聚合物表面活性劑與油藏匹配性及液流轉(zhuǎn)向能力研究

王 偉，崔丹丹，嚴 曦，胡 南，莊永濤，苑光宇，閆云貴，王 歡

(中國石油大港油田分公司，天津 300280)

0 引言

目前，聚合物/表面活性劑二元驅(qū)、三元復(fù)合驅(qū)等三次采油技術(shù)已成為中國諸多油田提高原油采收率的主要技術(shù)［1－4］，現(xiàn)場取得了較好的效果，提高采收率超過15.00個百分點，但多元化學(xué)劑間的協(xié)同作用機理、色譜分離效應(yīng)、堿帶來的管道結(jié)垢和產(chǎn)出液破乳困難等系列難題仍未得到有效解決。為避免多種化學(xué)劑間相互干擾帶來的復(fù)雜問題，國內(nèi)許多科技工作者致力于將以上多種化學(xué)劑進行歸一化處理，研發(fā)出兼具發(fā)揮聚合物流度控制能力和表面活性劑乳化增黏兩者優(yōu)勢的一元新型驅(qū)油劑——聚合物表面活性劑(聚表劑)［5－8］，該類新型驅(qū)油劑因其獨特分子結(jié)構(gòu)在增黏、抗鹽、多孔介質(zhì)中傳輸、驅(qū)油等方面對比聚合物表現(xiàn)出較大優(yōu)勢，在一些礦場試驗中取得了較好的增油效果。但聚表劑的分子結(jié)構(gòu)、溶液特性、油藏深部傳導(dǎo)能力、液流轉(zhuǎn)向能力及與油藏匹配性等機理研究尚不完善。該文以大港油田A區(qū)塊油藏適用的聚表劑為例，通過對比評價聚表劑與聚合物在分子聚集形態(tài)、液流轉(zhuǎn)向能力、剩余油變化情況和驅(qū)油效果等方面的差異，充分明確聚表劑的技術(shù)優(yōu)勢，為其應(yīng)用于中高滲油藏提高采收率提供理論支撐。

1 實驗研究

1.1 材料與儀器

實驗采用的聚合物為天津博弘化工有限公司生產(chǎn)的工業(yè)品 BHHP－112，聚合物的固含量為88%，相對分子質(zhì)量為 2 500×104，水解度為22.3%。聚表劑為上海海博油田化學(xué)品有限公司生產(chǎn)的海博I，聚表劑的固含量為88%。實驗用水為大港油田A區(qū)塊注入水，礦化度為6 726 mg/L，鈣離子含量為40 mg/L，鎂離子含量為21 mg/L，鈉鉀離子含量為2 040 mg/L，碳酸氫根含量為3 224 mg/L，氯離子含量為1 401 mg/L。實驗用油為大港油田A區(qū)塊井口脫水原油，地下原油黏度為19.2 mPa·s。

實驗設(shè)備包括美國NICOL ET－560型傅里葉變換紅外光譜儀、日本Hitachi S－3 000 N型高分辨率(5～300 000倍)掃描電鏡(SEM)、美國Brookfield DV－III黏度計、驅(qū)油實驗裝置等。

1.2 實驗方法

1.2.1 與油藏匹配性實驗

通過聚表劑溶液流經(jīng)不同滲透率巖心的壓力變化，評價其與巖心孔隙的匹配性。實驗用巖心尺寸為Φ2.5 cm×10 cm。驅(qū)替過程為:注5.00倍孔隙體積聚表劑溶液，再進行后續(xù)水驅(qū)至壓力穩(wěn)定。實驗注入速度為5 m/d。實驗溫度為53℃。

1.2.2 傳導(dǎo)性實驗

實驗采用填砂管物理模型，巖心尺寸為Φ2.5 cm×60 cm，巖心滲透率為1 000 mD，巖心注入端布設(shè)壓力監(jiān)測點，隨后每間隔15 cm布設(shè)一個壓力監(jiān)測點，共計4個壓力監(jiān)測點，相鄰2點壓力差值分別記為 Δp1、Δp2、Δp3、Δp4，其中，△p4為第 4 個測壓點的壓力。驅(qū)替過程為:水驅(qū)至巖心含水為98%時，轉(zhuǎn)注0.50倍孔隙體積聚表劑溶液，再進行后續(xù)水驅(qū)至壓力穩(wěn)定。聚表劑溶液質(zhì)量濃度分別為700、1 000 mg/L。實驗注入速度為5 m/d。實驗溫度為53℃。

1.2.3 液流轉(zhuǎn)向?qū)嶒?/p>

實驗選用三管并聯(lián)物理模型，模型由高、中、低滲透率的均質(zhì)巖心組成，單支均質(zhì)巖心尺寸為4.5 cm×4.5 cm×30.0 cm，高滲層、中滲層、低滲層的滲透率分別為2 400、1 500、400 mD。其中，聚合物驅(qū)替巖心的高滲層、中滲層、低滲層的初始含油飽和度分別為83.21%、82.03%、77.98%，聚表劑驅(qū)替巖心的高滲層、中滲層、低滲層的初始含油飽和度分別為82.66%、81.76%、77.45%。驅(qū)替過程為:水驅(qū)至含水90%轉(zhuǎn)注聚表劑或聚合物溶液0.33倍孔隙體積，再進行后續(xù)水驅(qū)至含水98%結(jié)束。聚合物和聚表劑溶液質(zhì)量濃度均為1 000 mg/L。

1.2.4 驅(qū)油能力實驗

實驗選用環(huán)氧樹脂膠結(jié)三層非均質(zhì)巖心，巖心尺寸為4.5 cm×4.5 cm×30.0 cm。驅(qū)替過程為:水驅(qū)至含水98%轉(zhuǎn)注聚表劑或聚合物溶液1.00倍孔隙體積，再進行后續(xù)水驅(qū)至含水98%結(jié)束。聚合物和聚表劑溶液質(zhì)量濃度均為1 000 mg/L。

1.2.5 分子結(jié)構(gòu)表征

采用美國NICOL ET－560型傅里葉變換紅外光譜儀表征聚合物與聚表劑的分子結(jié)構(gòu)。

1.2.6 微觀結(jié)構(gòu)表征

采用日本Hitachi S－3 000 N型高分辨率(5～300 000倍)掃描電鏡(SEM)觀察溶液樣品的微觀結(jié)構(gòu)。

1.2.7 黏度測定

在53℃ 下，采用美國Brookfield DV－III黏度計在轉(zhuǎn)速為6 r/min(對應(yīng)剪切速率7.34 s－1)下測定目標(biāo)溶液的黏度。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 分子結(jié)構(gòu)

圖1為聚合物和聚表劑的紅外光譜圖，二者譜圖形態(tài)大致相似。波數(shù)在3 440.00 cm－1左右時，聚表劑和聚合物都具有水中－OH的伸縮振動峰和伯酰胺中－NH2的伸縮振動峰;波數(shù)在2 918.32 cm－1和 2 852.75 cm－1左右時，都具有－CH2－不對稱振動峰;波數(shù)在1 643.78 cm－1左右時，都具有伯酰胺中C=O的對稱伸縮振動峰。聚表劑與聚合物的不同之處主要體現(xiàn)在，聚表劑在波數(shù)為1 077.80 cm－1處出現(xiàn)聚醚的特征吸收峰，在1 381.46 cm－1處出現(xiàn)比較明顯的甲基、亞甲基的特征吸收峰。該光譜特征充分說明了聚表劑是以丙烯酰胺為基本骨架，通過接枝親水和疏水基團得到的丙烯酰胺改性共聚物。

圖1 聚合物與聚表劑的紅外光譜Fig.1 The infrared spectrum of polymer and polymer surfactant

2.2 微觀結(jié)構(gòu)

圖2為聚合物、聚表劑溶液(質(zhì)量濃度為2 000 mg/L)的掃描電鏡照片。由圖2可知:聚合物分子鏈間相互交纏少，形成稀疏大孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這種分子聚集態(tài)包裹水分子的能力很弱，導(dǎo)致增黏性較差，易被擠壓變形，空間位阻小，抗鹽能力差;而聚表劑則不同，聚表劑分子線團尺寸較大，為1.7～7.3 μm，形成線狀、網(wǎng)狀聚集態(tài)，存在粗的主干和細的分支，分子鏈間相互纏繞，且整體密集程度均勻，在多孔介質(zhì)中調(diào)剖能力很強，抗拖拽能力也很突出，驅(qū)替過程中不容易被拉斷，更容易形成活塞驅(qū)，因此，聚表劑在鹽水溶液中整體上表現(xiàn)為良好的增黏性。

圖2 聚合物與聚表劑掃描電鏡照片F(xiàn)ig.2 The stereoscan photograph of polymer and polymer surfactant

2.3 溶液特性

2.3.1 增黏性

圖3為采用A區(qū)塊注入水配制的聚合物與聚表劑溶液的黏度隨濃度變化曲線圖。由圖3可知:隨著溶液質(zhì)量濃度的增加，聚合物溶液黏度以及聚表劑溶液黏度均呈指數(shù)關(guān)系增加。當(dāng)溶液質(zhì)量濃度為500～2 000 mg/L時，聚表劑溶液黏度大約為聚合物溶液黏度的3倍。分析原因:主要是由于聚表劑分子側(cè)鏈上引入了疏水基團，當(dāng)其在溶液極性增加的鹽水溶液環(huán)境時，疏水締合作用顯著增強;同時這些疏水基團存在空間位阻效應(yīng)，使分子鏈更為舒展，導(dǎo)致分子鏈剛性增強，增黏效果尤為顯著。

圖3 聚合物與聚表劑溶液黏度隨濃度變化關(guān)系Fig.3 The relation of change in viscosity of polymer and polymer surfactant solution with concentration

2.3.2 抗鹽性

圖4a為聚合物、聚表劑溶液(質(zhì)量濃度750 mg/L)黏度與NaCl質(zhì)量濃度的關(guān)系曲線。由圖4a可知:聚合物與聚表劑溶液黏度隨鹽度增加均呈下降趨勢。當(dāng)NaCl質(zhì)量濃度從0 mg/L增至7 000 mg/L時，聚合物溶液黏度從58.6 mPa·s降至11.3 mPa·s，降幅達80.7%，其抗鹽性較差;而聚表劑溶液黏度從84.2 mPa·s降至47.3 mPa·s，降幅為43.8%，其抗鹽能力相對較強。分析原因:主要是由于鹽度的增加，導(dǎo)致溶液分子鏈?zhǔn)艿届o電屏蔽作用開始變卷曲，溶液黏度均呈下降趨勢。但當(dāng)鹽度增至5 000 mg/L時，隨著溶液極性的增強，聚表劑分子鏈?zhǔn)杷鶊F的締合效應(yīng)加強，溶液黏度開始緩慢增加;而聚合物溶液不產(chǎn)生締合效應(yīng)，單方面受到鹽離子的屏蔽效應(yīng)，分子鏈變得更加卷縮，溶液黏度依然呈下降趨勢。

圖4b為聚合物、聚表劑溶液(質(zhì)量濃度750 mg/L)黏度與鈣鎂離子質(zhì)量濃度的關(guān)系曲線。由圖4b可知:聚合物與聚表劑溶液黏度隨鈣鎂離子質(zhì)量濃度的增加呈下降趨勢。當(dāng)鈣鎂離子質(zhì)量濃度從0 mg/L增至87 mg/L時，聚合物溶液黏度從58.6 mPa·s降至 9.3 mPa·s，降幅達 84.1%，其抗鈣鎂離子能力較差;而聚表劑溶液黏度從84.2 mPa·s降至 30.8 mPa·s，降幅為 63.4%，其抗鈣鎂離子能力相對較強。主要是由于Ca2+、Mg2+使溶液分子鏈由伸展構(gòu)象變成卷曲構(gòu)象，溶液黏度持續(xù)降低。當(dāng)鈣鎂離子質(zhì)量濃度達到600 mg/L時，聚表劑溶液出現(xiàn)鹽增稠效應(yīng)，鹽的加入使溶液極性增大，疏水締合作用增強。

圖4 聚合物、聚表劑溶液黏度與不同鹽、鈣鎂離子濃度變化關(guān)系Fig.4 The relation of change in viscosity of polymer and polymer surfactant solution with concentration of different salts and calcium＆magnesium ions

2.4 與油藏匹配性

圖5為不同質(zhì)量濃度聚表劑注入量與注入壓力的關(guān)系曲線。在注入過程中，隨著聚表劑溶液注入體積的不斷增加，若注入壓力升幅逐漸減小并趨于穩(wěn)定，表明聚表劑分子與巖心匹配性良好;反之則表示該質(zhì)量濃度的聚表劑溶液與巖心不匹配，即發(fā)生了堵塞。將聚表劑溶液通過巖心不發(fā)生堵塞的最低滲透率定義為該質(zhì)量濃度聚表劑的極限滲透率。以質(zhì)量濃度為200 mg/L的聚表劑溶液驅(qū)替為例(圖5)。由圖5可知:當(dāng)巖心滲透率為600、500 mD時，在注入前期，注入壓力隨注入體積的增大逐漸升高，在注入后期壓力趨于穩(wěn)定，說明質(zhì)量濃度為200 mg/L的聚表劑溶液與滲透率為600、500 mD巖心匹配，且隨滲透率增大，壓力升幅減小，說明聚表劑越易注入;當(dāng)滲透率為400 mD時，注入壓力隨注入體積的增大而升高，但壓力一直無法趨于穩(wěn)定，說明質(zhì)量濃度為200 mg/L的聚表劑溶液的極限滲透率為400 mD。依照該方法界定出了質(zhì)量濃度為700、1 000、1 500 mg/L聚表劑對應(yīng)的極限滲透率分別為800、1 000、1 350 mD。繪制聚表劑濃度與極限滲透率關(guān)系曲線，得到聚表劑濃度與滲透率匹配圖版(圖6)，圖6中曲線的上部為流動區(qū)，曲線下部為堵塞區(qū)。

圖5 注入壓力與注入量的關(guān)系Fig.5 The relation between injection pressure and injection rate

圖6 聚表劑濃度與滲透率匹配關(guān)系Fig.6 The matching relation between polymer surfactant concentration and permeability

2.5 傳導(dǎo)性

圖7為質(zhì)量濃度分別為700、1 000 mg/L的聚表劑溶液，在滲透率為1 000 mD的長巖心中注入體積隨壓力梯度的變化曲線。由圖7a可知:質(zhì)量濃度為700 mg/L的聚表劑溶液，Δp1先上升，待到前緣突破后開始下降，Δp2、Δp3、Δp4的變化趨勢與Δp1一致，說明聚表劑溶液能夠在巖心中有效運移，質(zhì)量濃度為700 mg/L的聚表劑溶液的極限滲透率為800 mD，其在1 000 mD的巖心中并不能形成特別有效的封堵，導(dǎo)致其注入壓力在前緣突破后會呈下降趨勢;由圖7b可知:質(zhì)量濃度為1 000 mg/L的聚表劑溶液Δp1先快速上升，前緣突破后仍然緩慢上升，而Δp2、Δp3、Δp4在壓力上升后基本持平?jīng)]有下降趨勢，造成這種原因的關(guān)鍵在于溶液質(zhì)量濃度與滲透率匹配性差，質(zhì)量濃度為1 000 mg/L的聚表劑溶液的極限滲透率為1 000 mD，聚表劑在1 000 mD的巖心中運移，在注入前端發(fā)生了堵塞，Δp1持續(xù)上升，而后端由于沒有聚表劑的有效運移，在前期少量聚表劑運移情況下建立的壓差未發(fā)生較大改變。因此，聚表劑質(zhì)量濃度與滲透率匹配圖版中，只要在可流動區(qū)域內(nèi)，聚表劑在巖心中均能順利注入并顯示出較好的傳導(dǎo)性。

圖7 聚表劑注入孔隙體積倍數(shù)與壓力梯度關(guān)系Fig.7 The relation between PV value of polymer surfactant injection and pressure gradient

2.6 液流轉(zhuǎn)向能力

表1、圖8為液流轉(zhuǎn)向能力實驗數(shù)據(jù)。由表1可知:聚表劑在不同滲流層的采出程度均高于聚合物，聚表劑液流轉(zhuǎn)向能力均強于聚合物;與聚合物相比，聚表劑對高滲層封堵能力強，高滲層流量大幅下降，開始繞流啟動中低滲透層。由圖8可知:隨著聚合物或聚表劑體系的注入，高滲層的分流率降低，中低滲透層的分流率提高，總體上注入聚表劑后高滲層的分流率降低程度以及中低滲透層的分流率提高程度均高于聚合物。注入聚表劑后高滲層的分流率由81.4%最低下降到47.2%，中滲層的分流率由15.8%最高升至45.1%，低滲層的分流率由3.6%最高升至9.2%;注入聚合物后高滲層的分流率由82.7%最低下降到63.7%，中滲層的分流率由13.5%最高升至28.2%，低滲層的分流率由3.8%最高升至8.7%。為了更清晰地表達聚合物或聚表劑的液流轉(zhuǎn)向能力，引入剖面改善率表征其大小，剖面改善率為高滲層在水驅(qū)和化學(xué)驅(qū)后分流率的相對降低能力。由式(1)計算的聚表劑剖面改善率為79.3%，而聚合物的剖面改善率僅為63.9%。主要是因為聚表劑具有網(wǎng)狀聚集態(tài)，對高滲層的封堵能力更強，而聚合物為稀疏的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，易被擠壓變形，空間位阻小，對高滲層的封堵能力弱，液流轉(zhuǎn)向能力弱，波及體積小。

圖8 聚合物與聚表劑不同滲透層注入孔隙體積倍數(shù)與分流率的變化Fig.8 The changes in PV value and diversion ratio of polymer and polymer surfactant in different permeable formations

表1 聚合物與聚表劑驅(qū)采出程度對比Table 1 The comparison of recovery percents between polymer and polymer surfactant displacement

式中:λ 為剖面改善率，%;Qhb、Qmb、Qlb分別為高、中、低滲層水驅(qū)結(jié)束后的分流率，%;Qha、Qma、Qla分別為高、中、低滲層注化學(xué)劑后的分流率，%。

2.7 不同滲透層剩余油飽和度變化

表2為三管并聯(lián)實驗中不同驅(qū)替階段剩余油飽和度的變化。由表2可知:聚表劑以及聚合物驅(qū)替后，高、中、低3個滲透率巖心剩余油飽和度均呈下降趨勢，聚表劑驅(qū)后，中、高滲透層剩余油飽和度的降低幅度較大，降低幅度約為聚合物的2倍。這是因為相同質(zhì)量濃度的聚表劑具有較高的黏度，其分子能形成網(wǎng)狀密實度較強的聚集體，在多孔介質(zhì)中拖拽能力更突出，聚集體中有較強的變形能力，更易形成活塞驅(qū)，對剩余油的驅(qū)替能力要遠勝于聚合物。

表2 不同驅(qū)替階段剩余油飽和度變化Table 2 The changes in remaining oil saturation in different displacement stages

2.8 驅(qū)油特性

表3為驅(qū)油能力實驗結(jié)果。由表3可知，純水驅(qū)采收率為55.03%，2倍體積系數(shù)水驅(qū)后若不開展化學(xué)驅(qū)而是繼續(xù)水驅(qū)的情況下提高采收率1.11個百分點;聚合物驅(qū)最終采收率為64.18%，較純水驅(qū)提高采收率10.44個百分點;聚表劑驅(qū)最終采收率為70.89%，較純水驅(qū)提高采收率16.80個百分點，較聚合物驅(qū)采收率提高了6.36個百分點，進一步驗證了聚表劑的驅(qū)油能力較聚合物更強。

表3 不同驅(qū)替體系不同階段采出程度變化表Table 3 The changes in recovery percents in different stages of different displacement systems

3 結(jié)論及認識

(1)聚表劑分子上功能基團的疏水締合作用是其具有增黏、抗鹽特性的主要原因。在53℃、礦化度為6 726 mg/L情況下，溶液質(zhì)量濃度為500～2 000 mg/L時，聚表劑溶液黏度約為聚合物溶液黏度的3倍。

(2)建立了聚表劑質(zhì)量濃度與儲層滲透率的匹配關(guān)系圖版。隨著聚表劑質(zhì)量濃度的增大，聚表劑溶液對應(yīng)的極限滲透率相應(yīng)增大;聚表劑質(zhì)量濃度為200 mg/L時，極限滲透率為400 mD;聚表劑質(zhì)量濃度為1 500 mg/L時，極限滲透率為1 350 mD，通過傳導(dǎo)性實驗證實了匹配圖版的正確性。

(3)聚表劑因其網(wǎng)狀的分子結(jié)構(gòu)賦予了獨特的增黏及調(diào)堵能力，其剖面改善率為79.3%，比聚合物提高了15.40個百分點;且聚表劑對中、高滲透層驅(qū)油能力較強，中、高滲層含油飽和度降低幅度約為聚合物的2倍，聚表劑驅(qū)最終采收率較聚合物驅(qū)提高了6.36個百分點。

(4)聚表劑做為一種新型的驅(qū)油體系，在增黏性、流度控制方面較常規(guī)聚合物有優(yōu)勢，對比水驅(qū)提高采收率幅度大于15.00個百分點，聚表劑在高含水高采出程度的中、高滲油藏中做為一種新型大幅度提高采收率驅(qū)油劑具有廣闊的應(yīng)用前景。