三元复合体系表面活性剂吸附规律的影响研究*

周志军，王春尧，李国新（.东北石油大学，黑龙江大庆633；.大庆采油五厂，黑龙江大庆633）



三元复合体系表面活性剂吸附规律的影响研究*

周志军1，王春尧1，李国新2
（1.东北石油大学，黑龙江大庆163311；2.大庆采油五厂，黑龙江大庆163311）

摘要：为研究三元复合驱体系在地层渗流过程中界面张力的变化情况，首先对三元复合驱体系对表面活性剂的吸附规律进行研究。本文以河南油田为研究对象，以单分子吸附理论和静吸附理论为基础，利用数值模拟方法和物理模拟实验分别研究碱和聚合物浓度变化对表面活性剂吸附量的影响，研究表明：伴随碱浓度增加，表面活性剂的吸附量呈现逐渐降低后趋于平缓趋势，碱浓度越高，表面活性剂吸附量达到平衡时的浓度越低。随着聚合物浓度的升高，表面活性剂的吸附量呈现先降低而后略微的上升趋势。

关键词：三元复合驱体系；静态吸附；吸附量

河南油田经过几十年的开发生产，已进入特高含水阶段，以部分水解聚丙烯酰胺的三元复合驱技术的获得了重视和发展，应用规模逐年扩大，已经成为油田开发后期减缓产量递减的一项主要技术。

近年来，很多学者对研究了三元复合驱油体系对油田开发的影响。魏举鹏［1］等针对大庆油田三元复合体系的吸附滞留情况，通过室内实验，确定表面活性剂和疏水缔合聚合物在不同碱类型复合体系的吸附量；缔合聚合物的滞留量大于在大庆砂岩上吸附量，而碱和表面活性剂的滞留量小于吸附量。李柏林［2］等分析了大庆萨中二类油层对三元驱油体系的吸附特征。张栋［3］等结合大庆油田储层的实际开发条件，在室内进行模拟，得出了表面活性剂的吸附量随浓度的增加呈现出迅速上升、小幅度回落至平稳趋势的过程；在竞争吸附过程中，聚合物降低了二元复合体系中表面活性剂的吸附量等结论。张丽波［4］等以苏丹油田三元复合驱体系为例，研究了各组分在综合作用下静态吸附量的变化。众多学者取得了大量的成果［5-14］。本文以河南油田为研究对象，首先通过室内物理实验观察不同浓度下聚合物和碱对表面活性剂静态吸附的影响，验证相关学者研究成果；然后通过建立数值模型，模拟碱和聚合物浓度对表面活性剂吸附场影响，观察不同浓度下表面活性剂吸附场的分布规律。

1　实验部分

1.1实验材料

表面活性剂：ORS-41，聚合物：水解聚丙烯酰胺Alcoflood1275A，碱：NaOH，实验吸附剂：河南油田取天然岩心研碎等体积比酒精/苯清洗去油，粒径尺寸，80～100目，实验温度：65℃，实验用水：河南油田模拟地层水，矿化度4600mg·L-1。

1.2实验步骤

首先，利用实验材料按照实验目的配制一系列驱油剂溶液,然后分别测量各驱油剂中表面活性剂的浓度并记C，将吸附剂与所配目的溶液按照比例混合、振荡，置于恒温水浴槽中，将得到的吸附剂与目的液形成的浑浊液进行离心分离，静置后取上层清液并测定其平衡浓度记为Ce。更换目的液重复上述实验步骤并根据以下公式计算表面活性剂的吸附量：

式中Γ：吸附量,mg·g-1；V：驱油剂体积，mL；ω：吸附剂质量，g。

1.3实验结果

图1分别给出了NaOH浓度为0%、0.5%和1.0%时，河南油田条件下碱浓度对表面活性剂在河南砂岩上吸附量影响的实验结果。

图1　碱浓度对表面活性剂吸附的影响Fig.1 Influences of alkali concentration on surfactant adsorption

由图1可以看出，随着碱浓度的增加，表面活性剂的吸附量下降。当NaOH浓度分别为0%、0.5% 和1.0%时的最大吸附量分别为0.68、0.43和0.36 mg·g-1砂。加入碱后，表面活性剂吸附量分别降低34.5%和43.4%。碱浓度越高，表面活性剂吸附量达到平衡时的浓度越低，这是由于加入碱后，体系pH值升高，水解的OH-参与在固体表面竞争吸附时，增加吸附剂表面的负电荷，使表面活性剂对吸附剂静电斥力加大，致使活性剂的吸附量降低。

图2给出了在NaOH浓度为1.0%，聚合物浓度分别为0、600、1200和1800mg·L-1时，表面活性剂等温吸附曲线影响的实验结果。

图2　含碱条件下聚合物浓度对表面活性剂吸附的影响Fig.2 Influences of alkali-containing polymer concentrations on surfactant adsorption

由图2可见，聚合物的加入，表面活性剂吸附曲线仍然复合langmuir等温吸附规律。实验结果表明，当聚合物浓度由0mg·L-1分别增加到600、1200 和1800mg·L-1时，表面活性剂的最大吸附量由0.36mg·g-1分别降低到0.30、0.23和0.25mg·g-1，分别降低16.6%、36.1%和30.5%。吸附剂表面含有正电荷，聚合物在水溶液中呈现负电性。所以在在竞争吸附中，根据库仑定律，同电相斥异电相吸的原理，聚合物会优先占据吸附剂表面的吸附位，因此，就从很大程度上降低了表面活性剂在吸附剂表面上的附着。同时，三元复合驱体系是一种粘弹性溶液，会降低表面活性剂分子在溶液中的运移速度，随着聚合物浓度的升高，表面活性剂的吸附量呈现降低的趋势，这是由于聚合物浓度增加，降低了表活剂与吸附剂接触机会，但当浓度过高时，表活剂相同范围内停留时间过长，所以吸附程度会有略微升高的趋势。

2　协同效应对吸附量影响的现场应用

为研究化学剂协同效应的影响，利用petrol软件建立IV5-11区块的构造模型、属性模型和几何模型，利用cmg软件中的stars模块截取IV5-11区块一个典型的子模型，子模型中囊括了所有实施复合驱的层系，网格节点数为37950个，采油井25口，注水井25口，区块地质储量为2.29×106t。

2.1碱对表面活性剂吸附量的影响

为研究碱对表面活性剂吸附量的影响，在协同效应模型中采取改变主段塞碱浓度从0%～1.5%的变化。具体段塞设置如下：

2010.01～2011.12：注水开发，注入量0.1 PV·a-1；

2012.01～2015.10：聚合物1200mg·L-1，表面活性剂0.1%，碱浓度0～1.5%，注入量0.1 PV·a-1；

图3反映了碱浓度变化对表面活性剂吸附量的影响。随着碱浓度的加入，表面活性剂的吸附浓度而明显减小。与此同时，表面活性剂的波及面积也随着碱浓度的加入而增大，这是由于表面活性剂在注入过程中的损耗减小的缘故。（图中表面活性剂吸附量单位为g·L-1）

图3　碱对表面活性剂吸附量分布规律的影响Fig.3 Influences of alkali on distribution law of surfactant adsorption

为了定量描述碱对表面活性剂吸附量变化程度的影响，在模型中选取了2组注入采出井组进行定量描述。

图4　单井组网格位置及网格吸附量Fig.4 Grid position and grid adsorption of single well group

图4一组注入采出井组，所在网格位置及该网格吸附量如图所示（吸附量的单位为mg·L-1）。则注入端K4518井注入流体流动到采出端K453聚合物浓度降低值ΔP计算公式为：

式中ΔA：采出端表面活性剂浓度降低值；Δai,j：各网格表面活性剂吸附量；li,j：流体流经各网格长度；d：注入井与采出井垂直距离。

表1中数据反映了碱浓度的变化对表面活性剂吸附量的影响。

表1　采出端表面活性剂浓度变化情况Tab.1 Change of surfactant concentration in the produced well

从表1可以看出，随着碱浓度的增加表面活性剂的吸附量明显降低，且降低幅度越发明显。这说明碱的加入有效的抑制了表面活性剂的吸附，使得表面活性剂在地层中的浓度保持在一个较高的水平，这也是碱加入对界面张力影响的一个重要方面。

2.2聚合物对表面活性剂吸附量的影响

为研究聚合物对表面活性剂吸附量的影响，在协同效应模型中采取改变主段塞聚合物浓度从0～1800mg·L-1的变化。具体段塞设置如下：

2010.01～2011.12：注水开发，注入量0.1 PV·a-1；

2012.01～2015.10：聚合物0～1800mg·L-1，表面活性剂0.1%，碱浓度0.5%，注入量0.1 PV·a-1；

图5给出了聚合物浓度变化对表面活性剂吸附量的影响（图中单位为g·L-1）。

随着聚合物浓度的增大，使得表面活性剂的波及范围有所减小，这是由于聚合物浓度增大使得体系表观粘度大幅度增大，使得流动能力大幅度降低，还将导致注入井注入困难等一系列问题。

图5　聚合物对表面活性剂吸附量分布规律的影响Fig.5 Influences of polymer on distribution law of surfactant adsorption

利用同样的方法定量描述聚合物对表面活性剂吸附量变化程度的影响，在模型中选取了2组注入采出井组进行定量描述。

表2　采出端表面活性剂浓度变化情况Tab.2 Change of surfactant concentration in the produced well

表2数据反映了聚合物浓度的增大对表面活性剂吸附量的影响。从表2中数据可以看出，聚合物浓度的增大，表面活性剂的吸附量有略微的上升趋势。这是由于聚合物减小了表面活性剂的波及体积，使得表面活性剂在相同范围内停留时间更长，吸附程度也更高。因此，聚合物浓度增加会影响表面活性剂的波及体积及见效效果，并不是注入浓度越大越好。通过对比两个表格的表面活性剂吸附量可得出，碱浓度对表面活性剂的吸附影响远大于聚合物。在三元复合驱过程中碱对表面活性剂吸附量的影响占绝对主导地位。

将数值模拟结果与河南油田室内试验结果对比可以看出，室内试验结果中吸附量随体系组分浓度变化的趋势一致，但数量上有一定差别。这是由于数值模拟过程中驱替剂无法波及到工区内的所有区域，且数值模拟过程中无法达到室内试验所能达到的注入倍数（几十甚至上百PV），因此，很难达到动态平衡的状态。实际生产过程中同样存在波及不到所有区域以及注入倍数达不到平衡状态的问题，因此，实际生产过程中的吸附情况与数值模拟结果更为接近。

3　结论

（1）随着碱浓度升高，表面活性剂的吸附量呈现逐渐减低后趋于平缓趋势，碱浓度越高，表面活性剂吸附量达到平衡时的浓度越低。

（2）随着聚合物浓度的升高表面活性剂的吸附量呈现先降低略微的上升趋势。

（3）碱浓度对表面活性剂的吸附影响远大于聚合物。在三元复合驱过程中碱对表面活性剂吸附量的影响占绝对主导地位。

参考文献

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分析测试

Study on the adsorption law of ASP system*

ZHOU Zhu-jun1，WANG Chun-yao1，Li Guo-xin2
（1.Northeast Petroleum University, Daqing 163311，China；2.The 5the Oil Production Factory in Daqing，Daqing 163311，China）

Abstract：In order to study the change law of interfacial tension in the seepage flow process of Asp flooding system, surfactant adsorption law of Asp flooding system should be studied in the first place. In this paper,we take Henan oilfield as the research objects. Basing on monomolecular adsorption theory and static adsorption theory,using the method of numerical simulation and physical simulation experiment ,we respectively study the effect of alkali and polymer concentration variation on surfactant adsorption.The results showed that with the increase of alkali concentration, surfactant adsorption gradually decrease,and then becomes flat. The higher the alkali concentration is,the lower the equelibrium adsorption concertration of the surfactant is.With the increase of the polymer,surfactant adsorption decreases at first and increases slightly.

Key words：ASP system；static adsorption；adsorption capacity

中图分类号：TE357

文献标识码：A

DOI：10.16247/j.cnki.23-1171/tq. 20160412

收稿日期：2016-03-02

基金项目：复合驱效果影响因素及机理研究（No.31350016-12-ZC060 7-0008）

作者简介：周志军（1966-），男，黑龙江省大庆市人，教授，博士，1990年毕业于大庆石油学院油藏工程专业，研究方向：油气田技术开发。

通讯作者：王春尧（1989-），男，油气田开发工程。