国外某油田二元复合驱配注工艺参数优化室内试验研究

李梦坤 王梓栋，2 周继芊 陶瑞 李佶晔

1大庆油田设计院有限公司

2大庆油田国际勘探开发公司

3中国石油青海油田分公司采油五厂

4中国石油华北油田公司第四采油厂

国外某油田处于高含水开发后期，急需接替技术来实现油田的持续开发，推进化学驱现场试验进程[1-5]。本文针对筛选出的聚合物和表面活性剂（简称表面活性剂），通过室内试验确定了该油田二元驱配制用污水的含油量指标；测试了采用模拟含油污水配制的不同浓度聚合物溶液的流变性，给出了其流变参数，确定了聚合物母液的配制浓度和熟化时间；测试了两种表面活性剂原液（40%，质量分数，下同）和目的液（0.3%）的黏温关系，确定了表面活性剂的应用条件；测试了二元体系的流变性和界面张力，确定了筛选出的聚合物和表面活性剂对该油田二元驱的适用性。借鉴大庆油田化学驱配注系统的成功经验[6-7]，针对该油田储层流体性质和地面建设现状，确定了该油田二元复合驱的配注工艺流程。

1 试验原材料及主要仪器

现场油取自国外某油田的目标层；模拟油取自中俄管道油。

二元目的液组成：1 600 mg/L 聚合物+0.3%表面活性剂+0.05%添加剂、化学剂主要参数见表1。

表1 化学剂主要参数Tab.1 Main parameters of chemical agents

根据该油田污水水质分析结果（表2），室内采用蒸馏水+四种化学试剂（氯化钠、碳酸氢钠、无水氯化钙和六水合氯化镁）配制模拟盐水。采用不同含油量的模拟污水配制二元目的体系，测试其界面张力。结果表明，两种表面活性剂均可使配制的二元体系达到超低界面张力（表3），能够满足二元驱注入指标对界面张力的要求。目前，该油田水驱污水含油浓度为60 mg/L，因而室内配制该油田二元驱模拟污水的含油浓度定为60 mg/L。

表2 国外某油田污水水质分析Tab.2 Waste water quality analysis of an oversea oilfield mg/L

表3 二元体系的界面张力（不同含油量模拟污水配制）Tab.3 Interfacial tension of the SP system (prepared by simulated waste water with different oil content)

试验主要仪器包括：流变仪，安东帕MCR301；电子天平，精度0.01 g；立式电动搅拌器；界面张力仪TX500-C；恒温水浴。

2 聚合物性质测试

2.1 流变性及流变参数

室内采用含油浓度60 mg/L 的模拟污水配制浓度为为1 000～20 000 mg/L 的聚合物溶液，用安东帕MCR301 流变仪测试其流变特性。

2.1.1 试验条件

测试温度：50～70 ℃（温度间隔5 ℃，该油田地层温度为50～70 ℃，平均60 ℃）；剪切速率：100～0 s-1（为了降低流变仪的测量误差，采用预剪切程序[8-9]，即0～100 s-1条件下剪切100 s）。

2.1.2 试验结果与分析

图1 是聚合物溶液黏度与剪切速率的关系曲线。可以看出：相同浓度条件下，剪切速率越大，溶液的黏度越小，说明其为剪切稀释性（假塑性）流体；相同温度条件下，聚合物溶液浓度越高，黏度越大，曲线斜率越大，聚合物溶液的假塑性越强；浓度≤10 000 mg/L 时，各个剪速下的黏度均＜1 000 mPa·s。

图1 聚合物溶液黏度与剪切速率关系曲线（60 ℃）Fig.1 Relation curves of viscosity and shear rate of polymer solution（60 ℃）

图2 是不同浓度聚合物溶液的流变曲线。可以看出，该聚合物溶液为剪切稀释性（假塑性）流体，其流变方程符合幂律模式[10]。

图2 不同浓度聚合物溶液的流变曲线（60 ℃）Fig.2 Rheological curves of polymer solution with different concentration（60 ℃）

式中：τ为剪切应力，Pa；γn为剪切速率，s-1；k为稠度系数，表示流体的黏稠程度，Pa·sn；n为流变指数，表示流体偏离牛顿流体的程度，无因次；对于牛顿流体，n=1；对于剪切稀释流体，n＜1；对于剪切增稠流体，n＞1。

表4 是聚合物溶液的流变参数。可以看出，试验条件下，所有流变指数n＜1，说明该聚合物溶液为剪切稀释流体，与试验结果相符；相同条件下，聚合物溶液的浓度越大，稠度系数k越大，流变指数n越小，说明配制浓度越高，聚合物溶液的剪切稀释性越强，与试验结果相符。

表4 国外某油田聚合物溶液（60 ℃）的流变参数Tab.4 Rheological parameters of polymer solution in an oversea oilfield（60 ℃）

2.2 聚合物母液的配制浓度

表5 是不同浓度聚合物溶液的黏度测试结果（8.98 s-1）。可以看出，浓度为10 000 mg/L 时，聚合物溶液的黏度为500 mPa·s 左右。参照大庆2 500万相对分子质量聚合物母液，黏度为600 mPa·s左右。因此，该油田的聚合物母液配制浓度定为10 000 mg/L。

表5 不同浓度聚合物溶液的黏度（8.98 s-1）Tab.5 Viscosity of polymer solution with different concentration(8.98 s-1)

2.3 聚合物溶液的熟化时间

采用黏度法测试该油田聚合物母液（10 000 mg/L）和聚合物目的液（1 600 mg/L）的熟化时间。

2.3.1 试验方法和过程

在60 ℃的恒温水浴中，用模拟污水分别配制10 000 mg/L 和600 mg/L 的聚合物溶液，在400±20 r/min 的条件下搅拌，每隔一定时间取样，测试其黏度，当溶液黏度变化＜3%，即溶解过程出现平台时，所需搅拌时间即为聚合物的溶解熟化时间。

2.3.2 试验结果与分析

图3 是聚合物母液的熟化时间曲线，图4 是聚合物目的液的熟化时间曲线。可以看出，在试验条件下，随着时间的增加，聚合物溶液的黏度逐渐增大，时间达到30 min 以后，黏度基本稳定。因而，聚合物的试验室熟化时间为30 min。

图3 聚合物母液的熟化曲线Fig.3 Maturation curve of polymer mother solution

图4 聚合物目的液的熟化曲线Fig.4 Maturation curve of polymer injection solution

3 表面活性剂性质测试

3.1 表面活性剂原液的黏温关系

在测试温度5～30 ℃（温度间隔5 ℃）、剪切速率0～100 s-1的条件下采用MR301 流变仪测试了两种表面活性剂原液在不同温度下的黏度，并绘制了黏温曲线。

图5、图6 分别是两种表面活性剂的黏温关系曲线。可以看出，表面活性剂1 原液为牛顿流体，黏度只受温度的影响，不受剪切应力的影响；表面活性剂2 原液，当温度≥20 ℃时，为牛顿流体；当温度＜20 ℃时，为剪切稀释流体。当温度≥20 ℃时，两种表面活性剂，黏度变化不大，且为牛顿流体。因此，两种表面活性剂原液的储存和使用温度宜≥20 ℃。

图5 表面活性剂1 的黏温关系曲线Fig.5 Relation curve of viscosity and temperature of Surfactant 1

图6 表面活性剂2 的黏温关系曲线Fig.6 Relation curve of viscosity and temperature of Surfactant 2

3.2 表面活性剂目的液的黏温关系

采用模拟污水将40%表面活性剂原液稀释至0.3%（目的浓度），测试其在不同温度下的黏度（50～70 ℃）。表6 是黏度测试结果。可以看出，0.3%表面活性剂属于牛顿流体，黏度只随温度变化；相同温度条件下，0.3%表面活性剂的黏度＞水的黏度，说明表面活性剂的加入增加了溶液的黏度；试验条件下，两种表面活性剂的黏度＜1 mPa·s。

表6 0.3%表面活性剂的黏度Tab.6 Viscosity of 0.3% surfactant

4 二元体系流变性测试

采用模拟污水配制两种二元目的液（1 600 mg/L聚合物+0.3%表面活性剂+0.05%添加剂），用MCR301 流变仪测试其流变特性。测试温度：50～70 ℃（温度间隔5 ℃），剪切速率：0～100 s-1。

图7、图8 分别是两种二元液的黏度曲线，图9、图10 分别是两种二元液的流变曲线。可以看出，相同条件下，随着剪切速率的增大，两种二元液的黏度减小，说明二元液为剪切稀释流体；两种二元液的流变方程均符合幂律模式，流变指数n＜1（表9），与试验结论相符；低剪速下（10 s-1），两种二元体系的黏度＞10 mPa·s，满足了二元驱注入指标对黏度的要求。

图7 二元液的黏度曲线（目的层1）Fig.7 Viscosity curves of SP solution (Target Layer 1)

图8 二元液的黏度曲线（目的层2）Fig.8 Viscosity curves of SP solution (Target Layer 2)

图9 二元液的流变曲线（目的层1）Fig.9 Rheological curves of SP solution (Target Layer 1)

图10 二元液的流变曲线（目的层2）Fig.10 Rheological curves of SP solution (Target Layer 2)

表7 是国外某油田二元体系的流变参数，可为二元液管道输送提供技术支持。

表7 国外某油田二元体系的流变参数Tab.7 Rheological parameters of SP solution in an oversea oilfield

5 二元驱配注工艺

5.1 表面活性剂对二元驱配注工艺的影响

由于表面活性剂易起泡的特性（图11），如果用0.3%表面活性剂的水分散聚合物，当0.3%表面活性剂通过射流喷射器后，抽吸聚合物干粉，然后高速进入润湿缓冲罐，极易造成溢罐现象[11]。因此，不建议采用“含表面活性剂的一元水分散聚合物”的工艺流程。

图11 表面活性剂起泡试验Fig.11 Surfactant foaming test

5.2 “目的液”配注工艺

在熟化装置内直接配制含聚合物1 600 mg/L+表面活性剂0.3%+添加剂0.05%的二元目的液，过滤、升压后外输至注入井。

5.3 “低压二元、高压一元”配注工艺

二元驱“低压二元、高压一元”配注工艺可实现注入井聚合物浓度可调、表面活性剂浓度不变的要求。

（1）集中配制：配制单元完成两项任务，一是将添加剂与聚合物干粉及表面活性剂一同混合熟化后，配制成低压二元母液（聚合物10 000 mg/L+表面活性剂0.3%+添加剂0.05%）；二是将上游注水站的高压来水与表面活性剂混合成高压一元水（表面活性剂0.3%）。

（2）集中注入：注入单元将配制单元产生的低压二元母液进行升压，升压后的二元母液与高压表面活性剂水混合稀释，形成的二元目的液通过站外单井注入管道输至注入井井口，然后注入地层。

6 结论

确定了国外某油田二元驱配制用污水的含油浓度为60 mg/L；确定了该油田聚合物母液的配制浓度为10 000 mg/L，熟化时间为30 min，并给出了不同浓度聚合物溶液（1 000～15 000 mg/L）的流变参数；确定了两种表面活性剂原液的储存温度和使用温度宜≥20 ℃，0.3%表面活性剂目的液为牛顿流体，黏度＜1 mPa·s（50～70 ℃），稍高于同等条件下水的黏度；筛选出的聚合物和两种表面活性剂对该油田具有适用性，可以使模拟污水配制的二元体系达到10-3mN/m 的超低界面张力，体系黏度＞10 mPa·s（50～70℃，7.34 s-1），满足了二元驱注入指标的要求，并给出了两种二元体系在不同温度（50～70 ℃）下的流变参数；确定了该油田二元驱“目的液”和“低压二元、高压一元”配注工艺流程。