TADS-10复合体系驱油效果

任佳维， 吴文祥， 张 栋

(东北石油大学提高采收率教育部重点实验室，黑龙江大庆 163318)



TADS-10复合体系驱油效果

任佳维， 吴文祥， 张 栋

(东北石油大学提高采收率教育部重点实验室，黑龙江大庆 163318)

为了研究复合体系各组分在驱油过程中的贡献程度，利用磺酸盐双子表面活性剂TADS-10与相对分子质量为1 500万的聚合物以及Na2CO3配制的复合体系在光刻玻璃模型上进行原油驱替实验，根据复合体系的驱油效果，分析界面张力、聚合物、碱以及正丁醇对驱油效果的影响。结果表明，TADS-10与石油磺酸盐复配产生的超低界面张力使得化学驱采收率提高2.6%；加入聚合物后的二元体系与一元体系相比，化学驱采收率提高10%左右，总采收率提高12.13%；加入弱碱的三元体系化学驱采收率较二元体系提高2.73%；而三元体系加入质量分数为0.02%醇后化学驱采收率提高1.23%，总采收率提高1.31%。

复合体系； 表面活性剂； 界面张力； 聚合物

我国大部分油田已经进入高含水期，三次采油技术发展很快，三元复合驱虽然进行了大规模应用，但是也存在技术问题，如不易达到超低界面张力、油井结垢等[1]。自1999年赵剑曦[2]系统介绍了国外Gemin型表面活性剂研究进展后, 我国学者开始进行低聚表面活性剂研究, 但多集中于二聚表面活性剂, 由于合成困难, 更多聚合(三聚、四聚或更多)报道相对较少。为了最大限度增加可采储量并保持较高的采油速度，一些通过使用不同表面活性剂复配的技术得到广泛应用[3-4]。高效驱油表面活性剂在驱油过程中起到至关重要的作用[5-6]，如三元复合驱、泡沫复合驱等，但其研制也成为制约采油技术发展的因素之一。但是，TADS-10低聚表面活性剂相比传统表面活性剂具有更高的表面活性和更好的水溶性等特点，本文利用TADS-10单体复配及复合体系分别在微观仿真光刻模型上进行驱油实验，并对复合体系各组分对提高采收率做出的贡献逐一做出评价。

1 实验部分

1.1 实验材料

实验用油：大庆原油脱水脱气与煤油混合而成的模拟油。实验用水：水驱及驱油用水的矿化度为 3 700 g/L；饱和水矿化度为6 778 mg/L。实验药品：磺酸盐双子表面活性剂TADS-10；石油磺酸盐，大庆采油三厂；聚丙烯酰胺，相对分子质量为1 500万，大庆采油三厂；Na2CO3和正丁醇均为分析纯，沈阳华东试剂厂。

1.2 实验设备

采用光刻玻璃模型进行驱油，通过图像的采集、分析，来研究自发乳化驱油方案的微观驱油机理。

1.3 实验方案

(1) 一元驱油体系：质量分数为0.1% TADS-10溶液；质量分数为0.3%的TADS-10/石油磺酸盐复配体系，其中TADS-10与石油磺酸盐以体积比2∶8混合。

(2) 二元驱油体系：聚丙烯酰胺/TADS-10/石油磺酸盐。

(3) 三元驱油体系：TADS-10/石油磺酸盐/聚丙烯酰胺/Na2CO3三元驱油体系；TADS-10/石油磺酸盐/聚丙烯酰胺/Na2CO3/正丁醇。

2 结果与讨论

2.1 低界面张力影响

分别配制质量分数0.1%的TADS-10溶液、质量分数为0.3% 的TADS-10/石油磺酸盐复配体系(体积比为2∶8)，考察了TADS-10单剂及与石油磺酸盐复配体系的采收率，结果见表1。

表1 一元体系驱油效果

从表1可以看出，质量分数为0.1%的TADS-10单独作为驱油剂时，水驱采收率为45.77%，化学驱采收率为6.39%，总采收率为52.16%。与石油磺酸盐复配后化学驱采收率为8.99%，总采收率为52.32%。质量分数为0.3%TADS-10与石油磺酸盐复配体积比为2∶8时，油水界面张力降至10-3mN/m数量级，提高了毛细管数，从而毛细管力减小，降低了原油在岩石表面的黏附力。从式(1)可以看出，随着界面张力的降低和润湿角的增加(如图1所示)，黏附功降低，即岩石表面由亲油性变为亲水性，封闭在细喉道中的柱状残余油末端被拉长开始脱离吼道，断裂成油滴，从而提高洗油效率[7]。

(1)

式中，W为黏附功；σ为油水界面张力；θ为油对地层表面的润湿角。

图1 表面活性剂使地层表面润湿反转

Fig.1 Surfactants make layer surface wetting inversion

考察水驱后质量分数0.3%的TADS-10与石油磺酸盐复配一元体系对残余油的驱替情况，结果如图2所示。

图2 0.3%TADS-10/石油磺酸盐复配体系驱替残余油

Fig.2 0.3%TADS-10/petroleum sulfonate system displacing residual oil

由TADS-10与石油磺酸盐复配体系及TADS-10单独驱油体系驱油结果分析，水驱后表面活性剂驱主要启动了膜状残余油、柱状残余油和簇状残余油。TADS-10的低界面张力使黏附在岩壁上的膜状残余油拉长断裂后自发乳化成小油滴，然后逐渐脱离岩壁上而被驱替[8]。封闭在细喉道中的柱状残余油断裂成油滴，在低界面张力、岩石壁面剪切力和表面活性剂溶液剪切力的作用下，使油滴分裂更小的油滴，与因其自发乳化驱油配方的自发乳化作用形成的细小乳状液汇集聚并，继而被体系夹带而被采出。

2.2 聚合物影响

配制质量分数为0.3%的TADS-10/石油磺酸盐复配体系(体积比为2∶8)，加入质量浓度1 500 mg/L的聚丙烯酰胺，考察SP二元体系的驱油效率，结果见表2。

表2 二元复合驱驱油效果

由表2可知，二元体系在非均质岩心中，化学驱采收率为18.25%，总采收率为64.45%，二元复合体系与一元体系相比，化学驱采收率提高10%左右。

2.2.1 减小油水流度比机理 根据流度比的概念，给出油水流度比定义式：

(2)

式中，Mwo为水油流度比；λw、λo为水、油的流度；kw、ko为水、油的有效渗透率；μw、μo为水、油的黏度。

由式(2)可以看出，二元体系中聚合物通过对水的稠化增加水的黏度[9]，同时减小表面活性剂的药耗，并通过在孔隙表面的吸附和在孔隙介质中的捕集减小孔隙介质对水的有效渗透率，达到减小水油流度比，扩大了二元体系的波及系数，从而驱替出大部分的细小孔道中的残余油。同时，聚合物后续保护段塞防止了后续水驱注入水突破，使主段塞发挥更好的洗油效率。

2.2.2 聚合物溶液黏弹性驱油机理 图3为聚合物溶液弹性驱油作用。从图3中可以看出，聚合物溶液经过孔喉结构时受拉伸作用，溶液中的聚合物分子采取伸直的构象，此时损耗模量G″较大，占主导地位，聚合物表现出黏性；但当它离开孔吼结构时拉伸作用消失，溶液中的聚合物分子则采取蜷曲的构象，此时储能模量G′较大，占主导地位，聚合物表现出弹性，即聚合物溶液沿着流动方向的法线方向膨胀，从而驱替出砂粒间的残余油，达到提高聚合物溶液洗油效率的目的。

考察水驱后TADS-10/石油磺酸盐/聚丙烯酰胺的二元体系对残余油的驱替情况，结果如图4所示。从图4中可以看出，自发乳化配方二元复合驱在簇状残余油上体现出很好的洗油效率，主要还是依靠表面活性剂乳化配方的低界面张力启动残余油，启动后在运移的过程中，与一元体系不同的是有较多的油丝出现。油丝的出现主要是因为聚合物黏弹性的作用，在二元驱油体系的作用下，油丝沿壁面运移，油丝不断的拉长，同时聚合物具有较大的剪切黏度，油丝易被强剪切力拉断。另一方面因为二元复合驱中自发乳化体系的存在，超低的界面张力使油丝内聚力下降，油丝相对更易自发乳化成细小油滴。

图3 聚合物溶液弹性驱油作用

Fig.3 The oil displacement effect of polymer solution elasticity

2.3 弱碱的影响

配制质量分数为0.3% 的TADS-10/石油磺酸盐复配体系(体积比为2∶8)，加入质量浓度1 500 mg/L的聚丙烯酰胺、质量分数为1.0%Na2CO3形成三元自发乳化驱油配方，添加助剂正丁醇后，考察了三元复合驱的驱油效率，结果见表3。

图4 0.3%TADS-10/石油磺酸盐二元体系驱替残余油

Fig.4 0.3% TADS-10/petroleum sulfonate binary system displacing the residual oil

表3 三元复合驱驱油效果

由表3可知，ASP三元复合体系化学驱采收率为20.98%，总采收率为65.35%。加入助剂正丁醇后，化学驱采收率为22.21%，总采收率为65.43%。三元复合驱中碱的加入提高了砂岩表面的负电性，减少了表面活性剂在砂岩的吸附量，从而可以大幅度降低表面活性剂用量[10]。碱可与钙、镁离子反应或与黏土进行离子交换，起牺牲剂的作用，保护聚合物和表面活性剂。同时碱与原油中的有机酸反应生成的石油酸皂可与TADS-10/石油磺酸盐产生协同效应，有助于提高驱油效率。而且碱与石油酸反应生成的表面活性剂可以将油乳化，提高驱油介质的黏度，因而加强了聚合物控制流度的能力。

由于三元复合驱的注入液黏度比较高，并且出现乳化和结垢等影响，使其注采能力出现下降。但是强碱三元复合驱结垢严重，主要形成Mg(OH)2、MgCO3、Ca(OH)2、CaCO3等沉淀，导致油层中的Mg2+与Ca2+含量大幅度降低，从而影响油井产量。

考察水驱后TADS-10/石油磺酸盐/聚丙烯酰胺/ Na2CO3的三元体系对残余油的驱替情况，结果如图5所示。三元复合驱中弱碱的加入，避免了强碱易使油井结垢的缺点，同时与原油中有机酸发生反应生成有机酸皂，与注入的TADS-10/石油磺酸盐体系产生了复配协同效应，使油水界面张力降低至超低，使黏附功减小，使原油从岩石壁面更易脱离。

图5 0.3%TADS-10/石油磺酸盐三元体系驱替残余油

Fig.5 0.3% TADS-10/petroleum sulfonate ternary system displacing the residual oil

2.4 正丁醇的影响

在ASP三元复合体系中加入了正丁醇后，总采收率提高了1.31%。正丁醇的加入改变了官能团的亲油亲水性，使表面活性剂在水中的溶解度变大，即相容性变好，使三元复合驱更好地发挥驱油效果。

考察水驱后三元复合体系加入质量分数0.02%正丁醇后对残余油的驱替情况，结果如图6所示，正丁醇的加入，使自发乳化体系乳化原油的油滴更加细小，这些细小的油滴直径远远要小于孔喉通道，使油滴能够以快速度穿过孔喉摆脱了毛管力的束缚，以水包油型乳状液的形式开采出来，从而起到更好的洗油效果。

3 结论

(1) TADS-10一元体系可以有效的降低界面张力，从而提高洗油效率。

(2) 二元体系聚合物的加入改善油水流度比，驱替出大部分的细小孔道中的残余油。

(3) 三元复合体系中产生的协同效应，有助于提高驱油效率。

图6 助剂正丁醇对三元复合驱驱替残余油的影响

Fig.6 Effect ofn-butyl auxiliary alcohols on the ternary composite flooding residual oil

[1] 康万利.大庆油田三元复合驱化学剂作用机理研究[M].北京: 石油工业出版社, 2001.

[2] 赵剑曦. Gemini表面活性剂的研究与发展方向[J]. 精细与专用化学品,2008, 16(2):14-19.

Zhao Jianxi. Research and development direction of Gemini[J].Fine and Specialty Chemicals, 2008,16(2):14-19.

[3] 张国印,刘庆梅,李凌云,等. 表面活性剂复配在三次采油中的应用[J]. 中外能源,2010,15(2):56-59.

Zhang Guoyin,Liu Qingmei,Li Lingyun, et al. Surfactant complex application of EOR[J]. Sino-Global Energy,2010, 15(2):56-59.

[4] 吴文祥,宋哥,唐佳斌. 表面活性剂复配技术研究[J]. 电子测试,2013(5):268-270.

Wu Wenxiang, Song Ge, Tang Jiabin. Surfactant complex technology[J]. Electronic Test,2013(5):268-270.

[5] 谢毅，尹洪军.黏弹性聚合物溶液微观波及效率分析[J]. 特种油气藏，2013,20(5):110-113.

Xie Yi,Yin Hongjun. Viscoelastic polymer solution microscopic sweep efficiency analysis[J]. Special Reservoir, 2013,20(5):110-113.

[6] 杨光，叶仲斌，张凤英，等.表面活性剂复配体系对正构烷烃/水界面张力的协同作用研究[J].石油与天然气化工，2005,34(3):200-202.

Yang Guang, Ye Zhongbin, Zhang Fengying, et al. Synergy surfactant complex system of n-alkane/water interfacial tension studies[J]. Oil and Natural Gas Chemical Industry, 2005,34(3): 200-202.

[7] 李璇,谢日彬,元海燕,等.海上油田内源微生物与表面活性剂复合驱油剂性能的研究[J].辽宁石油化工大学学报,2015,35(1):41-46.

Li Xuan, Xie Ribin, Yuan Haiyan, et al. Performance research of indigenous microbe and surfactant combined flooding in the off shore oilfield[J]. Journal of Liaoning University of Petroleum & Chemical Technology,2015,35(1):41-46.

[8] 程杰成,夏惠芬,马文国,等.三元体系的界面特性对驱油效率的影响机制[J].中国石油大学学报:自然科学版,2014,38(4):162-168.

Cheng Jiecheng, Xia Huifen, Ma Wenguo, et al. Interfacial properties of the ternary system efficiency of oil displacement mechanism nterfacial properties of the ternary system efficiency of oil displacement mechanism[J]. Journal of China University of Petroleum (Edition of Natural Sciences), 2014,38(4):162-168.

[9] 赵福麟.油田化学[M].东营：中国石油大学出版社，2010.

[10] 夏慧芬,王刚,马文国,等.无碱二元体系的黏弹性和界面张力对水驱残余油的作用[J]. 石油学报,2008,29(1):106-110.

Xia Huifen, Wang Gang, Ma Wenguo, et al. Viscoelasticity and interfacial tension of non alkali two system on water flooding effect of residual oil[J]. Acta Petrolei Sinica,2008,29(1):106-110.

(编辑 宋官龙)

Effect of TADS-10 Complex Systems Oil Displacement

Ren Jiawei, Wu Wenxiang, Zhang Dong

(KeyLaboratoryofEnhancedOilRecoveryofEducationMinistry,NortheastPetroleumUniversity,DaqingHeilongjiang163318,China)

In order to study the contribution of each component in the flooding, the composite system concluding sulfonate gemini surfactant TADS-10, polymer with a molecular weight of 15 million and Na2CO3was used to conducte flooding experiments on a lithography glass model. According to oil displacement effect of composite system, the impact of the interfacial tension, polymers, alkali and organic pure on oil displacement was analyzed. The results showed that ultra-low interfacial tension was generated by TADS-10 and petroleum sulfonate complex which raised chemical flooding oil recovery by 2.6%. After adding the polymer binary system, chemical flooding recovery was increased by nearly 10% compared with a single system, and total recovery was increased by 12.13%. Chemical flooding recovery was increased by 2.73% when weak base ternary was added compared with binary system. The chemical flooding oil recovery was enhanced by 1.23% after adding 0.02% alcoholin the ternary system, and total recovery was increased by 1.31%.

Composite system; Surfactant; Interfacial tension; Polymer

1006-396X(2015)03-0056-05

2015-03-12

2015-05-04

十二五重大专项“复杂油气田地质与提高采收率技术”(2011ZX05009)。

任佳维(1990-)，男，硕士研究生，从事提高原油采收率原理方面研究；E-mail：renjiawei325@163.com。

吴文祥(1961-)，男，博士，教授，博士生导师，从事提高原油采收率方面研究；E-mail：sygcwuwenxiang@sina.com。

TE357

A

10.3969/j.issn.1006-396X.2015.03.012