羅寒秋，姜婷婷

（1.大慶油田有限責(zé)任公司第三采油廠，黑龍江大慶163000；2.大慶油田有限責(zé)任公司第四采油廠，黑龍江大慶163000）

近年來(lái)化學(xué)復(fù)合驅(qū)驅(qū)油方式被普遍認(rèn)為具有經(jīng)濟(jì)效益且能大幅度提高采收率的優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)已在多個(gè)油田進(jìn)行了成功推廣，積累了相對(duì)豐富的礦場(chǎng)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)[1-2]。針對(duì)強(qiáng)堿三元復(fù)合驅(qū)在油田開(kāi)發(fā)過(guò)程中帶來(lái)溶蝕巖石骨架及卡泵等諸多問(wèn)題，專家學(xué)者一致認(rèn)為現(xiàn)在化學(xué)驅(qū)的主要研究方向需要轉(zhuǎn)變?yōu)槿鯄A或者無(wú)堿復(fù)合驅(qū)油體系。考慮在弱堿三元驅(qū)油體系中尋找滿足要求的各組分，使其能夠有效減小驅(qū)油體系對(duì)油層的破壞，實(shí)現(xiàn)較好的開(kāi)發(fā)，從而達(dá)到對(duì)三元復(fù)合驅(qū)的技術(shù)改良[3-4]。與此同時(shí)，基于三類油層剩余油分散程度高以及滲透率低等特點(diǎn)，該類油層是高含水期油田的主要開(kāi)發(fā)對(duì)象，但缺少對(duì)其行之有效的開(kāi)發(fā)方式。目前，關(guān)于弱堿三元復(fù)合體系配方優(yōu)選并評(píng)價(jià)其適應(yīng)性的研究相對(duì)較少，本文模擬了大慶油田采油三廠三類油層的實(shí)際地質(zhì)條件，開(kāi)展室內(nèi)研究，采用油田最為常用的2 500萬(wàn)相對(duì)分子質(zhì)量的聚丙稀酰胺（HPAM），通過(guò)對(duì)弱堿三元體系性能的測(cè)定，進(jìn)而對(duì)表面活性劑十六烷基羥基磺丙基甜菜堿（CHSB）質(zhì)量分?jǐn)?shù)與堿Na2CO3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。同時(shí)，借助數(shù)值模擬手段預(yù)測(cè)不同開(kāi)發(fā)方案，并通過(guò)室內(nèi)驅(qū)油實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，由此得到了適用于大慶三類油層的弱堿三元復(fù)合驅(qū)最優(yōu)配方。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要試劑與儀器

主要試劑：大慶油田采油三廠原油，實(shí)驗(yàn)室配制的污水；聚合物為聚丙烯酰胺（HPAM）；弱堿為Na2CO3（分析純）；表面活性劑CHSB。

實(shí)驗(yàn)儀器：旋轉(zhuǎn)液滴界面張力儀、平流、界面流變儀、多頭磁力攪拌器、布氏黏度計(jì)、巖心驅(qū)替裝置、油水分離器、恒溫箱等。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 界面張力及乳化性能的測(cè)定 使用總礦化度3 722 mg/L的大慶油田采油三廠的污水，借助旋滴界面張力儀對(duì)油水界面張力進(jìn)行測(cè)定，該實(shí)驗(yàn)在保持體積大小為0.35 PV不變的前提下，取三元體系中HPAM質(zhì)量濃度和Na2CO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為2 000 mg/L和1.0%，只改變CHSB的質(zhì)量分?jǐn)?shù)[5]。

1.2.2 體系黏彈性測(cè)定 采用界面流變儀，在一定的條件下，使實(shí)驗(yàn)用測(cè)試環(huán)在油水界面上發(fā)生作用，從而測(cè)得相關(guān)參數(shù)。該實(shí)驗(yàn)是在保持體積大小為0.35 PV總體積不變的前提下，取三元體系中HPAM質(zhì)量濃度和CHSB質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為2 000 mg/L和0.3%，只改變Na2CO3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

1.2.3 驅(qū)油實(shí)驗(yàn) 將實(shí)驗(yàn)裝置按正確的方式連接，將巖芯抽至真空后，注入飽和水，保證實(shí)驗(yàn)期間一直以一定的速度驅(qū)替，并在一段時(shí)間后，向巖心中注入不同方案參數(shù)繼續(xù)后續(xù)水驅(qū)，計(jì)算各階段的采出程度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 表面活性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的篩選

2.1.1 界面張力的測(cè)定 能否達(dá)到超低界面張力是判斷該復(fù)合體系是否具有良好驅(qū)油效果的標(biāo)準(zhǔn)，因此有必要對(duì)界面張力進(jìn)行更加深入的研究[6]。圖1為界面張力的測(cè)定結(jié)果。由圖1可發(fā)現(xiàn)，該體系降低界面張力的能力會(huì)隨著表面活性劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大而增強(qiáng)。在時(shí)間為50 min左右，CHSB的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%～0.3%時(shí)，該體系可以實(shí)現(xiàn)10-3級(jí)別的界面張力。之所以得到的CHSB質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)較低，是由于CHSB中存在親水性的基團(tuán)，如羥基與磺基，使CHSB分子的親水親油性平衡，導(dǎo)致該分子能夠緊密排列在油水界面上，體系中的HPAM既能夠保護(hù)CHSB分子不與水相中的二價(jià)離子反應(yīng)，也能夠阻礙該分子向油相中的擴(kuò)散，與此同時(shí)，體系中弱堿的加入提高了水相中離子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，使CHSB在水相中受到極強(qiáng)的排斥力，促使較多的CHSB分子能夠進(jìn)入到油水界面之中，因此保證了CHSB在油水界面中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)[7-8]，從而能夠起到有效地降低體系界面張力的作用。

圖1 時(shí)間與界面張力的關(guān)系Fig.1 Measurement of interfacial tension

2.1.2 乳化性能的測(cè)定 良好的乳化性能能夠起到調(diào)剖和提高驅(qū)油效率的作用。圖2為乳化性能的測(cè)定結(jié)果。

圖2 乳化性能的測(cè)定Fig.2 Measurement of emulsifying property

由圖2可發(fā)現(xiàn)，吸水率隨著CHSB質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而呈減小的趨勢(shì)，表明體系的乳化能力隨著CHSB質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增強(qiáng)。在CHSB質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%時(shí)，吸水率均在40%以下，且在乳化后期基本保持不變，具有較好的乳化性能。CHSB具有良好的乳化效果，主要得益于CHSB具有兩親結(jié)構(gòu)，CHSB吸附于油水界面上，且質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加使其能夠有效抑制液滴的運(yùn)動(dòng)與聚并[9]，從而使油水界面的強(qiáng)度大幅度增加，該條件下形成的乳狀液穩(wěn)定性會(huì)相對(duì)比較高，有利于驅(qū)油效率的大幅度提高。

2.2 堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)的篩選

基于HPAM水溶液的鹽敏性和CHSB溶液的耐鹽性，將兩者進(jìn)行復(fù)配會(huì)使HPAM的羧基負(fù)電荷與CHSB的季銨基正電荷在靜電作用下相互吸引，且能夠減小Na2CO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響，以有效提高體系的黏彈性。CHSB分子在界面膜上排列得越規(guī)則越緊密，則界面剪切黏度越大；界面在外力作用下，產(chǎn)生變形并可自行恢復(fù)到原狀態(tài)的能力越強(qiáng)，則界面彈性模量越大，在這兩種條件下，體系的性能越好[10]。

圖3為堿與界面剪切黏度和界面弾性模量的關(guān)系。

圖3 堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)與界面剪切黏度和界面彈性模量的關(guān)系Fig.3 The relationship between alkaline and interfacial shear viscosity and interfacial elastic modulus

由圖3可發(fā)現(xiàn)，體系的界面剪切黏度是隨著Na2CO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加先上升后降低，界面彈性的增加幅度同樣也先增加后降低。當(dāng)體系中Na2CO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.2%時(shí)，測(cè)得的界面剪切黏度達(dá)到最大值，與此同時(shí)測(cè)量得到的界面彈性模量也相對(duì)較大，此時(shí)穩(wěn)定性最好；當(dāng)Na2CO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于1.2%時(shí)，體系的剪切黏度呈下降趨勢(shì)，且界面彈性模量的變化幅度變小，體系穩(wěn)定性能變差。這是由于在Na2CO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時(shí)，體系中Na2CO3主要與原油中的酸性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)生成能夠與CHSB相互作用的物質(zhì)，從而界面上的膜的質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)一步增加，使界面彈性模量增大[11-12]。同時(shí)，弱堿在低質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下可以增加HPAM分子鏈上的負(fù)電荷量，使堿能夠部分水解聚合物鏈上的酞氨基，導(dǎo)致HPAM分子鏈變?yōu)橄鄬?duì)較舒展的狀態(tài)，體系的穩(wěn)定性增強(qiáng)。由于Na2CO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增加，溶液中的Na2CO3分子發(fā)生電離并中和CHSB分子在油水界面膜上的部分電荷，CHSB分子則會(huì)受引力作用進(jìn)入到油相中，導(dǎo)致CHSB分子在油水界面處的動(dòng)態(tài)平衡受到一定程度的破壞，從而使致密的界面膜變得疏松[13]，黏度降低。同時(shí)堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加也會(huì)使三元復(fù)合體系溶液的礦化度升高，在很大程度上中和HPAM的羧基負(fù)電荷(-COO-)，使HPAM分子鏈發(fā)生強(qiáng)烈的卷曲并收縮，導(dǎo)致吸附在油水界面上的有效HPAM分子數(shù)在一定程度上減小。與此同時(shí)，溶液和表面的分子交換會(huì)隨著Na2CO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而加快，使界面CHSB分子的排列不緊實(shí)，進(jìn)一步引起了界面彈性模量增加幅度變小[14-15]。

3 驅(qū)油效果

本文運(yùn)用了CMG數(shù)值模擬軟件與室內(nèi)驅(qū)油實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的研究方法，并將兩種方法得到的結(jié)果進(jìn)行比較分析，互為驗(yàn)證。不同驅(qū)油方案如表1所示。

3.1 數(shù)值模擬研究結(jié)果

利用數(shù)值模擬軟件CMG中的STARS模塊，建立大慶采油三廠X試驗(yàn)區(qū)的模型（包括采油井28口，注入井33口），模型中各參數(shù)均是由現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量所得。模型中設(shè)置平面上的X方向與Y方向的網(wǎng)格步長(zhǎng)為10 m，縱向上進(jìn)行細(xì)分網(wǎng)格設(shè)置，平均網(wǎng)格厚度為0.2 m。在CMG數(shù)值模擬基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)置中，界面相關(guān)參數(shù)為表面活性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%，堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%時(shí)。驅(qū)替體系可降至超低（10-3數(shù)量級(jí)）界面張力，相對(duì)滲透率曲線如圖4所示。

圖5為數(shù)值模擬研究結(jié)果。對(duì)比圖5不同方案的開(kāi)發(fā)效果發(fā)現(xiàn)，復(fù)合體系的注入使含水率有明顯的降低，體系的階段采出程度會(huì)由主段塞中表面活性劑及堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)的不斷增加而呈不斷上升的趨勢(shì)。方案1—4的階段采出程度分別為21.35%、21.97%、22.92%、23.19%，含水率下降幅度分別為15.79%，16.14%，17.12%，17.81%，為同時(shí)滿足開(kāi)發(fā)需求與獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益，因此推薦主段塞優(yōu)選質(zhì)量濃度為2 000 mg/L的聚合物HPAM，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%的表面活性劑CHSB以及質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%的Na2CO3。

表1 不同驅(qū)油實(shí)驗(yàn)方案Table1 Experimental program of oil displacement

圖4 相對(duì)滲透率Fig.4 Relative permeability curve

3.2 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

室內(nèi)驅(qū)油實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在水驅(qū)采收率基本一致的條件下，4個(gè)不同方案均可提高采收率20%以上。表2為不同驅(qū)油實(shí)驗(yàn)方案，由表2可知，隨著段塞中CHSB質(zhì)量分?jǐn)?shù)與Na2CO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，采收率呈逐漸增加的趨勢(shì)，所呈現(xiàn)的規(guī)律與數(shù)值模擬得到的結(jié)果保持了高度的一致性，增加了結(jié)論的準(zhǔn)確性。

圖5 數(shù)值模擬研究Fig.5 Numerical simulation results

表2 不同驅(qū)油實(shí)驗(yàn)方案Table 2 Experimental results of oil displacement

4 結(jié) 論

（1）表面活性劑CHSB的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.2%～0.3%時(shí)，所研究的弱堿三元體系能夠?qū)崿F(xiàn)10-3數(shù)量級(jí)的界面張力，且CHSB在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%時(shí)，吸水率能夠保持在40%以下，此條件下該體系具有較好的乳化性能。

（2）在不同堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)的條件下，對(duì)弱堿三元復(fù)配體系的界面剪切黏彈性進(jìn)行了測(cè)量，得到Na2CO3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.2%時(shí)體系具有較好的性質(zhì)。

（3）通過(guò)數(shù)值模擬技術(shù)與室內(nèi)驅(qū)油實(shí)驗(yàn)，優(yōu)選得到在主段塞為質(zhì)量濃度2 000 mg/L的聚合物HPAM，質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.3%的表面活性劑CHSB及質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%的Na2CO3的條件下，該弱堿三元復(fù)配體系可以有效提高采收率23.31%。