碱对污水配液化学驱体系性能影响研究

张敬春 ，廖先燕 ，孟 雪 ，罗 腾 ，惠泽友 ，侯军伟

［1.中国石油新疆油田公司工程技术研究院，克拉玛依 834000；2.中国石油新疆油田公司采油一厂；3.中国石油大学（北京）克拉玛依校区］

目前， 中国进口原油已经超过原油总量的70%，对外依存度过高，对中国的能源安全造成了较大的影响。然而，中国大部分陆上油田已经进入水驱后期，急需一些新的驱油手段［1］。 化学驱技术，因为能将采收率提高10%以上， 得到了人们的广泛关注。 大庆油田［2］、新疆油田［3-5］、辽河油田［6］和胜利油田［7］都成功地进行了聚合物驱、二元复合驱以及三元复合驱的现场实验，并取得了较好的效果。

在化学驱中， 聚合物的主要作用是增加注入水液黏度，降低油水流度比，扩大波及程度；表面活性剂的作用主要是降低界面张力，提高洗油效率［8］。新疆油田化学驱常用的聚合物为部分水解聚丙烯酰胺（HPAM），表面活性剂为石油磺酸盐 KPS［9］。 表 1 为新疆油田72 号站污水、六九区污水以及七东1 清水水质分析，由表1 可以看出，与清水相比，油田污水矿化度在10 000 mg/L 以上， 还含有硫酸盐还原菌，这些会对配方性能造成较大的影响。 为了保证实验效果，新疆油田在2014 年进行七东一区三元复合驱现场实验中使用的是清水配液［10］。 但随着新疆油田化学驱规模不断扩大， 以及新疆对于环境保护的要求， 使用油田污水代替清水进行化学驱配液被越来越重视。

表1 72 号站、六九区污水以及七东1 清水水质分析Table1 Water quality analysis of sewage from 72 station，Liujiu district and Qidong 1 district

目前国内外化学驱污水配液的研究较少， 汪卫东等［11］发现，碱可以有效地抑制胜利油田污水中硫酸盐还原菌的生长。 新疆油田七中区二元复合驱使用的是六九区稠油污水配液［12］，该稠油污水矿化度较低，为 3 500 mg/L；Ca2+、Mg2+含量较低，硫酸盐还原菌极少。但新疆油田稠油污水的量较少，稀油污水的量很多，因此，研究稀油污水的化学驱配液具有重要的应用价值。本文研究了不同碱对新疆油田72 号站稀油外排污水配置的化学驱体系的黏度、 长期稳定性、界面张力、驱油性能影响。 为化学驱的稀油污水配液做了一定的探索。

1 实验

1.1 实验仪器与试剂

仪器：Physical 流变仪 MCR301； 高速搅拌器；PHS-3C 精密酸度计；ML104 型分析天平；101-2ES型电热鼓风干燥箱； 混凝搅拌仪 （MY3000-6）；TX500C 型界面张力仪，DR1010 型 COD 消解仪+检测器；TD5A 型离心机；SRB-HX 快速细菌测试瓶；驱替装置（自己组建）。

试剂：HPAM HJ2500 聚合物； 表面活性剂KPS304；碳酸钠、氯化钠、氢氧化钠、碳酸氢钠均为分析纯。

1.2 实验流程

使用72 号站外排水，将SRB 培养至密度达到1.1×106个/mL，然后分别加入质量分数为0.2%、0.5%、0.8%、1.0%的 NaOH、Na2CO3和 NaHCO3， 研究不同浓度的碱对SRB 密度的影响。 硫酸盐还原菌使用SRB-HX 快速细菌测试瓶进行测量， 参照SY/T 6888—2012《微生物驱油技术规范》。

使用72 号站外排水， 聚合物浓度为1 500 mg/L，分别加入质量分数为 0.2%、0.5%、0.8%、1.0%的NaOH、Na2CO3和 NaHCO3， 测量不同碱对污水聚合物体系黏度的影响。

使用72 号站外排水，聚合物浓度为1 500 mg/L，分别加入质量分数为0.2%、0.5%、0.8%、1.0%、1.2%的 NaOH、Na2CO3和 NaHCO3，测量 3、7、14、28 d 后对污水聚合物体系黏度长期稳定性的影响。

使用72 号站外排水，聚合物浓度为1 500 mg/L，表面活性剂KPS 质量分数为0.2%，然后分别加入质量分数为 0.2%、0.5%、0.8%、1.0%、1.2%的 NaOH、Na2CO3和NaHCO3， 测量不同碱对污水化学驱体系界面张力的影响。

岩心驱替实验：1）驱油配方，使用72 号站外排水，聚合物浓度为1 500 mg/L，表面活性剂KPS 质量分数为0.2%，碱分别为质量分数为1.2%的NaOH和1.2%的 Na2CO3；2） 岩 心 规 格 为 3.8 cm×30 cm砾岩人造岩心，渗透率为500 mD；3）束缚水，采用地层水饱和岩心，然后用油井原油驱水至再不出水；4）用污水水驱至含水率为98%（质量分数，下同）后，注入污水配置化学剂段塞（0.7 PV），再用污水水驱至含水率为98%（质量分数，下同），计算化学驱采收率。 实验温度为40 ℃， 岩心驱替速度为0.5 mL/min。

2 结果与讨论

2.1 碱对硫酸盐还原菌密度的影响

图1 为不同碱质量分数下SRB 的密度。 由图1看出，NaOH 对 SRB 的存活性影响最大，当 NaOH 质量分数为0.2%时，SRB 的密度由 106个/mL 下降至100 个/mL，当质量分数达到0.8%时，SRB 全部消失；Na2CO3对SRB 的影响次之， 当质量分数达到0.2%时，SRB 的密度从106个/mL 下降至 104个/mL，之后缓慢下降至103个/mL， 当质量分数达到1.0%时，SRB密度仍然有100 个/mL；NaHCO3对 SRB 的影响非常小， 当质量分数为0.2%时，SRB 的密度从106个/mL下降至 105个/mL，但之后上涨到 107个/mL，并保持不变。 经过加碱处理后， 水的pH 发生了变化，SRB含量下降， 说明碱性条件抑制了SRB， 但加入NaHCO3的污水中SRB数量会反弹， 这主要是因为较低 pH 不能完全杀死 SRB。 杜春安等［13］发现，SRB中的脱硫弧菌属、脱硫状菌属、脱硫叶菌属、脱硫豆菌属、脱硫杆菌属、脱硫念珠菌属、脱硫微菌属和脱硫盐菌属等8 个属的SRB 具有一定的耐碱性。

图1 碱质量分数与SRB 密度的关系曲线Fig.1 Curve of alkali mass fractions and SRB density

2.2 碱对黏度的影响

图2 为聚合物质量浓度为1 500 mg/L 时， 不同碱与72 号站外排水配液的黏浓曲线。 由图2 看出，3 种碱对聚合物黏度的影响都不大，刚加入碱时，黏度大概损失7 mPa·s，之后黏度随着碱质量分数的增大缓慢下降。这主要是因为72 号站的外输水本身矿化度在10 000 mg/L 左右，矿化度对聚合物的压缩已经很大，继续增加碱质量分数对聚合物的压缩已经变小。

图2 聚合物质量浓度为1 500 mg/L 时不同质量分数碱与72 号站外排水配液的黏浓曲线Fig.2 Viscosity concentration curve of different mass fractions of alkali and No.72 station external drainage solution at polymer concentration of 1 500 mg/L

2.3 碱对聚合物黏度保留率的影响

图3a 为 72 号站水配置1 500 mg/L 聚合物，不同质量分数Na2CO3下28 d 黏度保留率。 由图3a 看出，没有加Na2CO3时，初始聚合物黏度在35 mPa·s，但 3 d 后黏度就下降至 9 mPa·s，28 d 后，黏度只剩下3.36 mPa·s，黏度保留率只有 9.6%。 加入 Na2CO3后，随着质量分数的增大，聚合物的初始黏度降低，但28 d 后的黏度保留率逐渐升高，当Na2CO3质量分数为0.2%时， 初始黏度下降至 26 mPa·s，28 d 后黏度为9.05 mPa·s，黏度保留率上升到 34.8%。 当 Na2CO3质量分数为1.2%时，初始黏度下降至18.1 mPa·s，28 d后黏度为13.4 mPa·s，黏度保留率上升到75%。图3b为72号站水配置1 500 mg/L 聚合物，不同质量分数NaOH 下28 d 黏度保留率。 由图3b 可以看出，NaOH 质量分数越高，初始聚合物黏度越小，但长期稳定性较好，28 d 后黏度保留率均在80%以上。 图3c 为 72 号站水配置 1 500 mg/L 聚合物， 不同质量分数NaHCO3下 28 d 黏度保留率。 由图3c 可以看出，NaHCO3对黏度保留率没有任何作用，28 d 后黏度保留率均在15%以下。

图3 聚合物浓度为1 500 mg/L 时，不同质量分数的Na2CO3（a）、NaOH（b）、NaHCO3（c）与 72 号站外排水配液28 d 的黏度保留率Fig.3 Viscosity retention rate of different mass fractions of alkali and No.72 station external drainage solution in 28 days at polymer conc entration of 1 500 mg/L（a）Na2CO3，（b）NaOH、（c）NaHCO3

2.4 碱对界面张力的影响

图4 为72 号站水配置1 500 mg/L 聚合物、表面活性剂质量分数为0.2%时，不同碱的界面张力。 由图4 可以看出，当Na2CO3质量分数大于0.2%以后，界面张力都在10-3mN/m；NaOH 在质量分数小于1.0%时，界面张力在10-2mN/m，只有当质量分数大于1.0%时， 界面张力才能到10-3mN/m；NaHCO3对界面张力影响很小，界面张力始终在10-1mN/m。 石油中的酸性组分与碱发生反应后， 会生成表面活性剂，进一步降低界面张力，但是这些酸性组分反应对碱有一定的要求，NaHCO3的碱性太弱，基本上跟石油酸无法反应， 还会使得三元体系界面活性范围变小［14］；NaOH 的反应太强，速度太快，大量的表面活性剂没来得及在界面排布就形成胶束， 溶到油中；Na2CO3的碱性适中，反应速度慢，表面活性剂大量排布在油水界面中，使得界面张力下降很快［15］。

图4 表面活性剂质量分数为0.2%时，不同碱质量分数对界面张力的影响Fig.4 Effect of different mass fractions of alkalion on interfacial tension at mass fraction of surfactant of 0.2%

2.5 碱对驱油的影响

图5 为使用 NaOH 作为碱剂、72 号站污水配液、表面活性剂质量分数为0.2%、聚合物质量浓度为1 500 mg/L 的驱油过程。 由图5 可以看出，水驱时间达到100 min 时，含水率达到98%，开始注入NaOH 污水三元体系， 采出液含水快速下降到最低67%，之后含水量开始反弹；当注入时间为170 min时，采出液含水量达到90%，低含水时间维持了70 min，最终采收率为62%，提高采收率18%。

图5 质量分数为1.2%NaOH 三元体系的驱油过程Fig.5 Oil displacement process of ternary system with NaOH at mass fraction of 1.2%

图6 为使用Na2CO3作为碱剂、72 号站污水配液、表面活性剂质量分数为0.20%、聚合物质量浓度为1 500 mg/L 的驱油过程。 由图6 可以看出，水驱时间达到100 min 时， 含水率达到 98%， 开始注入Na2CO3污水三元体系，采出液含水快速下降到最低64%，之后含水开始反弹，但直到注入时间达到220 min 时，采出液含水才超过90%，低含水时间维持了120 min，最终采收率为68%，提高采收率21%。与NaOH 相比，使用Na2CO3进行污水配液的三元体系提高采收率更高。 这主要是因为NaOH要维持低界面张力（10-3mN/m）所需要的浓度高达1%，当NaOH 与原油、岩心发生化学反应以及吸附后导致浓度低于1%，界面张力高于10-3mN/m 导致洗油效率变差；同时，相同浓度下NaOH 污水配液的黏度略低于Na2CO3，也导致波及效率变低。 因此，若使用新疆油田72 号站污水进行化学驱配液的话，Na2CO3具有最好的性能。

图6 质量分数为1.2%Na2CO3 三元体系的驱油过程Fig.6 Oil displacement process of ternary system with Na2CO3 at mass fraction of 1.2%

3 结论

1）使用新疆油田72 号站污水配液时，NaOH 和Na2CO3能大幅度降低污水中硫酸盐还原菌的密度，进而提高三元体系的黏度保留率；NaHCO3不能降低硫酸盐还原菌的密度， 因此NaHCO3三元体系的黏度保留率很差。2）NaOH 体系的界面活性一般，其质量分数要达到1.0%以上，界面张力才能达到10-3mN/m；Na2CO3的界面活性较好， 质量分数大于0.2%时体系界面张力就能达到10-3mN/m；NaHCO3的界面活性较差，一直在10-1mN/m。 3）物模驱油实验显示，NaOH 体系能快速降低采出液含水，但持续时间较短， 最终提高采收率18%；Na2CO3也能快速降低含水，且采出液低含水率持续时间较长，提高采收率达到21%。