姚 峰

(中國石化江蘇油田分公司石油工程技術(shù)研究院，江蘇 揚(yáng)州 225009)

表面活性聚合物提高采收率微觀驅(qū)油機(jī)理

姚 峰

(中國石化江蘇油田分公司石油工程技術(shù)研究院，江蘇 揚(yáng)州 225009)

采用微觀刻蝕玻板平面模型，對比研究了表面活性聚合物及常規(guī)聚合物對水驅(qū)后殘余油的驅(qū)替機(jī)理。研究表明，表面活性聚合物對膜狀殘余油、盲孔殘余油具有“推動(dòng)”和“拖動(dòng)”作用，提高采收率比常規(guī)聚合物高7%左右。傳統(tǒng)聚合物通過增加驅(qū)替液粘度提高水油流度比，擴(kuò)大波及體積來提高采收率。表面活性聚合物通過將殘余油拉成油滴和油絲、大油滴拉成小油滴和油絲的方式驅(qū)動(dòng)，在滲流過程中又在不同流道中形成更小的油滴，使油更容易被驅(qū)替液攜帶運(yùn)移。

表面活性聚合物 微觀模型 殘余油 驅(qū)油效率

聚表二元復(fù)合驅(qū)研究在國內(nèi)取得了很好的效果，但在應(yīng)用中暴露出地面配套復(fù)雜、體系穩(wěn)定性差、易色譜分離、降低驅(qū)油效率等問題[1-2]。為避免多元體系色譜分離，國內(nèi)外開展了表面活性聚合物、聚表劑等功能性驅(qū)油劑的研究與應(yīng)用，研究主要集中在分子設(shè)計(jì)和室內(nèi)評價(jià)方面[3-7]。張慶權(quán)的室內(nèi)評價(jià)表明功能型聚表劑的采收率高于高分子量聚合物采收率[8]。大慶油田從2005年開展了多個(gè)二類油層及聚驅(qū)后區(qū)塊的聚表劑驅(qū)先導(dǎo)性試驗(yàn)[9-12]，其中中區(qū)西部在含水100%條件下，注入0.3 PV1 500 mg/L聚表劑，采收率提高11%；薩中開發(fā)區(qū)一類油層聚驅(qū)后聚表劑驅(qū)提高采收率9%以上。

本文采用光學(xué)刻蝕玻板平面模型模擬儲(chǔ)層巖石孔隙結(jié)構(gòu)，對比研究了表面活性聚合物和普通聚合物的微觀驅(qū)油，考察了新型表面活性聚合物對殘余油的作用機(jī)理，結(jié)合非均質(zhì)巖心驅(qū)油實(shí)驗(yàn)，揭示了表面活性聚合物提高采收率機(jī)理及驅(qū)油特征。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)材料

儀器：TX500C界面張力儀、哈克RS6000流變儀、顯微鏡、巖心流動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置、可視化裝置等?？梢暬b置采用對角均質(zhì)玻璃刻蝕微觀模型，孔隙半徑范圍約為20～100 μm。

實(shí)驗(yàn)用油：可視化模型用蘇丹紅染色后的煤油并過濾，巖心流動(dòng)實(shí)驗(yàn)用江蘇油田莊2區(qū)塊現(xiàn)場原油與白油按3∶1體積比配制，80 ℃粘度為20.38 mPa·s。實(shí)驗(yàn)用水：江蘇油田莊2污水和清水體積比1∶1混合，礦化度分別為16 809.97，375.3 mg/L。

聚合物：恒聚聚合物HE62210，分子量1 000×104，水解度19.0%；北京石化研究院表面活性聚合物141109F2，分子量1 177×104，水解度18.7%。

實(shí)驗(yàn)巖心：石英砂膠結(jié)三層非均質(zhì)長方巖心4.5 cm×4.5 cm×30 cm，三層厚度比例1∶1∶1，平均滲透率100×10-3μm2，變異系數(shù)0.7。

1.2非均質(zhì)巖心驅(qū)油

(1)將巖心用實(shí)驗(yàn)用水抽真空飽和，真空度≤0.096 MPa，取出后稱重，計(jì)算孔隙體積和孔隙度，在80 ℃恒溫箱內(nèi)放置24 h；

(2)在80 ℃下用模擬油驅(qū)替巖心，建立束縛水，驅(qū)替至出口端含油98%以上，計(jì)算含油飽和度。飽和油后的巖心放置在80 ℃恒溫箱內(nèi)老化24 h；

(3)在80 ℃下水驅(qū)，注入速度0.3 mL/min，至巖心出口含水98%以上，計(jì)算水驅(qū)采收率；

(4)配制聚合物溶液，注入速度0.3 mL/min，0.4 PV后轉(zhuǎn)為后續(xù)水驅(qū)，直至出口含水90%以上為止，計(jì)算聚合物驅(qū)采收率。

1.3可視化模型驅(qū)油

(1)將微觀模型水驅(qū)洗凈后飽和煤油；

(2)以0.02 mL/min注入水驅(qū)油至不出油；

(3)以0.02 mL/min驅(qū)替普通聚合物溶液至不出油，觀察驅(qū)替過程中的殘余油變化，錄取動(dòng)態(tài)圖像。

(4)更換表面活性聚合物溶液驅(qū)替，觀察驅(qū)替過程中的殘余油變化，錄取動(dòng)態(tài)圖像。

1.4粘度、界面張力測試

利用哈克RS6000流變儀、敞口系統(tǒng)Z38轉(zhuǎn)子，在轉(zhuǎn)速7.34 s-1、80 ℃下測得HE62210和141109F2的粘度分別為8.35，10.76 mPa·s；利用TX500C，在轉(zhuǎn)速5 000 r/min、80 ℃下測得兩種聚合物在煤油/水的界面張力分別為5，1 mN/m。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1表面活性聚合物提高采收率

三層非均質(zhì)長方巖心對比驅(qū)油結(jié)果見表1。表面活性聚合物在等粘度條件下，總采收率達(dá)到59.38%，56.95%，比水驅(qū)分別提高了24.41%和23.83%。普通聚合物驅(qū)總采收率為51.58%和50.19%，比水驅(qū)提高16.74%和17.32%。表面活性聚合物提高采收率幅度比普通聚合物高7%，表明表面活性聚合物驅(qū)油效果遠(yuǎn)好于普通聚合物。

表1 等粘度條件下兩種聚合物的采收率

2.2表面活性聚合物微觀驅(qū)油特征

通過顯微鏡對可視化模型中水驅(qū)、普通聚合物驅(qū)和表面活性聚合物驅(qū)的觀察分析，發(fā)現(xiàn)表面活性聚合物對微觀孔隙中壁面膜狀殘余油、盲孔殘余油、孔隙中油滴、“Y”型喉道處油滴的驅(qū)替具有不同的驅(qū)替機(jī)理和特征。

2.2.1 膜狀殘余油的驅(qū)替

圖1上部5張圖是普通聚合物驅(qū)替水驅(qū)后壁面殘余油的連續(xù)過程，下部是普通聚合物驅(qū)后表面活性聚合物驅(qū)替油膜微觀過程?？梢钥闯?，水驅(qū)后局部巖石表面形成較厚的殘余油膜。當(dāng)聚合物溶液開始驅(qū)替時(shí)，由于聚合物溶液與油的剪切應(yīng)力大于水與油的剪切應(yīng)力[13]，殘余油順著驅(qū)替方向被“推動(dòng)”，使油膜后部向前流動(dòng)，呈現(xiàn)前端逐漸加厚形成“駝峰”，最終與油膜脫離形成油滴，油滴隨著聚合物溶液向前流動(dòng)。此時(shí)，油膜減薄，使微觀殘余油飽和度降低。

圖1 普通聚合物(上)和表面活性聚合物(下)驅(qū)替油膜微觀過程

表面活性聚合物溶液在普通聚合物無法驅(qū)替剩余油膜時(shí)，由于壁面潤濕性的變化，油膜前緣與壁面接觸角逐漸變小，可以觀察到殘余油膜有“收縮鼓起”的現(xiàn)象，隨后前緣逐漸“拖動(dòng)”，被拉長、斷脫成油滴被驅(qū)替出來。剩余油重新收縮，繼續(xù)拉長、斷脫，持續(xù)重復(fù)這一過程，直至油膜被驅(qū)替干凈。

2.2.2 盲孔殘余油的驅(qū)替

圖2是模型中盲孔殘余油在水驅(qū)、聚合物驅(qū)和表面活性聚合物驅(qū)時(shí)被采出的情況。圖中表明，水驅(qū)后，盲孔內(nèi)殘余油幾乎沒有被驅(qū)替，殘余油在盲孔出口微有外凸鼓起。聚合物驅(qū)時(shí)，產(chǎn)生的平行于油-水界面的拖動(dòng)力大于水驅(qū)，沿孔道主流線方向流動(dòng)的聚合物溶液能夠拉動(dòng)盲孔出口端的殘余油，并使其孔道內(nèi)的流體一同沿主流線方向流動(dòng)，剩余的油在盲孔內(nèi)呈現(xiàn)內(nèi)收凹面。當(dāng)注入表面活性聚合物后，降低了盲端內(nèi)油水界面的張力，導(dǎo)致殘余油滴內(nèi)聚力下降，油滴更易變形，驅(qū)替液驅(qū)出更多的殘余油，盲端內(nèi)殘余油變得更少，呈現(xiàn)一個(gè)更深的凹面。

圖2 盲孔殘余油驅(qū)替過程

2.2.3 孔隙中油滴的驅(qū)替

由于表面活性聚合物既具有普通聚合物的粘彈特性，又具有較低的界面張力，所以殘余油容易發(fā)生變形。圖3是殘余油在表面活性聚合物作用下，彎曲壁面油滴前端被拉斷形成一個(gè)小油滴的過程。殘余油通過這種方式更容易被驅(qū)替液攜帶運(yùn)移。

圖3 殘余油拉成油滴的過程

在油滴通過“Y”型孔道時(shí)，只要油滴較大，油滴兩端容易被分別向兩側(cè)拉長，中間逐漸變細(xì)，最后發(fā)生斷裂，形成2個(gè)較小的油滴，分別從“Y”型孔道的兩側(cè)通過(圖4)。

圖4 油滴通過“Y”型孔道的過程

圖5 殘余油被拉成細(xì)小油滴的過程

圖5是在表面活性聚合物的作用下，壁面殘余油被拉成細(xì)小油滴的過程。沿著表面活性聚合物的流動(dòng)方向，殘余油前端逐漸發(fā)生變形，形成了一個(gè)尖端并逐漸拉長形成一條油絲，油絲前端被拉斷，形成一滴滴的細(xì)小油滴。

2.2.4 殘余油運(yùn)移和乳化

在表面活性聚合物溶液驅(qū)替殘余油的運(yùn)移過程中，可以明顯觀察到不同于普通聚合物的乳化現(xiàn)象，通常表現(xiàn)為在運(yùn)移過程中大油滴乳化成微小油滴和油絲拉斷成微小乳化液滴，表現(xiàn)為油滴運(yùn)移和油絲運(yùn)移的特征。

圖6 大油滴被拉成油絲并斷裂成微小乳化油滴的過程

圖6顯示殘余油運(yùn)移過程中，已拉成油滴形式的殘余油在運(yùn)移的過程中會(huì)斷裂成更小的油滴并乳化。當(dāng)油滴通過狹窄流道時(shí)尾部被拉成油絲，拉長到一定程度后發(fā)生斷裂，形成更加微小的乳化油滴。

圖7中大小不等的油滴和油絲隨驅(qū)替液向下游運(yùn)移，在表面活性聚合物低界面張力的作用下，油絲很不穩(wěn)定，當(dāng)通過狹窄流道或流動(dòng)方向突然發(fā)生改變時(shí)，即油絲的流動(dòng)速度發(fā)生改變時(shí)，油絲極易被驅(qū)替液拉斷形成許多微小的油滴。

圖7 油絲拉斷形成微乳滴的過程

2.2.5 出口端提高采收率的定性觀察

表面活性聚合物可以在普通聚合物驅(qū)基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高采收率，這一點(diǎn)可以在微觀模型出口端觀察到。圖8a是普通聚驅(qū)結(jié)束時(shí)，出口液體中含有少量細(xì)小油滴最后幾乎不含油；圖8b是普通聚合物驅(qū)后注入表面活性聚合物時(shí)，出口端可見大小不等的油滴產(chǎn)出。由此可以證明表面活性聚合物使殘余油進(jìn)一步減少，驅(qū)油效率比普通聚合物高。

a 普通聚合物驅(qū)結(jié)束 b 普通聚驅(qū)后注表面活性聚合物

3 結(jié)論

表面活性聚合物將表面活性基團(tuán)引入到聚丙烯酰胺鏈節(jié)上，使聚合物不但具有增黏和粘彈特性，還具有降低體系表面能、乳化增溶的作用。這種作用使表面活性聚合物在驅(qū)油過程中，盲孔殘余油更少，膜狀殘余油因潤濕性變化在壁面收縮，并逐漸向前端推移、斷脫而被驅(qū)替；在驅(qū)替過程中殘余油以大油滴拉成小油滴和油絲的方式運(yùn)移，在不同流道中形成更小的油滴，比常規(guī)聚合物具有更好的驅(qū)替效果。

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(編輯 韓 楓)

The microscopic displacement mechanism of surface-activepolymer flooding for improving oil recovery

Yao Feng

(PetroleumEngineeringTechnologyResearchInstituteofJiangsuOilfieldCompany,SINOPEC,Yangzhou225009,China)

Using the micro-etching glass visual model,it was carried out comparison study on the mechanisms of residual oil after waterflooding flooded by surface-active polymer and conventional polymer.Results indicated that film-like residual oil and residual oil in dead-end can be pushed and dragged by the surface-active polymer.And then the increased recovery rate of the surface-active polymer is about 7% higher than that of conventional polymer.The conventional polymer can improve the recovery rate by expanding volumetric sweep efficiency and increasing the displacing fluid viscosity which can improve the oil-water mobility ratio.The residual oil was split into oil drops and threads,and the big oil drops were split into small oil drops and threads by the surface-active polymer.And then the oil drops and theads can form even smaller ones,which can pass through various flow channels in the percolation process.Finally,the residual oil can easily be moved and carried by the displacing fluid.

surface-active polymer;micro-model;residual oil;displacement efficiency

10.16181/j.cnki.fzyqc.2017.02.017

2017-04-10；改回日期：2017-05-12。

姚峰(1970—)，高級工程師，主要從事三次采油、儲(chǔ)層改造等技術(shù)的研究與應(yīng)用。E-mail：yaof.jsytj@sinopec.com。

TE39

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