束青林, 于田田, 古 亮, 樊胤良, 耿 杰, 范海明

(1.中國石化勝利油田分公司,山東東營 257000; 2.中國石油長慶油田分公司長慶實業(yè)集團有限公司,陜西西安 710016; 3.中國石油大學(華東)石油工程學院,山東青島 266580)

化學驅提高原油采收率技術是中國油田進一步提高采收率的主要措施之一[1-3]。大慶油田、勝利油田聚合物驅可在水驅基礎上提高原油采收率超過10%, 已經(jīng)由先導性礦場試驗邁入大規(guī)模工業(yè)性商業(yè)階段[1-8]。復合驅技術綜合發(fā)揮了聚合物、表面活性劑和堿的協(xié)同效應,聚合物通過增加驅替液的黏度增加驅替液和原油之間的流度比提高波及系數(shù),表面活性劑和堿通過降低油水界面張力減小毛細管阻力效應提高洗油效率,從而達到提高采收率的目的,可在水驅基礎上提高原油采收率20%以上[2-4]。目前油藏水質礦化度越來越高,科技人員提出研制新型耐鹽聚合物和表面活性劑作為高礦化度油藏化學驅油用劑。梳形和疏水締合型聚合物具有比常規(guī)聚丙烯酰胺型聚合物更強的耐鹽性能[9-12]。甜菜堿型[13-15]、非離子-陰離子型[16-18]和Gemini型表面活性劑[19-20]在高鹽條件下均可與原油達到10-3mN/m量級及以下的超低界面張力。對于能夠滿足鈣鎂離子質量濃度大于800 mg/L和總礦化度高于100 g/L的礦化水的化學驅體系鮮有報道。生物聚合物具有比常規(guī)合成聚合物更優(yōu)異的耐鹽性能[1],筆者通過生物發(fā)酵提純獲得生物聚合物BZZF,研究這種生物聚合物在高鹽礦化水中的黏彈性,發(fā)現(xiàn)生物聚合物BZZF具有比黃胞膠XG、疏水締合聚合物HPOC更優(yōu)異的增黏效果;利用甜菜堿兩性型表面活性劑GS、非離子型表面活性劑TS、陰離子-非離子兩性型表面活性劑APS與生物聚合物BZZF構建具有增黏能力和降低油水界面張力的二元復合驅油體系,并對體系的驅油性能進行評價,以期闡明利用生物聚合物BZZF和耐鹽表面活性劑在極高礦化水中構筑化學驅油體系的方法和驅油效果。

1 實 驗

1.1 實驗材料

生物聚合物BZZF由生物發(fā)酵提純獲得,實驗室自制;黃胞膠XG,山東阜豐集團有限公司;疏水締合聚合物HPOC(相對分子質量約為5.7×106),上海海博油田化學品有限公司;部分水解聚丙烯酰胺HPAM(相對分子質量約為2.3×107,水解度約為27%),華鼎宏基石油工程技術有限公司;甜菜堿兩性型表面活性劑GS、非離子型表面活性劑TS、陰-非離子兩性型表面活性劑APS,實驗室自制。氯化鈉、氯化鈣和六水氯化鎂,均為分析純試劑,購自于國藥集團化學試劑公司。實驗用巖心(Φ2.5 cm×10 cm)為人造均質巖心,由環(huán)氧樹脂與石英砂膠結而成。實驗用水為室內根據(jù)勝利油田和新疆油田地層水中礦物組成利用氯化鈉、氯化鈣和氯化鎂配制的高礦化度模擬礦化水, 其中勝利油田模擬地層水礦化水Ⅰ的總礦化度為10.55 g/L, 質量濃度NaCl為8.0 g/L,MgCl2為0.95 g/L,CaCl2為1.6 g/L,新疆油田模擬地層水礦化水Ⅱ的總礦化度為185 g/L, 質量濃度NaCl為130 g/L,MgCl2為10 g/L,CaCl2為45 g/L;實驗用油為勝利油田和新疆油田脫水原油,在60 ℃和剪切速率6.0 s-1下的黏度分別為43.9和36.5 mPa·s。

1.2 實驗方法

1.2.1 流變學性質測定

樣品的流變學性質測定在溫控的Physica MCR301流變儀(Anton Paar, Graz))上進行,使用錐板測量系統(tǒng),下部圓板直徑為49.959 mm,錐和板的傾角為1°, 間距為0.047 mm,測試溫度為60 ℃,并采用防揮發(fā)蓋防止溶劑揮發(fā)。靜態(tài)流變測試通過從0.001到100 s-1變化剪切速率測定樣品的黏度(η)。動態(tài)流變測試通過應力掃描實驗測定樣品彈性模量(G′)和黏性模量(G″)隨剪切應力的變化,確定樣品的G′和G″不受剪切應力影響線性黏彈性區(qū)域,并在線性黏彈性區(qū)域內,從0.03到80 rad/s變化頻率,測定樣品G′和G″隨頻率的變化。

1.2.2 界面張力測定

油水界面張力采用美國Texas-500C型旋轉界面張力儀測定, 測試溫度均為60 ℃。

1.2.3 驅油效果評價

化學驅體系的驅油效果采用DHZ-50-180 型化學驅動態(tài)模擬裝置評價。在恒溫60 ℃下水驅至出口端含水98%,計算水驅采收率;再注入0.6VP(孔隙體積)的化學驅段塞,后續(xù)水驅至出口端含水98%,計算最終采收率。

2 結果分析

2.1 生物聚合物溶液的增黏效果和耐鹽性能

在60 ℃的模擬礦化水Ⅰ中,不同質量濃度生物聚合物BZZF溶液的剪切黏度和剪切速率的關系如圖1(a)所示。可以看出,與文獻報道的部分水解聚丙烯酰胺HPAM、疏水締合聚合物HPOC、黃胞膠XG溶液類似,生物聚合物BZZF也為非牛頓流體,體系的黏度隨著剪切速率的增大而降低[21-23]。BZZF、XG、HPOC、HPAM溶液在剪切速率為6.0 s-1時的黏度隨聚合物質量濃度的變化如圖1(b)所示。可以看出,4種聚合物溶液的黏度均隨著聚合物質量濃度的增加而增大。對于HPAM,當質量濃度為1 000 mg/L時,溶液的黏度僅為3.7 mPa·s;質量濃度為2 000 mg/L時,溶液的黏度才超過10.3 mPa·s;質量濃度為5 000 mg/L時,溶液的黏度達到97.2 mPa·s。疏水締合聚合物HPOC的增黏效果優(yōu)于HPAM,當HPOC質量濃度為1 000 mg/L時,溶液的黏度僅為7.7 mPa·s;質量濃度為1 500 mg/L時,溶液的黏度達到20.7 mPa·s;質量濃度為2 500 mg/L時,溶液的黏度可達到114.6 mPa·s。這是由于疏水締合聚合物中的疏水鏈可發(fā)生分子間締合,增強了聚合物間的相互作用,增加了體系的結構黏度,因此比HPAM具有更好的增黏效果。在高鹽礦化水Ⅰ中,生物聚合物的增黏效果優(yōu)于合成聚合物。當XG質量濃度為500 mg/L時,溶液的黏度僅為9.6 mPa·s;質量濃度為1 000 mg/L時,溶液的黏度達到34.0 mPa·s;質量濃度為1 500 mg/L時,溶液的黏度可達到75.3 mPa·s。在兩種聚合物相同質量濃度下,生物聚合物BZZF溶液的黏度更大,質量濃度為350 mg/L時,溶液的黏度為14.1 mPa·s;質量濃度為500 mg/L時,溶液的黏度達到26.2 mPa·s;當質量濃度分別為1 000和1 500 mg/L時,溶液的黏度則可以分別達到76.5和145.5 mPa·s。因此在高鹽礦化水中,生物聚合物BZZF表現(xiàn)出具有比HPAM和HPOC、XG更優(yōu)異的增黏效果,相同質量濃度下黏度更大。

圖1 剪切速率和聚合物質量濃度對BZZF溶液黏度的影響Fig.1 Effect of shear rate and polymer weight concentration on viscosity η of BZZF solutions

在線性黏彈性區(qū)域進行頻率掃描,考察500和1 000 mg/L BZZF溶液的彈性模量(G′)和黏性模量(G″)隨頻率的變化(圖2(a))。500 mg/L BZZF溶液在所測試的區(qū)域內黏性模量(G″)均大于彈性模量(G′),體系表現(xiàn)為以黏性為主。1 000 mg/L BZZF溶液在所測試的區(qū)域內彈性模量(G′)和黏性模量(G″) 存在一個交點,交點前G′G″以彈性為主。圖2(b)為頻率為1 rad/s時G′和G″隨BZZF質量濃度的變化。 可以看出,在BZZF質量濃度低于800 mg/L時G′G″。這些BZZF溶液的彈性模量和黏性模量數(shù)值都要高于同黏度下的HPOC和HPAM溶液。因此在高鹽礦化水中生物聚合物BZZF表現(xiàn)出優(yōu)異的黏彈性能。

為了進一步說明生物聚合物BZZF的耐鹽性能,測試不同質量濃度鹽含量的礦化水中BZZF的增黏效果,結果見圖3。圖3(a)為1 000 mg/L BZZF溶液存在和不存在鹽時6.0 s-1下黏度比值隨鹽質量濃度的變化,可以看出,當溶液中CaCl2質量濃度增加到60 g/L,BZZF溶液的黏度基本不變化;當溶液中NaCl質量濃度增加到80 g/L,BZZF溶液的黏度基本不變化;繼續(xù)升高至100和200 g/L時,可能由于鹽析效應反而使得BZZF溶液的黏度增加到清水中黏度的2倍以上。圖3(b)為在NaCl、MgCl2、CaCl2質量濃度分別為130、10和45 g/L的礦化水Ⅱ中與礦化水Ⅰ中,6.0 s-1下BZZF溶液黏度隨聚合物濃度的變化?？梢钥闯?在BZZF質量濃度小于1 000 mg/L時,礦化水Ⅱ中BZZF溶液的黏度低于礦化水Ⅰ中;在BZZF質量濃度大于1 000 mg/L時,礦化水Ⅱ中BZZF溶液的黏度高于礦化水Ⅰ中的。整體而言,兩種礦化水中BZZF溶液的黏度非常接近。因此生物聚合物BZZF表現(xiàn)出良好的耐鹽性能,在極高的礦化水條件下依然保持良好的增黏效果。

圖2 頻率和聚合物質量濃度對BZZF溶液彈性模量G′和黏性模量G″的影響Fig.2 Effect of shear frequency and polymer weight concentration on elastic modulus G′ and viscous modulus G″ of BZZF solutions

圖3 鹽和礦化度對BZZF溶液黏度的影響Fig.3 Effect of salt and salinity on viscosity η of BZZF solutions

2.2 生物聚合物和表面活性劑混合溶液的黏彈性能和界面性能

化學驅油體系提高原油采收率的另一個重要途徑是減小毛細管阻力效應以提高洗油效率,這可以通過降低油水界面張力來實現(xiàn)。一般而言,有效驅替殘留在油層孔隙中的原油需要使油水界面張力降低到超低界面張力(小于10-2mN/m)[1]。這可以通過在生物聚合物溶液中加入合適的表面活性劑或堿等形成復合驅油體系來實現(xiàn)[24-25]。

圖4為礦化水Ⅰ中,1 000 mg/L BZZF和甜菜堿兩性型表面活性劑GS、非離子型表面活性劑TS混合溶液在6.0 s-1下黏度和油水界面張力最低值隨表面活性劑質量濃度的變化。可以看出,隨著表面活性劑質量濃度的增加,1 000 mg/L BZZF和表面活性劑GS或TS混合溶液與勝利油田原油的界面張力先降低然后變化平緩。對于BZZE/GS混合體系,當GS質量濃度為193 mg/L時,油水界面張力最低值(σmin)可以達到8.93×10-3mN/m的超低界面張力;隨著GS質量濃度繼續(xù)增加至1 935 mg/L,σmin則能達到10-2mN/m量級。對于BZZE/TS混合體系,當TS質量濃度升高到193 mg/L時,σmin就可以達到超低界面張力,而且隨著GS質量濃度的升高σmin繼續(xù)降低;隨著表面活性劑質量濃度的增加,1 000 mg/L BZZF和表面活性劑GS或TS混合溶液的黏度均上升;相比于BZZF溶液,當表面活性劑質量濃度增加至1 935 mg/L,BZZF和GS或TS混合溶液的黏度分別增加約11或6 mPa·s。

圖5為礦化水Ⅰ中,BZZF和表面活性劑386 mg/L GS或1 160 mg/L TS混合溶液在6.0 s-1下黏度和與勝利油田原油的油水界面張力最低值隨聚合物質量濃度的變化。可以看出,隨著聚合物質量濃度的增加,溶液的黏度增加,但BZZF/386 mg/L GS或BZZF+1 160 mg/L TS混合體系的σmin略有增加且都能維持在10-2或10-3mN/m量級。由此可知,在礦化水Ⅰ中,表面活性劑GS或TS的加入不僅不會降低BZZF溶液的黏度,而且還可以使得BZZF與表面活性劑GS或TS混合體系與勝利油田原油的界面張力最低值達到10-2或10-3mN/m量級。

圖4 礦化水Ⅰ中混合溶液的黏度和油水界面張力最低值隨表面活性劑質量濃度的變化Fig.4 Variation of the viscosity η and minimum of dynamic interfacial tension σmin with surfactant concentration of mixed solutions in mineralized water Ⅰ

圖5 礦化水Ⅰ中混合溶液的黏度和油水界面張力最低值隨聚合物質量濃度的變化Fig.5 Variation of viscosity η and minimum of dynamic interfacial tension σminwith polymer concentration of mixed solutions in mineralized water Ⅰ

由于礦化水Ⅱ礦化度太高,兩性型表面活性劑GS和非離子型表面活性劑TS在其中溶解性極差。很難找到在礦化水Ⅱ中即具有良好溶解性又與原油達到超低界面張力的表面活性劑,實驗選擇到陰離子-非離子兩性型表面活性劑APS與BZZF構成二元復合體系。圖6(a)為1 000 mg/L BZZF和表面活性劑APS混合溶液在6.0 s-1下黏度和與新疆油田原油的油水界面張力最低值隨表面活性劑濃度的變化?？梢钥闯?隨著APS質量濃度增加至1 935 mg/L,1 000 mg/L BZZF/APS混合溶液的黏度維持在90～97 mPa·s,與1 000 mg/L BZZF溶液的黏度相近;1 000 mg/L BZZF+APS混合溶液與新疆油田原油的σmin隨APS質量濃度的增加而降低,當APS質量濃度大于386 mg/L后,σmin可達到10-2mN/m量級。

圖6 礦化水Ⅱ中混合溶液黏度和油水界面張力最低值隨表面活性劑或聚合物質量濃度的變化Fig.6 Variation of viscosity η and the minimum of dynamic interfacial tension σmin with surfactant or polymer concentration of mixed solutions in mineralized water Ⅱ

圖6(b)為BZZF和表面活性劑1 160 mg/L APS混合溶液在6.0 s-1下黏度和與新疆油田原油的油水界面張力最低值隨聚合物質量濃度的變化,可以看出,隨著BZZF質量濃度的增加,BZZF+1 160 mg/L APS混合溶液的黏度增加,但σmin都維持在10-2mN/m量級。因此在礦化水Ⅱ中BZZF與表面活性劑APS混合體系可以獲得具有良好增黏效果和與新疆油田原油的界面張力最低值達到10-2mN/m量級的二元復合體系。

2.3 驅油效果評價

根據(jù)上述實驗結果,選擇生物聚合物或生物聚合物/表面活性劑二元體系進行室內驅油效果評價,實驗結果如表1所示?？梢钥闯?1 000 mg/L BZZF與勝利、新疆原油界面張力最低值分別為7.63和3.91 mN/m,在相應模擬礦化水下黏度分別為76.5和93.3 mPa·s,注入0.6VP的1 000 mg/L BZZF對滲透率約為380×10-3μm2的巖心可提高勝利、新疆原油采收率分別達到15.1%、16.5%。1 000 mg/L BZZF+1 160 mg/L GS和1 000 mg/L BZZF+1 160 mg/L APS二元復合體系在相應模擬礦化水下與勝利、新疆原油界面張力最低值分別為2.08×10-2和3.56×10-2mN/m,黏度分別為84.8和93.3 mPa·s。注入0.6VP的1 000 mg/L BZZF+1 160 mg/L GS對滲透率為381×10-3μm2的巖心可提高勝利原油采收率達到23.6 %;注入0.6VP的1 000 mg/L BZZF+1 160 mg/L APS對滲透率為405×10-3μm2的巖心可提高新疆原油采收率達到25.1 %。這是由于表面活性劑的加入使得二元復合體系相比于生物聚合物溶液具有更低的界面張力和更高的黏度,因而驅油效率更高。而且對于1 000 mg/L BZZF+1 160 mg/L TS體系,雖然混合體系的黏度較1 000 mg/L BZZF+1 160 mg/L GS體系低,但是油水界面張力最低值可達到2.63×10-3mN/m的超低界面張力,洗油效率更高,因此1 000 mg/L BZZF+1 160 mg/L TS體系可以提高勝利原油采收率28.7%。從上述結果看出,含生物聚合物的化學驅油體系在高鹽礦化水中具有良好的驅油效果。

表1 不同含生物聚合物BZZF的化學驅油體系的驅油效果

注:a—礦化水Ⅰ,勝利油田脫水原油;b—礦化水Ⅱ,新疆油田脫水原油。

3 結 論

(1)在高鹽礦化水中,生物聚合物BZZF表現(xiàn)出具有比常規(guī)聚合物HPAM、疏水締合聚合物HPOC、黃胞膠XG更優(yōu)異的增黏效果，而且加入60 g/L CaCl2或200 g/L NaCl都不會降低BZZF溶液的黏度,甚至在含NaCl 130 g/L、MgCl210 g/L和CaCl245 g/L的極高鹽濃度礦化水中生物聚合物BZZF依然能夠保持良好的增黏效果。

(2)甜菜堿兩性型表面活性劑GS、非離子型表面活性劑TS的加入不僅可以提高生物聚合物BZZF在勝利油田模擬地層水中的黏度,而且可以使油水界面張力降低到10-2和10-3mN/m量級。陰-非離子兩性型表面活性劑APS與生物聚合物BZZF混合體系在新疆油田模擬地層水中可以達到使油水界面張力降低到10-2mN/m量級。

(3)含生物聚合物BZZF的化學驅油體系在高鹽礦化水中具有良好的驅油效果。