高浓度三元复合体系性能评价及机理分析＊

牛丽伟 卢祥国 李建冰 杨 敏 胡 勇 胡淑琼 苑胜旺

（1．东北石油大学 提高油气采收率教育部重点实验室

2．中国石油大庆油田有限责任公司第八采油厂）

（3．中国石油塔里木油田勘探开发研究院

4．中国石油勘探开发研究院廊坊分院）

三元复合驱是一种非常重要的化学驱强化采油技术，以三种驱替剂的协同效应为基础，发挥了驱油剂的洗油能力和扩大波及体积能力，比水驱采收率提高20%以上［1－2］。三元复合驱实质是用廉价碱部分或全部代替价格昂贵的表面活性剂，从而减少表面活性剂用量以及表面活性剂和聚合物的损耗量［3－4］。此外，碱与原油中的有机酸反应生成石油酸皂，可增加活性物质含量，进一步提高驱油效率［5］。

近年来，大庆油田开展了高聚合物浓度三元复合驱现场试验，取得了较好的增油降水效果。为了深入了解高浓度三元复合驱提高采收率机理，进一步提高驱油效率，本实验开展了三元复合体系黏度、界面张力、静吸附特性、流变性和流动特性实验研究，并分析了有关作用机理，为三元复合驱油技术在现场应用提供了决策依据。

1 实验部分

1．1 实验材料

化学药剂均为大庆炼化公司生产，聚合物为部分水解聚丙烯酰胺干粉（HPA M），相对分子质量2 500×104，固含量为88%（w）；表面活性剂为重烷基苯石油磺酸盐，有效含量50%（w）；碱为Na OH浓溶液，质量分数30%。

实验用水为大庆油田采油六厂注入污水，总矿化度4 000 mg／L。流动性实验岩心为石英砂环氧树脂胶结人造均质柱状岩心［6］，几何尺寸为φ2．5 c m×10 c m。

1．2 实验仪器

采用LVDV－Ⅱ＋PRO布氏黏度计测量黏度，采用STX－500 H型界面张力仪测量界面张力，采用722型光栅分光光度计测量吸光值，采用HAAKE RS－150流变仪测量流变性和黏弹性。岩心驱替实验装置主要包括平流泵、压力传感器、岩心夹持器、手摇泵和中间容器等。

1．3 实验温度

油藏温度45℃。

2 结果与讨论

2．1 黏度及其影响因素

2．1．1 碱浓度的影响

碱浓度对三元复合体系黏度的影响见表1。

表1 三元复合体系在不同碱浓度下的黏度数据Table 1 Experimental viscosity data of ASP system with different alkali concentration

从表1可知，在聚合物和表面活性剂浓度不变情况下，碱浓度愈大，三元复合体系黏度愈小。这是因为碱浓度增加可以抑制聚丙烯酰胺羧钠基的电离，导致聚丙烯酰胺分子长链上羧基阴离子之间的斥力减弱，分子线团收缩，视黏度下降［7］。

2．1．2 表面活性剂浓度的影响

表面活性剂浓度对三元复合体系黏度影响实验数据见表2。

从表2可知，随表面活剂浓度升高，体系黏度呈现先下降后升高的变化趋势，其质量分数为0．1%时 ，体系黏度最小。这是因为，当w（S）小于0．1%时，重烷基苯石油磺酸盐主要起到电解质的作用，压缩聚合物分子线团双电层，使体系黏度下降；当w（S）大于0．1%时，体系中胶束增多，胶束与HPA M分子形成聚合物－表面活性剂络合物，使体系黏度增加［8］。

表2 三元复合体系在不同表面活性剂浓度下的黏度数据Table 2 Experi mental viscosity data of ASP system with different surface concentration

2．2 界面张力及其影响因素

碱、表面活性剂和聚合物浓度对三元复合体系界面张力影响见图1。

从图1可以看出，在实验浓度范围内，随碱和表面活性剂浓度升高，体系界面张力降低，并且可以达到10－3级超低界面张力。这是因为，碱可以和原油中的有机酸反应生成表面活性物质，这种表面活性物质与加入的表面活性剂之间产生协同作用使体系界面张力达到超低。同时，碱可以通过调整离子强度来调节表面活性剂分子在油水相的平衡分布，当表面活性剂在油相与水相的分配比接近临界值时，油水界面张力值最低［9］。

另外，对比图1中（a）和（b）发现，在碱和表面活性剂浓度相同条件下，随聚合物浓度升高，体系界面张力升高。这是因为，聚合物可以吸附到油水界面上形成复合界面膜［10］，使油水界面上表面活性剂的量略有降低，导致油水平衡界面张力略有升高。

2．3 静吸附作用

将三元复合体系与大庆油田天然油砂按固液比为1∶3、1∶9和1∶18比例置于具塞磨口烧杯中，搅拌均匀，置于45℃恒温水浴内，定期进行振荡，48 h后取样离心分离，取上层清液进行浓度检测，并按以下公式计算静吸附量：

静吸附量＝（吸附前化学剂量（mg）—吸附后化学剂量（mg））／油砂重量（g） （1）

实验中固液比定义为油砂与溶液的质量比。聚合物浓度采用分光光度法测定，表面活性剂浓度采用两相滴定法测定，碱浓度采用酸碱滴定法测定。

三元复合体系中各组分静吸附量的实验结果见表3。

表3 三元复合体系静吸附量实验结果Table 3 Experimental data of static adsorption of ASP system

从表3可以看出，在三元复合体系中，表面活性剂静吸附量最大，碱次之，聚合物最小；随固液比增大，各组分静吸附量增大。

在三元复合体系中，表面活性剂在油砂上的吸附是表面活性剂分子或其络合物同油砂表面或临近表面的化学物质间相互作用的结果［11］。而碱的存在会影响表面活性剂在油砂表面的吸附量，因为碱可在油砂表面发生竞争吸附，增加矿物表面的负电荷，降低表面活性剂的吸附量；同时，碱使溶液中Na＋增加，Na＋会使吸附在固－液界面的阴离子间的电性斥力减弱，排列变紧密，使表面活性剂吸附量升高。与小分子的固液吸附相比，高分子聚合物的固液吸附具有以下特点：①聚合物可在油砂表面发生竞争吸附，但由于聚合物分子线团尺寸较大，导致其吸附量小于表面活性剂和碱；②高分子在油砂表面可以有许多构型，使其达到吸附平衡的过程缓漫；③聚丙烯酰胺分子在范德华力作用下可形成多层吸附；④由于聚合物大分子在胶束和油砂粒子表面上的架桥絮凝作用，可使表面活性剂吸附损失量进一步增大［12］。

2．4 流变性和黏弹性

2．4．1 流变性

碱和表面活性剂浓度对三元复合体系流变性影响实验见图2。从图2可知，碱和表面活性剂浓度对三元复合体系流变性存在影响，表面活性剂的影响较小。当剪切速率较低时，在聚合物和表面活性剂浓度相同条件下，碱浓度愈大，体系视黏愈小；在聚合物和碱浓度相同条件下，w（表面活性剂）为0．3%，时体系表观黏度最大，w（表面活性剂）为0．1%时体系表观黏度最小。当剪切速率较高时，各体系表观黏度趋于一定值。

2．4．2 黏弹性

碱和表面活性剂浓度对三元复合体系黏弹性影响实验见图3。

从图3（a）可知，碱浓度对三元复合体系黏弹性存在影响。在线性黏弹区域内，碱浓度愈低，体系黏弹性愈好。当振荡频率在0．01～0．1 Hz时，除碱浓度为0的体系外，其余体系均以黏性占主导；当振荡频率较高时（1～10 Hz），体系弹性占主导。从图3（b）可知，表面活性剂浓度对三元复合体系黏弹性影响不大。随振荡频率增加，几种三元复合体系黏弹性变化规律类似，即当振荡频率较小时，体系黏度占主导，当振荡频率较大时，弹性占主导。

2．5 流动特性

2．5．1 碱浓度对流动特性的影响

除垢前后三元复合体系阻力系数（FR）和残余阻力系数（FRR）测试结果见表4。

表4 阻力系数和残余阻力系数测试结果Table 4 Resistance factor and residual resistance factor

从表4可以看出，在相同岩心渗透率条件下，除垢前碱浓度愈大，三元复合体系阻力系数和残余阻力系数愈大；除垢后碱浓度愈大，三元复合体系阻力系数和残余阻力系数愈小。

通过对比实验可以看出，除垢前后，碱浓度对三元复合体系流动性质影响正好相反。未除垢时，体系中存在粒径较大的垢晶粒，垢晶粒比聚合物分子具有更强的抗剪切和捕集滞留能力，在多孔介质中流动阻力更大。而碱浓度越大，垢晶粒越多，对岩心的堵塞越严重。除垢后，随着碱浓度升高，溶液中阳离子的电荷屏蔽作用起主导地位，使聚合物分子线团尺寸减小，进而降低聚合物分子的捕集滞留特性。

2．5．2 表面活性剂浓度对流动特性的影响

表面活性剂浓度对三元复合体系阻力系数（FR）和残余阻力系数（FRR）影响测试结果见表5。

从表5可以看出，在相同岩心渗透率条件下，随着表面活性剂浓度的增加，三元复合体系阻力系数和残余阻力系数呈现先减小后增大的变化趋势。当体系中无表面活性剂时，阻力系数和残余阻力系数最大，当w（S）为0．1%时，其阻力系数和残余阻力系数最小。

表5 阻力系数和残余阻力系数测试结果Table 5 Test results of resistance factor and residual resistance factor

2．5．3 聚合物浓度对流动特性的影响

聚合物浓度对三元复合体系阻力系数和残余阻力系数影响测试结果见表6。

表6 阻力系数和残余阻力系数测试结果Table 6 Test results of resistance factor and residual resistance factor

从表6可以看出，在相同岩心渗透率条件下，聚合物浓度愈大，三元复合体系阻力系数和残余阻力系数愈大。

2．5．4 岩心渗透率对流动特性的影响

表7 阻力系数和残余阻力系数测试结果Table 7 Test results of resistance factor and residual resistance factor

岩心渗透率对三元复合体系阻力系数和残余阻力系数影响测试结果见表7。

从表7中可以看出，在相同条件下，岩心渗透率愈大，三元复合体系阻力系数和残余阻力系数愈小。

3 结论

（1） 随碱浓度增加，三元复合体系黏度和界面张力降低；随表面活性剂浓度增加，三元复合体系黏度先降后升，界面张力降低。

（2） 在三元复合体系中，表面活性剂静吸附量最大，碱次之，聚合物最小。随碱浓度增加，三元复合体系黏弹性降低；表面活性剂对三元复合体系黏弹性影响不大。

（3） 除垢后三元复合体系阻力系数和残余阻力系数变小。随碱（除垢后）浓度减小、聚合物浓度增加和岩心渗透率减小，三元复合体系阻力系数和残余阻力系数增大；随表面活性剂浓度增加，三元复合体系阻力系数和残余阻力系数先减小后增大。

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