复合体系特性及驱油效果研究

第１３卷第２期２０１３年１月　科学技术与工程　Ｖ０１．１３　Ｎｏ．２　Ｊａｎ．２０１３　１６７１—１８１５（２０１３１０２—０４７２—４　０Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　⑥２０１３　Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈ．Ｅｎｇｒｇ．　复合体系特性及驱油效果研究　吴文祥刘万林张栋　（东北石油大学石油工程学院，大庆１６３３１８）　摘要采用仪器分析和室内物理模拟实验方法，对比了ＢＳ（磺基甜菜碱表面活性剂）无碱二元体系、碳酸钠弱碱三元体系　和强碱三元体系的界面张力、黏度、黏弹性及驱油效果。研究表明，二元体系的界面张力达到超低界面张力，且低于弱碱三元　体系和强碱三元体系；由于没有碱的加入，二元体系的黏度和黏弹性均高于两种三元体系。通过人造非均质岩心物理模拟驱　油实验可知，Ｂｓ无碱二元体系的化学驱呆收率比弱碱三元体系高２％（体积分数），比强碱三元体系高７．８％（体积分数）。　关键词界面张力　威森伯格数　黏弹性　二元复合体系　驱油效果　中图法分类号ＴＥ３５７．４６；　文献标志码Ｂ　复合驱是在综合了单一化学驱优点的基础上　建立起来的一种新型的化学驱油体系，它的主要作　１驱油体系的性能评价　选用聚合物分子量为１　９００×１０　，浓度为１　５００　ｍｇ／Ｌ，进行了聚合物溶液的界面张力、黏度和弹性　测试，在实验中，表面活性剂为磺基甜菜碱表面活　用机理就是提高洗油效率和扩大波及体积，复合驱　由于多种化学剂具有各自的作用与优势，且相互之　间能发挥协同效应，其驱油效果明显优于单一化学　剂驱　。　性剂ＢＳ（简称为Ｂｓ），浓度选择０．３％，Ｎａ：ＣＯ，浓度　为１．２％，ＮａＯＨ浓度为１．０％。　现有三元复合体系矿场试验多采用强碱三元　复合体系，强碱ＮａＯＨ可以与表面活性剂产生协同　效应，使三元复合体系与原油间的界面张力达到超　低（１０　ｍＮ／ｍ），洗油效率较高，化学驱采收率较　高。但它同时ＮａＯＨ也可以溶蚀地层岩石骨架和胶　选用美国Ｔｅｘａｓ－５００型旋滴界面张力仪，在实　验温度为４５℃下测定各体系的界面张力。　表１中给出的是ＢＳ无碱二元、ＮａＯＨ强碱三元　和Ｎａ　ＣＯ　弱碱三元３种体系随时间变化的界面张　力测试结果。从表中可以看出，随着测试时间的增　加，最终三种体系界面张力均达到了超低，并且Ｂｓ　结物，造成采出系统设备结垢，引起采出液乳化等　问题¨４　。二元复合体系可以较好地发挥聚合物的　黏度和弹性，减少乳化液处理带来的负面影响，减　弱碱存在引起的地层及井筒结垢的现象。以往使　用的表面活性剂构成的无碱二元体系，由于其没有　无碱二元体系比２种三元体系界面张力还要低，由　此可以看出，表面活性剂Ｂｓ降低界面张力的能力　较强。　表１复合体系界面张力测试结果　时间　／ｍｉｎ　界面张力／（ｍＮ・ｍ　）　ＢＳ无碱二元　Ｎａ２ＣＯ３弱碱三元ＮａＯＨ强碱二冗　三元体系的协同效应而使体系界面张力较高，不能　有效地提高洗油效率。本文选用了一种新型表面　活性剂，通过对比二元体系与强碱三元和弱碱三元　体系特性及驱油效果来综合评价了各种体系的特　性及驱油效果。　２０１２年１Ｏ月１３日收到　第一作者简介：吴文祥，男。东北石油大学石油工程学院教授，博　士。研究方向：石油工程。Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｙｇｃｗｕｗｅｎｘｉａｎｇ＠ｓｉｎａ．ｃｏｒｎ。　２期　吴文祥，等：复合体系特性及驱油效果研究　４７３　６　５　４　３　选用Ｂｒｏｏｋｆｉｅｌｄ　ＤＶ一Ⅱ型布什黏度计，在剪切　速率６　ｒ／ｒａｉｎ，温度４５℃下测定各体系的黏度。表２　是Ｂｓ无碱二元、ＮａＯＨ强碱三元和Ｎａ２ＣＯ，弱碱三　元三种体系黏度测试结果。　表２复合体系黏度测试结果　从表２中可以看出，在聚合物浓度相同的条件　下，Ｂｓ二元体系的黏度高于三元体系的黏度，弱碱　三元体系的黏度高于强碱三元体系的黏度，这是由　于碱剂的加人为体系提供了阳离子，这些阳离子通　过电荷屏蔽作用使聚合物分子变蜷曲，分子流体力　学等价球变小，分子链之问相互缠绕的机会下降，　网状结构遭到破坏，使聚合物溶液的黏性降低。从　实验中可以看出，强碱的破坏作用高于弱碱的作用。　威森伯格（Ｗｅｉｓｓｅｎｂｅｒｇ）数定义为第一法向应　＾，．　力差与切应力的比值，即：　＝　。　二丁　其中法向应力差Ⅳ１为弹性量，切应力　为黏性　量，因此威森伯格数　反映溶液黏弹性的相对大　小　Ｊ。弹性是指聚合物溶液在外力作用下产生高　弹形变，即分子链在外力作用下取向，外力去除后　分子链自发蜷曲的性质。在聚合物溶液中，分子链　间作用力的大小决定了溶液弹性的好坏。威森伯　格数与剪切速率的关系曲线见图１。　２　４　６　８　１０　剪切速率／（１／ｓ）　图１　复合体系威森伯格数测试结果　从图１中可以看出，三种体系中，聚合物浓度相　同，在剪切速率相同的条件下，Ｂｓ无碱二元体系的　最大，弱碱三元体系次之，强碱三元体系的最小。　说明Ｂｓ无碱二元体系的弹性最大，强碱三元体系　的弹性最小。这是由于碱浓度较高时，聚合物分子　发生蜷缩，分子链已经不再是单个的舒展状态了，　而是以多个分子侧向聚集的方式，形成一种分子聚　集体，且线团之间分子链牵连机会减少，每个线团　处于相对独立的状态，使各体系的弹性降低。　储能模量（Ｇ　）和损耗模量（Ｇ”）与震动频率的　关系见图２。　图２储能模量和损耗模量和震动频率关系　在动态测试中，黏性是指聚合物溶液在应力作　用下溶液变形过程中能量的消耗，黏性与溶液中大　分子的构象、溶剂和溶质分子的尺寸、聚合物的浓　度等因素有关；而弹性是指聚合物溶液在应力作用　下溶液变形过程中能量的储存，与溶液内聚合物分　子链问作用以及形成的结构有关。从图２中可以看　出，在震荡频率相同的情况下，ＢＳ无碱二元体系储　能模量和损耗模量都是最大的，稍高于弱碱三元体　系，强碱三元体系表现出最差的黏弹性。对于同一　种复合体系，当震荡频率较小时，损耗模量较大，高　于储能模量，随着震荡频率变大，储能模量增幅变　大，超过了损耗模量。这是因为当施加于溶液的振　荡频率较小即力作用时间较长时，大分子线团有充　足的时问改变构象，摆脱缠绕，缓慢和相互超越地　流动，同时，聚合物分子链的弹性拉伸可在流动中　逐渐恢复。因此，溶液的黏性占优势，弹性不明显。　而振荡频率较大时，力作用时间较短时，弹性变形　能大部分储存在体系内部，黏性损耗的能量相对较　少，因此弹性占主导，强碱三元体系储能模量和损　耗模量的交点出现得最晚，说明其弹性较差。可　见，强碱的加入会破坏分子链问的作用以及分子结　构，使聚合物内的排斥力减小，使分子链盘卷起来，　４７４　科学技术与工程　１３卷　这使聚合物链的水力学半径减小，缠绕度降低，从　ｍｇ／Ｌ的人工合成盐水，测量孔隙度；　②将饱和好人工合成盐水的模型放置在恒温　箱内恒温１２　ｈ以上（４５℃）；　而使聚合物溶液黏弹性降低。　２驱油体系驱油效果评价　２．１实验材料　③油驱水至模型不出水为止，确定原始含油饱　和度；　④按规定的驱替速度水驱至模型出口含水　９８％以上，计算水驱采收率；　实验模型：实验所用的岩心模型为变异系数为　０．７２的人造非均质岩心（４．５　ｃｍ×４．５　ｃｍ×３０　ｃｍ），岩心气测渗透率为３００×１０～　ｍ　左右。　实验用油：大庆油田井口原油与煤油混合而成　的模拟油。　⑤进行复合驱，当达到所规定的孔隙体积倍数　时，转注后续保护段塞；　⑥化学驱段塞全部注完后，继续水驱至出口含　实验用水：饱和模型用水为人工合成，矿化度　为６　７７８，￣ｇ／Ｌ，离子组成见表３。水驱、后续水驱用　水９８％以上，计算复合驱采收率。　从表４和图３中可以看出，方案１化学驱采收　水及配制复合体系用水均为大庆油田回注污水。　实验所用的化学试剂：表面活性剂有磺基甜菜　率为２３．７％，方案２的化学驱采收率为２１．７％，方　案３的化学驱采收率为１５．９％，其中Ｂｓ无碱二元　复合体系的化学驱采收率最高。对比三个方案可　以看出，方案１中驱油剂的界面张力较低，具有较强　的洗油能力；黏度较大，流动控制能力较强，扩大波　及体积作用明显；从　、储能模量和损耗模量可以　碱表面活性剂Ｂｓ（简称为Ｂｓ）。聚合物为部分水解　聚丙烯酰胺，相对分子质量１　９００×１０　。助剂：　Ｎａ２ＣＯ３和ＮａＯＨ。　２．２实验设备　主要有江苏省无锡市石油仪器设备厂制造的　８０一Ｂ２型恒温箱，ｚｘ—４型旋片真空泵，美国Ｖａｌｉ—　ｄｙｎｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ＣＯ．制造。ＭＯＤＬＥ　ＣＤ一１２压力　看出，其黏弹性最好，能从“盲端”、孔隙或喉道中把　残余油“拉拽”出来，利用驱油剂的弹性不断从油水　界面上拉出油丝，形成稳定的油丝流动通道，从而　传感器，Ｂｒｏｏｋｆｉｅｌｄ　ＤＶ一Ⅱ型黏度计，ＪＢ．３型手动　泵，北京卫星制造厂生产平流泵，电子天平，磁力搅　拌器等。　２．３实验步骤　将残余油不断地拉引出，部分残余油成为可驱动原　油，因此除了能提高油层波及体积之外，还可以提　高驱油效率。因此用Ｂｓ无碱二元复合体系驱油得　到的化学驱采收率较高，最终采收率也较高。　①将模型抽空３．５　ｈ后，饱和矿化度为６　７７８　表４人造非均质岩心实验结果　２期　吴文祥，等：复合体系特性及驱油效果研究　４７５　８Ｏ　７Ｏ　６Ｏ　而其化学驱采收率高于三元体系，比弱碱三元体系　高２个百分点，比强碱三元体系高１．４个百分点，驱　油效果最好。　５Ｏ　ｏ　３０　２０　１Ｏ　０　（４）与提高洗油效率相比，扩大波及体积对原　油采收率的贡献更大。　参方案１　方案２　方案３　考文献　１王启民，冀宝发，隋军，等．大庆油田三次采油技术的实践与认　识．大庆石油地质和开发，２００１；２０（２）：１—８　图３采收率测试结果　２吴文祥，孙灵辉，胡锦强，等．聚合物及表面活性剂前置段塞对三　元复合驱采收率影响．大庆石油学院学报，２００５；２９（６）：９５—９８　３结论　（１）Ｂｓ二元体系和强碱三元复合体系界面张　力都达到１０　ｍＮ／ｍ数量级，洗油能力均较强。由　３吴文祥，张玉丰，胡锦强，等．聚合物及表面活性剂二元复合体系　驱油物理模拟实验．大庆石油学院学报，２００５；２９（６）：９８—１０ｏ　４刘春林，兰玉波，李建路．影响三元复合体系驱油效果因素的分　析．大庆石油学院学报，２００６；３０（５）：２８—３０　于弱碱三元复合体系中碱和表面活性剂的协同效　应不明显，所以降低界面张力的效果不好。　（２）Ｂｓ二元体系的黏度较大，这对体系在驱油　时保持较低的流度比有很大帮助。与三元复合体　５刘东升，李金玲，李天德，等．强碱三元复合驱硅结垢特点及防垢　措施研究．石油学报，２００７；２８（５）：１３９一ｌ４１　６赵长久，李新峰，周淑华．大庆油区三元复合驱矿场结垢状况分　析．油气地质与采收率，２００６；１３（４）：９３—９５　７赵兰兰，张可，卢祥国，等．大庆油区三元复合驱矿场结垢状况　系相比，二元复合体系的Ｗｅ、储能模量和损耗模量　均较大，黏弹性较好，不仅能提高油层波及体积，还　可以提高驱油效率。　分析．大庆石油学院学报，２００７；３１（６）：５８—６２　８李柏林，程杰成．二元无碱驱油体系研究．油气田地面工程，　２００４；２３（６）：ｌ６—２Ｏ　（３）Ｂｓ二元体系能较好地提高洗油效率，且有　较强的流动控制能力，扩大波及体积作用明显，从　９吴文祥，王德民．聚合物黏弹性提高驱油效率研究．中国石油大　学学报（自然科学版），２０１１；３５（５）：ｌ３４—１３８　Ａ　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　Ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　Ｆｌｏｏｄｉｎｇ　Ｅｆｆｅｃｔｓ　ＷＵ　Ｗｅｎ—ｘｉａｎｇ，ＬＩＵ　Ｗａｎ—ｌｉｎ，ＺＨＡＮＧ　Ｄｏｎｇ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎｏｒｔｈｅａｓｔ　Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｄａｑｉｎｇ　１６３３１８，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ）　［Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｏｆ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　ｉｎｄｏｏｒ　ｐｈｙｓｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｗｅｒｅ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｃｏｒｎ—　ｐａｒｅ　ｔｈｅ　ｉｎｔｅｒｒａｃｉａｌ　ｔｅｎｓｉｏｎ，ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ，ｖｉｓｃｏｅｌａｓｔｉｃｉｔｙ　ａｎｄ　ｆｌｏｏｄｉｎｇ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｆ　ＢＳ（ｓｕｌｆｏｎｙｌｕｒｅａ　ｂｅｔａｉｎｅ　ｓｕｒｆａｃｔａｎｔ）ｂｉ－　ｎａｒｙ　ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎａｌ　ｓｙｓｔｅｍ，Ｎａ２　ＣＯ３　ＡＳＰ　ｌｆｏｏｄｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　ＮａＯＨ　ＡＳＰ　ｆｌｏｏｄｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｓｔｕｄｉｅｓ　ｈａｖｅ　ｓｈｏｗｎ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌ　ｔｅｎｓｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂｉｎａｒｙ　ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎａｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃｏｕｌｄ　ａｃｈｉｅｖｅ　ｕｌｔｒａ　ｌｏｗ　ｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌ　ｔｅｎｓｉｏｎ，ａｎｄ　ｌｏｗｅｒ　ｔｈａｎ　ｔｈｅ　ｏｔｈｅｒｓ　ｆｌｏｏｄｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ　ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ　ａｎｄ　ｖｉｓｃｏｅｌａｓｔｉｃｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂｉｎａｒｙ　ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎａｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗｅｒｅ　ｈｉｇｈｅｒ　ｔｈａｎ　ｔｈｅ　ｏｔｈｅｒｓ　ｓｙｓｔｅｍｓ　ｗｉｔｈｏｕｔ　ａｌｋａｌｉ．Ｉｎ　ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓ　ｃｏｒｅ’Ｓ　ｆｌｏｏｄｉｎｇ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ．ａｎ　２％ａｎｄ　７．８％ｒｅｃｏｖｅｒｙ　ｏｆ　ＢＳ　ｂｉ－　ｎａｒｙ　ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎａｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｈｉｇｈｅｒ　ｔｈａｎ　ｔｈａｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｗｅａｋ　ｂａｓｅ　ＡＳＰ　ｆｌｏｏｄｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　ａｌｋａｌｉ　ｆｌｏｏｄｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ．　［Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ］　ｉｎｔｅｒｆａｅｉａｌ　ｔｅｎｓｉｏｎ　ｏｉｌ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　Ｗｅｓｓｏｎ　Ｂｏｒｇ　ｎｕｍｂｅｒ　ｖｉｓｃｏｅｌａｓｔｉｃｉｔｙ　ｂｉｎａｙｒ　ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎａｌ　ｓｙｓｔｅｍ