弱碱三元污水稀释弱碱三元复合驱体系的可行性*

2020-10-15何金钢

油田化学 2020年3期

何金钢

（大庆油田有限责任公司第一采油厂，黑龙江大庆 163000）

三元复合驱在大庆油田的稳产方面发挥了重要作用［1-2］。随着三元复合驱工业化的推广，工业化区块达到33个且规模不断扩大，年产油量贡献达到430万吨以上。弱碱三元复合驱体系具有注采能力高、结垢程度弱于强碱三元复合驱且驱油效果基本相当的特性［3-5］，投注的区块比例达到55%以上。与此同时，弱碱三元复合驱采出污水（以下简称三元污水）不断增加，造成了环境污染和处理成本增加的双重压力。由于水质指标达标难度大，目前仅能将三元污水直接回注到三元复合驱后续水驱的区块，避免水驱区块受到污染。但目前三元复合驱工业化推广区块的速度大于结束三元复合驱进入后续水驱区块的速度，因此三元污水过盈的问题日益凸显，需要进一步研究三元污水的再利用。本文利用三元污水稀释弱碱三元体系再进行弱碱三元复合驱，研究弱碱三元污水性能对弱碱三元体系性能、注入能力和驱油效果的影响，探索三元污水稀释弱碱三元体系回注本区块的可行性，并通过现场试验进行验证，为三元污水再利用和三元复合驱降本增效提供思路。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

部分水解聚丙烯酰胺（HPAM），相对分子质量1200×104，固含量91.4%，中国石油大庆炼化公司；石油磺酸盐，有效物含量38%，大庆油田第一采油厂；碳酸钠（Na2CO3），分析纯，天津致远化学试剂有限公司；实验用模拟油由大庆油田第一采油厂脱气原油与煤油按一定比例混合得到，黏度9.0 mPa·s（温度45℃）。饱和岩心用水为模拟地层水，水驱用水为清水，配制聚合物溶液母液用水为聚中五注水站的深度污水，稀释弱碱三元体系用水为中202 三元污水站的弱碱三元复合驱采出污水（以下简称三元污水），各种水样的水质分析见表1。

表1 实验用水水质分析

天然岩心取自取芯井G111-J455井SII组，外观尺寸（直径×长）φ2.5 cm×10 cm；石英砂环氧树脂胶结均质岩心［6］，渗透率约为300×10-3µm2（模拟大庆油田二类油层），外观尺寸（长×宽×高）为30 cm×4.5 cm×4.5 cm。

DV-Ⅱ型布氏黏度计，美国Brookfield 公司；BI-200SM 型广角动/静态光散射仪系统，美国Brookhaven公司；T25型数显型分散机，德国IKA公司；TEXAS-500C 型旋滴界面张力仪，德国Dataphysics公司；2PB00C型平流泵，北京星达公司。

1.2 实验方法

1.2.1 三元污水回注油层渗透率界限实验

油田开发过程中回注流体是否伤害油层决定了全过程的开发效果，为确定三元污水回注油层时污水可以通过的油层渗透率界限，选取二类油层不同渗透率的天然岩心（有效渗透率50×10-3数600×10-3μm2）开展三元污水注入条件下的流动性实验。采用阻力系数和残余阻力系数来描述岩心堵塞情况［12-13］。在45℃恒温条件下，首先对天然岩心抽真空并饱和模拟地层水，同时水测渗透率；其次，以驱替速度0.1 mL/min（约1 m/d）连续注入三元污水，为最大程度模拟回注时堵塞油层情况，流动性实验过程中连续注入30 PV 的三元污水，模拟由于注入井井壁附近岩石骨架颗粒起到过滤作用时形成的类似钻完井过程中损害时的“表皮区”［7-11］，达到确定渗透率界限的目的。

1.2.2 三元污水稀释三元体系性能研究

（1）不同污水稀释三元体系方式及水质指标

为评价三元污水稀释三元体系可行性，分别采用深度污水配制、深度污水稀释，深度污水配制、三元污水稀释的两种三元体系，评价三元主段塞和副段塞的体系性能。不同污水稀释三元体系指标情况如表2 所示，下文中不同体系采用体系编码进行替代。其中聚合物母液浓度为5000 mg/L，三元体系中聚合物浓度为2000 mg/L，因此深度污水配制、深度污水稀释的三元污水占比为60%。通过比例计算得到含油量和悬浮物量的理论值，再通过化验确定实测结果，结果如表2中实测值。

（2）体系增黏性和黏度稳定性评价

采用表2中不同污水稀释条件下的三元体系评价体系的增黏性和黏度稳定性。在45℃、6 r/min的条件下用布氏黏度计测定三元复合体系溶液的黏度；将各体系放置0，3，7，30，60，90 d，测定体系的黏度。

表2 不同污水稀释三元体系指标

（3）体系抗剪切性能评价

为模拟不同三元体系的抗剪切能力，以目前大庆油田在用的WWZ 体系作为基准，在聚合物浓度为2000 mg/L 条件下对其进行预剪切，使黏度降为配制黏度的60%，此时采用IKAT25 数显型分散机对体系剪切28 s，再以相同的剪切速率和剪切时间对其他3 种体系进行预剪切，测定剪切后的体系黏度，计算黏度保留率，评价体系的抗剪切性能。

（4）体系界面张力及稳定性测定

采用深度污水和三元污水两种水质分别配制35 个不同质量分数的表面活性剂和碱浓度的三元复合体系，在45℃、6000 r/min 的条件下，用界面张力仪测定三元复合体系与模拟油间的界面张力，取平衡值。通过测试各体系放置0，3，7，30，60，90 d后与模拟油间的界面张力评价体系界面张力稳定性。

（5）乳化性能测定

取三元复合体系溶液与脱气原油各12.5 mL倒入具塞量筒中，放置45℃恒温箱30 min，手动振荡200 次后使油水乳化，然后在45℃恒温箱静置1 h，计算乳化析水率，评价体系的乳化性能。

（6）体系流动性实验

采用阻力系数和残余阻力系数描述三元体系流动特性。为模拟现场配制和注入过程中三元体系的黏度损失，在注入岩心前采用IKAT25 数显型分散机对其进行预剪切。体系流动性实验在45℃、驱替速度0.5 mL/min（约1 m/d）的条件下进行。

1.2.3 三元污水稀释三元体系的驱油效果实验

为对比三元污水配制三元体系和深度污水配制三元体系的驱油效果差别，采用人造石英砂环氧树脂胶结均质岩心开展驱油实验。将岩心抽真空，饱和模拟地层水，并水测渗透率；以速度0.1 mL/min饱和模拟油，老化72 h，计算初始含油饱和度；在45℃条件下，全过程以0.5 mL/min（约1 m/d）的驱替速度恒速驱替。水驱至出口含水98%，注入两种水质的三元复合体系（段塞组合和注入量如表3 所示），后续水驱至含水率98%。

表3 三元复合驱段塞组合及注入参数

2 结果与讨论

2.1 三元污水回注油层渗透率界限

采用8组不同渗透率天然岩心开展三元污水回注实验，结果如表4 所示。有效渗透率50×10-3μm2的天然岩心，三元污水注入后压力急剧升高，没有计算出阻力系数，发生明显岩心堵塞现象。岩心有效渗透率增加至100×10-3μm2时，阻力系数为262，残余阻力系数245，说明三元污水中含的油及悬浮物形成了架桥封堵且很难恢复，但是岩心仍具有稳定的渗流能力。阻力系数的变化趋势表明，随着有效渗透率的增加，阻力系数在有效渗透率大于300×10-3μm2时出现突降。在大庆油田二类油层聚合物驱控制程度计算时，相对分子质量为1200×104的部分水解聚丙烯酰胺溶液的渗透率注入下限约为100×10-3μm2，此时储层平均厚度比例大于95.6%［14-15］。因此，三元污水与相对分子质量1200×104的部分水解聚丙烯酰胺溶液具有类似的注入下限，均为100×10-3μm2，采用三元污水配制稀释三元体系并没有造成化学驱的控制储量损失。

表4 三元污水回注不同渗透率天然岩心评价结果

2.2 三元污水稀释三元体系的性能

现阶段，大庆油田弱碱三元体系的配制稀释流程为：配制站配制聚合物母液，调配站加入碱和表面活性剂调配三元体系。在聚合物母液的配制过程中，三元污水细菌数量远大于清水和深度污水，易导致黏度损失过大［16-17］。而在稀释三元体系过程中碱的加入达到杀菌效果，因此三元污水更适合稀释三元体系而不是配制聚合物母液。按照表2中的不同污水稀释的三元体系开展三元体系性能研究。

2.2.1 增黏性和黏度稳定性

不同污水稀释的三元体系的增黏性如图1 所示。WWASPZ体系的黏度比WWZ体系的黏度低，在1600数2400 mg/L的主要驱油用三元体系聚合物浓度条件下黏度低0.1数1.8 mPa·s，随着体系浓度的不断增加，黏度差别增大，在浓度3000 mg/L时黏度相差2.2 mPa·s。因此，要达到相同的体系黏度，WWASPZ体系较WWZ体系需要增加0.96%数5.56%的聚合物用量。对比WWASPF体系和WWF体系，在1600数2400 mg/L 的配制浓度下黏度低0.4数2.0 mPa·s，在浓度3000 mg/L时黏度相差3.0 mPa·s。由于三元污水与深度污水矿化度之间的差别，造成了三元污水稀释体系黏度偏低。在增黏性评价过程中，三元污水稀释体系增黏性略差于深度污水稀释体系。

图1 不同污水稀释的三元体系的黏度随聚合物浓度变化

不同污水稀释的三元体系黏度稳定性评价结果如图2所示。90 d体系黏度保持率为：WWASPZ体系＞WWZ体系＞WWASPF体系＞WWF体系。WWASPZ体系受到高碱浓度和矿化度的影响，增黏性略差，但稳定性要好于深度污水三元体系。黏度稳定性结果表明，三元污水稀释的三元体系黏度稳定性好于深度污水稀释体系。

图2 不同污水稀释的三元体系的黏度稳定性

2.2.2 三元体系的抗剪切作用

不同污水稀释三元体系抗剪切性能结果如表5。经剪切作用后，WWZ 体系的黏度保持率为60.13%，其黏度保持率高于WWF体系和WWASPF体系的。由于三元污水的高矿化度作用，部分水解聚丙烯酰胺的分子链相对较短，在受到剪切作用时，长链分子受到的剪切破坏程度大，体系黏度损失主要是源于长链的断链，在相同的剪切速率和剪切时间下，长链越多，其剪切断链的概率越高，总体上，主段塞的黏度保留率高于副段塞，三元污水稀释的体系高于深度污水稀释的体系。综合评价WWASPZ体系的抗剪切稳定性能最好。

表5 不同污水稀释三元体系黏度特性评价

2.2.3 分子线团尺寸

图3为不同污水稀释三元体系中聚合物的分子线团尺寸Dh随时间变化曲线。随着放置时间的延长，Dh值均先增大后减小，聚合物分子在三元体系中逐渐伸展，然后发生一定的降解。分子线团尺寸大小为：WWASPZ体系＜WWZ体系＜WWASPF体系＜WWF体系。由于水中的阳离子会与部分水解聚丙烯酰胺分子链上的羧基负电荷结合，使部分水解聚丙烯酰胺分子链静电斥力减弱，而扩散双电层将被压缩，使得分子链变得蜷缩，导致Dh减小［17］。因此，矿化度和碱浓度对分子线团尺寸影响较大，但是随着时间的延长其影响逐渐趋于稳定。

图3 不同污水稀释三元体系中聚合物分子线团尺寸随时间变化

2.2.4 黏弹性

图4 不同水质的三元体系溶液的损耗模量（a）和储能模量（b）

不同污水稀释的三元体系溶液黏弹性通过测试损耗模量和储能模量来进行表征，图4 为损耗模量和储能模量的测试结果。通过对三元体系溶液损耗模量和储能模量的测定，能够从其聚合物“黏弹性”驱油的机理上分析三元体系相应的驱油潜力［18］。不同水质中体系的损耗模量和储能模量为：WWASPZ体系＜WWZ 体系＜WWASPF 体系＜WWF 体系。三元体系中矿化度越低，损耗模量和储能模量越大，通过黏弹性提高采收率的能力越强，而三元污水在稀释三元体系的过程中将会对“黏弹性”驱油具有一定影响。

2.3 三元污水稀释三元体系的界面活性

2.3.1 三元体系与原油作用界面活性范围

三元体系与原油作用界面活性范围直接影响驱油效率和抗吸附性能［19］。用两种水质分别配制的35个不同表面活性剂、碱浓度的三元体系与原油界面张力测定结果如图5 所示。结果表明，三元污水稀释三元体系和深度污水稀释三元体系的超低界面张力（＜10-2mN/m）范围相近，且超低界面张力范围较宽，与原油之间有较好的界面活性范围。三元污水中的悬浮物、含油及细菌等虽然含量较高，但是在三元污水中残余的表面活性剂（0.048%）和碱（0.23%）能够进一步发挥其与原油的作用。因此，三元污水稀释条件下对三元体系界面活性没有影响。

图5 不同水质条件下三元体系的界面活性范围

2.3.2 三元体系界面张力稳定性

三元体系在储层运移过程中会长期与原油和岩石接触，因此界面张力的稳定性极为重要。不同污水稀释的三元体系与原油间的界面张力随时间的变化如图6所示。三元污水稀释的三元复合体系在90 d的测试中均具有较好的界面张力稳定性，全过程界面张力均能达到超低界面张力（＜10-2mN/m）。对比四种体系稳定性，由于三元污水中含有残余表面活性剂和碱，体系中的有效表面活性剂和碱的浓度相对更高，界面张力稳定性相对深度污水稀释的三元体系更好。

图6 不同污水稀释的三元体系的界面张力随时间的变化

2.3.3 三元体系对原油的乳化性能

乳化性能是三元复合体系在驱油过程中提高采收率的重要性能［20-21］。WWZ、WWF、WWASPZ 和WWASPF 体系的乳化析水率分别为83.1%、91.5%、66.8%和78.5%。三元污水稀释三元体系对原油具有更好的乳化性能，增油能力较强。

2.3.4 三元体系的抗吸附性能

三元体系在储层多孔介质的流动过程中将发生明显的表面活性剂吸附现象，产生不同程度的吸附损失，三元体系组成将随运移距离的变化而变化，进而直接影响与原油作用的界面张力，从而影响驱油效率。不同污水稀释的三元体系的抗吸附性能如图7 所示。WWZ 体系、WWF体系、WWASPZ体系和WWASPF体系在吸附5次、4次、5次、4次后与原油间的界面张力仍能达到超低界面张力。由图5可知，目前两种污水稀释的三元体系都存在较宽的吸附损失范围，在吸附一定量后也仍在超低界面张力范围内。

图7 吸附次数与界面张力之间的关系

2.4 三元污水稀释三元体系的注入能力

不同污水稀释的三元体系的注入能力评价实验结果如表6 和图8 所示。根据2.1 节污水回注渗透率界限结果，在有效渗透率300×10-3μm2的条件下，三元污水中的悬浮物和含油并不会堵塞岩心。分子线团尺寸测试结果表明WWASPZ 体系＜WWZ体系＜WWASPF 体系＜WWF 体系，因此分子线团尺寸将直接影响注入能力，表现出了图8 中压力升幅的差异。三元污水稀释三元体系的阻力系数小于深度污水稀释体系，而在后续水驱过程中残余阻力系数小于污水稀释体系。虽然三元污水稀释三元体系的注入能力更好，但低的残余阻力系数不利于后续水驱过程中进一步发挥流度控制作用，综合含水率会快速回升。由于在三元副段塞注入后通常采用聚合物保护段塞，因此残余阻力小的问题得到解决。

图8 不同污水稀释的三元体系的注入压力随注入体积的变化

表6 不同污水稀释的三元体系的注入能力评价实验结果

2.5 三元污水稀释三元体系岩心驱替实验

通过以上性能评价，三元污水稀释三元体系较深度污水稀释三元体系增黏性略低，稳定性好，抗剪切性能好，分子线图尺寸小，黏弹性略低，界面活性相同，界面活性稳定性更好，乳化性能更好，抗吸附性能相同，注入能力更好。在黏度性能、界面活性和注入能力相似的前提下，采用相同条件进一步评价两种三元体系的驱油效果，结果如表7 所示。结果表明，三元污水稀释三元体系较深度污水稀释三元体系在三元驱阶段采收率平均高0.81%，两种体系的阶段提高采收率水平相当。两组实验的综合曲线结果如图9所示。三元污水稀释三元体系由于具有更好的注入能力和乳化能力，在驱油实验过程中达到了含水降低幅度更低、注入压力较深度污水体系稍低、三元驱阶段采收率相当的效果。

表7 不同水质条件下驱油实验结果

图9 不同污水稀释三元体系的岩心驱油结果

2.6 现场驱油情况

在室内实验取得成功的基础上，进一步通过现场试验验证三元污水稀释三元体系可行性。试验区为北一二排东二类油层弱碱三元复合驱中202注入站。中202 注入站共25 口注入井、35 口采出井，平均油层有效厚度10.0 m，平均有效渗透率746×10-3μm2，在萨中开发区具有较强的二类油层代表性。为了评价三元污水和深度污水稀释三元体系的差别在北一二排东选取中201 站作为对比站，两站开发过程相同，油层物性相似。2015 年9 月数2018 年8 月，两站注深度污水稀释三元体系。2018年8 月数2019 年8 月，中202 站注三元污水稀释三元体系，中201站注深度污水稀释三元体系。

现场试验注入动态结果如图10 和图11 所示。由于两站井数差别，日注入量有差异，但是中202站注入量全程保持稳定，在注入三元污水稀释三元体系后，截止目前注入量略增加50 m3/d，而中201站缓慢下降，约为100 m3/d，但是注入压力全程两站基本相似，具有相同的变化趋势。两站的注入体系黏度和体系中聚合物浓度连续监测结果表明，三元污水稀释体系与深度污水稀释体系相比，并没有出现明显的体系黏度下降问题，与室内实验评价结果相同。综合以上注入状况结果，进一步说明现场试验与室内评价的注入能力评价结果基本相似，三元污水稀释三元体系略好于深度污水稀释体系。

采出端的连续监测结果如图12 所示。两站综合含水率的变化趋势一致，中202 站的含水率从三元污水稀释三元体系注入时的93.68%下降到最低值的91.89%，中201 站从92.65%下降到91.88%，含水降低水平相同，但是中202 站下降幅度比中201站高1.03%。两站的日产液量也基本保持稳定，说明三元污水稀释三元体系没有影响到产液和驱油效果。