任佳維， 吳文祥， 張 棟

(東北石油大學提高采收率教育部重點實驗室，黑龍江大慶 163318)

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TADS-10復合體系驅油效果

任佳維， 吳文祥， 張 棟

(東北石油大學提高采收率教育部重點實驗室，黑龍江大慶 163318)

為了研究復合體系各組分在驅油過程中的貢獻程度，利用磺酸鹽雙子表面活性劑TADS-10與相對分子質量為1 500萬的聚合物以及Na2CO3配制的復合體系在光刻玻璃模型上進行原油驅替實驗，根據(jù)復合體系的驅油效果，分析界面張力、聚合物、堿以及正丁醇對驅油效果的影響。結果表明，TADS-10與石油磺酸鹽復配產(chǎn)生的超低界面張力使得化學驅采收率提高2.6%；加入聚合物后的二元體系與一元體系相比，化學驅采收率提高10%左右，總采收率提高12.13%；加入弱堿的三元體系化學驅采收率較二元體系提高2.73%；而三元體系加入質量分數(shù)為0.02%醇后化學驅采收率提高1.23%，總采收率提高1.31%。

復合體系； 表面活性劑； 界面張力； 聚合物

我國大部分油田已經(jīng)進入高含水期，三次采油技術發(fā)展很快，三元復合驅雖然進行了大規(guī)模應用，但是也存在技術問題，如不易達到超低界面張力、油井結垢等[1]。自1999年趙劍曦[2]系統(tǒng)介紹了國外Gemin型表面活性劑研究進展后, 我國學者開始進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)報道相對較少。為了最大限度增加可采儲量并保持較高的采油速度，一些通過使用不同表面活性劑復配的技術得到廣泛應用[3-4]。高效驅油表面活性劑在驅油過程中起到至關重要的作用[5-6]，如三元復合驅、泡沫復合驅等，但其研制也成為制約采油技術發(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，本文利用TADS-10單體復配及復合體系分別在微觀仿真光刻模型上進行驅油實驗，并對復合體系各組分對提高采收率做出的貢獻逐一做出評價。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

實驗用油：大慶原油脫水脫氣與煤油混合而成的模擬油。實驗用水：水驅及驅油用水的礦化度為 3 700 g/L；飽和水礦化度為6 778 mg/L。實驗藥品：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，相對分子質量為1 500萬，大慶采油三廠；Na2CO3和正丁醇均為分析純，沈陽華東試劑廠。

1.2 實驗設備

采用光刻玻璃模型進行驅油，通過圖像的采集、分析，來研究自發(fā)乳化驅油方案的微觀驅油機理。

1.3 實驗方案

(1) 一元驅油體系：質量分數(shù)為0.1% TADS-10溶液；質量分數(shù)為0.3%的TADS-10/石油磺酸鹽復配體系，其中TADS-10與石油磺酸鹽以體積比2∶8混合。

(2) 二元驅油體系：聚丙烯酰胺/TADS-10/石油磺酸鹽。

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

2 結果與討論

2.1 低界面張力影響

分別配制質量分數(shù)0.1%的TADS-10溶液、質量分數(shù)為0.3% 的TADS-10/石油磺酸鹽復配體系(體積比為2∶8)，考察了TADS-10單劑及與石油磺酸鹽復配體系的采收率，結果見表1。

表1 一元體系驅油效果

從表1可以看出，質量分數(shù)為0.1%的TADS-10單獨作為驅油劑時，水驅采收率為45.77%，化學驅采收率為6.39%，總采收率為52.16%。與石油磺酸鹽復配后化學驅采收率為8.99%，總采收率為52.32%。質量分數(shù)為0.3%TADS-10與石油磺酸鹽復配體積比為2∶8時，油水界面張力降至10-3mN/m數(shù)量級，提高了毛細管數(shù)，從而毛細管力減小，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，封閉在細喉道中的柱狀殘余油末端被拉長開始脫離吼道，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為油對地層表面的潤濕角。

圖1 表面活性劑使地層表面潤濕反轉

Fig.1 Surfactants make layer surface wetting inversion

考察水驅后質量分數(shù)0.3%的TADS-10與石油磺酸鹽復配一元體系對殘余油的驅替情況，結果如圖2所示。

圖2 0.3%TADS-10/石油磺酸鹽復配體系驅替殘余油

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

由TADS-10與石油磺酸鹽復配體系及TADS-10單獨驅油體系驅油結果分析，水驅后表面活性劑驅主要啟動了膜狀殘余油、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斷裂后自發(fā)乳化成小油滴，然后逐漸脫離巖壁上而被驅替[8]。封閉在細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)乳化驅油配方的自發(fā)乳化作用形成的細小乳狀液匯集聚并，繼而被體系夾帶而被采出。

2.2 聚合物影響

配制質量分數(shù)為0.3%的TADS-10/石油磺酸鹽復配體系(體積比為2∶8)，加入質量濃度1 500 mg/L的聚丙烯酰胺，考察SP二元體系的驅油效率，結果見表2。

表2 二元復合驅驅油效果

由表2可知，二元體系在非均質巖心中，化學驅采收率為18.25%，總采收率為64.45%，二元復合體系與一元體系相比，化學驅采收率提高10%左右。

2.2.1 減小油水流度比機理 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對水的稠化增加水的黏度[9]，同時減小表面活性劑的藥耗，并通過在孔隙表面的吸附和在孔隙介質中的捕集減小孔隙介質對水的有效滲透率，達到減小水油流度比，擴大了二元體系的波及系數(shù)，從而驅替出大部分的細小孔道中的殘余油。同時，聚合物后續(xù)保護段塞防止了后續(xù)水驅注入水突破，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油機理 圖3為聚合物溶液彈性驅油作用。從圖3中可以看出，聚合物溶液經(jīng)過孔喉結構時受拉伸作用，溶液中的聚合物分子采取伸直的構象，此時損耗模量G″較大，占主導地位，聚合物表現(xiàn)出黏性；但當它離開孔吼結構時拉伸作用消失，溶液中的聚合物分子則采取蜷曲的構象，此時儲能模量G′較大，占主導地位，聚合物表現(xiàn)出彈性，即聚合物溶液沿著流動方向的法線方向膨脹，從而驅替出砂粒間的殘余油，達到提高聚合物溶液洗油效率的目的。

考察水驅后TADS-10/石油磺酸鹽/聚丙烯酰胺的二元體系對殘余油的驅替情況，結果如圖4所示。從圖4中可以看出，自發(fā)乳化配方二元復合驅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殘余油，啟動后在運移的過程中，與一元體系不同的是有較多的油絲出現(xiàn)。油絲的出現(xiàn)主要是因為聚合物黏彈性的作用，在二元驅油體系的作用下，油絲沿壁面運移，油絲不斷的拉長，同時聚合物具有較大的剪切黏度，油絲易被強剪切力拉斷。另一方面因為二元復合驅中自發(fā)乳化體系的存在，超低的界面張力使油絲內(nèi)聚力下降，油絲相對更易自發(fā)乳化成細小油滴。

圖3 聚合物溶液彈性驅油作用

Fig.3 The oil displacement effect of polymer solution elasticity

2.3 弱堿的影響

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

圖4 0.3%TADS-10/石油磺酸鹽二元體系驅替殘余油

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

表3 三元復合驅驅油效果

由表3可知，ASP三元復合體系化學驅采收率為20.98%，總采收率為65.35%。加入助劑正丁醇后，化學驅采收率為22.21%，總采收率為65.43%。三元復合驅中堿的加入提高了砂巖表面的負電性，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、鎂離子反應或與黏土進行離子交換，起犧牲劑的作用，保護聚合物和表面活性劑。同時堿與原油中的有機酸反應生成的石油酸皂可與TADS-10/石油磺酸鹽產(chǎn)生協(xié)同效應，有助于提高驅油效率。而且堿與石油酸反應生成的表面活性劑可以將油乳化，提高驅油介質的黏度，因而加強了聚合物控制流度的能力。

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

考察水驅后TADS-10/石油磺酸鹽/聚丙烯酰胺/ Na2CO3的三元體系對殘余油的驅替情況，結果如圖5所示。三元復合驅中弱堿的加入，避免了強堿易使油井結垢的缺點，同時與原油中有機酸發(fā)生反應生成有機酸皂，與注入的TADS-10/石油磺酸鹽體系產(chǎn)生了復配協(xié)同效應，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，使三元復合驅更好地發(fā)揮驅油效果。

考察水驅后三元復合體系加入質量分數(shù)0.02%正丁醇后對殘余油的驅替情況，結果如圖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小，這些細小的油滴直徑遠遠要小于孔喉通道，使油滴能夠以快速度穿過孔喉擺脫了毛管力的束縛，以水包油型乳狀液的形式開采出來，從而起到更好的洗油效果。

3 結論

(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，驅替出大部分的細小孔道中的殘余油。

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

圖6 助劑正丁醇對三元復合驅驅替殘余油的影響

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“復雜油氣田地質與提高采收率技術”(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