蘇北油田稠油CO2復合吞吐用新型降黏劑合成及性能評價

蔣永平 宋宗旭 趙梓平 梁珀 王婧 孫致學

1.中國石化臨汾煤層氣分公司；2.中國石化華東油氣分公司泰州采油廠；

3.中國石油大學(華東)石油工程學院

稠油是指油層溫度下脫氣原油的黏度超過100 mPa · s的原油。稠油在世界油氣資源中占有較大的比例。據統計，世界稠油、超稠油和天然瀝青的儲量約為100億t［1］。稠油蠟質、膠質和瀝青質等物質含量高，導致原油黏度高，流動阻力大。如何高效經濟地降低稠油黏度、降低油層內流動阻力、提高油井產量成為實現稠油有效開發的關鍵問題。目前，國內外稠油油田成熟的開采技術主要有加熱法、摻稀油法、稠油催化改質降黏和化學藥劑降黏法。蘇北油田由于含油面積小，儲量豐度低，難以形成完善的注采系統，大油田普遍適用的成熟稠油開采技術受油藏儲量規模、油藏埋藏深度等客觀條件限制，達不到工業化開采所要求的經濟技術條件。基于蘇北地區豐富的CO2資源優勢，提出了CO2化學復合吞吐稠油開采技術，新型降黏劑是該技術方法的核心［2-3］。通過在降黏劑分子中引入苯環結構來降低膠質、瀝青質間的π-π堆積作用，合成了高分子表面活性劑型降黏劑。室內實驗評價表明，改型降黏劑具有較好的耐溫抗鹽性，對蘇北油田不同種類的稠油均具有良好的降黏效果，CO2與該降黏劑混注仍具有穩定的降黏率，通過CO2攜帶、攪拌形成細小的乳狀液，把原油流動時油膜與油膜之間的摩擦變成水膜與水膜之間的摩擦，達到CO2增能和化學劑降黏的復合吞吐［4-5］。現場實施取得了較好的增油降水效果，為蘇北油田“小、碎、深、薄、低”極復雜斷塊稠油底水油藏及國內同類復雜斷塊稠油油田的有效開發提供技術支持。

1 實驗部分

1.1 實驗儀器及試劑

主要實驗儀器：NDJ-5S旋轉黏度計；恒溫水浴鍋；機械攪拌裝置等。

主要實驗試劑：十八烷基二甲基胺(分析純)；三芐胺(工業品)；乙醇(分析純)；環氧氯丙烷(分析純)；二乙烯三胺(分析純)等。

1.2 新型稠油降黏劑的合成

新型稠油降黏劑的具體合成步驟：（1）將一定比例的十八烷基二甲基胺和三芐胺加入帶有攪拌裝置的反應容器中，并加入0.7 mol乙醇，混合后置于恒溫套中恒溫0.5 h，形成均一溶液。用滴液漏斗向反應容器中緩慢滴加環氧氯丙烷，滴加完畢將反應液升溫至80℃，反應2.0 h。（2）將二乙烯三胺加入帶有攪拌裝置的反應容器中，加入0.7 mol乙醇，升溫至80℃，用滴液漏斗緩慢滴加環氧氯丙烷，滴加完畢后保持該溫度反應2.0 h。（3）將第一步得到的產物用滴液漏斗滴加至第二步的反應混合物中，滴加完畢后升溫至90℃，反應2.5 h，得到產物[6-10]。

1.3 降黏劑性能評價

按照中石化Q/SHCG 65—2013《稠油降黏劑技術要求》的標準評價降黏劑對興北稠油的降黏效果［11］。配制質量分數為0.05%至2.0%的降黏劑溶液待用，將油樣分別與不同質量分數的降黏劑溶液按7∶3混合；混合均勻后在50℃水浴中靜置1 h，將混合體系攪拌均勻，利用NDJ-5S旋轉黏度計測定混合乳狀體系的黏度，計算降黏率[12-15]。

2 結果與討論

2.1 降黏劑分子結構對于降黏效果的影響

通過改變線性胺與三芐胺的比例，制備了5種不同三芐胺含量的降黏劑樣品，原料配比見表1。如表1所示，在原料配比中隨著三芐胺的增加，降黏劑樣品的性能隨之提高，降黏率先增加后趨于穩定。1#樣品(未加入三芐胺)降黏率為61.23%，而3#樣品(線性胺/三芐胺為7∶3)的降黏率為93.21%，繼續增加三芐胺的比例后，降黏率變化不大，4#樣品為93.56%，5#樣品為93.63%。這是因為在稠油中，膠質、瀝青質分子之間存在π-π堆積作用，引入三芐胺后，三芐胺中的苯環可以分別和膠質、瀝青質分子上的芳香結構形成π-π作用，從而破壞了原本分子間的作用力，達到了破壞稠油各組分之間相互作用的效果［8-9］。因此，線性胺與三芐胺的最佳配比為7∶3。

表 1 新型降黏劑不同原料配比關系Table 1 Proportion of raw materials in the novel viscosity reducing agent

2.2 新型降黏劑性能評價

研究了降黏劑的加量、原油種類、溫度、礦化度及CO2溶解度等因素對降黏效果的影響。

2.2.1 質量分數對降黏效果的影響

油樣分別與不同質量分數的降黏劑溶液按7:3混合，混合均勻后于50 ℃水浴中靜置1 h，測定混合乳狀體系的黏度，計算降黏率結果見表2。從表2可以看出，隨著降黏劑質量分數的增加，原油的黏度逐漸降低。降黏劑質量分數為0.5%時，降黏率為94.29%；而當降黏劑的質量分數增加到2.0%時，原油的降黏率達到了99.16%。在降黏劑的表面活性劑組分的作用下，使稠油由W/O型乳狀液轉變為O/W型乳狀液，將原油流動時油膜與油膜之間的摩擦轉變為水膜與水膜之間的摩擦；同時活性劑組分會使W/O型乳狀液破乳而生成游離水，從而形成“懸浮油”、“水漂油”。通過以上作用增加了原油的流動性，從而達到降低原油黏度的目的。

表 2 不同質量分數降黏劑的降黏效果Table 2 Viscosity reducing effect of viscosity reducing agent at different mass fractions

2.2.2 溫度對降黏劑效果的影響

在稠油中加入0.5%的降黏劑后，測定該油樣在不同溫度下的黏度，并與未加降黏劑油樣的黏溫曲線做比較［16］。如圖1所示，隨著溫度的升高，原油的黏度逐漸降低并趨于平穩。同時，加入降黏劑前后原油黏溫曲線的變化趨勢基本一致，不同在于加入降黏劑后原油黏度普遍降低。加入0.5%降黏劑后，50 ℃時原油黏度為406 mPa · s，80 ℃時原油黏度129 mPa · s。因為溫度升高后，原油體積膨脹，原油內膠質、瀝青質等組分的分子間距離增加，相互之間的引力減小，一部分中間相態的碳氫化合物在高溫下由液相轉變為氣相，使得原油密度減小，其黏度也會隨之降低。

圖 1 加入降黏劑前后原油的黏溫曲線Fig. 1 Viscosity-temperature curve of crude oil before and after the addition of viscosity reducing agent

2.2.3 不同礦化度條件下降黏劑性能評價

在50 ℃、0.5%降黏劑用量條件下，評價了不同礦化度地層水對降黏劑的影響。如圖2所示，地層水礦化度對降黏劑的影響并不明顯，在50 ℃、0.5%降黏劑加量下，當礦化度從0 mg/L增加至30 000 mg/L時，黏度在290 mPa · s左右浮動，變化并不明顯。因為降黏劑的分子中的親水結構為陽離子型季銨鹽結構，地層礦化水中的高價陽離子對其影響較小，因而降黏劑具有較好的抗鹽性能［14］。

圖 2 礦化度對降黏效果的影響Fig. 2 Influence of salinity on viscosity reducing effect

2.2.4 不同CO2溶解度條件下降黏劑性能評價

CO2在地層中會溶解于水，導致pH值下降。考慮到CO2可能對化學降黏效果產生影響，選擇興北1平1井原油，降黏劑質量分數為1%，使用蘇北黃橋CO2氣田氣樣。通過控制不同CO2溶解量，調整油水體系pH值為6、5、4、3，評價pH值對降黏劑降黏性能，如表3所示。由表3可知，存在CO2條件下，降黏劑能降低乳狀液體系的黏度，但pH值低于4時，降黏效果變差。降黏率在pH值為4～6降黏率比較穩定，當pH值低于4時，降黏率急劇下降。一方面酸性環境可以改變降黏劑分子的存在狀態，從而影響了降黏效果；另一方面原油中本身含有一些天然的表面活性物質，這些物質的化學結構也受到體系pH值的影響，其表面活性隨體系pH值變化亦產生不同。

表 3不同酸性條件下降黏劑的降黏效果Table 3 Viscosity reducing effect of viscosity reducing agent under different acid conditions

3 現場應用效果

興北區塊含油層系為三垛組一段，油層段孔隙度為25.4%～34.7%，平均孔隙度為31.6%，滲透率為0.354～4.144μm2，平均滲透率為1.259μm2；原油密度為0.955～0.978 g/cm3，平均密度為0.97 g/cm3，地面原油黏度為2 474.84～10 336.60 mPa · s，平均黏度為6 503.95 mPa · s，含硫量為1.10～1.31%，平均含硫量為1.20%，平均凝固點為19.0℃。該區塊早期采用水平井彈性開發，由于油水流度比差異大，導致底水脊進嚴重，油井特高含水關停。綜合興北區塊儲層韻律特征、產吸剖面、水淹層測井解釋及生產動態分析，明確了水平井水淹狀況及底水區水脊抬升動態演化過程。針對研究區地質、油藏及開發特征，應用垛一段天然巖心制備長度為0.8 m長巖心并搭建CO2復合吞吐物理模擬實驗裝置，通過多組對比試驗(CO2吞吐、新型降黏劑水溶液吞吐、CO2+新型降黏劑水溶液復合吞吐)，優選了研究區興北1平1井降黏劑注入方式、用量及注入程序等施工參數：注氣前先注入0.5%降黏劑+0.2%KD-43緩蝕劑洗井液40 m3，2%的降黏劑溶液250 m3(降黏劑5.2 t)；注入時間為9 d，注入速度為110 t/d，注入壓力為5.8 MPa，降黏劑注入總量為5 t，燜井5 d后放噴生產9 d，初期日產油9.7 t/d，含水由99%降至6%，日增油9 t，單次吞吐周期內累計增油661 t，換油率達到0.66，與常規開采方式相比，取得了顯著的增油降水效果。

4 結論

(1)制備了一種新型高分子表面活性劑型稠油降黏劑，明確了降黏機理，降黏劑作為表面活性劑起到了乳化降黏的作用，通過在降黏劑分子中引入苯環結構，可以降低膠質、瀝青質間的π-π堆積作用。在此基礎上，確定了樣品最佳原料配比，使其不但具有良好的降黏性能而且還具備一定的耐溫抗鹽性。

(2)評價了新型降黏劑對蘇北盆地興北油田的高黏原油的降黏性能：降黏劑用量為0.5%時，2種不同黏度范圍的稠油降黏率都達到了90%以上；降黏劑用量為1.0%時，降黏率達到了98%以上。研究了降黏劑的加量、原油種類、溫度、礦化度及CO2溶解度等因素對降黏效果的影響規律。

(3)現場開展了興北1平1井CO2復合吞吐礦場試驗，應用效果降水增油效果顯著，單次吞吐周期累積增油661 t，為復雜斷塊稠油油藏的經濟有效的開發提供新方法。