周志軍，王春堯，李國新（.東北石油大學，黑龍江大慶633；.大慶采油五廠，黑龍江大慶633）

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三元復合體系表面活性劑吸附規(guī)律的影響研究*

周志軍1，王春堯1，李國新2
（1.東北石油大學，黑龍江大慶163311；2.大慶采油五廠，黑龍江大慶163311）

摘要：為研究三元復合驅體系在地層滲流過程中界面張力的變化情況，首先對三元復合驅體系對表面活性劑的吸附規(guī)律進行研究。本文以河南油田為研究對象，以單分子吸附理論和靜吸附理論為基礎，利用數值模擬方法和物理模擬實驗分別研究堿和聚合物濃度變化對表面活性劑吸附量的影響，研究表明：伴隨堿濃度增加，表面活性劑的吸附量呈現逐漸降低后趨于平緩趨勢，堿濃度越高，表面活性劑吸附量達到平衡時的濃度越低。隨著聚合物濃度的升高，表面活性劑的吸附量呈現先降低而后略微的上升趨勢。

關鍵詞：三元復合驅體系；靜態(tài)吸附；吸附量

河南油田經過幾十年的開發(fā)生產，已進入特高含水階段，以部分水解聚丙烯酰胺的三元復合驅技術的獲得了重視和發(fā)展，應用規(guī)模逐年擴大，已經成為油田開發(fā)后期減緩產量遞減的一項主要技術。

近年來，很多學者對研究了三元復合驅油體系對油田開發(fā)的影響。魏舉鵬［1］等針對大慶油田三元復合體系的吸附滯留情況，通過室內實驗，確定表面活性劑和疏水締合聚合物在不同堿類型復合體系的吸附量；締合聚合物的滯留量大于在大慶砂巖上吸附量，而堿和表面活性劑的滯留量小于吸附量。李柏林［2］等分析了大慶薩中二類油層對三元驅油體系的吸附特征。張棟［3］等結合大慶油田儲層的實際開發(fā)條件，在室內進行模擬，得出了表面活性劑的吸附量隨濃度的增加呈現出迅速上升、小幅度回落至平穩(wěn)趨勢的過程；在競爭吸附過程中，聚合物降低了二元復合體系中表面活性劑的吸附量等結論。張麗波［4］等以蘇丹油田三元復合驅體系為例，研究了各組分在綜合作用下靜態(tài)吸附量的變化。眾多學者取得了大量的成果［5-14］。本文以河南油田為研究對象，首先通過室內物理實驗觀察不同濃度下聚合物和堿對表面活性劑靜態(tài)吸附的影響，驗證相關學者研究成果；然后通過建立數值模型，模擬堿和聚合物濃度對表面活性劑吸附場影響，觀察不同濃度下表面活性劑吸附場的分布規(guī)律。

1　實驗部分

1.1實驗材料

表面活性劑：ORS-41，聚合物：水解聚丙烯酰胺Alcoflood1275A，堿：NaOH，實驗吸附劑：河南油田取天然巖心研碎等體積比酒精/苯清洗去油，粒徑尺寸，80～100目，實驗溫度：65℃，實驗用水：河南油田模擬地層水，礦化度4600mg·L-1。

1.2實驗步驟

首先，利用實驗材料按照實驗目的配制一系列驅油劑溶液,然后分別測量各驅油劑中表面活性劑的濃度并記C，將吸附劑與所配目的溶液按照比例混合、振蕩，置于恒溫水浴槽中，將得到的吸附劑與目的液形成的渾濁液進行離心分離，靜置后取上層清液并測定其平衡濃度記為Ce。更換目的液重復上述實驗步驟并根據以下公式計算表面活性劑的吸附量：

式中Γ：吸附量,mg·g-1；V：驅油劑體積，mL；ω：吸附劑質量，g。

1.3實驗結果

圖1分別給出了NaOH濃度為0%、0.5%和1.0%時，河南油田條件下堿濃度對表面活性劑在河南砂巖上吸附量影響的實驗結果。

圖1　堿濃度對表面活性劑吸附的影響Fig.1 Influences of alkali concentration on surfactant adsorption

由圖1可以看出，隨著堿濃度的增加，表面活性劑的吸附量下降。當NaOH濃度分別為0%、0.5% 和1.0%時的最大吸附量分別為0.68、0.43和0.36 mg·g-1砂。加入堿后，表面活性劑吸附量分別降低34.5%和43.4%。堿濃度越高，表面活性劑吸附量達到平衡時的濃度越低，這是由于加入堿后，體系pH值升高，水解的OH-參與在固體表面競爭吸附時，增加吸附劑表面的負電荷，使表面活性劑對吸附劑靜電斥力加大，致使活性劑的吸附量降低。

圖2給出了在NaOH濃度為1.0%，聚合物濃度分別為0、600、1200和1800mg·L-1時，表面活性劑等溫吸附曲線影響的實驗結果。

圖2　含堿條件下聚合物濃度對表面活性劑吸附的影響Fig.2 Influences of alkali-containing polymer concentrations on surfactant adsorption

由圖2可見，聚合物的加入，表面活性劑吸附曲線仍然復合langmuir等溫吸附規(guī)律。實驗結果表明，當聚合物濃度由0mg·L-1分別增加到600、1200 和1800mg·L-1時，表面活性劑的最大吸附量由0.36mg·g-1分別降低到0.30、0.23和0.25mg·g-1，分別降低16.6%、36.1%和30.5%。吸附劑表面含有正電荷，聚合物在水溶液中呈現負電性。所以在在競爭吸附中，根據庫侖定律，同電相斥異電相吸的原理，聚合物會優(yōu)先占據吸附劑表面的吸附位，因此，就從很大程度上降低了表面活性劑在吸附劑表面上的附著。同時，三元復合驅體系是一種粘彈性溶液，會降低表面活性劑分子在溶液中的運移速度，隨著聚合物濃度的升高，表面活性劑的吸附量呈現降低的趨勢，這是由于聚合物濃度增加，降低了表活劑與吸附劑接觸機會，但當濃度過高時，表活劑相同范圍內停留時間過長，所以吸附程度會有略微升高的趨勢。

2　協(xié)同效應對吸附量影響的現場應用

為研究化學劑協(xié)同效應的影響，利用petrol軟件建立IV5-11區(qū)塊的構造模型、屬性模型和幾何模型，利用cmg軟件中的stars模塊截取IV5-11區(qū)塊一個典型的子模型，子模型中囊括了所有實施復合驅的層系，網格節(jié)點數為37950個，采油井25口，注水井25口，區(qū)塊地質儲量為2.29×106t。

2.1堿對表面活性劑吸附量的影響

為研究堿對表面活性劑吸附量的影響，在協(xié)同效應模型中采取改變主段塞堿濃度從0%～1.5%的變化。具體段塞設置如下：

2010.01～2011.12：注水開發(fā)，注入量0.1 PV·a-1；

2012.01～2015.10：聚合物1200mg·L-1，表面活性劑0.1%，堿濃度0～1.5%，注入量0.1 PV·a-1；

圖3反映了堿濃度變化對表面活性劑吸附量的影響。隨著堿濃度的加入，表面活性劑的吸附濃度而明顯減小。與此同時，表面活性劑的波及面積也隨著堿濃度的加入而增大，這是由于表面活性劑在注入過程中的損耗減小的緣故。（圖中表面活性劑吸附量單位為g·L-1）

圖3　堿對表面活性劑吸附量分布規(guī)律的影響Fig.3 Influences of alkali on distribution law of surfactant adsorption

為了定量描述堿對表面活性劑吸附量變化程度的影響，在模型中選取了2組注入采出井組進行定量描述。

圖4　單井組網格位置及網格吸附量Fig.4 Grid position and grid adsorption of single well group

圖4一組注入采出井組，所在網格位置及該網格吸附量如圖所示（吸附量的單位為mg·L-1）。則注入端K4518井注入流體流動到采出端K453聚合物濃度降低值ΔP計算公式為：

式中ΔA：采出端表面活性劑濃度降低值；Δai,j：各網格表面活性劑吸附量；li,j：流體流經各網格長度；d：注入井與采出井垂直距離。

表1中數據反映了堿濃度的變化對表面活性劑吸附量的影響。

表1　采出端表面活性劑濃度變化情況Tab.1 Change of surfactant concentration in the produced well

從表1可以看出，隨著堿濃度的增加表面活性劑的吸附量明顯降低，且降低幅度越發(fā)明顯。這說明堿的加入有效的抑制了表面活性劑的吸附，使得表面活性劑在地層中的濃度保持在一個較高的水平，這也是堿加入對界面張力影響的一個重要方面。

2.2聚合物對表面活性劑吸附量的影響

為研究聚合物對表面活性劑吸附量的影響，在協(xié)同效應模型中采取改變主段塞聚合物濃度從0～1800mg·L-1的變化。具體段塞設置如下：

2010.01～2011.12：注水開發(fā)，注入量0.1 PV·a-1；

2012.01～2015.10：聚合物0～1800mg·L-1，表面活性劑0.1%，堿濃度0.5%，注入量0.1 PV·a-1；

圖5給出了聚合物濃度變化對表面活性劑吸附量的影響（圖中單位為g·L-1）。

隨著聚合物濃度的增大，使得表面活性劑的波及范圍有所減小，這是由于聚合物濃度增大使得體系表觀粘度大幅度增大，使得流動能力大幅度降低，還將導致注入井注入困難等一系列問題。

圖5　聚合物對表面活性劑吸附量分布規(guī)律的影響Fig.5 Influences of polymer on distribution law of surfactant adsorption

利用同樣的方法定量描述聚合物對表面活性劑吸附量變化程度的影響，在模型中選取了2組注入采出井組進行定量描述。

表2　采出端表面活性劑濃度變化情況Tab.2 Change of surfactant concentration in the produced well

表2數據反映了聚合物濃度的增大對表面活性劑吸附量的影響。從表2中數據可以看出，聚合物濃度的增大，表面活性劑的吸附量有略微的上升趨勢。這是由于聚合物減小了表面活性劑的波及體積，使得表面活性劑在相同范圍內停留時間更長，吸附程度也更高。因此，聚合物濃度增加會影響表面活性劑的波及體積及見效效果，并不是注入濃度越大越好。通過對比兩個表格的表面活性劑吸附量可得出，堿濃度對表面活性劑的吸附影響遠大于聚合物。在三元復合驅過程中堿對表面活性劑吸附量的影響占絕對主導地位。

將數值模擬結果與河南油田室內試驗結果對比可以看出，室內試驗結果中吸附量隨體系組分濃度變化的趨勢一致，但數量上有一定差別。這是由于數值模擬過程中驅替劑無法波及到工區(qū)內的所有區(qū)域，且數值模擬過程中無法達到室內試驗所能達到的注入倍數（幾十甚至上百PV），因此，很難達到動態(tài)平衡的狀態(tài)。實際生產過程中同樣存在波及不到所有區(qū)域以及注入倍數達不到平衡狀態(tài)的問題，因此，實際生產過程中的吸附情況與數值模擬結果更為接近。

3　結論

（1）隨著堿濃度升高，表面活性劑的吸附量呈現逐漸減低后趨于平緩趨勢，堿濃度越高，表面活性劑吸附量達到平衡時的濃度越低。

（2）隨著聚合物濃度的升高表面活性劑的吸附量呈現先降低略微的上升趨勢。

（3）堿濃度對表面活性劑的吸附影響遠大于聚合物。在三元復合驅過程中堿對表面活性劑吸附量的影響占絕對主導地位。

參考文獻

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分析測試

Study on the adsorption law of ASP system*

ZHOU Zhu-jun1，WANG Chun-yao1，Li Guo-xin2
（1.Northeast Petroleum University, Daqing 163311，China；2.The 5the Oil Production Factory in Daqing，Daqing 163311，China）

Abstract：In order to study the change law of interfacial tension in the seepage flow process of Asp flooding system, surfactant adsorption law of Asp flooding system should be studied in the first place. In this paper,we take Henan oilfield as the research objects. Basing on monomolecular adsorption theory and static adsorption theory,using the method of numerical simulation and physical simulation experiment ,we respectively study the effect of alkali and polymer concentration variation on surfactant adsorption.The results showed that with the increase of alkali concentration, surfactant adsorption gradually decrease,and then becomes flat. The higher the alkali concentration is,the lower the equelibrium adsorption concertration of the surfactant is.With the increase of the polymer,surfactant adsorption decreases at first and increases slightly.

Key words：ASP system；static adsorption；adsorption capacity

中圖分類號：TE357

文獻標識碼：A

DOI：10.16247/j.cnki.23-1171/tq. 20160412

收稿日期：2016-03-02

基金項目：復合驅效果影響因素及機理研究（No.31350016-12-ZC060 7-0008）

作者簡介：周志軍（1966-），男，黑龍江省大慶市人，教授，博士，1990年畢業(yè)于大慶石油學院油藏工程專業(yè)，研究方向：油氣田技術開發(fā)。

通訊作者：王春堯（1989-），男，油氣田開發(fā)工程。