S油田原油，65 ℃下地面脫氣原油黏度為250 mPa·s；渤海油田模擬注入水，總礦化度為9 374.12 mg/L，水質(zhì)組成見表1。

表1 渤海油田注入水水質(zhì)組成

實(shí)驗(yàn)儀器主要包括Brookfield DV-Ⅲ黏度計(jì)、恒溫烘箱、高精度電子天平、X射線衍射儀、驅(qū)替用微量ISCO泵、吳茵攪拌器、紫外可見分光光度計(jì)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

(1) 稠油活化劑降黏能力測(cè)定。將黏度為250 mPa·s的原油與1 600 mg/L的稠油活化劑按不同比例混合，在轉(zhuǎn)速為400 r/min下攪拌4 min后，測(cè)定混合物在65 ℃下的黏度。

(2) 瀝青質(zhì)聚集體拆解分散實(shí)驗(yàn)。從原油中提取出瀝青質(zhì)組分，將瀝青質(zhì)以5 mg/mL的濃度溶解于甲苯，然后按照1∶9比例與不同驅(qū)油體系(稠油活化劑、HPAM)混合，充分振蕩混合后離心分離出甲苯層，將甲苯層用純甲苯稀釋110倍；取一定量的稀釋溶液，使用分光光度計(jì)在波長為284 nm下檢測(cè)吸光度，計(jì)算不同驅(qū)油體系(稠油活化劑、HPAM)對(duì)瀝青質(zhì)的阻聚-分散效率[12]。

(3) 瀝青質(zhì)聚集體微觀結(jié)構(gòu)分析。將瀝青質(zhì)與不同驅(qū)油體系(稠油活化劑、HPAM)充分混合后，洗凈干燥并磨細(xì)，使用X射線衍射儀掃描檢測(cè)樣品。根據(jù)譜圖擬合分峰，并計(jì)算瀝青質(zhì)相關(guān)微晶參數(shù)[13]。

(4) 稠油重質(zhì)組分拆解分子模擬。運(yùn)用Materials Studio分子模擬軟件，開展DPD建模計(jì)算，從分子水平闡明稠油活化劑對(duì)稠油重質(zhì)組分的分散、拆解機(jī)理。

(5) 室內(nèi)巖心驅(qū)油實(shí)驗(yàn)。采用一維人造巖心，尺寸為4.5 cm×4.5 cm×30.0 cm，滲透率為2 350 mD，孔隙度為32%，按照低流速到高流速逐步飽和原油造束縛水，飽和完成后以1 mL/min的恒定注入速度開展水驅(qū)油實(shí)驗(yàn)，驅(qū)替至極限含水率(95%)；繼續(xù)注入濃度為1 600 mg/L的稠油活化劑0.3倍孔隙體積；稠油活化劑段塞注入結(jié)束后繼續(xù)水驅(qū)至極限含水率時(shí)結(jié)束實(shí)驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 稠油活化劑降黏效果評(píng)價(jià)

圖1為不同原油與稠油活化劑質(zhì)量比下原油降黏效果。由圖1可知，原油與稠油活化劑質(zhì)量比為5∶5時(shí)，混合物黏度與原油黏度比值小于1，即稠油活化劑可使混合物黏度降低，隨著稠油活化劑的比例增加，混合物的黏度進(jìn)一步降低。將混合物放在顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)混合物中形成了微米級(jí)別的細(xì)密小油滴。分析認(rèn)為，稠油活化劑分子通過活性基團(tuán)與稠油組分間的相互作用分散稠油，并提高稠油的流動(dòng)能力。

圖1 不同原油與稠油活化劑質(zhì)量比對(duì)原油降黏效果

2.2 稠油活化劑拆解瀝青質(zhì)聚集體實(shí)驗(yàn)分析

圖2為不同體系對(duì)瀝青質(zhì)的阻聚-分散效率。由圖2可知：參照組HPAM對(duì)瀝青質(zhì)幾乎沒有阻聚-分散效果；稠油活化劑對(duì)瀝青質(zhì)有明顯的阻聚-分散效果，且隨著稠油活化劑濃度的增加而增大，當(dāng)濃度達(dá)到1 600 mg/L時(shí)，阻聚-分散效率趨于平衡。分析認(rèn)為，稠油活化劑分子中存在的活性基團(tuán)，能與稠油重質(zhì)組分發(fā)生氫鍵、π-π堆積、偶極-偶極作用等[14-15]，從而拆解瀝青質(zhì)聚集體結(jié)構(gòu)，降低原油黏度。

圖2 不同體系對(duì)瀝青質(zhì)的阻聚-分散效率

從原油中提取的瀝青質(zhì)固體是瀝青質(zhì)分子高度聚集的產(chǎn)物，其較大的芳香片層在堆積過程中能形成一定的有序結(jié)構(gòu)[16-18]。對(duì)活化劑和HPAM作用后的瀝青質(zhì)進(jìn)行XRD分析，通過擬合XRD分峰得到瀝青質(zhì)微晶結(jié)構(gòu)參數(shù)(表2)。由表2可知：與HPAM相比，瀝青質(zhì)與活化劑作用后，芳香盤層間距和鏈間距較大，表明瀝青質(zhì)片層堆積更加松散；與稠油活化劑作用的瀝青質(zhì)聚集體堆積高度和堆積層數(shù)更小，芳香盤直徑更大，表明與稠油活化劑作用后瀝青質(zhì)脂肪碳和環(huán)構(gòu)碳減少，聚集體由堆積狀態(tài)向平面延展?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)化。研究表明，稠油活化劑活性基團(tuán)與瀝青質(zhì)作用后，聚集體變得松散，重質(zhì)組分結(jié)構(gòu)遭到破壞，提高了稠油的流動(dòng)能力。

表2 瀝青質(zhì)的微晶參數(shù)

2.3 稠油活化劑拆解瀝青質(zhì)聚集體分子模擬研究

利用Materials Studio分子模擬軟件，開展DPD建模計(jì)算。DPD模擬中模型體系粗?；Y(jié)構(gòu)及比例見表3，各體系粗?；Ｐ椭g的排斥力參數(shù)(Aij)見表4。運(yùn)用DPD模塊，構(gòu)建各體系在DPD中的粗?；Ｐ?，并輸入相互作用參數(shù)，構(gòu)建DPD力場；輸入模型中各體系比例系數(shù)，模擬步長為70 000步，模擬間隔步長為0.05，模型尺寸為30×30×30；設(shè)置邊界條件為周期性邊界，以避免邊界效應(yīng)對(duì)粒子運(yùn)動(dòng)的影響，模擬各體系與原油組分在自發(fā)條件下的運(yùn)動(dòng)行為。

表3 各組分體系粗?；Y(jié)構(gòu)及比例

表4 各體系粗?；Ｐ团懦饬?shù)

圖3為稠油組分模型、稠油活化劑與稠油混合模型。DPD模擬中，原油組分在隨機(jī)初始位置、常溫常壓條件下，形成穩(wěn)定的稠油組分模型(圖3a)。中心區(qū)域由重質(zhì)組分-瀝青質(zhì)、膠質(zhì)占據(jù)，芳香烴包裹在瀝青質(zhì)、膠質(zhì)核周圍，飽和烴長鏈則游離在最外側(cè)，4種組分共同構(gòu)成了膠質(zhì)、瀝青質(zhì)核狀聚集結(jié)構(gòu)。在稠油組分模型基礎(chǔ)上加入稠油活化劑(圖3b)，稠油活化劑分子入侵到膠質(zhì)瀝青質(zhì)核心區(qū)域，使核狀聚集結(jié)構(gòu)被拆散，原油中的膠質(zhì)、瀝青質(zhì)重質(zhì)組分與烷烴、環(huán)烷烴輕質(zhì)組分有效混合，降低了稠油的黏度。在稠油活化劑分子中的活性基團(tuán)作用下，稠油重質(zhì)組分相互作用形成的聚集體結(jié)構(gòu)受到破壞，從而使稠油黏度降低；同時(shí)，稠油活化劑分子上的親水基團(tuán)能促使水相分散原油，形成微米級(jí)別細(xì)密油滴，增強(qiáng)原油的流動(dòng)能力。

圖3 稠油組分模型、稠油活化劑與稠油混合模型

2.4 稠油活化劑驅(qū)油效果評(píng)價(jià)

圖4為稠油活化劑驅(qū)油實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由圖4可知：巖心在水驅(qū)階段采出程度為39.60%，注入稠油活化劑段塞后，注入壓力上升至0.6 MPa，產(chǎn)出液含水率最低降至76%，起到明顯的流度控制效果；與常規(guī)聚合物驅(qū)含水率呈“V”字型變化不同，稠油活化劑驅(qū)后的后續(xù)水驅(qū)過程，含水率上升較慢；最終采出程度為59.96%，相比初始水驅(qū)階段增幅達(dá)20.36個(gè)百分點(diǎn)。分析認(rèn)為：稠油活化劑可提高驅(qū)替相黏度，降低稠油黏度，實(shí)現(xiàn)有利流度控制；同時(shí)，稠油活化劑破壞了瀝青質(zhì)聚集體結(jié)構(gòu)，使原油分散成小油滴，顯著提高了原油采收率。

圖4 稠油活化劑驅(qū)油實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 現(xiàn)場應(yīng)用效果

2018年8月，在海上S油田邊部稠油區(qū)塊開展稠油活化劑礦場先導(dǎo)試驗(yàn)，試驗(yàn)井區(qū)地層條件下原油黏度為200～400 mPa·s，滲透率為1 500～2 000 mD，注采井距為200～350 m，注活化劑前井組綜合含水率為90%。注入稠油活化劑前后的油井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)曲線見圖5。

圖5 注入稠油活化劑前后的油井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)曲線

由圖5可知，注入稠油活化劑后，油井的產(chǎn)油量明顯上升，含水率最低降至82%。與室內(nèi)驅(qū)油實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象類似，油井注稠油活化劑后含水率回升速度較慢，注入21個(gè)月后仍保持在88%左右，表明稠油活化劑可持續(xù)控水增油，有效提高原油采收率。截至2020年3月，試驗(yàn)井區(qū)的9口主要受效井中已有6口井出現(xiàn)較為明顯的增油效果，累計(jì)增油量達(dá)1.2×104m3。

4 結(jié) 論

(1) 稠油活化劑對(duì)瀝青質(zhì)聚集體有明顯的阻聚-分散效果，作用后的瀝青質(zhì)芳香盤間距增大，芳香盤的堆積高度和層數(shù)減小，聚集體結(jié)構(gòu)變得松散，原油流動(dòng)性得到提高。

(2) 稠油活化劑分子中的活性基團(tuán)，通過與稠油重質(zhì)組分相互作用，破壞重質(zhì)組分的聚集體結(jié)構(gòu)，對(duì)稠油起到明顯的降黏效果；同時(shí)，稠油活化劑分子上的親水基團(tuán)可促使水相分散原油，形成微米級(jí)別的細(xì)密油滴，增強(qiáng)原油的流動(dòng)能力。

(3) 稠油活化劑能增加水相黏度，降低油水界面張力，拆解稠油重質(zhì)組分，分散原油，從而降低原油黏度。室內(nèi)驅(qū)替實(shí)驗(yàn)表明，稠油活化劑能持續(xù)控水增油，相比水驅(qū)采收率增幅達(dá)20.36個(gè)百分點(diǎn)；海上S油田邊部稠油區(qū)塊的礦場應(yīng)用結(jié)果顯示，注入稠油活化劑后，油井含水率從90%降至82%，有效提高了原油采收率。