新型驅(qū)油劑聚表劑的特性及驅(qū)油機(jī)理研究

閆麗萍

（中石油大慶油田有限責(zé)任公司第八采油廠，黑龍江 大慶163514）

大慶油田經(jīng)過(guò)50多年的開發(fā)，已累積采油20×108t以上，已采出地質(zhì)儲(chǔ)量的40%左右，綜合含水90%以上。目前，各個(gè)開發(fā)區(qū)塊均已全面進(jìn)入特高含水開發(fā)階段，自然遞減率不斷增大。在今后的開發(fā)調(diào)整過(guò)程中，主力油層聚驅(qū)后剩余油富集區(qū)及二、三類油層將是未來(lái)油田開發(fā)挖潛的主攻目標(biāo)。

針對(duì)主力油層聚驅(qū)后層內(nèi)矛盾不斷加劇的問題，需要尋求既有較強(qiáng)擴(kuò)大波及體積能力又有較強(qiáng)提高驅(qū)油效率能力的新型化學(xué)驅(qū)油劑；針對(duì)二、三類油層發(fā)育厚度薄、儲(chǔ)層滲透率低的特點(diǎn)，還要求新型化學(xué)驅(qū)替劑不但具有較低的分子量，還要具有較強(qiáng)的注入能力。

聚表劑是近年來(lái)在聚驅(qū)、三元復(fù)合驅(qū)基礎(chǔ)上，研制形成的一種新型驅(qū)油劑，兼具聚合物和表面活性劑的雙重特性，具備明顯的乳化增溶能力，既可以擴(kuò)大波及體積，又可以提高驅(qū)油效率，室內(nèi)試驗(yàn)研究結(jié)果表明可提高采收率15%以上［1］。它與普通聚合物相比最大的特點(diǎn)是低濃高效、具有很強(qiáng)的增黏、增溶和乳化原油的能力［2］。下面，筆者系統(tǒng)闡述了聚表劑的分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并對(duì)其驅(qū)油機(jī)理等進(jìn)行了分析和總結(jié)。

1 聚表劑分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

聚表劑是以柔性聚丙烯酰胺碳?xì)滏湠楣羌?，在碳?xì)滏溕辖又簿哿朔菢O性功能基團(tuán)后形成的多元接枝共聚物。聚表劑在分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上以高分子表面活性劑為主導(dǎo)，具有高效增黏、抗鹽、抗氧化降解、抗生物降解、選擇性堵水等特性，同時(shí)具備流度控制能力和乳化增溶能力。

由于聚丙烯酰胺碳?xì)滏湹膫?cè)基上接枝了大量的聚氧乙烯EO鏈和非極性基團(tuán)，形成了既親水又親油的 “雙親鏈”，在水溶液中，這些非極性基團(tuán)聚結(jié)后，能夠形成高度有序、龐大的網(wǎng)絡(luò)超分子結(jié)構(gòu)聚集體，其空間的每一個(gè)高分子小膠束由碳?xì)滏湹墓羌芟嗷ヂ?lián)結(jié)起來(lái)，外側(cè)是親水基和水化層，在水中能夠迅速溶解；內(nèi)側(cè)是親油的疏水鏈，在水溶液中通過(guò)分子自組裝，形成大量的高分子小膠束，可以將原油高度切割、分散并形成乳化液［3］。正是由于兩親高分子體系在溶液本體中形成了分子間聚集體的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其對(duì)原油的增溶能力是普通表面活性劑體系根本無(wú)法比擬的。

聚表劑的分子結(jié)構(gòu)具有以下4個(gè)方面的特點(diǎn)：一是共聚的功能基團(tuán)通過(guò)分子內(nèi)、分子間的非鍵合作用規(guī)律，形成有序的分子自組裝行為；二是通過(guò)在原聚丙烯酰胺分子鏈側(cè)基上多元接枝共聚改造后，使其具有親水（親水基）、親油（疏水鏈）的雙親平衡性和快速互溶性；三是聚表劑在水溶液中通過(guò)分子間的相互作用完成自組裝，并逐漸形成三維超分子聚集體結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)不但具有抗鹽、抗氧化降解和抗生物降解的特性，其增黏性也要高于普通高分聚合物；四是聚表劑分子相互作用形成網(wǎng)絡(luò)狀多空間、大空間的非極性腔（活性吸附腔），使增溶和乳化原油的能力明顯高于普通膠束。

在形成產(chǎn)品的過(guò)程中，要通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，對(duì)以下分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控：一是功能基比例的調(diào)控（抗菌，抗鹽，增溶）；二是疏水和親水鏈段比例的調(diào)控；三是相關(guān)的化學(xué)計(jì)量平衡的調(diào)控；四是離子與非離子單元比例的調(diào)控；五是優(yōu)化選擇共聚的條件和方法的調(diào)控。

2 聚表劑的主要特性

2.1 高效增溶乳化性

聚表劑分子間相互作用能夠形成網(wǎng)絡(luò)狀多空間、大空間的活性吸附腔（非極性腔），使其增溶和乳化原油的能力明顯超過(guò)普通膠束，這一特性也是聚表劑的主要驅(qū)油機(jī)理之一。

2.2 高效增黏性

聚表劑在水溶液中能夠通過(guò)分子間的相互作用進(jìn)行自組裝，并逐漸形成三維超分子聚集體結(jié)構(gòu)，使得其增黏性明顯高于普通高分子聚合物。

2.3 抗鹽性

油田采出污水具有很高的礦化度，而且存在大量的微生物，多以硫酸鹽還原菌為主，加之自由基氧化對(duì)聚合物的降解作用，使得污水配制的聚合物溶液的黏度很低，耐鹽性較差。聚表劑在分子結(jié)構(gòu)中有針對(duì)性地引入功能基團(tuán)，有效地解決了油田采出污水的配制問題。

2.4 抗氧化降解

聚表劑在分子鏈上引入了氧轉(zhuǎn)移基（—SH），它能夠通過(guò)自身氧化，有效地分解聚表劑溶液中的過(guò)氧化物，抑制氧化斷鏈的進(jìn)程。

2.5 抗生物降解

污水中的硫酸鹽還原菌是帶負(fù)電的厭氧菌，而聚表劑的分子結(jié)構(gòu)中接枝共聚了孿連陽(yáng)離子型表面活性劑，它的疏水鏈能夠吸附帶負(fù)電的硫酸鹽還原菌，致其死亡，由于陽(yáng)離子型表面活性劑的孿連性，其抗菌能力更強(qiáng)，能夠在無(wú)氧的條件下保持溶液黏度的穩(wěn)定性［5－6］。

除上述特性外，聚表劑還具有許多獨(dú)特的性能，如獨(dú)特的絮凝作用、卓越的分散性等。

由于聚表劑分子間作用的存在，以及自身分子結(jié)構(gòu)的特殊性，目前采用的部分理化性能評(píng)價(jià)方法具有一定的不適應(yīng)性，需要建立一套更為科學(xué)的方法來(lái)反映聚表劑的性能特點(diǎn)。

3 聚表劑驅(qū)油機(jī)理

聚表劑同時(shí)具有聚合物和表面活性劑的雙重屬性，驅(qū)油機(jī)理主要表現(xiàn)為流度控制和乳化增溶2個(gè)方面。

3.1 增黏性

聚表劑與殘余油之間的界面黏度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于注入水與殘余油之間的界面黏度，大大降低了水油流度比，從而擴(kuò)大了注入水的波及體積。同時(shí)，聚表劑溶液與原油之間的剪切應(yīng)力大于水與原油之間的剪切應(yīng)力，從而提高了聚表劑溶液對(duì)殘余油的攜帶能力。

3.2 黏彈性

聚表劑在流動(dòng)過(guò)程中能夠?qū)堄嘤彤a(chǎn)生一個(gè)較大的推動(dòng)力（比水驅(qū)時(shí)更大），其作用是把殘余油從孔隙或喉道中 “拖”、“拽”出來(lái)；毛細(xì)管力和黏滯力則不但可以擴(kuò)大波及體積，而且能夠迫使殘余油流動(dòng)起來(lái)，從而降低殘余油飽和度，提高驅(qū)油效率。

3.3 乳化性

聚表劑在驅(qū)替殘余油的過(guò)程中，能夠與原油發(fā)生乳化作用（見圖1），即將較大顆粒的油珠乳化分散在聚表劑溶液中，從而形成滲流阻力較小的水包油型乳化液（將乳化液倒入地層水中，出現(xiàn)類似于將墨汁傾倒進(jìn)水中的分散現(xiàn)象（見圖2），表明乳化液為水包油型）。被乳化了的小油珠在溶液中的滲流阻力較乳化前大幅減小。因此，原來(lái)不能夠自由流動(dòng)的殘余油被乳化分散成小體積后又重新流動(dòng)起來(lái)。

下面以孤島狀殘余油的驅(qū)替過(guò)程為例來(lái)具體說(shuō)明聚表劑的驅(qū)油機(jī)理。聚表劑的分子在水溶液中形成無(wú)數(shù)的高分子小膠束，能夠?qū)⒃透叨惹懈睢⒎稚⑿纬扇榛?，乳狀液油滴通過(guò)側(cè)向擠壓或者刮削作用來(lái)降低邊緣殘余油飽和度，從而提高驅(qū)油效率。位于孔喉邊緣的殘余油是水驅(qū)后殘余油的一種主要存在形態(tài)，室內(nèi)物模實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，進(jìn)入孔隙喉道的乳化液一方面沿著孔隙喉道的中間部位向前流動(dòng)，同時(shí)又不斷地?cái)D壓邊緣部位的殘余油，使其發(fā)生變形，最后將其拉斷，形成獨(dú)立的小油滴。刮削下來(lái)的小油滴不再與乳化液中的其他油滴發(fā)生聚并，而是由乳化液攜帶向前行進(jìn)。乳化液攜帶著小油滴在向前行進(jìn)的過(guò)程中遇到窄小孔喉或阻礙時(shí)也會(huì)產(chǎn)生變形，甚至被卡斷成為更小的油滴，或與其他殘余油發(fā)生聚并（見圖3）。

圖1 聚表劑與原油按不同比例配比乳化

圖2 乳化液倒入地層水能夠分散

4 應(yīng)用情況及今后發(fā)展方向

自2005年開始，先后優(yōu)選若干個(gè)試驗(yàn)區(qū)開展聚表劑驅(qū)礦場(chǎng)試驗(yàn)研究。試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)跟蹤動(dòng)態(tài)變化特征，合理優(yōu)化注入?yún)?shù)，研究配套采出液處理工藝，進(jìn)行了試驗(yàn)區(qū)動(dòng)態(tài)規(guī)律的初步總結(jié)和開發(fā)效果的初步評(píng)價(jià)，對(duì)聚表劑驅(qū)開采規(guī)律有了初步認(rèn)識(shí)。

今后聚表劑驅(qū)油技術(shù)將在研制方面注重增強(qiáng)分子結(jié)構(gòu)的規(guī)整性；在評(píng)價(jià)技術(shù)方面?zhèn)戎赜谘芯咳榛c吸附機(jī)理；在應(yīng)用方面重點(diǎn)研究與不同油層的適應(yīng)性、驅(qū)油效果的主要影響因素以及有效的采出液處理方法等。

圖3 孤島狀殘余油驅(qū)替過(guò)程

5 結(jié)論

1）聚表劑產(chǎn)品在分子機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)上以高分子表面活性劑為主導(dǎo)，具有高效增黏、抗鹽、抗氧化降解、抗生物降解、選擇性堵水等優(yōu)良特性，同時(shí)具備較強(qiáng)的流度控制能力和乳化增溶能力。

2）聚表劑的驅(qū)油機(jī)理主要是通過(guò)其分子在水溶液中形成大量的高分子小膠束，把原油高度切割、分散形成乳狀液，乳狀液油滴通過(guò)側(cè)向擠油或者刮油降低邊緣殘余油飽和度，提高驅(qū)油效率。

3）與普通聚合物相比，聚表劑具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，是一種應(yīng)用前景較好的新型化學(xué)驅(qū)替劑。

4）從大慶油田現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果看，水驅(qū)后開展聚表劑驅(qū)試驗(yàn)效果普遍較好，聚驅(qū)過(guò)程中及聚驅(qū)后開展聚表劑驅(qū)試驗(yàn)效果差異較大。

［1］王啟民，冀寶發(fā)，隋軍，等.大慶油田三次采油技術(shù)的實(shí)踐與認(rèn)識(shí) ［J］.大慶石油地質(zhì)與開發(fā)，2001，20（2）：1－8.

［2］盧祥國(guó)，張?jiān)茖?聚合物驅(qū)后進(jìn)一步提高采收率方法及其作用機(jī)理研究 ［J］.大慶石油地質(zhì)與開發(fā)，2007，26（6）：113－118.

［3］李宜強(qiáng)，董加宇，方慶，等.驅(qū)油用FPS－B劑的流變性和黏彈性及驅(qū)油效率研究 ［J］.石油大學(xué)學(xué)報(bào)，2010（4）：640－644.

［4］中國(guó)石油天然氣總公司科技發(fā)展局，開發(fā)生產(chǎn)局.改善高含水期油田注水開發(fā)效果實(shí)例 ［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1993.

［5］王俊魁.油氣藏工程方法研究與應(yīng)用 ［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1998.

［6］王志章，吳勝和，熊琦華，等.油氣田滲流場(chǎng)特征 ［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2003.