表面活性聚合物提高采收率微观驱油机理

姚 峰

(中国石化江苏油田分公司石油工程技术研究院，江苏 扬州 225009)

表面活性聚合物提高采收率微观驱油机理

姚 峰

(中国石化江苏油田分公司石油工程技术研究院，江苏 扬州 225009)

采用微观刻蚀玻板平面模型，对比研究了表面活性聚合物及常规聚合物对水驱后残余油的驱替机理。研究表明，表面活性聚合物对膜状残余油、盲孔残余油具有“推动”和“拖动”作用，提高采收率比常规聚合物高7%左右。传统聚合物通过增加驱替液粘度提高水油流度比，扩大波及体积来提高采收率。表面活性聚合物通过将残余油拉成油滴和油丝、大油滴拉成小油滴和油丝的方式驱动，在渗流过程中又在不同流道中形成更小的油滴，使油更容易被驱替液携带运移。

表面活性聚合物 微观模型 残余油 驱油效率

聚表二元复合驱研究在国内取得了很好的效果，但在应用中暴露出地面配套复杂、体系稳定性差、易色谱分离、降低驱油效率等问题[1-2]。为避免多元体系色谱分离，国内外开展了表面活性聚合物、聚表剂等功能性驱油剂的研究与应用，研究主要集中在分子设计和室内评价方面[3-7]。张庆权的室内评价表明功能型聚表剂的采收率高于高分子量聚合物采收率[8]。大庆油田从2005年开展了多个二类油层及聚驱后区块的聚表剂驱先导性试验[9-12]，其中中区西部在含水100%条件下，注入0.3 PV1 500 mg/L聚表剂，采收率提高11%；萨中开发区一类油层聚驱后聚表剂驱提高采收率9%以上。

本文采用光学刻蚀玻板平面模型模拟储层岩石孔隙结构，对比研究了表面活性聚合物和普通聚合物的微观驱油，考察了新型表面活性聚合物对残余油的作用机理，结合非均质岩心驱油实验，揭示了表面活性聚合物提高采收率机理及驱油特征。

1 实验部分

1.1实验材料

仪器：TX500C界面张力仪、哈克RS6000流变仪、显微镜、岩心流动实验装置、可视化装置等。可视化装置采用对角均质玻璃刻蚀微观模型，孔隙半径范围约为20～100 μm。

实验用油：可视化模型用苏丹红染色后的煤油并过滤，岩心流动实验用江苏油田庄2区块现场原油与白油按3∶1体积比配制，80 ℃粘度为20.38 mPa·s。实验用水：江苏油田庄2污水和清水体积比1∶1混合，矿化度分别为16 809.97，375.3 mg/L。

聚合物：恒聚聚合物HE62210，分子量1 000×104，水解度19.0%；北京石化研究院表面活性聚合物141109F2，分子量1 177×104，水解度18.7%。

实验岩心：石英砂胶结三层非均质长方岩心4.5 cm×4.5 cm×30 cm，三层厚度比例1∶1∶1，平均渗透率100×10-3μm2，变异系数0.7。

1.2非均质岩心驱油

(1)将岩心用实验用水抽真空饱和，真空度≤0.096 MPa，取出后称重，计算孔隙体积和孔隙度，在80 ℃恒温箱内放置24 h；

(2)在80 ℃下用模拟油驱替岩心，建立束缚水，驱替至出口端含油98%以上，计算含油饱和度。饱和油后的岩心放置在80 ℃恒温箱内老化24 h；

(3)在80 ℃下水驱，注入速度0.3 mL/min，至岩心出口含水98%以上，计算水驱采收率；

(4)配制聚合物溶液，注入速度0.3 mL/min，0.4 PV后转为后续水驱，直至出口含水90%以上为止，计算聚合物驱采收率。

1.3可视化模型驱油

(1)将微观模型水驱洗净后饱和煤油；

(2)以0.02 mL/min注入水驱油至不出油；

(3)以0.02 mL/min驱替普通聚合物溶液至不出油，观察驱替过程中的残余油变化，录取动态图像。

(4)更换表面活性聚合物溶液驱替，观察驱替过程中的残余油变化，录取动态图像。

1.4粘度、界面张力测试

利用哈克RS6000流变仪、敞口系统Z38转子，在转速7.34 s-1、80 ℃下测得HE62210和141109F2的粘度分别为8.35，10.76 mPa·s；利用TX500C，在转速5 000 r/min、80 ℃下测得两种聚合物在煤油/水的界面张力分别为5，1 mN/m。

2 实验结果与分析

2.1表面活性聚合物提高采收率

三层非均质长方岩心对比驱油结果见表1。表面活性聚合物在等粘度条件下，总采收率达到59.38%，56.95%，比水驱分别提高了24.41%和23.83%。普通聚合物驱总采收率为51.58%和50.19%，比水驱提高16.74%和17.32%。表面活性聚合物提高采收率幅度比普通聚合物高7%，表明表面活性聚合物驱油效果远好于普通聚合物。

表1 等粘度条件下两种聚合物的采收率

2.2表面活性聚合物微观驱油特征

通过显微镜对可视化模型中水驱、普通聚合物驱和表面活性聚合物驱的观察分析，发现表面活性聚合物对微观孔隙中壁面膜状残余油、盲孔残余油、孔隙中油滴、“Y”型喉道处油滴的驱替具有不同的驱替机理和特征。

2.2.1 膜状残余油的驱替

图1上部5张图是普通聚合物驱替水驱后壁面残余油的连续过程，下部是普通聚合物驱后表面活性聚合物驱替油膜微观过程。可以看出，水驱后局部岩石表面形成较厚的残余油膜。当聚合物溶液开始驱替时，由于聚合物溶液与油的剪切应力大于水与油的剪切应力[13]，残余油顺着驱替方向被“推动”，使油膜后部向前流动，呈现前端逐渐加厚形成“驼峰”，最终与油膜脱离形成油滴，油滴随着聚合物溶液向前流动。此时，油膜减薄，使微观残余油饱和度降低。

图1 普通聚合物(上)和表面活性聚合物(下)驱替油膜微观过程

表面活性聚合物溶液在普通聚合物无法驱替剩余油膜时，由于壁面润湿性的变化，油膜前缘与壁面接触角逐渐变小，可以观察到残余油膜有“收缩鼓起”的现象，随后前缘逐渐“拖动”，被拉长、断脱成油滴被驱替出来。剩余油重新收缩，继续拉长、断脱，持续重复这一过程，直至油膜被驱替干净。

2.2.2 盲孔残余油的驱替

图2是模型中盲孔残余油在水驱、聚合物驱和表面活性聚合物驱时被采出的情况。图中表明，水驱后，盲孔内残余油几乎没有被驱替，残余油在盲孔出口微有外凸鼓起。聚合物驱时，产生的平行于油-水界面的拖动力大于水驱，沿孔道主流线方向流动的聚合物溶液能够拉动盲孔出口端的残余油，并使其孔道内的流体一同沿主流线方向流动，剩余的油在盲孔内呈现内收凹面。当注入表面活性聚合物后，降低了盲端内油水界面的张力，导致残余油滴内聚力下降，油滴更易变形，驱替液驱出更多的残余油，盲端内残余油变得更少，呈现一个更深的凹面。

图2 盲孔残余油驱替过程

2.2.3 孔隙中油滴的驱替

由于表面活性聚合物既具有普通聚合物的粘弹特性，又具有较低的界面张力，所以残余油容易发生变形。图3是残余油在表面活性聚合物作用下，弯曲壁面油滴前端被拉断形成一个小油滴的过程。残余油通过这种方式更容易被驱替液携带运移。

图3 残余油拉成油滴的过程

在油滴通过“Y”型孔道时，只要油滴较大，油滴两端容易被分别向两侧拉长，中间逐渐变细，最后发生断裂，形成2个较小的油滴，分别从“Y”型孔道的两侧通过(图4)。

图4 油滴通过“Y”型孔道的过程

图5 残余油被拉成细小油滴的过程

图5是在表面活性聚合物的作用下，壁面残余油被拉成细小油滴的过程。沿着表面活性聚合物的流动方向，残余油前端逐渐发生变形，形成了一个尖端并逐渐拉长形成一条油丝，油丝前端被拉断，形成一滴滴的细小油滴。

2.2.4 残余油运移和乳化

在表面活性聚合物溶液驱替残余油的运移过程中，可以明显观察到不同于普通聚合物的乳化现象，通常表现为在运移过程中大油滴乳化成微小油滴和油丝拉断成微小乳化液滴，表现为油滴运移和油丝运移的特征。

图6 大油滴被拉成油丝并断裂成微小乳化油滴的过程

图6显示残余油运移过程中，已拉成油滴形式的残余油在运移的过程中会断裂成更小的油滴并乳化。当油滴通过狭窄流道时尾部被拉成油丝，拉长到一定程度后发生断裂，形成更加微小的乳化油滴。

图7中大小不等的油滴和油丝随驱替液向下游运移，在表面活性聚合物低界面张力的作用下，油丝很不稳定，当通过狭窄流道或流动方向突然发生改变时，即油丝的流动速度发生改变时，油丝极易被驱替液拉断形成许多微小的油滴。

图7 油丝拉断形成微乳滴的过程

2.2.5 出口端提高采收率的定性观察

表面活性聚合物可以在普通聚合物驱基础上进一步提高采收率，这一点可以在微观模型出口端观察到。图8a是普通聚驱结束时，出口液体中含有少量细小油滴最后几乎不含油；图8b是普通聚合物驱后注入表面活性聚合物时，出口端可见大小不等的油滴产出。由此可以证明表面活性聚合物使残余油进一步减少，驱油效率比普通聚合物高。

a 普通聚合物驱结束 b 普通聚驱后注表面活性聚合物

3 结论

表面活性聚合物将表面活性基团引入到聚丙烯酰胺链节上，使聚合物不但具有增黏和粘弹特性，还具有降低体系表面能、乳化增溶的作用。这种作用使表面活性聚合物在驱油过程中，盲孔残余油更少，膜状残余油因润湿性变化在壁面收缩，并逐渐向前端推移、断脱而被驱替；在驱替过程中残余油以大油滴拉成小油滴和油丝的方式运移，在不同流道中形成更小的油滴，比常规聚合物具有更好的驱替效果。

[1] 朱友益，张翼，牛佳玲，等.无碱表面活性剂-聚合物复合驱技术研究进展[J].石油勘探与开发，2012,39(3):346-351.

[2] 王红艳，叶仲斌，张继超，等.复合化学驱油体系吸附滞留与色谱分离研究[J].西南石油学院学报，2006,28(2):64-66.

[3] 闫丽萍.新型驱油剂聚表剂的特性及驱油机理研究[J].长江大学学报(自科版)，2014,11(26):110-112.

[4] 钟传蓉,黄荣华,代华.水溶性疏水缔合聚合物单体的合成[J].化学世界，2004，45(8):437-441.

[5] 孙立力，杨旭，杨世光.一种新型高分子表面活性剂的性能研究[J].西南石油学院学报，2002,24(4):53-55.

[6] 曹亚，张熙，李惠林，等.高分子材料在采油工程中的应用与展望[J].油田化学，2003，20(1)：94-98.

[7] 李强，祥国，徐典平，等.聚合物表面活性剂分子聚集态结构及其对渗流特性影响研究[J].油田化学,2010,27(4)：338-402.

[8] 张庆权，功能型聚合物室内评价研究[J].大庆石油地质与开发，2009,28(4)：107-111.

[9] 邹如冰.大庆油田聚表剂试验区现场试验研究[J].中国石油和化工标准与质量，2012，32(6)：198-198.

[10] 王屹岭，石磊.大庆油田二类油层聚表剂驱阶段性认识[J].科学技术与工程，2011,11(11)：2585-2587.

[11] 吴凤琴.松辽盆地萨中油田二三类油层聚表剂驱油试验研究[D].杭州：浙江大学，2009.

[12] 李丽娟.大庆油田一类油层聚驱后聚表剂驱油技术[J].大庆石油地质与开发，2013,32(3)：118-122.

[13] 郭尚平，黄延章，胡雅礽，等.仿真微模型及其在油藏工程中的应用[J].石油学报，1990,11(1):49-54.

(编辑 韩 枫)

The microscopic displacement mechanism of surface-activepolymer flooding for improving oil recovery

Yao Feng

(PetroleumEngineeringTechnologyResearchInstituteofJiangsuOilfieldCompany,SINOPEC,Yangzhou225009,China)

Using the micro-etching glass visual model,it was carried out comparison study on the mechanisms of residual oil after waterflooding flooded by surface-active polymer and conventional polymer.Results indicated that film-like residual oil and residual oil in dead-end can be pushed and dragged by the surface-active polymer.And then the increased recovery rate of the surface-active polymer is about 7% higher than that of conventional polymer.The conventional polymer can improve the recovery rate by expanding volumetric sweep efficiency and increasing the displacing fluid viscosity which can improve the oil-water mobility ratio.The residual oil was split into oil drops and threads,and the big oil drops were split into small oil drops and threads by the surface-active polymer.And then the oil drops and theads can form even smaller ones,which can pass through various flow channels in the percolation process.Finally,the residual oil can easily be moved and carried by the displacing fluid.

surface-active polymer;micro-model;residual oil;displacement efficiency

10.16181/j.cnki.fzyqc.2017.02.017

2017-04-10；改回日期：2017-05-12。

姚峰(1970—)，高级工程师，主要从事三次采油、储层改造等技术的研究与应用。E-mail：yaof.jsytj@sinopec.com。

TE39

：A