适合三类油层的弱碱三元复合体系配方优选

罗寒秋，姜婷婷

（1.大庆油田有限责任公司第三采油厂，黑龙江大庆163000；2.大庆油田有限责任公司第四采油厂，黑龙江大庆163000）

近年来化学复合驱驱油方式被普遍认为具有经济效益且能大幅度提高采收率的优势，现已在多个油田进行了成功推广，积累了相对丰富的矿场试验经验[1-2]。针对强碱三元复合驱在油田开发过程中带来溶蚀岩石骨架及卡泵等诸多问题，专家学者一致认为现在化学驱的主要研究方向需要转变为弱碱或者无碱复合驱油体系。考虑在弱碱三元驱油体系中寻找满足要求的各组分，使其能够有效减小驱油体系对油层的破坏，实现较好的开发，从而达到对三元复合驱的技术改良[3-4]。与此同时，基于三类油层剩余油分散程度高以及渗透率低等特点，该类油层是高含水期油田的主要开发对象，但缺少对其行之有效的开发方式。目前，关于弱碱三元复合体系配方优选并评价其适应性的研究相对较少，本文模拟了大庆油田采油三厂三类油层的实际地质条件，开展室内研究，采用油田最为常用的2 500万相对分子质量的聚丙稀酰胺（HPAM），通过对弱碱三元体系性能的测定，进而对表面活性剂十六烷基羟基磺丙基甜菜碱（CHSB）质量分数与碱Na2CO3的质量分数进行优化设计。同时，借助数值模拟手段预测不同开发方案，并通过室内驱油实验进行验证，由此得到了适用于大庆三类油层的弱碱三元复合驱最优配方。

1 实验部分

1.1 主要试剂与仪器

主要试剂：大庆油田采油三厂原油，实验室配制的污水；聚合物为聚丙烯酰胺（HPAM）；弱碱为Na2CO3（分析纯）；表面活性剂CHSB。

实验仪器：旋转液滴界面张力仪、平流、界面流变仪、多头磁力搅拌器、布氏黏度计、岩心驱替装置、油水分离器、恒温箱等。

1.2 实验方法

1.2.1 界面张力及乳化性能的测定 使用总矿化度3 722 mg/L的大庆油田采油三厂的污水，借助旋滴界面张力仪对油水界面张力进行测定，该实验在保持体积大小为0.35 PV不变的前提下，取三元体系中HPAM质量浓度和Na2CO3质量分数分别为2 000 mg/L和1.0%，只改变CHSB的质量分数[5]。

1.2.2 体系黏弹性测定 采用界面流变仪，在一定的条件下，使实验用测试环在油水界面上发生作用，从而测得相关参数。该实验是在保持体积大小为0.35 PV总体积不变的前提下，取三元体系中HPAM质量浓度和CHSB质量分数分别为2 000 mg/L和0.3%，只改变Na2CO3的质量分数。

1.2.3 驱油实验 将实验装置按正确的方式连接，将岩芯抽至真空后，注入饱和水，保证实验期间一直以一定的速度驱替，并在一段时间后，向岩心中注入不同方案参数继续后续水驱，计算各阶段的采出程度。

2 实验结果及分析

2.1 表面活性剂质量分数的筛选

2.1.1 界面张力的测定 能否达到超低界面张力是判断该复合体系是否具有良好驱油效果的标准，因此有必要对界面张力进行更加深入的研究[6]。图1为界面张力的测定结果。由图1可发现，该体系降低界面张力的能力会随着表面活性剂的质量分数增大而增强。在时间为50 min左右，CHSB的质量分数为0.2%～0.3%时，该体系可以实现10-3级别的界面张力。之所以得到的CHSB质量分数相对较低，是由于CHSB中存在亲水性的基团，如羟基与磺基，使CHSB分子的亲水亲油性平衡，导致该分子能够紧密排列在油水界面上，体系中的HPAM既能够保护CHSB分子不与水相中的二价离子反应，也能够阻碍该分子向油相中的扩散，与此同时，体系中弱碱的加入提高了水相中离子的质量分数，使CHSB在水相中受到极强的排斥力，促使较多的CHSB分子能够进入到油水界面之中，因此保证了CHSB在油水界面中的质量分数[7-8]，从而能够起到有效地降低体系界面张力的作用。

图1 时间与界面张力的关系Fig.1 Measurement of interfacial tension

2.1.2 乳化性能的测定 良好的乳化性能能够起到调剖和提高驱油效率的作用。图2为乳化性能的测定结果。

图2 乳化性能的测定Fig.2 Measurement of emulsifying property

由图2可发现，吸水率随着CHSB质量分数的增加而呈减小的趋势，表明体系的乳化能力随着CHSB质量分数的增加而增强。在CHSB质量分数为0.3%时，吸水率均在40%以下，且在乳化后期基本保持不变，具有较好的乳化性能。CHSB具有良好的乳化效果，主要得益于CHSB具有两亲结构，CHSB吸附于油水界面上，且质量分数的增加使其能够有效抑制液滴的运动与聚并[9]，从而使油水界面的强度大幅度增加，该条件下形成的乳状液稳定性会相对比较高，有利于驱油效率的大幅度提高。

2.2 碱质量分数的筛选

基于HPAM水溶液的盐敏性和CHSB溶液的耐盐性，将两者进行复配会使HPAM的羧基负电荷与CHSB的季铵基正电荷在静电作用下相互吸引，且能够减小Na2CO3质量分数的影响，以有效提高体系的黏弹性。CHSB分子在界面膜上排列得越规则越紧密，则界面剪切黏度越大；界面在外力作用下，产生变形并可自行恢复到原状态的能力越强，则界面弹性模量越大，在这两种条件下，体系的性能越好[10]。

图3为碱与界面剪切黏度和界面弾性模量的关系。

图3 碱质量分数与界面剪切黏度和界面弹性模量的关系Fig.3 The relationship between alkaline and interfacial shear viscosity and interfacial elastic modulus

由图3可发现，体系的界面剪切黏度是随着Na2CO3质量分数的增加先上升后降低，界面弹性的增加幅度同样也先增加后降低。当体系中Na2CO3质量分数为1.2%时，测得的界面剪切黏度达到最大值，与此同时测量得到的界面弹性模量也相对较大，此时稳定性最好；当Na2CO3质量分数高于1.2%时，体系的剪切黏度呈下降趋势，且界面弹性模量的变化幅度变小，体系稳定性能变差。这是由于在Na2CO3质量分数较低时，体系中Na2CO3主要与原油中的酸性物质发生反应生成能够与CHSB相互作用的物质，从而界面上的膜的质量分数进一步增加，使界面弹性模量增大[11-12]。同时，弱碱在低质量分数条件下可以增加HPAM分子链上的负电荷量，使碱能够部分水解聚合物链上的酞氨基，导致HPAM分子链变为相对较舒展的状态，体系的稳定性增强。由于Na2CO3质量分数继续增加，溶液中的Na2CO3分子发生电离并中和CHSB分子在油水界面膜上的部分电荷，CHSB分子则会受引力作用进入到油相中，导致CHSB分子在油水界面处的动态平衡受到一定程度的破坏，从而使致密的界面膜变得疏松[13]，黏度降低。同时碱质量分数的增加也会使三元复合体系溶液的矿化度升高，在很大程度上中和HPAM的羧基负电荷(-COO-)，使HPAM分子链发生强烈的卷曲并收缩，导致吸附在油水界面上的有效HPAM分子数在一定程度上减小。与此同时，溶液和表面的分子交换会随着Na2CO3质量分数的增大而加快，使界面CHSB分子的排列不紧实，进一步引起了界面弹性模量增加幅度变小[14-15]。

3 驱油效果

本文运用了CMG数值模拟软件与室内驱油实验相结合的研究方法，并将两种方法得到的结果进行比较分析，互为验证。不同驱油方案如表1所示。

3.1 数值模拟研究结果

利用数值模拟软件CMG中的STARS模块，建立大庆采油三厂X试验区的模型（包括采油井28口，注入井33口），模型中各参数均是由现场实际测量所得。模型中设置平面上的X方向与Y方向的网格步长为10 m，纵向上进行细分网格设置，平均网格厚度为0.2 m。在CMG数值模拟基础参数设置中，界面相关参数为表面活性剂质量分数0.2%，碱质量分数1.0%时。驱替体系可降至超低（10-3数量级）界面张力，相对渗透率曲线如图4所示。

图5为数值模拟研究结果。对比图5不同方案的开发效果发现，复合体系的注入使含水率有明显的降低，体系的阶段采出程度会由主段塞中表面活性剂及碱质量分数的不断增加而呈不断上升的趋势。方案1—4的阶段采出程度分别为21.35%、21.97%、22.92%、23.19%，含水率下降幅度分别为15.79%，16.14%，17.12%，17.81%，为同时满足开发需求与获得良好的经济效益，因此推荐主段塞优选质量浓度为2 000 mg/L的聚合物HPAM，质量分数为0.3%的表面活性剂CHSB以及质量分数为1.0%的Na2CO3。

表1 不同驱油实验方案Table1 Experimental program of oil displacement

图4 相对渗透率Fig.4 Relative permeability curve

3.2 室内实验

室内驱油实验结果发现，在水驱采收率基本一致的条件下，4个不同方案均可提高采收率20%以上。表2为不同驱油实验方案，由表2可知，随着段塞中CHSB质量分数与Na2CO3质量分数的增加，采收率呈逐渐增加的趋势，所呈现的规律与数值模拟得到的结果保持了高度的一致性，增加了结论的准确性。

图5 数值模拟研究Fig.5 Numerical simulation results

表2 不同驱油实验方案Table 2 Experimental results of oil displacement

4 结 论

（1）表面活性剂CHSB的质量分数在0.2%～0.3%时，所研究的弱碱三元体系能够实现10-3数量级的界面张力，且CHSB在质量分数为0.3%时，吸水率能够保持在40%以下，此条件下该体系具有较好的乳化性能。

（2）在不同碱质量分数的条件下，对弱碱三元复配体系的界面剪切黏弹性进行了测量，得到Na2CO3的质量分数为1.2%时体系具有较好的性质。

（3）通过数值模拟技术与室内驱油实验，优选得到在主段塞为质量浓度2 000 mg/L的聚合物HPAM，质量分数0.3%的表面活性剂CHSB及质量分数1.0%的Na2CO3的条件下，该弱碱三元复配体系可以有效提高采收率23.31%。