硅酸盐复合黏弹性驱油剂的研究与评价

于 萌，李 翔，铁磊磊，李志元，刘文辉，吴 豹，郑玉飞

（1.中海油田服务股份有限公司油田生产事业部，天津 300459；2.中海油天津化工研究设计院有限公司）

海上高含水油田非均质性严重，含水量快速上升，亟需从油田条件出发找出适合实施的便捷且有效封堵的控水稳油技术［1-3］。此外，部分海上油田注水矿化度高达30 000 mg/L，现有有机凝胶类堵剂的注入性或耐温抗盐性能较难满足要求，而耐温抗盐类有机调剖剂成本较高，无法适应“低油价调驱”的需求［4-7］。聚合物微球可以真正地进入地层深部发挥作用，对于矿化度较高的地层也能发挥较好的降水增油效果［8-10］。但是，聚合物微球采用乳液聚合的方式合成，制备工艺较为复杂，且成分中的表面活性剂、白油及耐温抗盐组分成本较高［11-12］。因此，有必要结合海上优势渗流通道发育的高矿化度油田实施条件，研发出既能保证在线注入的优势，又能实现有效驱油的低成本驱油技术，提升措施的实施效果。高盐油藏地层水中含有大量二价金属离子，通过向储层注入一定浓度的具有特定结构的表面活性剂，在岩石孔隙中经自组装形成瞬时三维网络结构，表现出类似于聚合物溶液的黏弹性，可以达到有效的驱油效果［13-14］。但是，单独使用黏弹性表面活性剂形成具有一定黏弹性的蠕虫状胶束，所需原料的浓度较高，成本较高，制约了黏弹性表面活性剂驱油剂在现场的应用。

笔者提出了一种思路：向低浓度的黏弹性表面活性剂（有效质量分数小于0.2%）中加入低浓度的无机硅酸钠成分，与地层中的钙镁离子形成无机凝胶，以增强体系的黏弹性。同时引入纳米材料，进一步改善体系的黏弹性和耐温性。黏弹性驱油剂在地层中造成孔隙过流断面减小、渗流阻力增加，在环境友好的前提下达到扩大波及体积和提高采收率的目的。笔者拟以流变性测试、微观表征和动态模拟为技术手段，研究硅酸盐复合黏弹性驱油剂的流变性能、微观形貌、原位增稠及驱油性能，为驱油剂驱油机理的认识和矿场应用设计及效果分析提供依据和指导。

1 实验部分

1.1 实验原料

液体硅酸钠，二氧化硅与氧化钠物质的量比为1.5～3.5，有效质量分数为26.0%，工业产品；氯化钙，有效质量分数为94.0%；两性离子表面活性剂A为酰胺丙基甜菜碱，有效质量分数为40%，工业级；两性离子表面活性剂B为酰胺丙基羟丙基磺基甜菜碱，有效质量分数为40%，工业级；纳米粒子为粒径为15、30、50 nm的二氧化硅固体粉末；注入水为渤海B油田现场注入水，离子组成见表1；原油为渤海B油田AX2H井原油样品，地层温度（65℃）下黏度为13.6 mPa·s。

表1 注入水离子组成Table 1 Ion content of injected water

1.2 样品制备

将表面活性剂A、B和纳米二氧化硅粒子按照一定的质量比混合，在80℃恒温搅拌30 min，然后在25℃静置，得到驱油剂的活性组分；称取一定质量的驱油剂活性组分，使用液体硅酸钠作为增强剂，搅拌加入，得到硅酸盐复合黏弹性驱油剂。

1.3 测试表征

1）流变性测试：分别测试硅酸钠、纳米粒子、温度、浓度、剪切速率等条件对驱油剂流变性的影响。其中，黏度和黏弹性测试在Mars 60旋转流变仪上进行，测试夹具为DG41-Ti。

2）微观结构分析：测试驱油剂的微观形貌。其中，冷冻透射电镜（Cryo-TEM）测试在200 kV的JEM-2010型透射电镜上完成。

3）驱油性能测试：采用多孔测压装置，水驱至含水率到达95%（质量分数）后注入0.3 PV（岩心孔隙体积）的驱油剂，后续水驱至含水率达到95%（质量分数），计算采收率。

2 结果与讨论

2.1 流变性分析

驱油剂的驱油能力取决于其流变性能，良好的驱油剂需要在井口注入时（高剪切条件下）黏度较低，保证良好的注入性能，在地层深部（低剪切条件下）黏度较高，体现良好的黏度保留率。因此，着重考察了硅酸钠、纳米材料、温度、溶液浓度、剪切速率等条件对体系流变性的影响。

2.1.1 硅酸钠的影响

样品1为使用注入水配制的化学组成质量分数为0.40%（表面活性剂有效质量分数为0.16%）的两性离子表面活性剂溶液；样品2为向样品1中加入0.15%（质量分数）的硅酸钠溶液，使用立式搅拌器以400 r/min的搅拌转速搅拌30 min的样品。

图1为在65℃条件下剪切作用对驱油剂流变性的影响。从图1看出，加入低浓度的液体硅酸钠后，在模拟近井地带（高剪切速率条件下）体系的黏度较单一黏弹性活性剂体系的黏度下降明显，对改善体系的注入性效果明显；在模拟地层深部（低剪切速率条件下），体系的静态黏度增加显著，说明低浓度液体硅酸钠的加入对黏弹性驱油剂的黏度提高显著。分析其原因为：水玻璃在沉积过程中可吸附在黏弹性表面活性剂形成的蠕虫状胶束上将蠕虫状胶束包埋，使整个网络得以加强；网络内的硅酸钠凝胶吸附、包裹水分子，从而在一定程度上减少了游离水的含量。黏弹性表面活性剂网络和硅酸钠凝胶相辅相成，提高了网络结构的强度，限制了硅酸钠凝胶的大尺寸移动，硅酸钠凝胶赋予网络以较大的局部变形阻力，使两性表面活性剂+液体硅酸钠体系的黏度、强度和稳定性更大。

图1 65℃条件下剪切作用对驱油剂流变性的影响Fig.1 Effect of shear action on rheological behavior of oil displacement agent at 65℃

同时，与硅酸钠颗粒相比，液体硅酸钠亦具有显著增强体系黏弹性的效果，且具有可在线注入、简单有效以及风险较低的特点；不仅解决了平台空间不足的难题，而且在很大程度上简化了施工工艺，具有很大的应用潜力和推广空间。

2.1.2 纳米粒子的影响

图2为两性表面活性剂质量分数为0.3%、液体硅酸钠质量分数为0.15%，引入不同含量与粒径的二氧化硅纳米粒子以后，驱油剂在7.34 s-1的恒剪切速率下黏度与二氧化硅纳米粒子含量的关系曲线。

图2 二氧化硅纳米粒子含量与体系黏度的关系曲线Fig.2 Relationship between silica nanoparticle content and system viscosity

从图2看出，不同粒径的纳米二氧化硅对硅酸盐复合黏弹性驱油剂黏度的影响规律几乎是一样的，当二氧化硅纳米粒子质量分数为0.01%时体系的黏度最大，进一步增加纳米二氧化硅粒子的含量则会导致体系黏度的减小。相较于不含二氧化硅纳米粒子体系，引入0.01%纳米二氧化硅粒子以后可以将体系的黏度增加约1/3。综合考虑引入纳米粒子含量和体系的黏度，选择粒径为30 nm的二氧化硅粒子，该产品表现为一种乳白色的胶状流体。25℃时，该产品在7.34 s-1恒剪切速率下的黏度测试结果显示（图3a），引入纳米二氧化硅以后，体系的黏度增加了4 mPa·s，说明硅酸盐黏弹性驱油剂与纳米二氧化硅粒子之间的相互作用力是真实存在的。对于硅酸盐复合黏弹性驱油剂体系，其稀释溶解过程本质就是将高度缠结的、长的蠕虫状胶束逐渐解开，使其形成一种相对比较均一的蠕虫状胶束的过程。这一过程中，缠结的蠕虫状胶束逐渐解开，进而导致体系黏度的增加，硅酸钠凝胶的沉积增强了复合体系的黏弹性和强度，纳米二氧化硅颗粒充分、均匀地分散到复合体系形成的网络结构中，进一步提高了网络结构的强度和黏度，表现出硅酸凝胶-黏弹性表面活性剂-纳米二氧化硅颗粒三者之间的协同增效作用。此外，图3b触变性测试结果显示，不含纳米粒子的体系没有触变性，而含纳米粒子的硅酸盐复合黏弹性驱油剂具有明显的触变性，即形成了类似泥浆的空间网状结构，故而赋予了体系很强的动力稳定性。

图3 固定浓度的硅酸盐复合黏弹性驱油剂的黏度（a）、触变性（b）；不同浓度的硅酸盐复合黏弹性驱油剂的黏度（c）和浓度-黏度关系（d）Fig.3 Viscosity（a），thixotropy（b）of silicate composite viscoelastic oil displacement agent with fixed concentration；viscosity（c）and relationship of concentration and viscosity（d）of silicate composite viscoelastic oil displacement agent with different concentration

图3c、d为65℃时不同浓度的硅酸盐复合黏弹性驱油剂的恒剪切速率（7.34 s-1）黏度。从图3c、d看到，如果控制硅酸盐复合黏弹性驱油剂的有效质量分数为0.3%～0.5%，体系的黏度可以在10～50 mPa·s可控调节。

2.2 微观结构分析

图3黏度结果显示，在65℃时硅酸盐复合黏弹性驱油剂表现出了很显著的黏度特征，表明体系中形成了黏弹性网状结构。为了更直观地揭示硅酸盐复合黏弹性驱油剂的微观结构特征，对不同浓度的驱油剂利用冷冻透射电镜进行研究。首先将配制好的硅酸盐复合黏弹性驱油剂溶液（总质量分数为3%）静置备用，取1～2 μL测试溶液于铜网上，浸入液体乙烷冻干，再通过透射电镜观察胶束的形貌。样品TEM照片见图4。从图4看到，硅酸盐复合黏弹性驱油剂质量分数低至0.1%时，体系形成了非常长的胶束网状结构，但数量不足，故黏度较小；驱油剂质量分数增加至0.3%时，体系增加了胶束网状的长度以及硅酸盐与活性剂之间的相互作用，故黏度急剧增大。冷冻透射电镜结果显示，长的胶束网状的形成赋予了硅酸盐复合黏弹性驱油剂的高黏度特征。从图4a、b中除了可以看到大量长的网状胶束存在以外，还可以观察到一些黑色小颗粒团聚体存在，团聚体能谱（EDS）图（见图5）显示其中存在硅元素和氧元素，因此团聚体应为纳米二氧化硅颗粒团聚体。作为对照，同样使用透射电镜对质量分数为0.1%的粒径为30 nm的二氧化硅水分散液进行TEM观察（图4c），从中可以观察到大量纳米二氧化硅团聚体存在。由此可见，图4a、b中的小颗粒团聚体为纳米二氧化硅，表明体系中形成了含纳米粒子的硅酸盐复合黏弹性驱油复合体。

图4 0.1%、0.3%硅酸盐复合黏弹性驱油剂cryo-TEM照片（a、b）；0.1%纳米二氧化硅水分散液TEM照片（c）Fig.4 Cryo-TEM images of 0.1%and 0.3%silicate composite viscoelastic oil displacement agent（a，b）；TEM images of 0.1%nano silica aqueous dispersion（c）

图5 团聚体EDS图Fig.5 EDS spectrum of aggregates

2.3 温度的影响

在注入驱油剂的过程中，要求具有良好的注入性，即注入流体的黏度要相对较小；在驱油剂向地层深部运移过程中，要求注入的驱油剂在高温高盐的油藏条件下具有较高的黏度。为了验证硅酸盐复合黏弹性驱油剂的地层原位增稠特征，研究了驱油剂质量分数为0.3%（表面活性剂有效质量分数为0.12%）、恒剪切速率（7.34 s-1）时温度对体系黏度的影响，结果见图6。从图6看到，起始温度为25℃时，随着时间的延长体系的黏度虽有一定的波动但幅度不大，此阶段体系的平均黏度约为5 mPa·s；600 s后将测试温度通过程序升温至65℃，可以观察到体系在400 s的升温过程中黏度逐渐减小；1 000 s以后体系的黏度又开始逐渐增加，继续持续1 000 s以后体系的黏度达到比较稳定的值13 mPa·s。此结果清晰地表明了硅酸盐复合黏弹性驱油剂具备温度诱导的地层原位增稠现象。

图6 升温后硅酸盐复合黏弹性驱油剂恒剪切速率（7.34 s-1）黏度随时间的变化Fig.6 Change of viscosity（7.34 s-1）of silicate composite viscoelastic oil displacement agent with time after heating

2.4 驱油性能

提高原油采收率的效果是衡量驱油剂性能最重要的一个指标，因此对比研究了常规聚合物驱油剂、不含纳米二氧化硅的硅酸盐复合黏弹性驱油剂以及含纳米二氧化硅的硅酸盐复合黏弹性驱油剂在提高原油采收率方面的差异，结果见图7。从图7看出，以聚合物作为驱油剂提高原油采收率的值为16.35%，同浓度不含纳米二氧化硅和含纳米二氧化硅的硅酸盐复合黏弹性驱油剂提高原油采收率的值分别达到20.99%和33.72%，二者在相同条件下提高原油采收率的效果都优于常规聚合物驱油剂，尤其是含纳米二氧化硅的硅酸盐复合黏弹性驱油剂，其提高原油采收率的效果相较于聚合物驱油剂几乎提升了1倍。此结果表明，含纳米二氧化硅的硅酸盐复合黏弹性驱油剂同时具备黏弹特性、界面活性的优点。相较于不含纳米二氧化硅体系，含纳米二氧化硅的硅酸盐复合黏弹性驱油剂具有更高的黏度，且纳米二氧化硅颗粒的存在进一步增强了驱油体系的强度，进而表现出更优的水油流度比改善能力和弹性驱油能力，故而体现出优异的提高原油采收率的性能。

图7 注入PV数与提高原油采收率的关系曲线Fig.7 Relationship curve between injection PV and EOR

3 现场应用

BX1H井位于渤海B油田3井区浅层，以浅水三角洲沉积为主，属于构造层状为主的油藏，平均孔隙度为30.9%、渗透率为1 551 mD，高孔高渗，具有较好的储层物性。该砂体于2015年6月投入开发，共2口井（一注一采），其中油井为AX2H。

调驱前，砂体累产液35.3×104m3，累产油13.1×104m3，采出程度为13.9%，综合含水率为85.3%。BX1H井调驱剂总注入量为63 000 m3，药剂总用量为185 t。注入预交联颗粒和聚合物微球后期，注入压力升高明显，注入性受限。2021年9月1日起，开始注入硅酸盐复合黏弹性驱油剂，注入压力平稳，目前仍在持续注入。截止到2021年11月，BX1H井组油井AX2H含水率从85.3%下降到83.2%，井组增油2 050 m³（见表2）。从BX1H井组增油和含水率看，在注水优势方向上形成有效调驱效果。

表2 BX1H井组调驱效果Table 2 Displacement control effect of well group BX1H

4 结论

1）基于液体硅酸钠、两性表面活性剂、纳米二氧化硅为原料，制备了能显著提高注入水黏度和优良驱油性能的硅酸盐复合黏弹性驱油剂。2）透射电镜表征结果表明，长的网状胶束的形成赋予了水相较高的黏度，通过调节药剂用量为0.3%～0.5%（质量分数），可以实现水相黏度在10～50 mPa·s可控调节。3）通过比较常规聚合物驱油剂、不含纳米二氧化硅以及含纳米二氧化硅的硅酸盐复合黏弹性驱油剂在提高原油采收率方面的差异，发现含纳米二氧化硅的硅酸盐复合黏弹性驱油剂提高原油采收率的效果相较于聚合物驱油剂几乎提升了1倍。该工作基于不同物质间存在的协同作用，不仅提供了一种新的高效驱油剂，而且为新型驱油剂的研发提供了一种新思路。