基于低质量浓度表面活性剂的复合驱效果评价

2014-03-06谢玉银侯吉瑞张建忠谢东海

油气地质与采收率 2014年1期

谢玉银，侯吉瑞，张建忠，谢东海，任飞，张玥

（1.中国石油大学（北京）提高采收率研究院，北京102249；2.中国石油三次采油重点实验室低渗油田提高采收率应用基础理论研究室，北京102249；3.教育部油田开发重点实验室，北京102249；4.中国石油大学（北京）石油工程学院，北京102249）

谢玉银1，2，3，侯吉瑞1，2，3，张建忠1，2，3，谢东海1，2，3，任飞4，张玥1

以往为了达到超低界面张力，复合驱大多使用较高质量浓度的表面活性剂，通常为1 000～3 000 mg/L，不仅增加了成本且未必能取得好的驱油效果。为了探究低质量浓度表面活性剂的驱油效果，设计了低质量浓度表面活性剂的复合驱物理模拟实验。静态实验结果表明，在低质量浓度表面活性剂条件下，油水界面张力可达到10-2mN/m数量级及以下，加碱后，界面张力更低；碱和表面活性剂都会对聚合物的粘度和粘弹性产生影响，碱在较高温度下会大幅度降低复合体系的粘度和粘弹性。驱油实验结果表明，与水驱相比，在所选择的低质量浓度表面活性剂驱油体系中，表面活性剂—聚合物二元复合驱和碱—表面活性剂—聚合物三元复合驱均可提高采收率19.5%以上，三元复合驱的驱油效果最好，提高采收率21.8%以上。这表明低质量浓度表面活性剂驱油体系驱油效果很好。

低质量浓度表面活性剂化学复合驱提高采收率界面张力粘度粘弹性

在中国化学驱是应用较成熟的三次采油技术，其中碱—表面活性剂—聚合物三元复合驱近来一直倍受关注，而且取得了显著的效果［1-3］。研究结果表明［4］，表面活性剂水溶液与原油形成并保持超低界面张力的性能是决定驱替效率的关键。因此，在复合驱中，为了使界面张力达到10-3或10-4mN/m数量级，表面活性剂的质量浓度通常较高，一般为1 000～3 000 mg/L，甚至更高［5-6］，大大增加了采油成本，而且过低的界面张力将使得驱油过程处于“第二类”驱动状况下，驱油效果相对变差，超低界面张力并不是绝对必要的［7］。为了探讨基于低质量浓度表面活性剂的复合驱在南阳油田的技术可行性，对6个驱油体系与原油的界面张力及其粘度和粘弹性进行了测试和分析，并进行了驱替实验。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料

化学试剂包括：碱（Na2CO3）为分析纯；表面活性剂（SH6），有效质量分数为50%，由阴离子和非离子复配而成；聚合物（ZL-Ⅱ），有效质量分数为88.15%。

根据南阳油田的地质特征以及实验要求，驱替实验所用岩心为人造长均质岩心模型，其长度、宽度、高度分别为30，4.5和4.5 cm。

测试界面张力所用油滴为南阳油田脱水脱气原油；驱替实验用油为南阳油田脱水脱气原油与煤油按体积比7.75∶2.25混合配制而成的模拟油，其在实验温度81℃下粘度为3.3 mPa·s；实验用水为南阳油田地层水，总矿化度为10 884 mg/L，其中Cl-，Ca2+和Mg2+的质量浓度分别为3 009，17和4 mg/L。实验中所用的6个驱油体系配方见表1。

表1 实验用驱油体系配方 mg/L

1.2 实验方法

根据南阳油田地层温度，所有实验都是在81℃条件下完成的。

界面张力测试方法采用旋滴法，在转速为6 000 r/min的条件下，使用SVT20N型视频旋转滴张力仪测试界面张力。

粘度和粘弹性测试方法在测试之前，将待测液放在81℃的恒温箱中恒温1 h后再取出，采用MCR301型界面流变仪测试粘度和粘弹性。

驱替液配制方法首先，用蒸馏水配制质量浓度为3 000 mg/L的ZL-Ⅱ、质量浓度为3 000 mg/L的SH6和质量浓度为50 000 mg/L的Na2CO3作为母液备用；然后根据驱替液的质量浓度配方，取相应体积的母液加入到250 mL的容量瓶中，用地层水稀释到250 mL，摇匀备用。

驱替实验方法驱替实验采用恒速法，在烘箱中进行，整个实验过程由压力传感器自动采集压力。实验步骤包括：①岩心抽真空，饱和水，测定孔隙体积和孔隙度；②饱和模拟油，计算初始含油饱和度，静置24 h；③水驱至含水率大于98%；④注入0.45倍孔隙体积的化学驱油体系；⑤继续水驱至含水率大于98%，结束实验。

2 实验结果分析

2.1 界面张力

驱油体系1—6的界面张力分别为：1.548，0.092，0.007，1.143，0.008和0.002 mN/m。因此，1 500 mg/L ZL-Ⅱ和300 mg/L SH6复配溶液的界面张力已达到10-2mN/m数量级，加入8 000 mg/L的Na2CO3后，界面张力可以达到超低。1 500 mg/L的ZL-Ⅱ和500 mg/L的SH6复配而得的溶液的界面张力也可以达到超低，加入8 000 mg/L的Na2CO3后，界面张力进一步降低。可见，低质量浓度的SH6已经可以使表面活性剂—聚合物二元复合驱油体系和碱—表面活性剂—聚合物三元复合驱油体系的界面张力均达到10-2mN/m数量级及以下。

2.2 粘度

对比粘度测试结果（图1）可以看出，加入少量的SH6后，聚合物的粘度大幅度增加，说明只需较少量此种表面活性剂便可以显著增加聚合物的粘度。加入8 000 mg/L的Na2CO3后，聚合物以及聚合物—表面活性剂二元体系的粘度都大幅度降低，大约降到原来粘度的一半。

图1 不同驱油体系粘度测试结果对比

2.3 粘弹性

多年研究表明，聚合物对三次采油提高采收率有很重要的作用［8-10］，聚合物不仅能扩大注入水波及体积，而且能提高微观驱油效率，这是由于其粘弹性所起的作用［11-12］。流体的粘弹性用其储存模量和损耗模量来表征，储存模量反映的是流体的弹性成分，损耗模量反映的是流体的粘性成分。聚合物及其复合体系溶液的粘弹性越高，驱油效率越高［13］。

对比不同体系的储存模量（图2）可以看出，无碱体系的储存模量高于与之相应的有碱体系，这说明Na2CO3的加入，破坏了聚合物和表面活性剂复合体系的弹性，降低了其储存模量。对于无碱体系，体系1的储存模量最高，体系3的储存模量次之，体系4的储存模量最小。这说明，该表面活性剂的加入会降低ZL-Ⅱ的储存模量，也就是降低了聚合物的弹性，但是通过与体系2的曲线对比可以看出，表面活性剂对储存模量的影响要远小于碱。对于有碱体系，体系6的储存模量最高，体系5的储存模量次之，体系2的储存模量最小。出现这一现象的原因应该是Na2CO3的加入，削弱了SH6对聚合物弹性的破坏，而这一过程消耗了一部分碱，使得碱对聚合物储存模量的影响减少，因此使有碱体系中含有表面活性剂的体系比不含表面活性剂的体系的储存模量要高。

图2 不同驱油体系的储存模量

对比不同驱油体系的损耗模量（图3）可以看出，无碱体系的损耗模量高于与之相应的有碱体系。无论是无碱体系还是有碱体系，加入少量的表面活性剂后体系的损耗模量均增加，而且表面活性剂的质量浓度越大，损耗模量越高，表明表面活性剂的加入增加了聚合物的粘性，这与前面的粘度结果相对应。Na2CO3的加入会部分破坏SH6对ZL-Ⅱ的增粘作用，因此，在6个驱油体系中，体系4的损耗模量最高，3个有碱体系中体系6的损耗模量最高。

图3 不同驱油体系的损耗模量

碱之所以会破坏聚合物的粘度和粘弹性，是由于三元体系中的碱会与聚合物分子链上负电荷中和，使分子链发生蜷缩和粘贴，形成“带状”分子结构，导致聚合物溶液粘弹性和流变性变差［14］。有人通过原子力学显微镜观察到在无碱状态下聚合物分子在液相中充分舒展，而在有碱条件下聚合物分子蜷缩的现象，而且碱质量浓度越大，蜷缩越明显［15］。

2.4 驱替实验

2.4.1 不同体系驱油结果对比

由不同体系驱油结果对比（表2）可以看出，聚合物驱、碱—聚合物二元复合驱、低质量浓度表面活性剂—聚合物二元复合驱以及碱—低质量浓度表面活性剂—聚合物三元复合驱的采收率提高值均能达到15%以上。在相同聚合物质量浓度下，碱—聚合物二元复合驱的效果要好于聚合物驱，这可能是由于碱在降低了聚合物的粘度和粘弹性的同时也可以在一定程度上降低聚合物和原油的界面张力，且可以减少聚合物的吸附；同聚合物驱相比，聚合物和低质量浓度表面活性剂复配后，提高采收率效果更好，且随着表面活性剂质量浓度的增大，提高采收率增加，1 500 mg/L的ZL-Ⅱ和500 mg/ L的SH6复配体系可提高采收率21.0%。在相同质量浓度的聚合物和表面活性剂的情况下，加入碱后，驱油效果进一步改善。这表明，在低质量浓度表面活性剂的条件下，三元复合驱可以取得很好的驱油效果。由上述界面张力测试结果可知，无碱条件下，界面张力已经可达到10-2甚至10-3mN/m数量级，因此推断，三元复合驱比表面活性剂—聚合物二元复合驱效果好的原因应该是碱降低了表面活性剂的吸附。很多室内实验和矿场试验表明，由于表面活性剂的大量吸附，使得表面活性剂—聚合物二元复合驱的驱油效果并不好，在三元复合驱中，碱吸附在孔隙表面上无疑降低了表面活性剂的吸附，所以虽然碱会使聚合物的粘度和粘弹性大幅度降低，但是，三元复合驱的效果还是好于表面活性剂—聚合物二元复合驱。

表2 不同体系驱油结果对比

2.4.2 复合驱过程中采收率、含水率、注入压力变化规律

在设计的驱替实验中，6种体系的注入压力、采收率和含水率随注入孔隙体积倍数的变化规律相同，它们之间只有量的改变，没有质的差别。以体系5为例来分析整个驱替过程中注入压力、采收率和含水率的变化规律（图4）。由图4可以看出，在前期水驱阶段，开始时，注入压力、采收率和含水率都快速增加，当注入0.5倍孔隙体积时，含水率达到90%。之后，注入压力基本稳定，采收率和含水率曲线都趋于平缓，当含水率达到98%时，前期水驱阶段结束。在碱—表面活性剂—聚合物三元复合驱阶段，开始时，注入压力立刻升高至水驱阶段的几倍，这是注入体系的粘度增大造成的；但是，含水率下降和采收率提高有一个相对滞后的时间段，当注入压力上升到最高点之后，含水率突然降低，采收率曲线变陡，采油量增加；之后，含水率回升，采收率曲线又趋于平缓。在后续水驱阶段，注入压力又快速下降，含水率和采收率曲线都趋于平缓，最后三者都基本稳定。后续水驱阶段的最终注入压力高于前期水驱阶段，这应该是复合体系在岩心孔隙中滞留，增加了渗流阻力的缘故［16-18］。

图4 驱油体系5的驱替变化规律

3 结论

模拟南阳油田地层环境，通过室内驱替实验验证低质量浓度表面活性剂下复合驱提高采收率技术的可行性。通过一系列的静态实验和动态驱替实验结果分析认为：①表面活性剂SH6在300 mg/L的低质量浓度下，已可以使油水界面张力降至10-2mN/m数量级，在500 mg/L的质量浓度下，可以使油水界面张力达到超低，加入8 000 mg/L的Na2CO3后，效果更好。②Na2CO3的加入会降低SH6—ZL-Ⅱ二元复合体系的粘度和粘弹性；少量的SH6即可大幅度增加ZL-Ⅱ的粘度；SH6虽然会降低ZL-Ⅱ的储存模量，却可以增加ZL-Ⅱ的损耗模量。③基于低质量浓度表面活性剂的复合驱体系取得了很好的驱油效果。虽然碱的加入大幅度降低了复合驱体系的粘度和粘弹性，但是它吸附在孔隙表面降低了表面活性剂的吸附，使得三元复合驱的驱油效果好于无碱二元复合驱。

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