侯軍偉，向小玲，劉 遠，劉鴻飛，鄭曉宇，努爾古麗

近年來，化學(xué)驅(qū)技術(shù)已成為油田開采后期增加可采儲量的主要手段［1-3］?；瘜W(xué)驅(qū)技術(shù)主要包括聚合物驅(qū)、三元復(fù)合驅(qū)及二元復(fù)合驅(qū)。其中，聚合物驅(qū)因技術(shù)簡單，成本較低，已在大慶油田進行了大規(guī)模推廣，但聚合物驅(qū)最高提高采收率只有10%左右，效率較低，且聚驅(qū)后再次開發(fā)困難很大；三元復(fù)合驅(qū)最高提高采收率達20%以上，效率高，但技術(shù)復(fù)雜，成本較高，且由于開發(fā)過程中加入了堿，使采油井結(jié)垢嚴重、采出液處理困難，對環(huán)境造成了較大影響［4-7］。聚合物/表面活性劑二元復(fù)合驅(qū)技術(shù)，既可通過聚合物及表面活性劑與原油產(chǎn)生的乳狀液擴大波及體積，又可利用表面活性劑大幅降低油水界面張力，提高洗油效率，同時又沒有堿帶來的復(fù)雜問題，因此得到了廣泛的關(guān)注［8-10］。

新疆油田在聚合物驅(qū)先導(dǎo)試驗成功的基礎(chǔ)上，成功推廣了300 Mt聚合物驅(qū)項目，主要使用的聚合物為部分水解聚丙烯酰胺（HPAM）。隨二元復(fù)合驅(qū)的大力推廣，急需尋找一種能和HPAM配伍性好的表面活性劑［11-12］。新疆油田礫巖油藏滲透率低，非均質(zhì)性強，礦化度變化范圍大，這些給二元復(fù)合驅(qū)的配方設(shè)計帶來了較大的困難。

本工作針對新疆油田七中區(qū)油藏，系統(tǒng)地研究了不同類型表面活性劑與HPAM配伍后二元體系流變性與界面張力的影響規(guī)律，為二元復(fù)合驅(qū)配方的設(shè)計提供基礎(chǔ)。

1 實驗部分

1.1 主要原料與儀器

體系黏度、流變性由德國 Anton Paar公司的Physical MCR101型流變儀測定；界面張力由美國科諾公司的TX500C型界面張力儀測定；所有實驗均在新疆油田七中區(qū)二元復(fù)合驅(qū)油田平均油層溫度（40 ℃）下完成。

三種表面活性劑（結(jié)構(gòu)見圖1）：陰離子表面活性劑（KPS），主要是富含芳烴的餾分油（稠油減二線餾分）經(jīng)磺化和堿中和得到的石油磺酸鹽，組成結(jié)構(gòu)復(fù)雜，相對分子質(zhì)量分布在300～550，其主要組分是烷基茚滿型、苯肼二環(huán)己烷型、烷基萘型磺酸鹽，純度30%（w）；非離子型表面活性劑（L5#），主要是烷醇酰胺類非離子表面活性劑，純度90%（w）；甜菜堿型表面活性劑（BS），主要為各種烷基苯酚聚氧乙烯醚的同系物，純度為50%（w）。三種表面活性劑均由新疆克拉瑪依金塔公司提供；HPAM：相對分子質(zhì)量為2.5×107，固含量91.38%（w），北京恒聚化工集團有限責任公司。實驗用水的礦化度為400 mg/L，Ca2+和Mg2+含量分別為30 mg/L和14 mg/L，水型為NaHCO3型。1.2 二元體系的配置

圖1 KPS、L5#與BS三種表面活性劑結(jié)構(gòu)式Fig.1 Schematic of KPS，L5# and BS.

稱取3.26 g的HPAM聚合物粉末，放入容積為1.5 L的燒杯中，再加入996.74 g的實驗用水，攪拌器攪拌熟化，攪拌轉(zhuǎn)速為200 r/min，熟化12 h后得0.3%（w）的HPAM母液1 000 g。稱取30%（w）的KPS 10 g放入燒杯中，加入50 g實驗用水，放置在搖床中振蕩30 min得5%（w）的KPS母液60 g。稱取配制好的0.3%（w）的HPAM母液40 g于燒杯中，加入配制好的5%（w）的KPS母液1 g和59 g的實驗用水，將裝有混合物的燒杯放置在搖床中振蕩1 h，得KPS含量為0.05%（w）、HPAM含量為0.12%（w）的二元驅(qū)油體系100 g。

同上述配制方法配制了：1）三種表面活性劑KPS，KPS+L5#，BS的含量（w）分別為0.05%，0.1%，0.2%，0.3%，0.4%，0.5%，HPAM的含量均為0.12%（w）的二元驅(qū)油體系；2）KPS含量為0.3%（w），HPAM含量為0.15%（w）的二元驅(qū)油體系100 g；3）三種表面活性劑KPS，KPS+L5#，BS含量為0.3%（w），HPAM含量（w）分別為0.08%，0.10%，0.12%，0.15%，0.18%，0.20%的二元驅(qū)油體系。

2 結(jié)果與討論

2.1 表面活性劑與HPAM配伍性研究

2.1.1 表面活性劑對二元體系黏度的影響

圖2為0.12%（w）的HPAM聚合物與不同類型表面活性劑對二元體系黏度的影響。從圖2可看出，表面活性劑對聚合物溶液黏度的影響符合“三階段模型”，即聚合物溶液的黏度隨表面活性劑含量的增加先升高再降低［13］。其中，純KPS對二元體系的黏度影響較大，開始向聚合物溶液中加入少量的KPS時（0.05%～0.1%（w）），二元體系黏度增大，之后隨著KPS的加入黏度大幅度降低（0.1%～0.5%（w））。這是因為加入很少量KPS時，KPS與溶液中的聚合物作用形成聚集體，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更稠密，體系黏度增加到最大值；繼續(xù)增大KPS的量，KPS溶于水后電離釋放出大量的Na+，對二元體系黏度的影響相當于電解質(zhì)增大，由于聚合物的抗鹽能力較差，同時鈉離子也會破壞聚合物的水化層，導(dǎo)致溶液黏度降低。當KPS與L5#復(fù)配時，黏度變化曲線比純KPS要平緩地多，這主要是因為復(fù)配后KPS含量降低到之前含量的一半，而L5#在水中的電離較弱，不會產(chǎn)生Na+增加礦化度。BS與聚合物形成聚集體的程度較弱，在水中電離度較強，因此黏度在經(jīng)歷初期的降低和增加后保持不變。

圖2 不同種類表面活性劑對聚合物黏度的影響Fig.2 Effects of different types of surfactant on the viscosity of the system.◆ KPS；■ KPS+L5#；▲ BS Test conditions：40 ℃，shear rate 10 s-1.

圖3 為0.3%（w）的表面活性劑與不同含量HPAM的二元體系黏度濃度曲線。從圖3可看出，當HPAM含量較低時，幾種表面活性劑對聚合物的黏度影響較小，但隨聚合物含量的增加，KPS和BS降低體系的黏度較大，這是因為當聚合物含量較高時，表面活性劑溶解后電離的礦化度對黏度的影響占了主要作用［14］。

2.1.2 表面活性劑對二元體系黏度與剪切應(yīng)力的影響

圖4為0.12%（w）的HPAM與不同含量KPS+L5#組成的二元體系的流變性能。從圖4可看出，二元體系的抗剪切性隨表面活性劑含量的增加呈現(xiàn)先升高再降低的趨勢，即當表面活性劑含量由0增加到0.10%（w）時抗剪切性能上升（當剪切速率為0.1 s-1時，表面活性劑含量（w）分別為0，0.05%，0.10%時，黏度分別為 2 350，2 740，3 240 mPa·s），表面活性劑含量（w）由0.10%增加到0.50%時抗剪切性能大幅度下降（表面活性劑含量（w）分別為0.30%和0.50%時黏度分別為2 690，1 880 mPa·s），黏度變化范圍達1 360 mPa·s，剪切速率在0.1～562 s-1范圍內(nèi)時，體系表現(xiàn)出假塑性流體特征，即體系表觀出剪切稀釋，黏度隨剪切速率增加而降低；當剪切速率在562～1 000 s-1時，出現(xiàn)剪切增稠現(xiàn)象。

圖3 不同表面活性劑/HPAM聚合物體系的黏度濃度曲線Fig.3 The viscosity-concentration curve of different surfactants/partially hydrolyzed polyacrylamide(HPAM) polymer systems.◆ KPS；■ KPS+L5#；▲ BS；● HPAM Test conditions referred to Fig.2.

圖4 0.12%（w）HPAM與不同含量KPS+L5#組成的二元體系的流變性能Fig.4 Effects of 0.12%(w) HPAM and different concentrations of KPS+L5# on the shear resistance of binary system.■ 0.12%(w) HPAM；● 0.12%(w) HPAM +0.05%(w)(KPS+L5#)；▲ 0.12%(w)HPAM +0.10%(w)(KPS+L5#)；▼ 0.12%(w) HPAM +0.30%(w)(KPS+L5#)；◆ 0.12%(w) HPAM +0.50%(w)(KPS+L5#)Test condition：40 ℃.

0.12 %（w）HPAM與不同含量BS組成的二元體系的抗剪切性能見圖5。從圖5可看出，當表面活性劑為BS時，二元體系的流變性隨表面活性劑含量的增大而變差（當剪切速率為0.1 s-1，表面活性劑含量（w）分別為0，0.05%，0.10%，0.30%，0.50%時，黏度分別為2 980，2 600，2 310，2 110，2 050 mPa·s），黏度變化范圍只有930 mPa·s，剪切增稠現(xiàn)象在562 s-1后出現(xiàn)。這主要是因為HPAM體系中，加入少量的陰離子與非離子復(fù)配表面活性劑后，表面活性劑和聚合物分子鏈通過離子-偶極作用發(fā)生締合，黏度增大；但隨表面活性劑含量的增大，HPAM與表面活性劑的締合作用達到極限，礦化度的影響逐漸顯示，因此黏度又降低。BS不會與HPAM發(fā)生締合反應(yīng)，只是簡單地增加礦化度，因此黏度隨表面活性劑含量的增大而降低。初始階段，隨剪切速率的增加，HPAM高分子鏈相互交疊的部分將消失，不同高分子鏈將被分離，此時高分子溶液的黏度將會下降，表現(xiàn)出剪切變稀的行為，隨剪切速率進一步增加，高分子鏈被拉伸變形，不同高分子鏈單元之間相互作用的引入導(dǎo)致剪切黏度增加，出現(xiàn)剪切增稠［15］。

圖5 0.12%（w）HPAM與不同含量BS組成的二元體系的抗剪切性能Fig.5 Effects of 0.12%(w) HPAM and different concentrations of BS on the shear resistance of binary system.■ 0.12%(w) HPAM；● 0.12%(w) HPAM +0.05%(w) BS；▲ 0.12%(w) HPAM +0.10%(w)BS；▼ 0.12%(w) HPAM +0.30(w)%BS；◆ 0.12%(w) HPAM +0.50(w)%BS Test conditions referred to Fig.4.

2.2 表面活性劑對二元體系界面張力的影響

圖6為HPAM含量為0.12%（w）時，不同含量KPS，KPS+L5#，BS二元體系油水界面張力的對比。從圖6可看出，對純KPS來說，界面張力隨表面活性劑含量的增大而降低，但界面張力普遍較大，最小值也達到了0.7 mN/m；對KPS+L5#的復(fù)配體系，當表面活性劑含量（w）在0.05%～0.10%時，界面張力約為10-2mN/m，當含量達到0.20%（w）時，二元體系的界面張力大幅下降，達10-3mN/m，之后隨含量的增大，界面張力又有小幅回升，當表面活性劑含量達0.50%（w）時，界面張力為5×10-2mN/m；對BS體系，當表面活性劑含量（w）在0.05%～0.10%時，二元體系的界面張力是三種表面活性劑中最低的，當含量為0.05%（w）時達10-2mN/m，當含量大于0.20%（w）時，界面張力一直保持在10-2mN/m。純KPS二元體系的界面張力較高，這主要是因為KPS與原油的配伍性較差；加入了L5#后，復(fù)配的表面活性劑大大增強了KPS與原油的配伍性，因此二元體系的界面張力大大降低，達10-3mN/m；當BS的含量大于等于0.10%（w）時，二元體系的界面張力始終保持在10-2mN/m。

圖6 聚合物HPAM為0.12%（w）時與不同含量表面活性劑組成的二元體系的界面張力Fig.6 The interfacial tension of the binary system with different concentrations of surfactants and 0.12%(w) HPAM.◆ KPS；■ KPS+L5#；▲ BS

3 結(jié)論

1）非離子型L5#、甜菜堿型BS與陰離子型KPS表面活性劑加入到HPAM聚合物溶液都會降低聚合物溶液的黏度，其中，陰離子型表面活性劑KPS對二元體系黏度的影響最大。

2）HPAM聚合物與KPS+L5#復(fù)配的二元體系的流變性隨表面活性劑含量的增加先升高再降低；HPAM聚合物與BS組成的二元體系的流變性隨表面活性劑含量的增加而降低。

3）單使用KPS作為表面活性劑時，二元體系的界面張力較高；BS能將二元體系的最小界面張力維持在10-2mN/m；采用KPS與L5#復(fù)配表面活性劑的二元體系的界面張力達10-3mN/m。

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