三元复合驱体系粘度影响规律研究

许婧 周志军 张鹤川

摘 要：为了增加三元复合驱协同效应驱油体系在油层中的有效驱油运移距离并提高最终驱油效果，本文通过室内实验和数值模拟方法，分别研究不同浓度的碱和表面活性剂在含有聚合物的溶液里面，两者对体系粘度的影响。结果表明，表面活性剂浓度对粘度影响很小；碱浓度对粘度影响在碱浓度小于0.5%之前十分明显，但大于0.5%后趋于稳定。

关 键 词：三元复合驱；碱；表面活性剂；聚合物；粘度

中图分类号：TE 357 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2016）08-1711-03

Abstract： In order to increase effective driving oil moving distance of synergistic ASP oil displacement system to enhance the final oil displacement efficiency， laboratory experiment and numerical simulation methods were used to study the influence of different concentrations of alkali and surfactants in the solution containing polymer on the viscosity of the system. The results indicate that the concentration of surfactant has little impact on the viscosity. And when alkali concentration is less than 0.5%， effect of alkali concentration on the viscosity is very obvious， but it is stable when the concentration is more than 0.5%.

Key words： ASP； alkaline； surfactant； polymer； viscosity

化學驱是我国注水开发油田提高采收率的重要手段，碱-表面活性剂-聚合物三元复合驱是一种大幅度提高原油采收率的驱油技术[1，2]。驱油液的粘度越高，则扩大波及体积的能力越强，驱油效果越好。

在三元复合体系中，表面活性剂和碱对聚合物分子产生的影响发生了变化，一方面由于螯合作用使粘度增加，另一方面由于离子压缩聚合物分子线团的双电层，降低了聚丙烯酰胺的水解度[3]。Nasreid认为[4]，碱可以通过向聚合物溶液提供阳离子和水解聚合物链上的酰胺基（碱水解作用）这两种方式从而改变聚丙烯酰胺溶液的粘度，Nagarajan认为[5]，表面活性剂与聚合物之间的相互作用很复杂，它与表面活性剂的结构、组成和聚合物的分子量、链结构、电荷特性及溶液浓度密切相关。但目前对三元复合驱协同作用对溶液体系粘度影响的文章并不常见，因此本文以矿场使用的聚合物溶液为基础，研究碱与三元复合驱油体系中的表面活性剂和聚合物间的协同作用对体系粘度的影响，为碱和表面活性剂三元复合驱油体系设计和矿场应用提供指导。

1 实验部分

1.1 实验材料

碱NaOH：相对分子质量非常低的无机盐；表面活性：ORS-41；聚合物：聚丙烯酰胺Alcoflood1275A。河南油层温度：65 ℃；地层平均地层水矿化度：4 656 mg/L。

1.2 实验步骤

将聚合物、NaOH、表面活性剂母液与水按照不同比例配置成不同体系的三元溶液，充分搅拌一个小时后，使用布氏粘度计测量不同浓度表面活性剂和NaOH下的三元溶液粘度，比较三元溶液浓度变化。

2 实验结果分析

2.1 碱对溶液粘度的影响

在三元复合体系中，表面活性剂和碱对聚合物分子产生的影响发生了变化，一方面由于螯合作用使粘度增加，另一方面由于离子压缩聚合物分子线团的双电层，降低了聚丙烯酰胺的水解度[6]。

碱对聚合物溶液粘度影响的机理主要有两个：一是碱剂加入后，由于体系中增加了大量的Na+，在阳离子作用下，聚合物分子结构的构想表现为卷曲，甚至严重卷曲，导致溶液表观粘度大幅度降低；而碱剂的加入，提高了溶液的pH，进一步增大和提高了聚丙烯酰胺在水溶液中的水解度。水解度的增加，有利于聚合物溶液表观粘度的增加。溶液表观粘度究竟是升高还是降低，取决于这两个机理哪个占主要地位。

图1给出了部分水解聚丙烯酰胺Alcoflood 1275A在NaOH水溶液中体系表观粘度的变化特征和趋势。可以看出，在加入0%～2.0%的NaOH时，随着碱浓度的增加，溶液的粘度急剧下降。当NaOH浓度高于0.25%时，随着浓度的增大，溶液粘度下降幅度变得非常缓慢，甚至不变。显然，这样的结果是由于碱浓度达到一定程度后，即阳离子含量达到一定程度后，在一定温度条件下，聚合物分子构型已经最大限度地成为卷曲状态。因此，即使随着碱浓度即阳离子浓度的增加，聚合物分子构型没有进一步卷曲，表现为溶液表观粘度没有进一步降低。

图2给出了NaOH浓度1.0%时，1 000 mg/L部分水解聚丙烯酰胺Alcoflood 1275A在河南油层温度65 ℃及地层平均地层水矿化度4 656 mg/L条件下，溶液表观粘度随时间变化的实验结果。

结果表明，对于部分水解聚丙烯酰胺来说，当老化时间不大于5 d时，溶液表观粘度既没有增加也没有降低。但老化时间为5～50 d，溶液粘度下降幅度比较明显，由初始值63 mPa·s降低到40 mPa·s。研究结果表明，该阶段溶液表观粘度降低的主要原因是由于溶液中存在少量的氧气，以及溶液中存在的微生物和细菌的作用，使得部分水解聚丙烯酰胺的分子链发生了断裂，导致溶液粘度降低[7]。

但在50～150 d的时间内，随着时间的延长，溶液的表观粘度略有上升，由第50 d的40 mPa·s上升到第150 d的42 mPa·s。尽管上升的幅度非常小，但说明由于碱剂的加入，溶液的pH的增高，提高了部分水解聚丙烯酰胺分子链上的水解程度，聚合物分子链间的负电荷有所增加，增大了同一分子链段之间的经典排斥力，最终使分子的卷曲程度在一定程度上有所改善，旋回半径增大。因此，溶液表观粘度略有上升。

值得注意的是，尽管加入碱后，在高pH环境条件下，聚合物的水解程度有所上升，但增加幅度不大，溶液粘度的上升幅度也不是太高。对于油田实际应用的意义并不大。

显然，碱对聚合物溶液粘度的影响取决于这两个影响因素增减程度的差值。当然，与碱的类型和浓度有关。

2.2 表面活性剂对溶液粘度的影响

通常来说，阴离子的石油磺酸盐對聚合物溶液粘度影响的机理有两个：一是表面活性剂的加入带来了大量的阳离子，如Na+，在它的屏蔽作用下，聚合物分子链进一步卷曲，溶液粘度降低；二是当表面活性剂加入后，聚合物分子溶液形成聚集体或集合体，导致溶液粘度增加。溶液表观粘度究竟是升高还是降低，取决于这两个机理哪个占主要地位[7]。

图3给出了表面活性剂ORS-41浓度对部分水解聚丙烯酰胺Alcoflood1275A溶液粘度影响的实验结果。可以看出，随着表面活性剂浓度的增加，溶液粘度有所上升，但幅度非常小。这说明，表面活性剂的加入，增加溶液粘度为主要机理，但增加的幅度非常小。

3 三元复合驱协同效应的数值模拟

3.1 模型的建立

本文通过数值模拟方法来研究碱和表面活性剂对体系粘度的影响，建立协同效应模型。为研究化学剂协同效应的影响，在V5-6区块中截取一个典型的子模型，子模型中囊括了所有实施复合驱的层系，网格节点数为37 950个，采油井23口，注水井23口，区块地质储量为2.29×106 t。

3.2 结果分析

（1）为研究碱浓度对粘度的影响，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（图4中粘度单位为cp）。具体段塞设置如下：

2010.01-2011.12：注水开发，注入量0.1 PV/a；

2012.01-2014.06：聚合物1 800 mg/L，表面活性剂0.1%，碱浓度0%～1.5%，注入量0.1 PV/a；

从图4中变化可以看出，碱浓度由0上升至0.5%过程中，粘度下降幅度十分明显，但是在碱浓度大于0.5%之后，对粘度的影响很小。这说明碱浓度达到0.5%之后聚合物分子已经受碱作用卷曲变形的程度已经很高，继续发生卷曲的分子数量急剧减少。

对比数值模拟结果与大庆油田关于碱浓度对粘度影响的变化特征和趋势可以看出，在加入0%～0.2%的NaOH时，随着碱浓度的增加，溶液的粘度急剧下降。当NaOH浓度高于0.25%时，随着浓度的增大，溶液粘度下降幅度变得非常缓慢，甚至不变。这与数值模拟所得结果相一致。

（2）为研究表面活性剂对粘度的影响，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；

2012.01-2014.06：聚合物1 800 mg/L，表面活性剂0～0.5%，碱浓度0.5%，注入量0.1 PV/a；图5反应了表面活性剂浓度变化对粘度的影响（图中单位为cp）。从图中数据可以看出，表面活性剂粘度的增大使聚合物粘度略微上升，但上升幅度很小。

对比数值模拟结果与大庆油田关于表面活性剂浓度对聚合物溶液粘度影响的实验结果可以看出，随着表面活性剂浓度的增加，溶液粘度有所上升，但幅度非常小。这与数值模拟所得结果相一致。

4 结 论

综合以上分析，表面活性剂浓度对粘度影响很小；碱浓度对粘度影响在碱浓度小于0.5%之前十分明显，但大于0.5%后趋于稳定。鉴于油田实际生产过程碱浓度大于0.5%的现状，碱在该区间内对粘度影响很小，不是碱所产生的协同效应影响的主要方面。

参考文献：

[1] 吴永超，张华珍. 低碱三元复合驱油实验研究[J]. 油气地质与采收率，2003，10（5）：66-67.

[2] 李华斌，吴文祥. ASP三元复合驱油层适应性研究[J]. 西南石油学院学报，2000，22（4）：48-51.

[3] 张维，李明远，林梅钦，董朝霞，郭继香. 碱对部分水解聚丙烯酰胺溶液与煤油界面性质的影响[J]. 油气地质与采收率，2008（03）：88-90+117.

[4] NASREIDINHA，HANKINBF，GREENKA.Viscosity behavior of alkaline， surfactant polyacrylamide solutions used for enhanced oil recovery[C]. SPE，21028，1991.

[5] NAGARAJAN R. On the nature of interactions between polymers and surfactant in diluteaqueous solutions[J].Polym Prepr Am：Chem Soc Div，Polym Chem，1981（22）：33-37.

[6] 王克亮，廖广志，杨振宇，李建路. 三元复合和聚合物驱油液粘度对驱油效果影响实验研究[J]. 油田化学，2001（04）：354-357.

[7] 姜维东，王洪涛，赵兰兰，卢祥国. 碱和表面活性剂影响聚合物溶液性质实验研究[J]. 中国海上油气，2007（05）：323-326.37-40.