任佳維， 吳文祥， 張 棟

(東北石油大學(xué)提高采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江大慶 163318)

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TADS-10復(fù)合體系驅(qū)油效果

任佳維， 吳文祥， 張 棟

(東北石油大學(xué)提高采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江大慶 163318)

為了研究復(fù)合體系各組分在驅(qū)油過(guò)程中的貢獻(xiàn)程度，利用磺酸鹽雙子表面活性劑TADS-10與相對(duì)分子質(zhì)量為1 500萬(wàn)的聚合物以及Na2CO3配制的復(fù)合體系在光刻玻璃模型上進(jìn)行原油驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，根據(jù)復(fù)合體系的驅(qū)油效果，分析界面張力、聚合物、堿以及正丁醇對(duì)驅(qū)油效果的影響。結(jié)果表明，TADS-10與石油磺酸鹽復(fù)配產(chǎn)生的超低界面張力使得化學(xué)驅(qū)采收率提高2.6%；加入聚合物后的二元體系與一元體系相比，化學(xué)驅(qū)采收率提高10%左右，總采收率提高12.13%；加入弱堿的三元體系化學(xué)驅(qū)采收率較二元體系提高2.73%；而三元體系加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02%醇后化學(xué)驅(qū)采收率提高1.23%，總采收率提高1.31%。

復(fù)合體系； 表面活性劑； 界面張力； 聚合物

我國(guó)大部分油田已經(jīng)進(jìn)入高含水期，三次采油技術(shù)發(fā)展很快，三元復(fù)合驅(qū)雖然進(jìn)行了大規(guī)模應(yīng)用，但是也存在技術(shù)問(wèn)題，如不易達(dá)到超低界面張力、油井結(jié)垢等[1]。自1999年趙劍曦[2]系統(tǒng)介紹了國(guó)外Gemin型表面活性劑研究進(jìn)展后, 我國(guó)學(xué)者開(kāi)始進(jìn)行低聚表面活性劑研究, 但多集中于二聚表面活性劑, 由于合成困難, 更多聚合(三聚、四聚或更多)報(bào)道相對(duì)較少。為了最大限度增加可采儲(chǔ)量并保持較高的采油速度，一些通過(guò)使用不同表面活性劑復(fù)配的技術(shù)得到廣泛應(yīng)用[3-4]。高效驅(qū)油表面活性劑在驅(qū)油過(guò)程中起到至關(guān)重要的作用[5-6]，如三元復(fù)合驅(qū)、泡沫復(fù)合驅(qū)等，但其研制也成為制約采油技術(shù)發(fā)展的因素之一。但是，TADS-10低聚表面活性劑相比傳統(tǒng)表面活性劑具有更高的表面活性和更好的水溶性等特點(diǎn)，本文利用TADS-10單體復(fù)配及復(fù)合體系分別在微觀仿真光刻模型上進(jìn)行驅(qū)油實(shí)驗(yàn)，并對(duì)復(fù)合體系各組分對(duì)提高采收率做出的貢獻(xiàn)逐一做出評(píng)價(jià)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)用油：大慶原油脫水脫氣與煤油混合而成的模擬油。實(shí)驗(yàn)用水：水驅(qū)及驅(qū)油用水的礦化度為 3 700 g/L；飽和水礦化度為6 778 mg/L。實(shí)驗(yàn)藥品：磺酸鹽雙子表面活性劑TADS-10；石油磺酸鹽，大慶采油三廠；聚丙烯酰胺，相對(duì)分子質(zhì)量為1 500萬(wàn)，大慶采油三廠；Na2CO3和正丁醇均為分析純，沈陽(yáng)華東試劑廠。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

采用光刻玻璃模型進(jìn)行驅(qū)油，通過(guò)圖像的采集、分析，來(lái)研究自發(fā)乳化驅(qū)油方案的微觀驅(qū)油機(jī)理。

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

(1) 一元驅(qū)油體系：質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1% TADS-10溶液；質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%的TADS-10/石油磺酸鹽復(fù)配體系，其中TADS-10與石油磺酸鹽以體積比2∶8混合。

(2) 二元驅(qū)油體系：聚丙烯酰胺/TADS-10/石油磺酸鹽。

(3) 三元驅(qū)油體系：TADS-10/石油磺酸鹽/聚丙烯酰胺/Na2CO3三元驅(qū)油體系；TADS-10/石油磺酸鹽/聚丙烯酰胺/Na2CO3/正丁醇。

2 結(jié)果與討論

2.1 低界面張力影響

分別配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%的TADS-10溶液、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3% 的TADS-10/石油磺酸鹽復(fù)配體系(體積比為2∶8)，考察了TADS-10單劑及與石油磺酸鹽復(fù)配體系的采收率，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 一元體系驅(qū)油效果

從表1可以看出，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的TADS-10單獨(dú)作為驅(qū)油劑時(shí)，水驅(qū)采收率為45.77%，化學(xué)驅(qū)采收率為6.39%，總采收率為52.16%。與石油磺酸鹽復(fù)配后化學(xué)驅(qū)采收率為8.99%，總采收率為52.32%。質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%TADS-10與石油磺酸鹽復(fù)配體積比為2∶8時(shí)，油水界面張力降至10-3mN/m數(shù)量級(jí)，提高了毛細(xì)管數(shù)，從而毛細(xì)管力減小，降低了原油在巖石表面的黏附力。從式(1)可以看出，隨著界面張力的降低和潤(rùn)濕角的增加(如圖1所示)，黏附功降低，即巖石表面由親油性變?yōu)橛H水性，封閉在細(xì)喉道中的柱狀殘余油末端被拉長(zhǎng)開(kāi)始脫離吼道，斷裂成油滴，從而提高洗油效率[7]。

(1)

式中，W為黏附功；σ為油水界面張力；θ為油對(duì)地層表面的潤(rùn)濕角。

圖1 表面活性劑使地層表面潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)

Fig.1 Surfactants make layer surface wetting inversion

考察水驅(qū)后質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.3%的TADS-10與石油磺酸鹽復(fù)配一元體系對(duì)殘余油的驅(qū)替情況，結(jié)果如圖2所示。

圖2 0.3%TADS-10/石油磺酸鹽復(fù)配體系驅(qū)替殘余油

Fig.2 0.3%TADS-10/petroleum sulfonate system displacing residual oil

由TADS-10與石油磺酸鹽復(fù)配體系及TADS-10單獨(dú)驅(qū)油體系驅(qū)油結(jié)果分析，水驅(qū)后表面活性劑驅(qū)主要啟動(dòng)了膜狀殘余油、柱狀殘余油和簇狀殘余油。TADS-10的低界面張力使黏附在巖壁上的膜狀殘余油拉長(zhǎng)斷裂后自發(fā)乳化成小油滴，然后逐漸脫離巖壁上而被驅(qū)替[8]。封閉在細(xì)喉道中的柱狀殘余油斷裂成油滴，在低界面張力、巖石壁面剪切力和表面活性劑溶液剪切力的作用下，使油滴分裂更小的油滴，與因其自發(fā)乳化驅(qū)油配方的自發(fā)乳化作用形成的細(xì)小乳狀液匯集聚并，繼而被體系夾帶而被采出。

2.2 聚合物影響

配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%的TADS-10/石油磺酸鹽復(fù)配體系(體積比為2∶8)，加入質(zhì)量濃度1 500 mg/L的聚丙烯酰胺，考察SP二元體系的驅(qū)油效率，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 二元復(fù)合驅(qū)驅(qū)油效果

由表2可知，二元體系在非均質(zhì)巖心中，化學(xué)驅(qū)采收率為18.25%，總采收率為64.45%，二元復(fù)合體系與一元體系相比，化學(xué)驅(qū)采收率提高10%左右。

2.2.1 減小油水流度比機(jī)理 根據(jù)流度比的概念，給出油水流度比定義式：

(2)

式中，Mwo為水油流度比；λw、λo為水、油的流度；kw、ko為水、油的有效滲透率；μw、μo為水、油的黏度。

由式(2)可以看出，二元體系中聚合物通過(guò)對(duì)水的稠化增加水的黏度[9]，同時(shí)減小表面活性劑的藥耗，并通過(guò)在孔隙表面的吸附和在孔隙介質(zhì)中的捕集減小孔隙介質(zhì)對(duì)水的有效滲透率，達(dá)到減小水油流度比，擴(kuò)大了二元體系的波及系數(shù)，從而驅(qū)替出大部分的細(xì)小孔道中的殘余油。同時(shí)，聚合物后續(xù)保護(hù)段塞防止了后續(xù)水驅(qū)注入水突破，使主段塞發(fā)揮更好的洗油效率。

2.2.2 聚合物溶液黏彈性驅(qū)油機(jī)理 圖3為聚合物溶液彈性驅(qū)油作用。從圖3中可以看出，聚合物溶液經(jīng)過(guò)孔喉結(jié)構(gòu)時(shí)受拉伸作用，溶液中的聚合物分子采取伸直的構(gòu)象，此時(shí)損耗模量G″較大，占主導(dǎo)地位，聚合物表現(xiàn)出黏性；但當(dāng)它離開(kāi)孔吼結(jié)構(gòu)時(shí)拉伸作用消失，溶液中的聚合物分子則采取蜷曲的構(gòu)象，此時(shí)儲(chǔ)能模量G′較大，占主導(dǎo)地位，聚合物表現(xiàn)出彈性，即聚合物溶液沿著流動(dòng)方向的法線方向膨脹，從而驅(qū)替出砂粒間的殘余油，達(dá)到提高聚合物溶液洗油效率的目的。

考察水驅(qū)后TADS-10/石油磺酸鹽/聚丙烯酰胺的二元體系對(duì)殘余油的驅(qū)替情況，結(jié)果如圖4所示。從圖4中可以看出，自發(fā)乳化配方二元復(fù)合驅(qū)在簇狀殘余油上體現(xiàn)出很好的洗油效率，主要還是依靠表面活性劑乳化配方的低界面張力啟動(dòng)殘余油，啟動(dòng)后在運(yùn)移的過(guò)程中，與一元體系不同的是有較多的油絲出現(xiàn)。油絲的出現(xiàn)主要是因?yàn)榫酆衔镳椥缘淖饔?，在二元?qū)油體系的作用下，油絲沿壁面運(yùn)移，油絲不斷的拉長(zhǎng)，同時(shí)聚合物具有較大的剪切黏度，油絲易被強(qiáng)剪切力拉斷。另一方面因?yàn)槎獜?fù)合驅(qū)中自發(fā)乳化體系的存在，超低的界面張力使油絲內(nèi)聚力下降，油絲相對(duì)更易自發(fā)乳化成細(xì)小油滴。

圖3 聚合物溶液彈性驅(qū)油作用

Fig.3 The oil displacement effect of polymer solution elasticity

2.3 弱堿的影響

配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3% 的TADS-10/石油磺酸鹽復(fù)配體系(體積比為2∶8)，加入質(zhì)量濃度1 500 mg/L的聚丙烯酰胺、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%Na2CO3形成三元自發(fā)乳化驅(qū)油配方，添加助劑正丁醇后，考察了三元復(fù)合驅(qū)的驅(qū)油效率，結(jié)果見(jiàn)表3。

圖4 0.3%TADS-10/石油磺酸鹽二元體系驅(qū)替殘余油

Fig.4 0.3% TADS-10/petroleum sulfonate binary system displacing the residual oil

表3 三元復(fù)合驅(qū)驅(qū)油效果

由表3可知，ASP三元復(fù)合體系化學(xué)驅(qū)采收率為20.98%，總采收率為65.35%。加入助劑正丁醇后，化學(xué)驅(qū)采收率為22.21%，總采收率為65.43%。三元復(fù)合驅(qū)中堿的加入提高了砂巖表面的負(fù)電性，減少了表面活性劑在砂巖的吸附量，從而可以大幅度降低表面活性劑用量[10]。堿可與鈣、鎂離子反應(yīng)或與黏土進(jìn)行離子交換，起犧牲劑的作用，保護(hù)聚合物和表面活性劑。同時(shí)堿與原油中的有機(jī)酸反應(yīng)生成的石油酸皂可與TADS-10/石油磺酸鹽產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，有助于提高驅(qū)油效率。而且堿與石油酸反應(yīng)生成的表面活性劑可以將油乳化，提高驅(qū)油介質(zhì)的黏度，因而加強(qiáng)了聚合物控制流度的能力。

由于三元復(fù)合驅(qū)的注入液黏度比較高，并且出現(xiàn)乳化和結(jié)垢等影響，使其注采能力出現(xiàn)下降。但是強(qiáng)堿三元復(fù)合驅(qū)結(jié)垢嚴(yán)重，主要形成Mg(OH)2、MgCO3、Ca(OH)2、CaCO3等沉淀，導(dǎo)致油層中的Mg2+與Ca2+含量大幅度降低，從而影響油井產(chǎn)量。

考察水驅(qū)后TADS-10/石油磺酸鹽/聚丙烯酰胺/ Na2CO3的三元體系對(duì)殘余油的驅(qū)替情況，結(jié)果如圖5所示。三元復(fù)合驅(qū)中弱堿的加入，避免了強(qiáng)堿易使油井結(jié)垢的缺點(diǎn)，同時(shí)與原油中有機(jī)酸發(fā)生反應(yīng)生成有機(jī)酸皂，與注入的TADS-10/石油磺酸鹽體系產(chǎn)生了復(fù)配協(xié)同效應(yīng)，使油水界面張力降低至超低，使黏附功減小，使原油從巖石壁面更易脫離。

圖5 0.3%TADS-10/石油磺酸鹽三元體系驅(qū)替殘余油

Fig.5 0.3% TADS-10/petroleum sulfonate ternary system displacing the residual oil

2.4 正丁醇的影響

在ASP三元復(fù)合體系中加入了正丁醇后，總采收率提高了1.31%。正丁醇的加入改變了官能團(tuán)的親油親水性，使表面活性劑在水中的溶解度變大，即相容性變好，使三元復(fù)合驅(qū)更好地發(fā)揮驅(qū)油效果。

考察水驅(qū)后三元復(fù)合體系加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.02%正丁醇后對(duì)殘余油的驅(qū)替情況，結(jié)果如圖6所示，正丁醇的加入，使自發(fā)乳化體系乳化原油的油滴更加細(xì)小，這些細(xì)小的油滴直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)要小于孔喉通道，使油滴能夠以快速度穿過(guò)孔喉擺脫了毛管力的束縛，以水包油型乳狀液的形式開(kāi)采出來(lái)，從而起到更好的洗油效果。

3 結(jié)論

(1) TADS-10一元體系可以有效的降低界面張力，從而提高洗油效率。

(2) 二元體系聚合物的加入改善油水流度比，驅(qū)替出大部分的細(xì)小孔道中的殘余油。

(3) 三元復(fù)合體系中產(chǎn)生的協(xié)同效應(yīng)，有助于提高驅(qū)油效率。

圖6 助劑正丁醇對(duì)三元復(fù)合驅(qū)驅(qū)替殘余油的影響

Fig.6 Effect ofn-butyl auxiliary alcohols on the ternary composite flooding residual oil

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(編輯 宋官龍)

Effect of TADS-10 Complex Systems Oil Displacement

Ren Jiawei, Wu Wenxiang, Zhang Dong

(KeyLaboratoryofEnhancedOilRecoveryofEducationMinistry,NortheastPetroleumUniversity,DaqingHeilongjiang163318,China)

In order to study the contribution of each component in the flooding, the composite system concluding sulfonate gemini surfactant TADS-10, polymer with a molecular weight of 15 million and Na2CO3was used to conducte flooding experiments on a lithography glass model. According to oil displacement effect of composite system, the impact of the interfacial tension, polymers, alkali and organic pure on oil displacement was analyzed. The results showed that ultra-low interfacial tension was generated by TADS-10 and petroleum sulfonate complex which raised chemical flooding oil recovery by 2.6%. After adding the polymer binary system, chemical flooding recovery was increased by nearly 10% compared with a single system, and total recovery was increased by 12.13%. Chemical flooding recovery was increased by 2.73% when weak base ternary was added compared with binary system. The chemical flooding oil recovery was enhanced by 1.23% after adding 0.02% alcoholin the ternary system, and total recovery was increased by 1.31%.

Composite system; Surfactant; Interfacial tension; Polymer

1006-396X(2015)03-0056-05

2015-03-12

2015-05-04

十二五重大專項(xiàng)“復(fù)雜油氣田地質(zhì)與提高采收率技術(shù)”(2011ZX05009)。

任佳維(1990-)，男，碩士研究生，從事提高原油采收率原理方面研究；E-mail：renjiawei325@163.com。

吳文祥(1961-)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，從事提高原油采收率方面研究；E-mail：sygcwuwenxiang@sina.com。

TE357

A

10.3969/j.issn.1006-396X.2015.03.012