聚合物驅(qū)后新型凝膠-表面活性劑復合驅(qū)油技術

馮旭菲，王尤富，何 宏，吳 漢，余宏偉

(1.長江大學 石油工程學院，湖北 武漢 430100； 2.湖南科技大學 資源環(huán)境與安全工程學院，湖南 湘潭 411201)

引 言

聚合物驅(qū)油技術作為一種常用的三次采油措施，已在我國各大油田成功推廣應用多年，成為油田增產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)以及提高采收率的一項重要技術措施[1-5]。然而由于我國陸相沉積油藏大多具有非常強的非均質(zhì)性，使得聚合物驅(qū)的原油采收率通常不高，在水驅(qū)的基礎上采收率一般提高10%左右，導致聚合物驅(qū)后仍有50%左右的原油得不到有效動用。因此，聚合物驅(qū)后如何繼續(xù)提高油藏的采收率成了各大油田迫切需要解決的一項難題。

目前，國內(nèi)針對常規(guī)聚合驅(qū)油措施后進一步提高采收率方面的研究主要包括高濃度高分子量聚合物驅(qū)、二元復合驅(qū)、三元復合驅(qū)、泡沫復合驅(qū)以及微生物驅(qū)等[6-12]。其中高濃度高分子量聚合物驅(qū)能夠有效擴大波及體積，現(xiàn)場也取得了一些增油效果，但由于聚合物的洗油效率有限，并且會造成一定的聚合物浪費，限制了其大規(guī)模的推廣應用；而二元復合驅(qū)和三元復合驅(qū)雖具有較好的驅(qū)油效果，但為了增大波及效率，必須增大聚合物的用量，經(jīng)濟效益較差；泡沫復合驅(qū)存在著泡沫穩(wěn)定性差以及注入困難等問題；微生物驅(qū)也存在著技術不成熟以及經(jīng)濟效益較差等方面的問題。

大量的室內(nèi)及現(xiàn)場試驗研究表明，要想進一步提高聚合物驅(qū)后的采收率，必須同時在擴大宏觀波及體積和提高微觀洗油效率方面開展工作[13-16]。聚合物凝膠調(diào)驅(qū)技術能夠有效改善非均質(zhì)油藏的油水流度比，可以有效擴大宏觀波及效率，而表面活性劑能夠通過降低油水界面張力、改善潤濕性等作用來提高油藏的微觀洗油效率[17-20]。因此，筆者將研制的新型聚合物凝膠和表面活性劑的特點相結(jié)合，研究了一種適合聚合物驅(qū)后繼續(xù)提高采收率的新型凝膠-表面活性劑復合驅(qū)油技術，室內(nèi)評價了其在聚合物驅(qū)后的驅(qū)油效果，并在現(xiàn)場成功應用，為進一步提高聚合物驅(qū)后采收率提供一定的借鑒。

1 實驗部分

1.1 實驗材料及儀器

實驗材料：聚合物HPAM(分子量為25×106)、超高分子量聚合物CZL-3(部分水解聚丙烯酰胺，分子量為32.5×106)，大慶煉化公司；新型締合聚合物THW-3、交聯(lián)劑JLY-15；新型陰-非離子表面活性劑TYF-101，實驗室自制；實驗用水為模擬地層水(總礦化度45 520 mg/L)；實驗用油為模擬油(H油田儲層原油與航空煤油按2∶1進行混合，80 ℃下黏度為2.1 mPa·s)；人造柱狀巖心(長度7.5 cm，直徑2.5 cm)；人造非均質(zhì)巖心(尺寸為60 cm×60 cm×4.5 cm)，三層厚度均為2.0 cm，三層氣測滲透率分別為100×10-3μm2、500×10-3μm2和800×10-3μm2；儲層天然巖心取自H油田。

實驗儀器：博勒飛DV-III型黏度計，美國Brookfield公司；TX-500C型旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀，美國CNG公司；HARKE-SPCA型視頻接觸角測定儀，北京哈科試驗儀器廠；DQT型巖心驅(qū)替實驗裝置，博瑞斯科研儀器有限公司；DHG-9025A臺式精密型恒溫烘箱，上海善志儀器設備有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 新型聚合物凝膠性能評價

(1)成膠性能

使用模擬地層水配制不同濃度的新型締合聚合物THW-3溶液，再加入200 mg/L的交聯(lián)劑JLY-15，攪拌均勻后將體系置于恒溫烘箱中(80 ℃)，測定其成膠黏度和成膠時間，以評價新型聚合物凝膠的成膠性能。

(2)封堵性能

①將不同滲透率的人造柱狀巖心飽和模擬地層水，并計算其孔隙體積和孔隙度；②在地層溫度(80 ℃)使用模擬地層水驅(qū)替巖心，記錄驅(qū)替穩(wěn)定時的壓差p0；③在相同的實驗條件下注入不同PV的新型聚合物凝膠溶液(1 200 mg/L締合聚合物THW-3+200 mg/L交聯(lián)劑JLY-15)，待其成膠后繼續(xù)使用模擬地層水驅(qū)替，記錄驅(qū)替穩(wěn)定時的壓差p1；④最后計算殘余阻力系數(shù)FRR和封堵率Φ，即

FRR=p1/p0；

(1)

Φ=1-1/FRR。

(2)

1.2.2 表面活性劑性能評價

(1)油水界面張力測定

使用模擬地層水配制不同濃度的新型陰-非離子表面活性劑TYF-101溶液，在常溫下使用TX-500C型旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀分別測定不同濃度表面活性劑溶液與模擬油之間的界面張力值。

(2)接觸角測定

將儲層天然巖心使用二甲基硅油處理成表面親油狀態(tài)，然后將巖心處理成相同尺寸的切片，再將巖心切片放置于不同濃度的新型陰-非離子表面活性劑TYF-101溶液中浸泡24 h，取出后烘干，使用HARKE-SPCA型視頻接觸角測定儀測量蒸餾水在不同巖心切片表面的接觸角變化情況。

1.2.3 驅(qū)油性能評價

①將人造非均質(zhì)巖心飽和模擬水，然后繼續(xù)飽和模擬油，靜置老化24 h后備用；②使用模擬地層水驅(qū)替巖心直至出口端含水率達到98%以上為止，計算水驅(qū)油的采收率；③注入0.5 PV的聚合物HPAM(1 500 mg/L)溶液，然后后續(xù)水驅(qū)至含水率達到98%以上，計算聚合物驅(qū)的采收率；④繼續(xù)注入0.5 PV的新型聚合物凝膠溶液，成膠后緊接著注入0.5 PV的新型陰-非離子表面活性劑TYF-101溶液，后續(xù)水驅(qū)至含水率達到98%以上，計算出最終采收率，并以此得到聚合物驅(qū)后新型聚合物凝膠-表面活性劑復合驅(qū)的采收率；⑤作為對比實驗，在實驗步驟③后單獨開展新型聚合物凝膠驅(qū)油和超高分子量聚合物CZL-3(1500 mg/L)驅(qū)油實驗，注入量均為0.5 PV，繼續(xù)水驅(qū)至含水率達到98%以上，計算出兩種不同驅(qū)油方式的最終采收率。

2 結(jié)果與討論

2.1 新型聚合物凝膠性能評價

2.1.1 成膠性能

按照1.2.1中的實驗方法，評價了新型聚合物凝膠的成膠黏度和成膠時間，實驗結(jié)果見圖1。

由圖1可知，隨著新型締合聚合物THW-3質(zhì)量濃度的增大，聚合物凝膠的成膠黏度逐漸升高，而成膠時間逐漸減小。當THW-3的質(zhì)量濃度為1 200 mg/L時，成膠黏度能夠達到2 500 mP·s以上，成膠時間在30 h以上，說明該聚合物凝膠具有良好的成膠性能； 再繼續(xù)增大THW-3的質(zhì)量濃度，成膠黏度大幅升高，而成膠時間則縮短至10 h左右。綜合考慮現(xiàn)場施工的需求，選擇新型締合聚合物THW-3的質(zhì)量濃度為1 200 mg/L。

圖1 新型聚合物凝膠的成膠性能Fig.1 Gelation properties of new polymer gel

2.1.2 封堵性能

按照1.2.1中的實驗方法，對新型聚合物凝膠的封堵性能進行了評價，實驗結(jié)果見表1。由表1可知，當新型聚合物凝膠注入 PV數(shù)相同時，巖心滲透率越高，殘余阻力系數(shù)和封堵率越??；而當滲透率級別相同時，新型聚合物凝膠注入 PV數(shù)越大，殘余阻力系數(shù)和封堵率就越高。當新型聚合物凝膠注入0.5 PV時，滲透率級別為(100～800)×10-3μm2巖心的殘余阻力系數(shù)均大于20，封堵率均在95%以上，說明此時新型聚合物凝膠對各個滲透率級別的巖心均起到了良好的封堵作用。因此，綜合考慮現(xiàn)場施工成本等因素，選擇新型聚合物凝膠的注入PV數(shù)為0.5。

表1 新型聚合物凝膠的封堵性能Tab.1 Plugging performance of new polymer gel

2.2 表面活性劑性能評價

2.2.1 降低油水界面張力性能

按照1.2.2中的實驗方法，評價了不同質(zhì)量濃度的新型陰-非離子表面活性劑TYF-101溶液與模擬油之間的界面張力值，實驗結(jié)果見圖2。

由圖2可知，隨著表面活性劑TYF-101質(zhì)量分數(shù)的不斷增大，油水界面張力值呈現(xiàn)出“先下降后上升”的趨勢，當表面活性劑TYF-101的質(zhì)量分數(shù)為0.5%時，溶液的油水界面張力值最小，達到10-3mN/m數(shù)量級，再繼續(xù)增大表面活性劑的質(zhì)量分數(shù)，溶液的界面張力值有所上升。這是由于表面活性劑在溶液中達到臨界膠束濃度值以后，再增大其加量會形成比較大的膠束，降低油水界面繼續(xù)吸附表面活性劑分子的能力，使界面張力值有所增大。

圖2 表面活性劑降低油水界面張力性能Fig.2 Effect of surfactant mass fraction on interfacial tension between oil and water

2.2.2 改變潤濕性能

按照1.2.2中的實驗方法，測定了不同濃度新型陰-非離子表面活性劑TYF-101溶液浸泡后的巖心切片表面的接觸角，實驗結(jié)果見圖3。

由圖3可知，隨著表面活性劑TYF-101質(zhì)量分數(shù)的不斷增大，巖心表面的接觸角逐漸減小，表面潤濕性由親油性逐漸向親水性轉(zhuǎn)變， 當表面活性劑TYF-101的質(zhì)量分數(shù)為0.4%～0.6%時，接觸角為85°～95°，此時巖心表面的潤濕性處于中性潤濕階段，再繼續(xù)增大TYF-101的質(zhì)量分數(shù)，巖心表面的親水性越來越強。根據(jù)以往研究經(jīng)驗，巖心表面為中性潤濕時能夠顯著降低毛細管阻力和水驅(qū)油時的黏附功，從而提高水驅(qū)油效率。因此，綜合以上界面張力實驗結(jié)果，選擇新型陰-非離子表面活性劑TYF-101的最佳質(zhì)量分數(shù)為0.5%。

圖3 表面活性劑改變巖石表面潤濕性能Fig.3 Effect of surfactant mass fraction on wettability of rock surface

2.3 聚合物凝膠-表面活性劑復合驅(qū)油效果

按照1.2.3中的實驗方法，評價了聚合物驅(qū)后采用新型聚合物凝膠-表面活性劑復合驅(qū)、單獨新型聚合物凝膠驅(qū)以及單獨超高分子量聚合物驅(qū)的效果，實驗用巖心為人造非均質(zhì)巖心，物性參數(shù)見1.1。實驗結(jié)果見表2、圖4、圖5和圖6。

表2 聚合物驅(qū)后不同實驗方案的驅(qū)油效果Tab.2 Effects of different flooding schemes after polymer flooding

注：實驗方案1為新型聚合物凝膠-表面活性劑復合驅(qū)；實驗方案2為新型聚合物凝膠驅(qū)；實驗方案3為超高分子量聚合物驅(qū)。

圖4 聚驅(qū)后新型凝膠-表面活性劑復合驅(qū)油效果(2-1#巖心)Fig.4 Effect of new gel-surfactant combination flooding after polymer flooding (2-1# core)

圖5 聚驅(qū)后新型聚合物凝膠驅(qū)油效果(2-3#巖心)Fig.5 Effect of new polymer gel flooding after polymer flooding (2-3# core)

圖6 聚驅(qū)后超高分子量聚合物驅(qū)油效果(2-5#巖心)Fig.6 Effect of ultra-high molecular weight polymer flooding after polymer flooding (2-5# core)

由以上實驗結(jié)果可以看出，水驅(qū)采收率基本在40%左右，聚合物驅(qū)的采收率增幅基本在11%左右，聚合物驅(qū)后采用新型聚合物凝膠-表面活性劑復合驅(qū)的采收率增幅在17%左右，單獨新型聚合物凝膠驅(qū)采收率增幅在10%左右，單獨超高分子量聚合物驅(qū)的采收率增幅在12%作用，其中聚合物驅(qū)后新型聚合物凝膠-表面活性劑復合驅(qū)的采收率增幅最大。

在前期水驅(qū)和聚合物驅(qū)后，非均質(zhì)巖心已形成優(yōu)勢通道，使后續(xù)注入流體逐漸進入低效甚至無效循環(huán)狀態(tài)，驅(qū)油效率下降。此時，注入新型聚合物凝膠能對巖心中的大孔道產(chǎn)生有效封堵，增大后續(xù)注入流體的波及體積，使后續(xù)注入的表面活性劑溶液更多地進入到殘余油飽和度更高的區(qū)域，提高了洗油效率，從而進一步提高聚合物驅(qū)后的原油采收率。

3 現(xiàn)場應用

3.1 區(qū)塊基本情況

H油田某區(qū)塊含油面積為2.76 km2，地質(zhì)儲量為578.3×104t，儲層孔隙度主要分布在19.1%～26.7%，平均為22.3%，儲層滲透率主要分布在(100～950)×10-3μm2，平均為552×10-3μm2，地層非均質(zhì)性較強，層間滲透率變異系數(shù)為0.5～1.6，地層條件下原油黏度為20.6 mPa·s。目標區(qū)塊自1989年4月投入開發(fā)，該區(qū)塊共設計注入井21口，生產(chǎn)井35口。前期主要采用注水開發(fā)生產(chǎn)，由于注水開采效果變差，自2010年開始由注水轉(zhuǎn)注聚合物驅(qū)油，累計注入聚合物溶液0.54 PV，之后轉(zhuǎn)入后續(xù)注水開發(fā)階段，目前該油田已進入高含水開發(fā)階段，綜合含水率已達到96%以上。

3.2 先導試驗效果預測

使用Eclipse軟件對目標區(qū)塊實施水驅(qū)、常規(guī)聚合物驅(qū)和新型聚合物凝膠-表面活性劑復合驅(qū)的整體采收率進行了預測，水驅(qū)采收率為37.61%，化學驅(qū)的總注入量均為0.54 PV，預測結(jié)果見表3?？梢钥闯?，在水驅(qū)后目標區(qū)塊采用常規(guī)聚合物驅(qū)可以提高采收率2.39%，增油量為11.6×104t；而采用新型聚合物凝膠-表面活性劑復合驅(qū)可以提高采收率4.87%，增油量為23.6×104t。

表3 先導試驗效果預測結(jié)果Tab.3 Prediction effect of pilot tests

3.3 現(xiàn)場應用效果

對該區(qū)塊開展了新型聚合物凝膠-表面活性劑復合驅(qū)油的先導試驗，施工措施后，該區(qū)塊內(nèi)注入井的注入壓力顯著升高，由措施前的8.2MPa升高至措施后的11.6MPa，這是由于注入的新型聚合物凝膠在地層中成膠后對大孔隙產(chǎn)生了封堵，并且由于其黏度升高，增大了流體在地層中的滲流阻力，使后續(xù)流體發(fā)生液流轉(zhuǎn)向，有助于提高波及體積。措施后對應的生產(chǎn)井均不同程度達到了增油降水的效果，油井見效率達到98%，其中5口生產(chǎn)井的生產(chǎn)參數(shù)見表4。

表4 新型聚合物凝膠-表面活性劑復合驅(qū)油現(xiàn)場應用效果Tab.4 Application effect of new polymer gel-surfactant composite flooding

由以上結(jié)果可以看出，H油田某區(qū)塊實施新型聚合物凝膠-表面活性劑復合驅(qū)油措施后，5口典型生產(chǎn)井的平均日產(chǎn)油量由措施前的6.46 t升高至13.16 t，日產(chǎn)油量提高1倍以上，而平均含水率由措施前的94.18%下降為82.22%，起到了良好的降水增油效果。這說明聚合物驅(qū)后繼續(xù)采用新型聚合物凝膠-表面活性劑復合驅(qū)油措施能夠進一步提高原油的采收率，具有較好的推廣應用價值。

4 結(jié) 論

(1)新型締合聚合物THW-3和交聯(lián)劑JLY-15具有良好的成膠性能和封堵性能，新型陰-非離子表面活性劑TYF-101具有良好的界面活性和潤濕反轉(zhuǎn)性能。

(2)聚合物驅(qū)后采用新型聚合物凝膠-表面活性劑復合驅(qū)可以進一步提高原油的采收率，能使非均質(zhì)巖心聚合物驅(qū)后的采收率繼續(xù)提高17%左右，驅(qū)油效果明顯優(yōu)于單獨注入新型聚合物凝膠驅(qū)或單獨注入超高分子質(zhì)量聚合物驅(qū)。

(3)H油田某區(qū)塊現(xiàn)場應用結(jié)果表明，聚合物驅(qū)后進一步采取新型聚合物凝膠-表面活性劑復合驅(qū)油，注入壓力明顯上升，生產(chǎn)井產(chǎn)油量明顯提高，含水率明顯降低，起到了良好的控水增油效果。