三元复合驱表面活性剂梯度降浓注入方式优化*

刘春天，陆 屹，田燕春，李 星，王 颖，宋志瑞，李欣欣

（大庆油田有限责任公司勘探开发研究院&国家能源陆相砂岩老油田持续开采研发中心，黑龙江大庆 163712）

大庆油田三元复合驱从20世纪80年代开始攻关，经历了室内基础研究、先导性试验、工业性试验和工业化应用四个阶段，取得了较好的开发效果，相对水驱提高采收率18 个百分点以上［1-3］，已成为支撑大庆油田持续发展的主导开发技术之一。室内研究和现场试验结果表明，表面活性剂的吸附损耗是影响复合体系作用效果的重要因素［4-6］。近年来，随着复合驱技术应用规模不断扩大，开发区块的储层物性发生变化，黏土矿物含量增多、油砂粒径变小，导致表面活性剂的损耗加重［7］。增大表面活性剂浓度有利于提高采收率，但将使化学剂成本增加。因此，本文通过分析现场试验过程中三元段塞在地下的运移规律，采用换砂不换液、换液不换砂两种实验方法，模拟段塞不同位置油砂对表面活性剂的吸附作用，从注入方式上针对复合体系抗吸附性能进行优化，形成表面活性剂梯度降浓方式。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

部分水解聚丙烯酰胺HPAM，相对分子质量1600×104～1900×104，固含量88%，水解度25%，大庆炼化公司；Na2CO3，分析纯，辽宁泉瑞试剂有限公司；石油磺酸盐表面活性剂，大庆炼化公司。物理模拟驱油实验用模拟油：由大庆油田采油四厂外输原油与航空煤油配制而成，黏度10 mPa·s（45 ℃）。实验用水为模拟地层水，矿化度6778 mg/L，在1 L蒸馏水中加入3.977 g NaCl、0.028 g CaCl2、0.046 g MgCl2·6H2O、0.093 g Na2SO4和2.634 g NaHCO3配制而成。油砂：将天然岩心用苯和汽油清洗，研磨粉碎后，筛分出80～120 目的部分，粒径0.125～0.180 mm；贝雷岩心：气测渗透率300×10-3μm2，动态吸附实验岩心尺寸为φ2.5 cm×10 cm，物理模拟驱油实验岩心尺寸为4.5 cm×4.5 cm×30 cm。

TX500C型界面张力仪，美国CNG公司；Innova 40型恒温摇床，美国New Brunswick Scientific公司；多功能驱油装置，江苏华安科研仪器有限公司。

1.2 实验方法

采用聚合物浓度1800 mg/L、碱质量分数1.2%、表面活性剂质量分数0.3%的弱碱石油磺酸盐复合体系，开展换砂不换液、换液不换砂两种静态吸附实验，分析段塞不同位置表面活性剂的损耗规律；采用聚合物浓度1800 mg/L、碱质量分数1.2%、表面活性剂质量分数分别为0.35%、0.3%、0.25%的弱碱石油磺酸盐复合体系，开展静态、动态吸附实验和物理模拟驱油实验，分析不同注入方式对表面活性剂损耗和提高采收率的影响。

（1）静态吸附实验

换砂不换液静态吸附实验模拟三元段塞前端的吸附情况。将三元复合体系与油砂按照液固比9∶1 混合后放置于锥形瓶中，在恒温摇床（温度45℃，转速120 r/min）上震荡48 h，静置后将溶液与油砂分离。将分离后的溶液与新油砂按照上述步骤进行重复实验。

换液不换砂静态吸附实验模拟三元段塞中部及后端的吸附情况。每次采用新配制的溶液与吸附后的油砂混合进行吸附实验。

每次吸附实验结束后，采用两相滴定法检测溶液中的表面活性剂浓度。在溶液中加入酸性混合指示剂和二氯甲烷，然后向溶液中滴加海明，根据指示剂颜色变化判断滴定终点，确定表面活性剂浓度。采用界面张力仪检测溶液与原油间的界面张力。

（2）动态吸附实验

将贝雷岩心抽真空12 h，饱和模拟水，分别采用不同三元体系进行动态吸附实验。第一个实验采用恒定表面活性剂质量分数为0.3%、碱质量分数1.2%、聚合物质量浓度1800 mg/L 的三元体系连续驱替9 PV，后续进行水驱。第二个实验依次采用表面活性剂质量分数为0.35%、0.3%、0.25%，碱质量分数1.2%，聚合物质量浓度1800 mg/L 的三元体系驱替3 PV，后续进行水驱。检测采出液中表面活性剂浓度，确定表面活性剂的损耗。

（3）物理模拟驱油实验

将贝雷岩心抽真空12 h，饱和模拟水，饱和模拟油，采用模拟水驱替岩心至含水98%，注入0.3 PV的三元段塞，然后注入0.2 PV 浓度为1400 mg/L 的聚合物保护段塞，后续水驱至含水98%。

2 结果与讨论

2.1 三元复合体系的静态吸附分析

两种静态吸附实验中表面活性剂浓度见表1。由表1可以看出，吸附1次后，表面活性剂质量分数由0.3%降低至0.18%，损失40%。采用换砂不换液方式，新油砂对表面活性剂的吸附作用强，吸附3次后，表面活性剂损失接近67%；采用换液不换砂方式，经过上一轮的吸附后，油砂表面已被化学剂占据一部分，吸附作用减弱，吸附3 次后表面活性剂损失降低至53%。由此可见，三元复合体系在地下运移过程中，由于段塞前缘接触的都是未经吸附的新油砂，表面活性剂损耗较大，应适当提高浓度，后续段塞的表面活性剂损耗相对较小，可适当降低浓度。

表1 不同类型静态吸附实验结果

基于以上分析，提出梯度降浓注入方式，即将0.3 PV 的三元段塞划分为3 个0.1 PV，表面活性剂质量分数依次为0.35%、0.3%、0.25%，碱质量分数保持为1.2%，聚合物浓度保持为1800 mg/L。采用换砂不换液方式模拟三元段塞前端，对比分析表面活性剂质量分数为0.35%和0.3%时的抗吸附性能。采用换液不换砂方式模拟三元段塞中部及后端，对比分析表面活性剂质量分数递减为0.3%、0.25%的三元体系与表面活性剂质量分数恒定为0.3%的三元体系抗吸附性能。

根据对比实验结果可以看出，将表面活性剂质量分数提高到0.35%，吸附3次后，溶液中的表面活性剂仍可保持在0.16%，这将扩大段塞前缘达到超低界面张力的距离，有利于提高驱油效果（表2）。段塞中部表面活性剂初始质量分数0.3%，采用梯度降浓方式时，表面活性剂吸附3 次后的浓度为0.15%，高于常规恒定质量分数时的0.13%。段塞后部采用梯度降浓方式时，表面活性剂吸附3 次后的质量分数为0.11%，低于常规恒定浓度时的0.16%。这主要是由于该阶段的初始表面活性剂浓度低，在实际驱替过程中，该阶段可借助段塞前端形成的油墙实现提高采收率。将吸附三元体系后的油砂用模拟水浸泡24 h，检测到水中表面活性剂质量分数为0.05%，表明表面活性剂存在脱附现象，使后续段塞中的表面活性剂浓度升高，有利于提升梯度降浓注入方式的效果。

表2 不同注入方式静态吸附实验结果

2.2 不同表面活性剂注入方式下的动态吸附

分别采用常规恒浓方式和梯度降浓方式注入9 PV 的三元体系，后续进行水驱，注入过程中采出液中表面活性剂含量随注入体积变化见图1。三元体系中聚合物浓度保持为1800 mg/L，碱质量分数保持为1.2%，常规恒浓方式的表面活性剂质量分数为0.3%，梯度降浓方式的表面活性剂质量分数分别为0.35%、0.3%、0.25%。梯度降浓方式在注入9 PV三元体系后，采出液中的表面活性剂浓度出现明显的上升峰，然后下降，进一步验证了静态吸附实验中表面活性剂存在脱附现象的推断。脱附后的表面活性剂进入后续段塞进行浓度补偿，有利于梯度降浓方式保持超低界面张力作用距离。

图1 动态吸附实验采出液中表面活性剂含量随注入体积变化

2.3 不同注入方式下的驱油效果对比

分别采用梯度降浓方式和常规恒浓方式进行物理模拟驱油实验，具体方案见表3，驱油实验结果见表4，驱替过程中采收率、含水和注入压力随注入体积变化见图2和图3。驱油实验结果表明，方案2采用表面活性剂梯度降浓方式，可相对水驱提高采收率28.62 百分点，与方案1 常规恒浓方式相比，采收率进一步提高了0.91 百分点。前端注入0.1 PV三元体系中的表面活性剂质量分数为0.35%，高浓度的表面活性剂有利于形成油墙，同时可减少油砂和原油作用下的表面活性剂损耗；中间注入0.1 PV三元体系中的表面活性剂质量分数为0.3%，可维持较高的洗油效果，尽管后续段塞的0.1 PV的三元体系中表面活性剂浓度降低，但仍具有提高采收率作用，从而在相同化学剂用量条件下改善了三元复合驱效果。从图2 和图3 可以看出，采用梯度降浓方式使驱替压力上升幅度增大且持续时间长，含水下降快、降幅明显，注入段塞阶段的采收率更高。方案3将表面活性剂质量分数增至0.4%，可相对常规恒浓方式进一步提高采收率2.53百分点，但表面活性剂用量增加了33%。

表3 不同注入方式实验方案

表4 不同注入方式物理模拟驱油实验结果

图2 贝雷岩心20驱油实验曲线（常规恒浓注入）

图3 贝雷岩心18驱油实验曲线（梯度降浓注入）

以地质储量100×104t计算，在三元主段塞表面活性剂质量分数为0.3%、二类B油层复合驱提高采收率16百分点的基础上，采用表面活性剂梯度降浓注入方式进一步提高采收率0.91百分点，吨油化学剂成本可降低4.76%，采用表面活性剂质量分数为0.4%的体系，吨油化学剂成本可降低2.17%。因此，表面活性剂梯度降浓方式可获得更好的经济效益。

3 结论

根据三元段塞不同位置的化学剂吸附损耗规律，提出表面活性剂梯度降浓方式，将段塞前端的表面活性剂质量分数提高到0.35%，扩大超低界面张力体系的作用距离，三元体系冲刷后的油砂吸附作用减弱，同时由于被吸附的表面活性剂脱附后可进入后续段塞增加浓度，所以三元段塞中端和后部的表面活性剂浓度可依次设计为0.3%、0.25%。在化学剂用量相同条件下，采用表面活性剂梯度降浓方式，室内贝雷岩心物理模拟驱油实验进一步提高采收率0.91百分点。现场试验过程中，三元体系运移距离长，油砂体积大，表面活性剂的损耗严重，采用表面活性剂梯度降浓方式具有更重要的意义，预计提高采收率幅度将进一步增大，有效改善三元复合驱技术经济效果。