新疆油田高礦化度回注水配制二元驅(qū)油體系研究

闕庭麗，關(guān) 丹，欒和鑫，焦秋菊，張國(guó)山，向小玲

（1.中國(guó)石油 新疆油田分公司，新疆 克拉瑪依 834000；2. 中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司 礫巖油氣藏勘探開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 克拉瑪依 834000；3. 中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司 油田化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室新疆油田分研究室新疆 克拉瑪依 834000）

二元復(fù)合驅(qū)體系在無堿條件下能使油水界面張 力達(dá)到超低，且使油水體系產(chǎn)生適度乳化，這促使二元復(fù)合驅(qū)技術(shù)取得較快發(fā)展[1-5]。新疆屬于淡水資源匱乏地區(qū)，將回注水應(yīng)用于二元復(fù)合驅(qū)配液不僅可以節(jié)省大量清水資源，而且可以減少回注水外排造成的環(huán)境污染[6-8]。在中國(guó)石油新疆油田分公司采用水質(zhì)組成較簡(jiǎn)單、礦化度低的回注水配液取得了較好的效果，但對(duì)于水質(zhì)較復(fù)雜、礦化度較高的回注水配制二元復(fù)合驅(qū)目前仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，疏水締合聚合物KYPAM在回注水中具有良好的増黏性能、流變性能和驅(qū)油性能[9]，中國(guó)石油新疆油田分公司研發(fā)的表面活性劑環(huán)烷基石油磺酸鹽（KPS）具有較好的降低油水界面張力的性能，優(yōu)選疏水締合聚合物KYPAM和表面活性劑KPS組成二元驅(qū)油體系，應(yīng)用在中國(guó)石油新疆油田分公司二元復(fù)合驅(qū)中。中國(guó)石油新疆油田分公司A井區(qū)儲(chǔ)層巖性以含礫粗砂巖、砂礫巖、砂質(zhì)礫巖為主，地層溫度為43 ℃，滲透率為0.182 μm2，孔隙率為16.9%，地層原油黏度為8.2 mPa·s，地層水水型為NaHCO3，適宜開展二元復(fù)合驅(qū)研究。

本工作優(yōu)選疏水締合聚合物KYPAM和KPS配制成二元復(fù)合驅(qū)油體系，考察了該體系的黏度、油水界面張力、耐鹽、老化穩(wěn)定性、乳化等性能，并研究了該體系在高礦化度回注水配制條件下的驅(qū)油性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

疏水締合聚合物KYPAM：分子量1.62×107，固含量88.65%（w），水解度26.76%，疏水基含量為0.2%（w），北京恒聚化工集團(tuán)有限責(zé)任公司。KPS：活性物含量約為30.02%（w），未磺化油為8.94%（w），無機(jī)鹽為4.64%（w），平均分子量為452，新疆金塔集團(tuán)有限公司。石蠟基油：飽和烴含量為66.04%（w），芳香烴含量為9.16%（w），膠質(zhì)含量為7.55%（w），瀝青質(zhì)含量為15%（w），酸值為0.186 mg/g，原油黏度為17.84 mPa·s，中國(guó)石油新疆油田分公司A井區(qū)B油井。

MCR92型流變儀：奧地利安東帕公司；QUANTA 450型環(huán)境掃描電子顯微鏡：美國(guó)Thermo Fisher公司；SDT型旋轉(zhuǎn)滴超低界面張力儀：德國(guó)KRUSS-GmbH公司；EURO-STAR 型高速攪拌器、T25型乳化機(jī)、KS 4000i CS25 型控溫?fù)u床：德國(guó) IKA 公司；OKFKJ-200 型安瓿瓶熔封機(jī)：沃克能源公司；UV1800型紫外可見分光光度計(jì)：日本島津公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

表觀黏度：采用流變儀在溫度為43 ℃、剪切速率為10 s-1條件下測(cè)定溶液的表觀黏度。

吸附量測(cè)定：用回注水配制表面活性劑溶液和二元驅(qū)油體系溶液，并與石英砂按固液質(zhì)量比1∶9混合，測(cè)定吸附前后表面活性劑含量的變化，計(jì)算單一表面活性劑與二元驅(qū)油體系在石英砂上的靜態(tài)吸附量。

驅(qū)油實(shí)驗(yàn)測(cè)定步驟：將人造巖心抽空，用地層水飽和巖心，并在相同條件下使巖心飽和油，水驅(qū)至含水98%（w），計(jì)算水驅(qū)采收率，注入 0.5 PV二元溶液，后續(xù)水驅(qū)至含水 98%（w），計(jì)算二元驅(qū)采收率和最終采收率。

2 結(jié)果與討論

2.1 表面活性劑對(duì)聚合物性能的影響

KYPAM 質(zhì)量濃度對(duì)溶液黏度的影響見圖1。

圖1 KYPAM 質(zhì)量濃度對(duì)黏度的影響Fig.1 Influence of KYPAM concentration on viscosity.

從圖1可看出，在KYPAM質(zhì)量濃度較低時(shí)，黏度增速較小，在質(zhì)量濃度超過1 200 mg/L時(shí)，黏度增長(zhǎng)速度突然上升，即KYPAM的臨界締合濃度為1 200 mg/L。

KPS對(duì)KYPAM増黏性的影響見圖2。

從圖2可看出，加入0.5%（w）的KPS后，二元復(fù)合驅(qū)油體系的黏度有所下降。

采用掃描電子顯微鏡觀察KYPAM、KPS和二元驅(qū)油體系的微觀形貌，結(jié)果見圖3。

圖3 KYPAM、KPS和二元驅(qū)油體系的SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM images of KYPAM，KPS and binary flooding system.

從圖3可看出，KYPAM呈現(xiàn)較為規(guī)整的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，KPS呈現(xiàn)鱗狀有序結(jié)構(gòu)，二元驅(qū)油體系呈現(xiàn)出更為緊密的協(xié)同網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。KYPAM是疏水締合聚合物，同時(shí)存在分子內(nèi)和分子間的締合效應(yīng)，在高礦化度的回注水中，KYPAM由于分子間締合形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，降低了分子鏈的卷曲程度，使其表現(xiàn)較高的黏度。KPS是陰離子表面活性劑，且加入的量0.5%（w）已超過CMC值（KPS的CMC值為0.14%（w）），將部

分締合聚合物的疏水側(cè)鏈基形成新的混合膠束聚集體，導(dǎo)致KYPAM分子間締合向分子內(nèi)締合轉(zhuǎn)變，同時(shí)壓縮聚合物分子的擴(kuò)散雙電層，因此黏度有所下降[10-11]，但降幅較小，仍可滿足使用要求。

2.2 KPS和KYPAM質(zhì)量濃度對(duì)二元復(fù)合驅(qū)油體系界面張力的影響

表面活性劑質(zhì)量濃度對(duì)二元驅(qū)油體系界面張力的影響見圖4。

圖4 KPS和KYPAM含量對(duì)二元液界面張力的影響Fig.4 Influences of different concentrations of KPS and KYPAM on interfacial tension of binary liquids.

從圖4（a）可看出，二元驅(qū)油體系界面張力性能較好，KPS含量在0.05%～0.50%（w）范圍內(nèi)二元驅(qū)油體系都可以達(dá)到超低界面張力（小于1×10-2mN/m），KPS含量大于0.5%（w）后界面張力上升。這是由于KPS含量過高時(shí)，KPS分子開始在溶液內(nèi)部發(fā)生自聚，疏水基朝內(nèi)聚集形成內(nèi)核，親水基朝外與水接觸形成外殼，最終形成膠團(tuán)，使得水表面的KPS分子含量降低，導(dǎo)致油水界面張力的增大[12]。從圖4（b）可看出，隨著KYPAM質(zhì)量濃度的增加，二元驅(qū)油體系界面張力逐漸升高，這是因?yàn)镵YPAM的加入，不僅增加了分子間擴(kuò)散的阻力，而且KYPAM的大分子基團(tuán)會(huì)與KPS小分子基團(tuán)爭(zhēng)奪界面位置，影響了二元復(fù)合體系的界面張力[13-14]。

2.3 耐鹽性能

測(cè)試了不同礦化度、不同Ca2+含量對(duì)二元驅(qū)油體系油水界面張力的影響，結(jié)果見圖5。從圖5可看出，礦化度和Ca2+對(duì)界面張力的影響都呈現(xiàn)先降低后上升至平穩(wěn)的趨勢(shì)。低含量的無機(jī)鹽和Ca2+加入后，壓縮了KPS的雙電層，破壞了親水基周圍的水化膜，導(dǎo)致油水界面張力降低。無機(jī)鹽和Ca2+含量較高時(shí)，KPS分子受到強(qiáng)烈的電性壓縮，使其分子向油相中分配，造成大部分KPS分子進(jìn)入到油相中，在油水界面的吸附失去平衡，導(dǎo)致界面張力回升。中國(guó)石油新疆油田分公司A井區(qū)回注水的礦化度為9 000～12 000 mg/L之間，Ca2+含量為30～80 mg/L，二元驅(qū)油體系能滿足超低界面張力的要求，二元驅(qū)油體系對(duì)中國(guó)石油新疆油田分公司回注水有較好的適應(yīng)性。

圖5 礦化度和Ca2+對(duì)KPS界面張力的影響Fig.5 Influences of salinity and Ca2+ on the interfacial tension of KPS.Condition：KPS concentration is 0.5%(w).

2.4 老化穩(wěn)定性

在厭氧條件下測(cè)定了二元驅(qū)油體系的黏度和界面張力隨老化時(shí)間的變化情況，結(jié)果見表1。從表1可看出，二元驅(qū)油體系黏度隨著老化時(shí)間的延長(zhǎng)呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)，但變化幅度較小，30 d后的黏度保留率仍達(dá)到92.64%，顯示出較高的黏度保留率。同時(shí)，該體系的界面張力在30 d內(nèi)一直維持在10-3mN/m 數(shù)量級(jí)，說明二元驅(qū)油體系在回注水中穩(wěn)定性較好。

表1 二元驅(qū)油體系老化穩(wěn)定性Table 1 Aging stability of binary flooding system

2.5 乳化綜合指數(shù)

不同含量KPS對(duì)乳化綜合指數(shù)的影響見表2。從表2可看出，隨KPS含量的增加，乳狀液的穩(wěn)定性逐漸增加，乳化綜合指數(shù)也逐漸增加。KPS含量大于0.5%（w）時(shí)，乳化綜合指數(shù)大于70%，由于驅(qū)油體系適宜的乳化綜合指數(shù)應(yīng)控制在30%～60%之間，乳化綜合指數(shù)大于70%的超強(qiáng)乳化體系對(duì)提高采收率效果是不利的[15]，因此，要求KPS的含量不大于0.5%（w）。

2.6 吸附性能

測(cè)試了不同濃度表面活性劑溶液和二元驅(qū)油體系溶液在石英砂上的靜態(tài)吸附量變化曲線，結(jié)果見圖6。從圖6可看出，單一的KPS溶液的吸附量隨表面活性劑初始濃度的增加而增加，并逐漸穩(wěn)定。當(dāng)KPS質(zhì)量濃度為2 500 mg/L時(shí)，達(dá)到平衡時(shí)的吸附量為7.37 mg/g。當(dāng)二元體系中KPS質(zhì)量濃度為3 000 mg/L時(shí)，靜態(tài)吸附達(dá)到平衡，吸附量為6.63 mg/g。二元體系中各組分存在競(jìng)爭(zhēng)吸附關(guān)系，表面活性劑的吸附量小于單一組分的吸附量。

表2 不同含量KPS對(duì)乳化綜合指數(shù)的影響Table 2 The influence of different concentrations of KPS on the comprehensive emulsification index

圖6 KPS和二元驅(qū)油體系在石英砂的靜態(tài)吸附曲線Fig.6 Static adsorption curves of KPS and binary flooding system on quartz sand.

2.7 驅(qū)油效率

在中國(guó)石油新疆油田分公司A井區(qū)油藏條件下，采用人造礫巖巖心，測(cè)試了KPS和KYPAM含量對(duì)二元復(fù)合體系驅(qū)油性能的影響，結(jié)果見表3和表4。

從表3可看出，隨KYPAM質(zhì)量濃度的增加，提高采收率呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，當(dāng)KYPAM質(zhì)量濃度為1 800 mg/L時(shí)，提高采收率值最高，為29.22%。

從表4可看出，隨著KPS含量的增加，提高采收率變化幅度先增大再降低，最后趨于平穩(wěn)，驅(qū)油效率差別的原因在于：KPS含量過高時(shí)形成的超強(qiáng)乳化體系對(duì)提高采收率有一定影響，當(dāng)KPS含量大于0.3%（w）時(shí)，二元驅(qū)提高采收率大于20%，當(dāng)KPS含量為0.5%（w）時(shí)，提高采收率最大，為29.22%。

表3 聚合物KYPAM質(zhì)量濃度的影響Table 3 Influence of polymer KYPAM concentration

表4 KPS含量的影響Table 4 The influence of KPS content

2.8 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)

在中國(guó)石油新疆油田分公司A井區(qū)開展高礦化度回注水二元驅(qū)試注試驗(yàn)，注入聚合物的分子量為1.5×107、質(zhì)量濃度為1 800 mg/L，KPS質(zhì)量濃度為5 000 mg/L，設(shè)計(jì)單井配注量為25 m3/d，于2019年12月7日開始注入，2020年11月5日結(jié)束注入，累計(jì)注入0.1 PV，試注期間含水率最高由水驅(qū)末的96.6%（w）下降為86.5%（w），日產(chǎn)油最高由水驅(qū)末的6.0 t增至的22.0 t，累計(jì)產(chǎn)油4 261 t。中國(guó)石油新疆油田分公司A井區(qū)B油井日產(chǎn)油由試注前的0.11 t最高上升到7.38 t，含水由試注前的99.8%（w）下降到76.6%（w）（如圖7所示），二元驅(qū)體系顯示出了良好的降水增油效果。

圖7 新疆油田油井B試注試驗(yàn)產(chǎn)油量和含水量變化曲線Fig.7 The oil production and water content changes of the injection test of well B in Xinjiang Oilfield.

3 結(jié)論

1）優(yōu)選疏水締合聚合物KYPAM和表面活性劑KPS組成二元驅(qū)油體系，在高礦化度回注水中，隨著KPS的加入，二元驅(qū)油體系黏度下降，但降幅較小，仍可滿足使用要求。

2）在KPS含量為0.05%～0.50%（w）時(shí)，二元驅(qū)油體系界面張力都可以達(dá)到超低。二元驅(qū)油體系表現(xiàn)出較好的耐鹽耐鈣性能。

3）隨聚合物KYPAM質(zhì)量濃度的增加，二元驅(qū)提高采收率呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，當(dāng)聚合物質(zhì)量濃度為1 800 mg/L時(shí)，提高采收率最高；隨KPS含量的增加，提高采收率幅度先增大再降低，最后趨于平穩(wěn)，當(dāng)KPS含量為0.5%（w）時(shí)，提高采收率最大，為29.22%。

4）采用高礦化度回注水在中國(guó)石油新疆油田分公司A井區(qū)B油井開展試注試驗(yàn)，二元驅(qū)體系顯示出了良好的降水增油效果。