耐溫型分子膜驅油劑性能評價及應用

王鵬濤，趙 琪，王小軍，張 旭，王 勇，劉學偉，趙玉東

（1延長油田股份有限公司杏子川采油廠2青海油田公司采油四廠3青海油田公司采油一廠4中國石油大港油田石油工程研究院）

王鵬濤等.耐溫型分子膜驅油劑性能評價及應用.鉆采工藝，2019，42（5）：91-94

分子膜驅油技術是一種新型的納米膜驅油技術，其驅油機理和傳統的化學驅有所不同，分子膜以水溶液為介質，通過離子間的靜電引力作用吸附在儲層巖石的表面，形成一層單分子膜，從而改變巖石表面潤濕性，可以降低原油與儲層巖石表面的粘附力，使原油易于從儲層孔隙表面剝離開來，達到提高采收率的目的［1-7］。

分子膜驅油技術具有驅油效率高、易施工、費用低和對地層無傷害的特點，具備良好的發展前景。近年來，國內學者對分子膜驅油劑的研究較多，主要集中在分子膜驅油劑的吸附及潤濕特性、驅油機理及現場應用方面［8-13］，但對于分子膜驅油劑的抗溫性能研究報道較少，在中高溫油藏的應用中，需要考慮分子膜驅油劑的抗溫能力。本文針對一種耐溫型分子膜驅油劑進行了室內性能評價，并開展了礦場應用試驗，為分子膜驅油技術在此類型油藏的應用提供了一定的借鑒。

一、實驗部分

1.實驗試劑與儀器

1.1 主要實驗試劑

硝酸銀、環氧氯丙烷、二甲胺，均為分析純；模擬地層水（礦化度為35 520 mg／L）；地層原油（密度為0.82 g／cm3，25℃時黏度為6.85 mPa·s）；儲層天然巖心；耐溫型分子膜驅油劑，自制（有效成分聚合陽離子型季銨鹽的濃度為60%）。

1.2 主要實驗儀器

JZ-200系列自動界面張力儀；HARKE-SPCA視頻接觸角測量儀；巖心抽真空飽和裝置；多功能巖心驅替實驗裝置。

2.實驗方法

2.1 表面張力測定

使用模擬地層水配制不同濃度（0、1 000、3 000和5 000 mg／L）的分子膜驅油劑溶液，在25℃下使用JZ-200系列自動界面張力儀測定溶液的表面張力。

2.2 耐溫性能評價

耐溫型分子膜驅油劑屬于聚合陽離子型季銨鹽，陽離子度是影響其性能的一個重要參數。陽離子度表示陽離子單元在聚合物分子鏈中所占的摩爾分數，如果聚合物的耐溫性能較差，隨著溫度的升高，聚合物分子鏈發生部分斷裂，一部分陽離子單元從聚合物分子鏈上脫落，導致聚合物的陽離子度下降。所以，室內可以通過測定分子膜驅油劑在不同溫度下的陽離子度變化情況，考察分子膜驅油劑的耐溫性能。摩爾滴定法測定不同濃度耐溫型分子膜驅油劑在不同溫度下老化24 h后的陽離子度［14］。根據式（1）計算出分子膜驅油劑的陽離子度CD：

式中：c—AgNO3標準溶液的濃度，mol／L；

v—試樣所消耗的AgNO3標準溶液的體積，L；

m—滴定實驗時不同試樣溶液中含有的分子膜驅油劑的質量，g；

M1—環氧氯丙烷的相對分子質量，為92.52；

M2—二甲胺的相對分子質量，為45.08。

2.3 潤濕性能評價

取三塊天然巖心切片，其中一塊處理成強親水，另一塊處理成強親油，最后一塊不做任何處理。使用OCA15EC型視頻光學接觸角測量儀分別測定不同濃度的分子膜驅油劑溶液在不同巖心切片上的接觸角，評價分子膜驅油劑的潤濕性能。

2.4 吸附性能評價

使用模擬地層水配制不同濃度的分子膜驅油劑溶液，選用洗凈烘干的100～120目鉆屑，將鉆屑與分子膜溶液按質量比為1∶20進行混合，置于恒溫振蕩水浴鍋中，在儲層溫度下恒溫不同時間，用分光光度法測定分子膜驅油劑在巖石表面上的吸附量，評價分子膜驅油劑的吸附性能［15］。

2.5 防膨性能評價

參照石油天然氣行業標準SY／T 5971-2016《油氣田壓裂酸化及注水用粘土穩定劑性能評價方法》測定不同濃度分子膜驅油劑溶液的防膨性能，具體實驗步驟為：使用模擬地層水配制不同濃度（0、1 000、3 000和5 000 mg／L）分子膜驅油劑溶液，備用。稱取0.5 g鈉膨潤土（精確至0.01 g），裝入10 mL離心管中，加入10 mL不同濃度的分子膜驅油劑溶液，充分搖勻，在室溫下放置2 h，放入離心機中，在轉速為1 500 r／min下離心15 min，讀出鈉膨潤土膨脹后的體積V1。使用蒸餾水和煤油代替分子膜驅油劑溶液，重復以上步驟，測定鈉膨潤土在蒸餾水和煤油中的膨脹體積V2和V0，計算防膨率B＝（V2-V1）／（V2-V0）×100%。

2.6 驅油效果評價

（1）選取目標儲層天然巖心洗油后烘干，飽和模擬地層水，計算巖心的孔隙體積和孔隙度。

（2）將處理后的巖心裝入驅替裝置中，加熱至儲層溫度，加圍壓，使用儲層原油驅替至束縛水狀態，并在儲層溫度下恒溫24 h。

（3）在相同溫度和圍壓條件下使用模擬地層水驅替巖心，直至沒有油滴產出，計算水驅油效率Rw。

（4）注入2 PV不同濃度的耐溫型分子膜驅油劑溶液后，關閉驅替流程，在儲層溫度下使巖心吸附反應24 h。

（5）繼續使用模擬地層水驅替至含水率100%，停止實驗，計算最終驅油效率Rt。

二、結果與討論

1.表面張力

按照表面張力測試的實驗方法，在25℃下使用JZ-200系列自動界面張力儀測定溶液的表面張力，實驗結果見表1。

表1 分子膜驅油劑的表面張力測定結果

由表1實驗結果可知，隨著分子膜驅油劑溶液濃度的升高，溶液的表面張力呈下降趨勢，但是降低幅度不大，均在一個數量級上。所以認為該分子膜驅油劑具有一定的表面活性，但不屬于表面活性劑。

2.耐溫性能

按照耐溫性能評價的實驗方法，分別測定濃度為1 000 mg／L、3 000 mg／L和5 000 mg／L的分子膜驅油劑溶液在25℃、50℃、70℃、90℃和120℃下老化24 h后的陽離子度，實驗結果見表2。

表2 分子膜驅油劑耐溫性能評價結果

由表2實驗結果可知，在25℃～120℃下老化24 h后，測定分子膜驅油劑的陽離子度基本沒有變化，這是由于耐溫型分子膜驅油劑的結構比較穩定，在高溫下聚合物分子鏈基本沒有斷裂，陽離子單元損失較少，所以陽離子度變化較小，說明該分子膜驅油劑的耐溫性能較好。當溫度升高至130℃時，陽離子度明顯下降，表明該分子膜驅油劑適合應用于130℃以下溫度的儲層。

3.潤濕性

按照濕潤性能評價的實驗方法，分別測定不同濃度分子膜驅油劑在不同巖心切片上的接觸角，實驗結果見表3。

表3 不同濃度分子膜驅油劑在不同巖心切片上的接觸角

由表3實驗結果可知，不同濃度的分子膜驅油劑均可以降低水在不同潤濕性質的巖心切片上的接觸角（潤濕角），使巖石表面更加親水。這是由于分子膜驅油劑中含有陽離子基團和疏水基，通過水溶液作為傳遞介質，依靠較強的離子間靜電作用力，使分子膜沉積吸附在巖心切片表面形成一層牢固的單分子層納米膜，同時分子膜側鏈上伸展的親水基團排列能使巖石表面具有親水性，從而能夠使巖心切片表面潤濕性向親水方向轉變。在實際應用中可以降低原油與儲層巖石表面之間的粘附力，使原油易于被驅出地層，達到提高采收率的目的。

4.吸附量

按照吸附性能評價的實驗方法，測定不同濃度分子膜驅油劑在巖石表面上的吸附量，見圖1。

圖1 分子膜驅油劑不同時間下在鉆屑上的吸附量

由圖1結果可以看出，不同濃度分子膜驅油劑在鉆屑上的吸附量隨著時間的延長而逐漸增大，當吸附時間為15 h以后，吸附量逐漸趨于穩定。另外，當分子膜驅油劑濃度達到3 000 mg／L以后，隨著分子膜驅油劑濃度的增加，吸附量基本不再變化，說明分子膜在固相界面上的吸附量已經達到飽和，飽和吸附量達到15 mg／g以上，吸附量較大。這是由于耐溫型分子膜驅油劑屬于聚合陽離子型季銨鹽，陽離子度較高，與鉆屑之間具有較強的陽離子交換吸附能力，分子間以氫鍵作用力結合，從而可以在巖石表面形成一層分子膜，改變巖石表面性質和原油的存在狀態，有利于提高原油采收率。

5.防膨性

按照防膨性能評價的實驗方法，測定模擬地層水和不同濃度分子膜驅油劑溶液的防膨性能，實驗結果見表4。

表4 不同濃度分子膜驅油劑的防膨率

由表4實驗結果可知，分子膜驅油劑濃度達到3 000 mg／L時，其防膨率可以達到90%左右，具有良好的防膨性能。這是由于分子膜驅油劑具有較強的吸附在黏土表面的能力，其在黏土表面大量吸附以后，會阻止水溶液與黏土礦物之間的陽離子交換，使水分子不容易進入到黏土礦物的晶格中，從而表現出較好的防止黏土水化膨脹的能力［16］。另外，分子膜中的陽離子基團能夠中和黏土表面的負電荷，減少其負電性，通過壓縮黏土顆粒的雙電層來抑制黏土顆粒的水化分散作用。在現場驅油過程中，無需單獨添加防膨劑，可以達到節約成本的目的。

6.驅油效率

按照驅油效果評價中的實驗方法分別測定濃度為1 000 mg／L、3 000 mg／L和5 000 mg／L的分子膜驅油劑溶液的驅油效率，實驗結果見表5。

表5 不同濃度分子膜驅油劑驅油效率

由表5實驗結果可以看出，水驅后注入2 PV的不同濃度分子膜驅油劑后，均可以提高最終驅油效率。通過比較不同濃度分子膜驅油劑的驅油效率，并綜合考慮經濟因素，認為分子膜驅油劑濃度為3 000 mg／L時最為合適，其驅油效率的增幅較為明顯，可使水驅后的采收率提高11%以上，最終采收率達到67%左右，增油效果顯著。

三、礦場應用

陸上某油田M區塊屬于中低滲儲層，泥質含量較高（8.6%），儲層溫度較高（106℃）。區塊內目前共有油井19口，水井10口，由于長期采用注水開發，已進入中高含水期，注水開發效果不理想。

為進一步提高該區塊水驅開采效果，開展了耐溫型分子膜驅油技術研究及應用，結合室內實驗研究結果和現場實際情況，對區塊內中心區域的3口注水井進行注耐溫型分子膜驅油劑現場試驗，注入濃度為3 000 mg／L，累積注入耐溫型分子膜驅油劑4.5 t。采取施工措施30 d后，對應的兩口油井（M-3井和M-9井）產液量和產油量均有大幅提高，并且有效期較長，累計增油均達到500 t以上。具體應用效果統計見表6。

四、結論

（1）室內對耐溫型分子膜驅油劑的性能進行了評價，結果表明，該分子膜驅油劑的陽離子度較高，耐溫性能較好，與儲層巖石表面的吸附作用較強，形成沉積膜后，能顯著改變巖石表面的潤濕性，使其親水性增強，并且具有良好的防膨性能，從而有利于提高原油采收率。

（2）驅油實驗結果表明，當耐溫型分子膜驅油劑濃度為3 000 mg／L時，可在原來水驅的基礎上，使驅油效率提高11%以上。

（3）通過對M區塊中心區域內3口注水井注入耐溫型分子膜驅油劑試驗，在施工措施30 d后，對應油井產能大幅度提高，有效期達250 d左右，單井累計增油達到500 t以上，增油效果顯著，具有良好的推廣應用前景。