三元復(fù)合驅(qū)體系粘度影響規(guī)律研究

許婧 周志軍 張鶴川

摘 要：為了增加三元復(fù)合驅(qū)協(xié)同效應(yīng)驅(qū)油體系在油層中的有效驅(qū)油運移距離并提高最終驅(qū)油效果，本文通過室內(nèi)實驗和數(shù)值模擬方法，分別研究不同濃度的堿和表面活性劑在含有聚合物的溶液里面，兩者對體系粘度的影響。結(jié)果表明，表面活性劑濃度對粘度影響很小；堿濃度對粘度影響在堿濃度小于0.5%之前十分明顯，但大于0.5%后趨于穩(wěn)定。

關(guān) 鍵 詞：三元復(fù)合驅(qū)；堿；表面活性劑；聚合物；粘度

中圖分類號：TE 357 文獻標識碼： A 文章編號： 1671-0460（2016）08-1711-03

Abstract： In order to increase effective driving oil moving distance of synergistic ASP oil displacement system to enhance the final oil displacement efficiency， laboratory experiment and numerical simulation methods were used to study the influence of different concentrations of alkali and surfactants in the solution containing polymer on the viscosity of the system. The results indicate that the concentration of surfactant has little impact on the viscosity. And when alkali concentration is less than 0.5%， effect of alkali concentration on the viscosity is very obvious， but it is stable when the concentration is more than 0.5%.

Key words： ASP； alkaline； surfactant； polymer； viscosity

化學(xué)驅(qū)是我國注水開發(fā)油田提高采收率的重要手段，堿-表面活性劑-聚合物三元復(fù)合驅(qū)是一種大幅度提高原油采收率的驅(qū)油技術(shù)[1，2]。驅(qū)油液的粘度越高，則擴大波及體積的能力越強，驅(qū)油效果越好。

在三元復(fù)合體系中，表面活性劑和堿對聚合物分子產(chǎn)生的影響發(fā)生了變化，一方面由于螯合作用使粘度增加，另一方面由于離子壓縮聚合物分子線團的雙電層，降低了聚丙烯酰胺的水解度[3]。Nasreid認為[4]，堿可以通過向聚合物溶液提供陽離子和水解聚合物鏈上的酰胺基（堿水解作用）這兩種方式從而改變聚丙烯酰胺溶液的粘度，Nagarajan認為[5]，表面活性劑與聚合物之間的相互作用很復(fù)雜，它與表面活性劑的結(jié)構(gòu)、組成和聚合物的分子量、鏈結(jié)構(gòu)、電荷特性及溶液濃度密切相關(guān)。但目前對三元復(fù)合驅(qū)協(xié)同作用對溶液體系粘度影響的文章并不常見，因此本文以礦場使用的聚合物溶液為基礎(chǔ)，研究堿與三元復(fù)合驅(qū)油體系中的表面活性劑和聚合物間的協(xié)同作用對體系粘度的影響，為堿和表面活性劑三元復(fù)合驅(qū)油體系設(shè)計和礦場應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

堿NaOH：相對分子質(zhì)量非常低的無機鹽；表面活性：ORS-41；聚合物：聚丙烯酰胺Alcoflood1275A。河南油層溫度：65 ℃；地層平均地層水礦化度：4 656 mg/L。

1.2 實驗步驟

將聚合物、NaOH、表面活性劑母液與水按照不同比例配置成不同體系的三元溶液，充分攪拌一個小時后，使用布氏粘度計測量不同濃度表面活性劑和NaOH下的三元溶液粘度，比較三元溶液濃度變化。

2 實驗結(jié)果分析

2.1 堿對溶液粘度的影響

在三元復(fù)合體系中，表面活性劑和堿對聚合物分子產(chǎn)生的影響發(fā)生了變化，一方面由于螯合作用使粘度增加，另一方面由于離子壓縮聚合物分子線團的雙電層，降低了聚丙烯酰胺的水解度[6]。

堿對聚合物溶液粘度影響的機理主要有兩個：一是堿劑加入后，由于體系中增加了大量的Na+，在陽離子作用下，聚合物分子結(jié)構(gòu)的構(gòu)想表現(xiàn)為卷曲，甚至嚴重卷曲，導(dǎo)致溶液表觀粘度大幅度降低；而堿劑的加入，提高了溶液的pH，進一步增大和提高了聚丙烯酰胺在水溶液中的水解度。水解度的增加，有利于聚合物溶液表觀粘度的增加。溶液表觀粘度究竟是升高還是降低，取決于這兩個機理哪個占主要地位。

圖1給出了部分水解聚丙烯酰胺Alcoflood 1275A在NaOH水溶液中體系表觀粘度的變化特征和趨勢。可以看出，在加入0%～2.0%的NaOH時，隨著堿濃度的增加，溶液的粘度急劇下降。當(dāng)NaOH濃度高于0.25%時，隨著濃度的增大，溶液粘度下降幅度變得非常緩慢，甚至不變。顯然，這樣的結(jié)果是由于堿濃度達到一定程度后，即陽離子含量達到一定程度后，在一定溫度條件下，聚合物分子構(gòu)型已經(jīng)最大限度地成為卷曲狀態(tài)。因此，即使隨著堿濃度即陽離子濃度的增加，聚合物分子構(gòu)型沒有進一步卷曲，表現(xiàn)為溶液表觀粘度沒有進一步降低。

圖2給出了NaOH濃度1.0%時，1 000 mg/L部分水解聚丙烯酰胺Alcoflood 1275A在河南油層溫度65 ℃及地層平均地層水礦化度4 656 mg/L條件下，溶液表觀粘度隨時間變化的實驗結(jié)果。

結(jié)果表明，對于部分水解聚丙烯酰胺來說，當(dāng)老化時間不大于5 d時，溶液表觀粘度既沒有增加也沒有降低。但老化時間為5～50 d，溶液粘度下降幅度比較明顯，由初始值63 mPa·s降低到40 mPa·s。研究結(jié)果表明，該階段溶液表觀粘度降低的主要原因是由于溶液中存在少量的氧氣，以及溶液中存在的微生物和細菌的作用，使得部分水解聚丙烯酰胺的分子鏈發(fā)生了斷裂，導(dǎo)致溶液粘度降低[7]。

但在50～150 d的時間內(nèi)，隨著時間的延長，溶液的表觀粘度略有上升，由第50 d的40 mPa·s上升到第150 d的42 mPa·s。盡管上升的幅度非常小，但說明由于堿劑的加入，溶液的pH的增高，提高了部分水解聚丙烯酰胺分子鏈上的水解程度，聚合物分子鏈間的負電荷有所增加，增大了同一分子鏈段之間的經(jīng)典排斥力，最終使分子的卷曲程度在一定程度上有所改善，旋回半徑增大。因此，溶液表觀粘度略有上升。

值得注意的是，盡管加入堿后，在高pH環(huán)境條件下，聚合物的水解程度有所上升，但增加幅度不大，溶液粘度的上升幅度也不是太高。對于油田實際應(yīng)用的意義并不大。

顯然，堿對聚合物溶液粘度的影響取決于這兩個影響因素增減程度的差值。當(dāng)然，與堿的類型和濃度有關(guān)。

2.2 表面活性劑對溶液粘度的影響

通常來說，陰離子的石油磺酸鹽對聚合物溶液粘度影響的機理有兩個：一是表面活性劑的加入帶來了大量的陽離子，如Na+，在它的屏蔽作用下，聚合物分子鏈進一步卷曲，溶液粘度降低；二是當(dāng)表面活性劑加入后，聚合物分子溶液形成聚集體或集合體，導(dǎo)致溶液粘度增加。溶液表觀粘度究竟是升高還是降低，取決于這兩個機理哪個占主要地位[7]。

圖3給出了表面活性劑ORS-41濃度對部分水解聚丙烯酰胺Alcoflood1275A溶液粘度影響的實驗結(jié)果。可以看出，隨著表面活性劑濃度的增加，溶液粘度有所上升，但幅度非常小。這說明，表面活性劑的加入，增加溶液粘度為主要機理，但增加的幅度非常小。

3 三元復(fù)合驅(qū)協(xié)同效應(yīng)的數(shù)值模擬

3.1 模型的建立

本文通過數(shù)值模擬方法來研究堿和表面活性劑對體系粘度的影響，建立協(xié)同效應(yīng)模型。為研究化學(xué)劑協(xié)同效應(yīng)的影響，在V5-6區(qū)塊中截取一個典型的子模型，子模型中囊括了所有實施復(fù)合驅(qū)的層系，網(wǎng)格節(jié)點數(shù)為37 950個，采油井23口，注水井23口，區(qū)塊地質(zhì)儲量為2.29×106 t。

3.2 結(jié)果分析

（1）為研究堿濃度對粘度的影響，在協(xié)同效應(yīng)模型中采取改變主段塞堿濃度從0%～1.5%的變化（圖4中粘度單位為cp）。具體段塞設(shè)置如下：

2010.01-2011.12：注水開發(fā)，注入量0.1 PV/a；

2012.01-2014.06：聚合物1 800 mg/L，表面活性劑0.1%，堿濃度0%～1.5%，注入量0.1 PV/a；

從圖4中變化可以看出，堿濃度由0上升至0.5%過程中，粘度下降幅度十分明顯，但是在堿濃度大于0.5%之后，對粘度的影響很小。這說明堿濃度達到0.5%之后聚合物分子已經(jīng)受堿作用卷曲變形的程度已經(jīng)很高，繼續(xù)發(fā)生卷曲的分子數(shù)量急劇減少。

對比數(shù)值模擬結(jié)果與大慶油田關(guān)于堿濃度對粘度影響的變化特征和趨勢可以看出，在加入0%～0.2%的NaOH時，隨著堿濃度的增加，溶液的粘度急劇下降。當(dāng)NaOH濃度高于0.25%時，隨著濃度的增大，溶液粘度下降幅度變得非常緩慢，甚至不變。這與數(shù)值模擬所得結(jié)果相一致。

（2）為研究表面活性劑對粘度的影響，在協(xié)同效應(yīng)模型中采取改變主段塞堿濃度從0%～1.5%的變化。具體段塞設(shè)置如下：

2010.01-2011.12：注水開發(fā)，注入量0.1 PV/a；

2012.01-2014.06：聚合物1 800 mg/L，表面活性劑0～0.5%，堿濃度0.5%，注入量0.1 PV/a；圖5反應(yīng)了表面活性劑濃度變化對粘度的影響（圖中單位為cp）。從圖中數(shù)據(jù)可以看出，表面活性劑粘度的增大使聚合物粘度略微上升，但上升幅度很小。

對比數(shù)值模擬結(jié)果與大慶油田關(guān)于表面活性劑濃度對聚合物溶液粘度影響的實驗結(jié)果可以看出，隨著表面活性劑濃度的增加，溶液粘度有所上升，但幅度非常小。這與數(shù)值模擬所得結(jié)果相一致。

4 結(jié) 論

綜合以上分析，表面活性劑濃度對粘度影響很小；堿濃度對粘度影響在堿濃度小于0.5%之前十分明顯，但大于0.5%后趨于穩(wěn)定。鑒于油田實際生產(chǎn)過程堿濃度大于0.5%的現(xiàn)狀，堿在該區(qū)間內(nèi)對粘度影響很小，不是堿所產(chǎn)生的協(xié)同效應(yīng)影響的主要方面。

參考文獻：

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