張 蒙 聶興成 黃亞杰 侯流通 周 磊 周 明，2

1.西南石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 2.“油氣藏開發(fā)及地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”·西南石油大學(xué) 3.中國(guó)石油化工集團(tuán)江漢油田分公司工程技術(shù)研究院

高礦化度油藏聚合物基微泡沫驅(qū)油體系優(yōu)化

張 蒙1聶興成1黃亞杰3侯流通1周 磊1周 明1，2

1.西南石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 2.“油氣藏開發(fā)及地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”·西南石油大學(xué) 3.中國(guó)石油化工集團(tuán)江漢油田分公司工程技術(shù)研究院

針對(duì)某高礦化度油藏采用常規(guī)化學(xué)劑不抗鹽，提高采收率難度大的問題，在高礦化度油藏條件下，以泡沫綜合指數(shù)(FCI)篩選了兩種起泡性好的表面活性劑TSS(12-2-12)-2OH和Triton X-100。在此基礎(chǔ)上，優(yōu)化了聚合物基微泡沫驅(qū)油體系中的起泡劑濃度、助起泡劑濃度和泡沫穩(wěn)泡劑濃度，得到了最佳的聚合物基微泡沫驅(qū)油體系0.2%(w) TSS(12-2-12)-2OH +0.1%(w) Triton X-100+0.150%(w) KY5S+地層水。為高礦化度油藏提高采收率提供一條新的途徑。

高礦化度 聚合物 微泡沫驅(qū)油體系 優(yōu)化FCI

泡沫驅(qū)具有高的阻力系數(shù)和低的殘余阻力系數(shù)，是一種三次采油技術(shù)，可以調(diào)節(jié)多層的注水剖面，并且提高采收率，其應(yīng)用效果取決于發(fā)泡劑的選擇[1-3]。特定的表面活性劑及其配方能夠產(chǎn)生足夠的泡沫，而這些泡沫耐電解質(zhì)、耐溫，且在井下的壓力和溫度下耐油。泡沫驅(qū)作為一種提高采收率的技術(shù)，它結(jié)合了注氣技術(shù)和化學(xué)驅(qū)的性能。研究表明，泡沫驅(qū)能夠提高15%～30%的采收率，而且是一種具有高潛力提高原油采收率的技術(shù)[4-5]

TSS(12-2-12)-2OH是一種帶有兩個(gè)磺酸基團(tuán)、兩個(gè)羥基和兩個(gè)十二烷基基團(tuán)的陰離子型雙子表面活性劑，具有較高的表面活性，比單鏈的表面活性劑具有更好的發(fā)泡性能。由于含有兩個(gè)羥基，不受溶液中離子的影響，其耐鹽性得到很大提高[6]。因此，它能用作高含鹽油藏泡沫驅(qū)油中的發(fā)泡劑，驅(qū)替油藏中的原油。

KY5S是一種以丙烯酰胺及其衍生物制備得到的抗鹽締合共聚物，具有良好的黏彈性、耐鹽性和耐溫性，常被用作海上油田等礦化度高的油田作為驅(qū)油劑。

1 材料和實(shí)驗(yàn)

1.1 化學(xué)藥品

TSS(12-2-12)-2OH: 5，12-雙(十二烷氧甲基)-4，7，10，13-四噁-2.15-二羥基十六烷基-1，16-雙磺酸鈉，工業(yè)級(jí)，實(shí)驗(yàn)室根據(jù)文獻(xiàn)[6]自制，分子結(jié)構(gòu)式見圖1。

1.2 實(shí)驗(yàn)

1.2.1 數(shù)顯恒速攪拌器

實(shí)驗(yàn)裝置(見圖2)是一個(gè)帶數(shù)字顯示的恒速攪拌器，由沈陽航空航天大學(xué)應(yīng)用技術(shù)研究所制造。

1.2.2 泡沫溶液的制備

根據(jù)設(shè)定的配比，準(zhǔn)確稱量發(fā)泡劑(純?nèi)芤夯蚧旌衔?、聚合物(KY5S)和鹽(NaCl、CaCl2、NaHCO3等)。將蒸餾水加入裝有攪拌器的燒杯(500 mL)中，再加入鹽，攪拌溶液使鹽完全溶解，攪拌速度400 r/min，然后緩慢地加入聚合物，使其在蒸餾水中分散均勻；最后加入發(fā)泡劑，在聚合物和發(fā)泡劑都被完全溶解后，停止攪拌，即得泡沫溶液。

1.2.3 泡沫的制備

在設(shè)定溫度下，將100 mL泡沫溶液加入恒速攪拌器中，在3 000 r/min轉(zhuǎn)速下，攪拌1 min即得泡沫。將得到的白色泡沫快速倒入1 000 mL量筒中，記錄最初的泡沫體積(V)，當(dāng)泡沫體積減少到初始泡沫體積的一半時(shí)，記錄半衰期t1/2。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 穩(wěn)定性評(píng)估

泡沫的綜合指數(shù)(FCI)反映了泡沫的發(fā)泡能力和泡沫穩(wěn)定性。圖3顯示了發(fā)泡體積與從發(fā)泡到消泡的時(shí)間關(guān)系，圖中陰影部分顯示了發(fā)泡體系的綜合性能。假設(shè)該區(qū)域?yàn)镕CI與泡沫量的曲線方程V=f(t):

(1)

為簡(jiǎn)單起見，圖3中的梯形ABCD的面積近似計(jì)算如下：

FCI=S=0.75Vmaxt1/2

(2)

根據(jù)泡沫體系的FCI值，可以評(píng)估其強(qiáng)弱。FCI值越大，綜合性能則越強(qiáng)。

3 結(jié)果與討論

3.1 單一發(fā)泡劑的性能

在地層水溫度為87 ℃時(shí)，采用Waring Blender法制得8種單一發(fā)泡劑所產(chǎn)生的泡沫，F(xiàn)CI與發(fā)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系見表1。

表1 不同起泡劑的FCI值與發(fā)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系Table1 FCIvaluesofdifferentfoamingagents mL·sw(起泡劑)/%0.150.200.250.300.35TSS(12-2-12)-2OH3672257435742348576892562SDS2154622600253252662528366TrionX-1002551832933415676726578468SO2897039819669519107761080ABS1255521227245222844535625SDBS1025515345185662138221808AOS2712233471467135225568122AES1585624232356554525553232

表1顯示了隨發(fā)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，F(xiàn)CI增大，但當(dāng)發(fā)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.3%時(shí)，F(xiàn)CI較低。發(fā)泡劑TSS(12-2-12)-2OH和Triton-X-100的FCI通常比其他6種發(fā)泡劑高，特別是當(dāng)TSS(12-2-12)-2OH和Triton-X-100的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.35%時(shí)，F(xiàn)CI的范圍達(dá)78 000～92 000 mL·s。在地層溫度和鹽度條件下，TSS(12-2-12)-2OH和Triton-X-100為最好的兩種發(fā)泡劑。因此，由TSS(12-2-12)-2OH和Triton-X-100兩種表面活性劑復(fù)配制備起泡劑。

泡沫大小影響泡沫的穩(wěn)定性，大泡沫容易破碎，而小泡沫的半衰期較長(zhǎng)。泡沫越小，形成大泡沫的時(shí)間越長(zhǎng)，小泡沫的液膜數(shù)量比大泡沫的多。因此，小泡沫可以承受液體流失帶來的失穩(wěn)性。由于重力作用，液體和流動(dòng)方向自動(dòng)從上往下。在液膜排水的過程中，其液體分子比位于下部的分子具有更大的自由能。由于朝自由能減少的方向自發(fā)進(jìn)行，泡沫不斷地排除液體，液膜變薄并發(fā)生破裂，最終導(dǎo)致泡沫消失。

3.2 起泡劑的復(fù)配

起泡劑復(fù)配后的泡沫性能見表2。由表2可知，利用混合發(fā)泡劑制得的泡沫溶液的FCI比單一發(fā)泡劑制得的好?？傎|(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%時(shí)，泡沫驅(qū)最佳配方為在地層水中加入質(zhì)量比為2∶1的TSS(12-2-12)-2OH和Triton-X-100。

表2 復(fù)配后起泡劑的泡沫性能Table2 Mixtureoffoamingagentwtotal=0.3%m(TSS(12-2-12)-2OH)∶m(TrionX-100)起泡體積/mLt1/2/sFCI/(mL·s)4∶1470245863633∶1510230879752∶1540225911251∶1515210811131∶2480200720001∶3465195680061∶445518061425

3.3 穩(wěn)泡劑濃度的篩選

在87 ℃下，使用不同質(zhì)量濃度的穩(wěn)泡劑KY5S，用地層水制備0.2%(w)TSS(12-2-12)-2OH + 0.1%(w)Triton X-100的泡沫溶液,評(píng)價(jià)了表面活性劑和聚合物之間的協(xié)同作用，結(jié)果見表5。

表3 泡沫穩(wěn)定劑KY5S的濃度確定Table3 ConcentrationchooseoffoamstabilizerKY5Sw(KY5S)/%起泡體積/mLt1/2/sFCI/(mL·s)0.07553010804293000.10052512254823440.12551015756024380.15049016656118880.17547517106091880.20046517456085690.22545017856024380.2504401805595650

當(dāng)KY5S的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.150%時(shí)，隨著KY5S濃度的增加，黏度值也上升，其原因是聚合物分子以內(nèi)締合為主；當(dāng)KY5S的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.150%，溶液的黏度值增加得更多，其原因是聚合物以分子間締合為主，不同聚合物分子的疏水鏈段能夠在此濃度下結(jié)合在一起，并且形成平均分子質(zhì)量較大的超分子化合物。

當(dāng)KY5S的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.150%，隨著KY5S濃度增加，F(xiàn)CI增加；當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.150%，隨著KY5S濃度增加，泡沫綜合指數(shù)降低。隨著KY5S濃度的增加，穩(wěn)泡性增強(qiáng)，是因?yàn)楫?dāng)濃度大于臨界聚集濃度時(shí)，泡沫的液膜變得越來越厚，且不容易被排除，液膜變薄的速度減慢。因此，延遲了破壞液膜的時(shí)間，半衰期變長(zhǎng)。泡沫溶液在添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.150%的KY5S時(shí)，具有良好的泡沫綜合指數(shù)。因此，KY5S的最適質(zhì)量分?jǐn)?shù)是0.150%。最佳的配方是0.2%(w)TSS(12-2-12)-2OH + 0.1%(w)Triton X-100 + 0.150%(w)KY5S。在泡沫制備過程中可知，該配方制得的泡沫體積較細(xì)膩且均勻，泡沫直徑只有幾個(gè)微米大小，形成了微泡沫。

KY5S的濃度大于臨界聚集濃度時(shí)，它的黏度增強(qiáng)了液膜強(qiáng)度，減緩了液膜上的液體流動(dòng)，增加了液體排出時(shí)間。另一方面，它也具有彈性，這有助于抑制重力作用，液膜上的液體流動(dòng)速率變慢，使液體排出時(shí)間變得更長(zhǎng)。因此，KY5S能夠在很大程度上增加泡沫的半衰期t1/2。按照泡沫綜合指數(shù)=0.75Vmaxt1/2，泡沫綜合指數(shù)也會(huì)有很大程度的增加。

3 結(jié) 論

(1) TSS(12-2-12)-2OH是一種帶有兩個(gè)磺酸基團(tuán)、兩個(gè)羥基和兩個(gè)十二烷基基團(tuán)的陰離子-非離子型雙子表面活性劑。它具有較高的表面活性，從而降低了CMC、γCMC和界面張力，比單鏈的表面活性劑具有更好的發(fā)泡性能。因此，它被用作泡沫驅(qū)油中的發(fā)泡劑，驅(qū)替苛刻油藏中的原油。

(2) 在水驅(qū)后的高礦化度油藏中進(jìn)行了系統(tǒng)的泡沫驅(qū)油實(shí)驗(yàn)，發(fā)泡性能、穩(wěn)泡性和FCI是確保較高采收率的關(guān)鍵因素。以發(fā)泡性、穩(wěn)泡性和泡沫綜合指數(shù)為指標(biāo)對(duì)微泡沫驅(qū)的配方進(jìn)行了優(yōu)化，得出了最佳的聚合物基微泡沫驅(qū)油體系0.2%(w)TSS(12-2-12)-2OH+0.1%(w)Triton X-100+0.150%(w)KY5S+地層水。

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Optimization of polymer based micro-foam flooding system in high salinity reservoir

Zhang Meng1， Nie Xingcheng1, Huang Yajie2, Hou Liutong1, Zhou Lei1，3, Zhou Ming1，2

1.CollegeofMaterialsScienceandEngineering,SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu,Sichuan,China2.KeyStateLibraryofOilandGasGeologyandExploitationEngineering,SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu,Sichuan,China; 3.EngineeringandTechnologyResearchInstituteofJianghanOilfieldCompanyofSINOPEC,Wuhan,Hubei,China

Aiming at the practical problems of conventional chemical agent used in a high salinity reservoir, having anti-salt property scarcely and improving the recovery rate difficultly, thenFCIfoam comprehensive exponent was uesd to screen two kinds of surface active agents TSS(12-2-12)-2OH and Triton X-100 under the conditions of high salinity reservoir. The foaming agent concentration, auxiliary foaming agent concentration and bubble foam stabilizing agent concentration were optimized. The result showed that the optimal polymer based on micro-foam flooding system was 0.2 wt% TSS(12-2-12)-2OH +0.1 wt% Triton X-100+0.15 wt% KY5S+ formation water. It supplies a new method to enhance oil recovery for high salinity reservoirs.

high salinity, polymer, micro-foam flooding system, optimization,FCI

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“特高溫高鹽用TTSS系列表面活性劑的開發(fā)”(51074133)。

張蒙(1992-)，陜西咸陽人，西南石油大學(xué)高分子材料與工程2012級(jí)，主要從事提高采收率技術(shù)的研究及應(yīng)用。通信作者：周明(1973-)，教授，現(xiàn)就職于西南石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，主要從事油氣田材料及應(yīng)用相關(guān)研究及教學(xué)。E-mail:mr.zhouming@163.com

TE357.7

A

10.3969/j.issn.1007-3426.2017.01.016

2016-04-17；編輯：馮學(xué)軍