聚表剂纳米催化剂驱油体系效果评估

贺皓楠，张志全，闫梦

聚表剂纳米催化剂驱油体系效果评估

贺皓楠，张志全，闫梦

（长江大学 石油工程学院，湖北 武汉 430100）

聚表剂驱油技术是一种集调剖及驱替为一体的新型驱油技术，主要是通过增粘性，粘弹性和乳化性这三种性能来提高采收率。纳米催化剂材料在石油化工工业中具有改善产品构造，提高产品质量、产率和附加值的作用。在研究聚表剂和纳米催化剂在稠油热采中的主要作用以及他们提高采收率效果的同时，探究聚表剂和纳米催化剂混合后，同时注入地层是否能同时发挥二者优势，并寻求最优化的聚表剂-催化剂驱油体系，从而极大的提高原油采收率。纳米催化剂的注入性好，聚表剂的流度控制作用强，先注聚表剂扩大波及体积，后注入纳米催化剂改善原油物性，最后蒸汽吞吐能够提高单井吞吐效果。

聚表剂；纳米催化剂；稠油热采；提高采收率

聚表剂也被称作活性聚合物[1]，与普通聚合物相比，聚表剂的优势在于：聚表剂的水溶液拥有在聚丙烯酰胺碳氢链[2]的分子链侧基上发生接枝共聚而得到功能性单体或功能基团，使得表面活性剂附着在原聚合物的碳氢链上，所以聚表剂的水溶液在具备了新特性的同时也具备了双重特性[3]。根据聚表剂的分子结构的特点来看，它与表面活性剂有很大的区别，表面活性剂是通过减小在油水两相体系中的油水界面张力来提高采收率，而聚表剂则是将非极性物质高度分散在非水体系中，首先形成乳状液[4]，从而在非水体系中来突破表面活性剂的局限性；对于低分子量和较低浓度的水溶液或者不含水的原油，聚表剂是通过统一体相粘度和活性以及增粘能力和增溶能力来使油水界面降低[5]。

纳米技术[6]是一种用单个原子或分子制造物质的科学技术，特点在于其研究的尺寸极小，范围在0.1~100 nm之间。随着石油化工的发展，催化剂技术也变得越来越重要。纳米技术之所以能够运用在催化剂当中，是因为纳米晶粒具有表面活性多且没有空隙的特点，能够改变反应物的反应速度且不改变化学平衡、质量及性质。通常情况下，纳米催化剂主要分为两类：一类是金属纳米催化剂，主要是将贵金属作为基础，例如：铂、银等，另一类是将氧化物作为基础，并利用活性等手段，结合化学反应历程研发的纳米催化剂。纳米催化剂能够直接添加到液体中，确保在热量向外扩散的同时局部不会失去活性。纳米催化剂材料在石油化工工业中表现出的特性有：改善产品构造，提高产品质量、产率和附加值。纳米催化剂技术在石油化工中占据着不可替代的位置。

随着世界油气的不断开发，稠油[7]开采越来越受到人们的重视，如何有效的利用热采技术开采稠油油藏变得越来越重要，蒸汽吞吐[8]是开采稠油的主要方法。就当前化学驱发展的前景来看，单一的表面活性剂驱、聚合物驱和催化剂驱不能满足现代采油要求，彼此相互结合的协同作用被更加看好。各种类型的驱替剂相互作用产生的协同效果使驱替剂的浓度较小同时油水界面降低，这作用远远强于单一驱油剂[9]。本次实验在研究聚表剂和纳米催化剂在驱油中的主要作用以及提高采收率的同时，探究聚表剂和纳米催化剂混合后，同时注入地层是否能同时发挥二者优势，并寻求最优化的聚表剂-催化剂体系从而极大的提高原油采收率。

1 实验部分

1.1 实验仪器

平流泵、恒温烘箱、蒸汽发生器、填砂管、活塞容器、压力表若干、电子秤、回压阀等。

1.2 实验条件

温度：主烘箱180 ℃，副烘箱110 ℃；

饱和用水：模拟地层水、蒸馏水；

驱替剂：蒸馏水（蒸汽）、HB-BI聚表剂(浓度为0.5%)、纳米催化剂（浓度为0.5%）；

实验用油：超稠油（180 ℃黏度为9.5 mPa·s）。

1.3 实验方案

方案一：蒸汽驱至含水率98%；

方案二：1PV蒸汽驱＋1PV聚表剂（焖井4 h）＋1PV蒸汽驱＋1PV催化剂（焖井24 h）＋蒸汽驱至含水率98%；

方案三：1 PV蒸汽驱＋1.5 PV混合剂（焖井6 h）＋蒸汽驱至98%含水率。

1.4 实验步骤

1.4.1 填砂管抽空饱和

往填砂管内均匀填砂，抽至真空后饱和水，测渗透率，饱和油。

1.4.2 蒸汽驱阶段

采用一注一采井位[10]，把平流泵的流量设定为3 mL/min将蒸馏水注入蒸汽发生器（考虑到恒温箱外管线的温度流失将蒸汽发生器[11]温度设定为220 ℃，主恒温箱设定为180 ℃，副恒温箱110 ℃，出口端回压阀设定为1 MPa。蒸汽驱1 h即1 PV，每10 min在出口端取一组样品，待油水分离后分别称重计算含水率及采收率。

1.4.3 化学驱阶段

将配置好的聚表剂和纳米催化剂放置在副烘箱的中间容器中，将平流泵的流量设定为3 mL/min，采用一注一采井位按照方案中的要求进行化学驱，入口端模拟注入井，出口端模拟生产井，每10 min在出口端取一组样品，油水分离后分别称重计算含水率及采收率。

1.4.4 后续蒸汽驱阶段

采用一注一采井位，把平流泵的流量设定为3 mL/min将蒸馏水注入蒸汽发生器，方法同蒸汽驱阶段，每10 min在出口端取一组样品，驱替至含水率98%，目的是与蒸汽驱和化学驱做对比，观察后续水驱的效果。

1.4.5 清洗实验仪器，结束实验。

2 结果与讨论

在忽略渗透率、空隙体积有所差异的影响下，第一组实验单纯注蒸汽驱油[12]其最终采收率为40%，其他几组均注入了药剂，可以看出其他几组最终采收率皆有提高平均在20%左右，详情见表1。说明在复合驱替的过程中，聚表剂与纳米催化剂存在协同效应[13]，并且这种协同效应强于单一驱替剂的作用，他们通过不同的作用机理改善驱替过程，提高原油采收率[14]，为进一步探究其协同增效奠定基础。

表1 模拟驱替实验结果

第一组实验为不添加任何化学驱替剂的蒸汽吞吐[15]实验，在蒸汽注入的初始阶段启动压力较高，随着蒸汽的注入压力略有降低并趋于平衡，但压力始终处于一个较高的数值。蒸汽驱到含水率98%时，最终采收率为40%，详情见图1。

图1 第一组模拟驱替实验

可以看出在不添加任何化学驱替剂的情况下蒸汽驱的效果并不理想，这也为后续的实验奠定了基础。

从图2第二组实验数据可以看出，第一次蒸汽驱1 PV后采收率为30%，从注入聚表剂开始一直到蒸汽驱结束最终采收率接近55%，原油采收率提高25%。从采出油的状态看，注入聚表剂后采出原油均有乳化现象，其乳状液类型以油包水乳状液[16]为主，对采出液需要进行破乳脱水。这种现象体现出聚表剂的驱替机理是首先发挥调剖作用，从而扩大波及体积，通过粘弹性[17]展现洗油效率，并且能够有效降低流度比[18]。在注入纳米催化剂的过程中注入压力有明显上升，反映出纳米粒子催化剂的不稳定性，温度的升高导致了纳米颗粒的膨胀，从而出现了空隙体积减小渗和透率减小的情况，导致注入压力上升。从驱油效果和最终采收率来看，纳米催化剂驱和后续蒸汽驱的驱油效果较差，采收率提高10%左右。对比第一组最终采收率提高20%左右，说明在聚表剂扩大波及体积和纳米催化剂改善原油物性的协同作用下，无论是驱油效果还是最终采收率都有明显的提高。

图2 第二组模拟驱替实验

从图3可以看出在注入按1∶1聚表剂和纳米催化剂的混合剂过程中，注入压力越来越高，说明在注入混合剂的复合驱替过程中仍然出现了高温导致纳米颗粒膨胀的情况，使得空隙体积和渗透率下降，聚表剂和纳米催化剂的混合并没有改善纳米颗粒在高温下的不稳定性。根据采出样品的情况来看，采出液乳化情况相对于第二组实验较差并且出液量变少，聚表剂和纳米催化剂的混合剂使得聚表剂浓度降低，乳化性下降，导致洗油效率下降。后续蒸汽驱[19]采收率56.2%，采收率提高16.2%。对比方案一来看洗油效率和最终采收率[20]都有所提高，但是对比方案二可以发现洗油效率和最终采收率都有所下降。聚表剂和纳米催化剂1：1混合后，同时注入地层并不能完全发挥聚表剂扩大波及体积和纳米催化剂改善原油物性的效果，无法达到预期目标。

图3 第三组模拟驱替实验

3 结论

（1）聚表剂的乳化性和粘弹性在稠油热采中对于提高采收率和洗油效率有明显的作用。

（2）纳米催化剂在高温下的不稳定性导致驱替过程中注入压力不断升高，其提高反应速度且不改变化学平衡的特性在稠油热采中起到一定的作用，对于最终采收率和洗油效率有小幅提升。

（3）聚表剂和纳米催化剂混合注入后提高采收率16.2%，后续水驱效果一般，二者的协同作用没有很好的表现出来，存在注入压力上升和乳化性下降的问题，建议改变催化剂或聚表剂浓度优选出较好的驱油体系。

（4）结合二者的注入性，在稠油吞吐过程中需要发挥二者的优势，建议先注聚表剂扩大波及体积，后注纳米催化剂改善原油物性，最后蒸汽吞吐提高原油采收率。

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Evaluation on the Effect of Polymer-surfactant Nano-catalyst Flooding System

（College of Petroleum Engineering, Yangtze University, Hubei Wuhan 430100, China）

Polymer-surfactant flooding technology is a new oil displacement technology with profile control and displacement, improving three properties of viscosity, viscoelasticity and emulsification can improve oil recovery. Nano-catalyst materials in the petrochemical industry can improve product structure, quality and yield. In this paper, the main role of polymer-surfactant and nano-catalyst in heavy oil thermal recovery was studied as well as their effect for improving oil recovery. After they were mixed and injected into the formation together, the synergistic action was investigated, the optimal polymer-surfactant catalyst flooding system was determined to greatly improve the oil recovery. The injectivity of nano-catalyst is good, the flow control effect of the polymer-surfactant is strong, so polymer-surfactant should be first injected to extend swept volume, and then nano-catalyst should be injected to improve physical properties of crude oil, final steam stimulation can improve single well throughput.

Polymerization agent; Nano catalyst; Heavy oil thermal recovery; Enhanced oil recovery

TE 357

A

1671-0460（2017）12-2490-03

2017-05-06

贺皓楠（1992-），男，湖北省潜江市人，研究生在读，研究方向：油气开采理论与工艺技术。E-mail：superhhn163@.com。