新疆油田高矿化度回注水配制二元驱油体系研究

2021-06-15阙庭丽栾和鑫焦秋菊张国山向小玲

石油化工 2021年5期

阙庭丽，关丹，栾和鑫，焦秋菊，张国山，向小玲

（1.中国石油新疆油田分公司，新疆克拉玛依 834000；2. 中国石油天然气集团公司砾岩油气藏勘探开发重点实验室，新疆克拉玛依 834000；3. 中国石油天然气集团公司油田化学重点实验室新疆油田分研究室新疆克拉玛依 834000）

二元复合驱体系在无碱条件下能使油水界面张力达到超低，且使油水体系产生适度乳化，这促使二元复合驱技术取得较快发展[1-5]。新疆属于淡水资源匮乏地区，将回注水应用于二元复合驱配液不仅可以节省大量清水资源，而且可以减少回注水外排造成的环境污染[6-8]。在中国石油新疆油田分公司采用水质组成较简单、矿化度低的回注水配液取得了较好的效果，但对于水质较复杂、矿化度较高的回注水配制二元复合驱目前仍处于实验室研究阶段。经研究发现，疏水缔合聚合物KYPAM在回注水中具有良好的増黏性能、流变性能和驱油性能[9]，中国石油新疆油田分公司研发的表面活性剂环烷基石油磺酸盐（KPS）具有较好的降低油水界面张力的性能，优选疏水缔合聚合物KYPAM和表面活性剂KPS组成二元驱油体系，应用在中国石油新疆油田分公司二元复合驱中。中国石油新疆油田分公司A井区储层岩性以含砾粗砂岩、砂砾岩、砂质砾岩为主，地层温度为43 ℃，渗透率为0.182 μm2，孔隙率为16.9%，地层原油黏度为8.2 mPa·s，地层水水型为NaHCO3，适宜开展二元复合驱研究。

本工作优选疏水缔合聚合物KYPAM和KPS配制成二元复合驱油体系，考察了该体系的黏度、油水界面张力、耐盐、老化稳定性、乳化等性能，并研究了该体系在高矿化度回注水配制条件下的驱油性能。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

疏水缔合聚合物KYPAM：分子量1.62×107，固含量88.65%（w），水解度26.76%，疏水基含量为0.2%（w），北京恒聚化工集团有限责任公司。KPS：活性物含量约为30.02%（w），未磺化油为8.94%（w），无机盐为4.64%（w），平均分子量为452，新疆金塔集团有限公司。石蜡基油：饱和烃含量为66.04%（w），芳香烃含量为9.16%（w），胶质含量为7.55%（w），沥青质含量为15%（w），酸值为0.186 mg/g，原油黏度为17.84 mPa·s，中国石油新疆油田分公司A井区B油井。

MCR92型流变仪：奥地利安东帕公司；QUANTA 450型环境扫描电子显微镜：美国Thermo Fisher公司；SDT型旋转滴超低界面张力仪：德国KRUSS-GmbH公司；EURO-STAR 型高速搅拌器、T25型乳化机、KS 4000i CS25 型控温摇床：德国 IKA 公司；OKFKJ-200 型安瓿瓶熔封机：沃克能源公司；UV1800型紫外可见分光光度计：日本岛津公司。

1.2 实验方法

表观黏度：采用流变仪在温度为43 ℃、剪切速率为10 s-1条件下测定溶液的表观黏度。

吸附量测定：用回注水配制表面活性剂溶液和二元驱油体系溶液，并与石英砂按固液质量比1∶9混合，测定吸附前后表面活性剂含量的变化，计算单一表面活性剂与二元驱油体系在石英砂上的静态吸附量。

驱油实验测定步骤：将人造岩心抽空，用地层水饱和岩心，并在相同条件下使岩心饱和油，水驱至含水98%（w），计算水驱采收率，注入 0.5 PV二元溶液，后续水驱至含水 98%（w），计算二元驱采收率和最终采收率。

2 结果与讨论

2.1 表面活性剂对聚合物性能的影响

KYPAM 质量浓度对溶液黏度的影响见图1。

图1 KYPAM 质量浓度对黏度的影响Fig.1 Influence of KYPAM concentration on viscosity.

从图1可看出，在KYPAM质量浓度较低时，黏度增速较小，在质量浓度超过1 200 mg/L时，黏度增长速度突然上升，即KYPAM的临界缔合浓度为1 200 mg/L。

KPS对KYPAM増黏性的影响见图2。

从图2可看出，加入0.5%（w）的KPS后，二元复合驱油体系的黏度有所下降。

采用扫描电子显微镜观察KYPAM、KPS和二元驱油体系的微观形貌，结果见图3。

图3 KYPAM、KPS和二元驱油体系的SEM照片Fig.3 SEM images of KYPAM，KPS and binary flooding system.

从图3可看出，KYPAM呈现较为规整的三维网络结构，KPS呈现鳞状有序结构，二元驱油体系呈现出更为紧密的协同网状结构。KYPAM是疏水缔合聚合物，同时存在分子内和分子间的缔合效应，在高矿化度的回注水中，KYPAM由于分子间缔合形成空间网状结构，降低了分子链的卷曲程度，使其表现较高的黏度。KPS是阴离子表面活性剂，且加入的量0.5%（w）已超过CMC值（KPS的CMC值为0.14%（w）），将部

分缔合聚合物的疏水侧链基形成新的混合胶束聚集体，导致KYPAM分子间缔合向分子内缔合转变，同时压缩聚合物分子的扩散双电层，因此黏度有所下降[10-11]，但降幅较小，仍可满足使用要求。

2.2 KPS和KYPAM质量浓度对二元复合驱油体系界面张力的影响

表面活性剂质量浓度对二元驱油体系界面张力的影响见图4。

图4 KPS和KYPAM含量对二元液界面张力的影响Fig.4 Influences of different concentrations of KPS and KYPAM on interfacial tension of binary liquids.

从图4（a）可看出，二元驱油体系界面张力性能较好，KPS含量在0.05%～0.50%（w）范围内二元驱油体系都可以达到超低界面张力（小于1×10-2mN/m），KPS含量大于0.5%（w）后界面张力上升。这是由于KPS含量过高时，KPS分子开始在溶液内部发生自聚，疏水基朝内聚集形成内核，亲水基朝外与水接触形成外壳，最终形成胶团，使得水表面的KPS分子含量降低，导致油水界面张力的增大[12]。从图4（b）可看出，随着KYPAM质量浓度的增加，二元驱油体系界面张力逐渐升高，这是因为KYPAM的加入，不仅增加了分子间扩散的阻力，而且KYPAM的大分子基团会与KPS小分子基团争夺界面位置，影响了二元复合体系的界面张力[13-14]。

2.3 耐盐性能

测试了不同矿化度、不同Ca2+含量对二元驱油体系油水界面张力的影响，结果见图5。从图5可看出，矿化度和Ca2+对界面张力的影响都呈现先降低后上升至平稳的趋势。低含量的无机盐和Ca2+加入后，压缩了KPS的双电层，破坏了亲水基周围的水化膜，导致油水界面张力降低。无机盐和Ca2+含量较高时，KPS分子受到强烈的电性压缩，使其分子向油相中分配，造成大部分KPS分子进入到油相中，在油水界面的吸附失去平衡，导致界面张力回升。中国石油新疆油田分公司A井区回注水的矿化度为9 000～12 000 mg/L之间，Ca2+含量为30～80 mg/L，二元驱油体系能满足超低界面张力的要求，二元驱油体系对中国石油新疆油田分公司回注水有较好的适应性。

图5 矿化度和Ca2+对KPS界面张力的影响Fig.5 Influences of salinity and Ca2+ on the interfacial tension of KPS.Condition：KPS concentration is 0.5%(w).

2.4 老化稳定性

在厌氧条件下测定了二元驱油体系的黏度和界面张力随老化时间的变化情况，结果见表1。从表1可看出，二元驱油体系黏度随着老化时间的延长呈现逐渐下降的趋势，但变化幅度较小，30 d后的黏度保留率仍达到92.64%，显示出较高的黏度保留率。同时，该体系的界面张力在30 d内一直维持在10-3mN/m 数量级，说明二元驱油体系在回注水中稳定性较好。

表1 二元驱油体系老化稳定性Table 1 Aging stability of binary flooding system

2.5 乳化综合指数

不同含量KPS对乳化综合指数的影响见表2。从表2可看出，随KPS含量的增加，乳状液的稳定性逐渐增加，乳化综合指数也逐渐增加。KPS含量大于0.5%（w）时，乳化综合指数大于70%，由于驱油体系适宜的乳化综合指数应控制在30%～60%之间，乳化综合指数大于70%的超强乳化体系对提高采收率效果是不利的[15]，因此，要求KPS的含量不大于0.5%（w）。

2.6 吸附性能

测试了不同浓度表面活性剂溶液和二元驱油体系溶液在石英砂上的静态吸附量变化曲线，结果见图6。从图6可看出，单一的KPS溶液的吸附量随表面活性剂初始浓度的增加而增加，并逐渐稳定。当KPS质量浓度为2 500 mg/L时，达到平衡时的吸附量为7.37 mg/g。当二元体系中KPS质量浓度为3 000 mg/L时，静态吸附达到平衡，吸附量为6.63 mg/g。二元体系中各组分存在竞争吸附关系，表面活性剂的吸附量小于单一组分的吸附量。

表2 不同含量KPS对乳化综合指数的影响Table 2 The influence of different concentrations of KPS on the comprehensive emulsification index

图6 KPS和二元驱油体系在石英砂的静态吸附曲线Fig.6 Static adsorption curves of KPS and binary flooding system on quartz sand.

2.7 驱油效率

在中国石油新疆油田分公司A井区油藏条件下，采用人造砾岩岩心，测试了KPS和KYPAM含量对二元复合体系驱油性能的影响，结果见表3和表4。

从表3可看出，随KYPAM质量浓度的增加，提高采收率呈现先上升后下降的趋势，当KYPAM质量浓度为1 800 mg/L时，提高采收率值最高，为29.22%。

从表4可看出，随着KPS含量的增加，提高采收率变化幅度先增大再降低，最后趋于平稳，驱油效率差别的原因在于：KPS含量过高时形成的超强乳化体系对提高采收率有一定影响，当KPS含量大于0.3%（w）时，二元驱提高采收率大于20%，当KPS含量为0.5%（w）时，提高采收率最大，为29.22%。

表3 聚合物KYPAM质量浓度的影响Table 3 Influence of polymer KYPAM concentration

表4 KPS含量的影响Table 4 The influence of KPS content

2.8 现场应用试验

在中国石油新疆油田分公司A井区开展高矿化度回注水二元驱试注试验，注入聚合物的分子量为1.5×107、质量浓度为1 800 mg/L，KPS质量浓度为5 000 mg/L，设计单井配注量为25 m3/d，于2019年12月7日开始注入，2020年11月5日结束注入，累计注入0.1 PV，试注期间含水率最高由水驱末的96.6%（w）下降为86.5%（w），日产油最高由水驱末的6.0 t增至的22.0 t，累计产油4 261 t。中国石油新疆油田分公司A井区B油井日产油由试注前的0.11 t最高上升到7.38 t，含水由试注前的99.8%（w）下降到76.6%（w）（如图7所示），二元驱体系显示出了良好的降水增油效果。