聚表劑納米催化劑驅油體系效果評估

賀皓楠，張志全，閆夢

聚表劑納米催化劑驅油體系效果評估

賀皓楠，張志全，閆夢

（長江大學 石油工程學院，湖北 武漢 430100）

聚表劑驅油技術是一種集調剖及驅替為一體的新型驅油技術，主要是通過增粘性，粘彈性和乳化性這三種性能來提高采收率。納米催化劑材料在石油化工工業中具有改善產品構造，提高產品質量、產率和附加值的作用。在研究聚表劑和納米催化劑在稠油熱采中的主要作用以及他們提高采收率效果的同時，探究聚表劑和納米催化劑混合后，同時注入地層是否能同時發揮二者優勢，并尋求最優化的聚表劑-催化劑驅油體系，從而極大的提高原油采收率。納米催化劑的注入性好，聚表劑的流度控制作用強，先注聚表劑擴大波及體積，后注入納米催化劑改善原油物性，最后蒸汽吞吐能夠提高單井吞吐效果。

聚表劑；納米催化劑；稠油熱采；提高采收率

聚表劑也被稱作活性聚合物[1]，與普通聚合物相比，聚表劑的優勢在于：聚表劑的水溶液擁有在聚丙烯酰胺碳氫鏈[2]的分子鏈側基上發生接枝共聚而得到功能性單體或功能基團，使得表面活性劑附著在原聚合物的碳氫鏈上，所以聚表劑的水溶液在具備了新特性的同時也具備了雙重特性[3]。根據聚表劑的分子結構的特點來看，它與表面活性劑有很大的區別，表面活性劑是通過減小在油水兩相體系中的油水界面張力來提高采收率，而聚表劑則是將非極性物質高度分散在非水體系中，首先形成乳狀液[4]，從而在非水體系中來突破表面活性劑的局限性；對于低分子量和較低濃度的水溶液或者不含水的原油，聚表劑是通過統一體相粘度和活性以及增粘能力和增溶能力來使油水界面降低[5]。

納米技術[6]是一種用單個原子或分子制造物質的科學技術，特點在于其研究的尺寸極小，范圍在0.1~100 nm之間。隨著石油化工的發展，催化劑技術也變得越來越重要。納米技術之所以能夠運用在催化劑當中，是因為納米晶粒具有表面活性多且沒有空隙的特點，能夠改變反應物的反應速度且不改變化學平衡、質量及性質。通常情況下，納米催化劑主要分為兩類：一類是金屬納米催化劑，主要是將貴金屬作為基礎，例如：鉑、銀等，另一類是將氧化物作為基礎，并利用活性等手段，結合化學反應歷程研發的納米催化劑。納米催化劑能夠直接添加到液體中，確保在熱量向外擴散的同時局部不會失去活性。納米催化劑材料在石油化工工業中表現出的特性有：改善產品構造，提高產品質量、產率和附加值。納米催化劑技術在石油化工中占據著不可替代的位置。

隨著世界油氣的不斷開發，稠油[7]開采越來越受到人們的重視，如何有效的利用熱采技術開采稠油油藏變得越來越重要，蒸汽吞吐[8]是開采稠油的主要方法。就當前化學驅發展的前景來看，單一的表面活性劑驅、聚合物驅和催化劑驅不能滿足現代采油要求，彼此相互結合的協同作用被更加看好。各種類型的驅替劑相互作用產生的協同效果使驅替劑的濃度較小同時油水界面降低，這作用遠遠強于單一驅油劑[9]。本次實驗在研究聚表劑和納米催化劑在驅油中的主要作用以及提高采收率的同時，探究聚表劑和納米催化劑混合后，同時注入地層是否能同時發揮二者優勢，并尋求最優化的聚表劑-催化劑體系從而極大的提高原油采收率。

1 實驗部分

1.1 實驗儀器

平流泵、恒溫烘箱、蒸汽發生器、填砂管、活塞容器、壓力表若干、電子秤、回壓閥等。

1.2 實驗條件

溫度：主烘箱180 ℃，副烘箱110 ℃；

飽和用水：模擬地層水、蒸餾水；

驅替劑：蒸餾水（蒸汽）、HB-BI聚表劑(濃度為0.5%)、納米催化劑（濃度為0.5%）；

實驗用油：超稠油（180 ℃黏度為9.5 mPa·s）。

1.3 實驗方案

方案一：蒸汽驅至含水率98%；

方案二：1PV蒸汽驅＋1PV聚表劑（燜井4 h）＋1PV蒸汽驅＋1PV催化劑（燜井24 h）＋蒸汽驅至含水率98%；

方案三：1 PV蒸汽驅＋1.5 PV混合劑（燜井6 h）＋蒸汽驅至98%含水率。

1.4 實驗步驟

1.4.1 填砂管抽空飽和

往填砂管內均勻填砂，抽至真空后飽和水，測滲透率，飽和油。

1.4.2 蒸汽驅階段

采用一注一采井位[10]，把平流泵的流量設定為3 mL/min將蒸餾水注入蒸汽發生器（考慮到恒溫箱外管線的溫度流失將蒸汽發生器[11]溫度設定為220 ℃，主恒溫箱設定為180 ℃，副恒溫箱110 ℃，出口端回壓閥設定為1 MPa。蒸汽驅1 h即1 PV，每10 min在出口端取一組樣品，待油水分離后分別稱重計算含水率及采收率。

1.4.3 化學驅階段

將配置好的聚表劑和納米催化劑放置在副烘箱的中間容器中，將平流泵的流量設定為3 mL/min，采用一注一采井位按照方案中的要求進行化學驅，入口端模擬注入井，出口端模擬生產井，每10 min在出口端取一組樣品，油水分離后分別稱重計算含水率及采收率。

1.4.4 后續蒸汽驅階段

采用一注一采井位，把平流泵的流量設定為3 mL/min將蒸餾水注入蒸汽發生器，方法同蒸汽驅階段，每10 min在出口端取一組樣品，驅替至含水率98%，目的是與蒸汽驅和化學驅做對比，觀察后續水驅的效果。

1.4.5 清洗實驗儀器，結束實驗。

2 結果與討論

在忽略滲透率、空隙體積有所差異的影響下，第一組實驗單純注蒸汽驅油[12]其最終采收率為40%，其他幾組均注入了藥劑，可以看出其他幾組最終采收率皆有提高平均在20%左右，詳情見表1。說明在復合驅替的過程中，聚表劑與納米催化劑存在協同效應[13]，并且這種協同效應強于單一驅替劑的作用，他們通過不同的作用機理改善驅替過程，提高原油采收率[14]，為進一步探究其協同增效奠定基礎。

表1 模擬驅替實驗結果

第一組實驗為不添加任何化學驅替劑的蒸汽吞吐[15]實驗，在蒸汽注入的初始階段啟動壓力較高，隨著蒸汽的注入壓力略有降低并趨于平衡，但壓力始終處于一個較高的數值。蒸汽驅到含水率98%時，最終采收率為40%，詳情見圖1。

圖1 第一組模擬驅替實驗

可以看出在不添加任何化學驅替劑的情況下蒸汽驅的效果并不理想，這也為后續的實驗奠定了基礎。

從圖2第二組實驗數據可以看出，第一次蒸汽驅1 PV后采收率為30%，從注入聚表劑開始一直到蒸汽驅結束最終采收率接近55%，原油采收率提高25%。從采出油的狀態看，注入聚表劑后采出原油均有乳化現象，其乳狀液類型以油包水乳狀液[16]為主，對采出液需要進行破乳脫水。這種現象體現出聚表劑的驅替機理是首先發揮調剖作用，從而擴大波及體積，通過粘彈性[17]展現洗油效率，并且能夠有效降低流度比[18]。在注入納米催化劑的過程中注入壓力有明顯上升，反映出納米粒子催化劑的不穩定性，溫度的升高導致了納米顆粒的膨脹，從而出現了空隙體積減小滲和透率減小的情況，導致注入壓力上升。從驅油效果和最終采收率來看，納米催化劑驅和后續蒸汽驅的驅油效果較差，采收率提高10%左右。對比第一組最終采收率提高20%左右，說明在聚表劑擴大波及體積和納米催化劑改善原油物性的協同作用下，無論是驅油效果還是最終采收率都有明顯的提高。

圖2 第二組模擬驅替實驗

從圖3可以看出在注入按1∶1聚表劑和納米催化劑的混合劑過程中，注入壓力越來越高，說明在注入混合劑的復合驅替過程中仍然出現了高溫導致納米顆粒膨脹的情況，使得空隙體積和滲透率下降，聚表劑和納米催化劑的混合并沒有改善納米顆粒在高溫下的不穩定性。根據采出樣品的情況來看，采出液乳化情況相對于第二組實驗較差并且出液量變少，聚表劑和納米催化劑的混合劑使得聚表劑濃度降低，乳化性下降，導致洗油效率下降。后續蒸汽驅[19]采收率56.2%，采收率提高16.2%。對比方案一來看洗油效率和最終采收率[20]都有所提高，但是對比方案二可以發現洗油效率和最終采收率都有所下降。聚表劑和納米催化劑1：1混合后，同時注入地層并不能完全發揮聚表劑擴大波及體積和納米催化劑改善原油物性的效果，無法達到預期目標。

圖3 第三組模擬驅替實驗

3 結論

（1）聚表劑的乳化性和粘彈性在稠油熱采中對于提高采收率和洗油效率有明顯的作用。

（2）納米催化劑在高溫下的不穩定性導致驅替過程中注入壓力不斷升高，其提高反應速度且不改變化學平衡的特性在稠油熱采中起到一定的作用，對于最終采收率和洗油效率有小幅提升。

（3）聚表劑和納米催化劑混合注入后提高采收率16.2%，后續水驅效果一般，二者的協同作用沒有很好的表現出來，存在注入壓力上升和乳化性下降的問題，建議改變催化劑或聚表劑濃度優選出較好的驅油體系。

（4）結合二者的注入性，在稠油吞吐過程中需要發揮二者的優勢，建議先注聚表劑擴大波及體積，后注納米催化劑改善原油物性，最后蒸汽吞吐提高原油采收率。

［1］ 郭東紅.聚表二元驅表面活性劑的研究與應用進展[J].精細石油化工，2012,04:69-73.

［2］ 姜曉磊，盧祥國，苑盛旺，等.改善聚表劑溶液儲層適應性方法及其效果評價[J].石油地質與采收率,2015（6）.

［3］ 趙利，王克亮，邵金祥，等.聚表劑溶液的性能和驅油效果實驗研究[J].大慶石油地質與開發,2010,29(2):105-109.

［4］ 牛偉麗，盧祥國，王樹霞，等.聚表劑溶液性質特征及其機理分析[J].大慶石油地質與開發,2010,29(1):110-114.

［5］ 閆麗萍.新型驅油劑聚表劑的特征及驅油機理研究[J].長江大學學報（自然科學學版）,2014(9).

［6］ 賀會群，張洪川.納米技術在石油領域的獨特應用與前景展望[J].江漢機械研究所，2010，18（03）：259-261.

［7］ 徐立研，王胡振，張立韌，等.中國致密油研究現狀及發展趨勢[J].當代化工，2017,46（1）：86-88.

［8］ 程緒船，張懷智，李開興.稠油熱采井雙管吞吐工藝技術[J].特種油氣藏,2010,6(2):38-40.

［9］付京，宋考平，王美楠，等.稠油聚合物驅滲流速度及驅替效果影響因素分析[J].當代化工，2014,46（12）：2578-2581.

［10］陳陽.聚/表二元體系注入時機對驅油效果影響研究[J].當代化工，2017，46（1）:37-41.

［11］趙發明.超稠油高溫取樣器的研究與應用[J].內蒙古石油化工, 2012,7:20.

［12］曾玉強，劉蜀知，王琴等.稠油蒸汽吞吐開采技術概述[J].特種油氣藏, 2006,13(6):5-9.

［13］程光明，陳超，盧珊珊，等.化學驅替劑的研究進展[J].當代化工，2016，46（2）:383-385.

［14］王亮，盧祥國，鄧慶軍，等.聚合物驅后進一步提高采收率方法及其技術經濟效果評價[J].油田化學,2010,4(27):385-390.

［15］李輝，李偉忠，周瑞松,等.王莊油田鄭411塊特超稠油開采機理與評價方法[J].石油地質與工程，2009,23(2):64-66.

［16］趙嵩.聚表劑驅油機理對比分析[J].內蒙古石油化工，2015（15）:33-38.

［17］王磊，鄭紅梅，孫海濤，等.聚表劑理化性能評價及流動特征研究[J]. 吐哈油氣,2012(1):33-35.

［18］龔亞，楊帆，李忠華，等.聚表劑的溶液特性與室內驅油效果評價[J]. 當代化工,2016,45(8):53-56.

［19］馬學峰.稠油薄層油藏吞吐開發規律及經濟性評價研究[J].油氣田地面工程，2006,25(4):13-16.

［20］張莉，崔曉紅，任韶然.聚合物驅后油藏提高采收率技術[J].研究石油與天然氣化工,2010,2(39):144-148.

Evaluation on the Effect of Polymer-surfactant Nano-catalyst Flooding System

（College of Petroleum Engineering, Yangtze University, Hubei Wuhan 430100, China）

Polymer-surfactant flooding technology is a new oil displacement technology with profile control and displacement, improving three properties of viscosity, viscoelasticity and emulsification can improve oil recovery. Nano-catalyst materials in the petrochemical industry can improve product structure, quality and yield. In this paper, the main role of polymer-surfactant and nano-catalyst in heavy oil thermal recovery was studied as well as their effect for improving oil recovery. After they were mixed and injected into the formation together, the synergistic action was investigated, the optimal polymer-surfactant catalyst flooding system was determined to greatly improve the oil recovery. The injectivity of nano-catalyst is good, the flow control effect of the polymer-surfactant is strong, so polymer-surfactant should be first injected to extend swept volume, and then nano-catalyst should be injected to improve physical properties of crude oil, final steam stimulation can improve single well throughput.

Polymerization agent; Nano catalyst; Heavy oil thermal recovery; Enhanced oil recovery

TE 357

A

1671-0460（2017）12-2490-03

2017-05-06

賀皓楠（1992-），男，湖北省潛江市人，研究生在讀，研究方向：油氣開采理論與工藝技術。E-mail：superhhn163@.com。