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)。
1.1 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。
2.1 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
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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