聚合物表面活性劑與油藏匹配性及液流轉向能力研究

王 偉，崔丹丹，嚴 曦，胡 南，莊永濤，苑光宇，閆云貴，王 歡

(中國石油大港油田分公司，天津 300280)

0 引言

目前，聚合物/表面活性劑二元驅、三元復合驅等三次采油技術已成為中國諸多油田提高原油采收率的主要技術［1－4］，現場取得了較好的效果，提高采收率超過15.00個百分點，但多元化學劑間的協同作用機理、色譜分離效應、堿帶來的管道結垢和產出液破乳困難等系列難題仍未得到有效解決。為避免多種化學劑間相互干擾帶來的復雜問題，國內許多科技工作者致力于將以上多種化學劑進行歸一化處理，研發出兼具發揮聚合物流度控制能力和表面活性劑乳化增黏兩者優勢的一元新型驅油劑——聚合物表面活性劑(聚表劑)［5－8］，該類新型驅油劑因其獨特分子結構在增黏、抗鹽、多孔介質中傳輸、驅油等方面對比聚合物表現出較大優勢，在一些礦場試驗中取得了較好的增油效果。但聚表劑的分子結構、溶液特性、油藏深部傳導能力、液流轉向能力及與油藏匹配性等機理研究尚不完善。該文以大港油田A區塊油藏適用的聚表劑為例，通過對比評價聚表劑與聚合物在分子聚集形態、液流轉向能力、剩余油變化情況和驅油效果等方面的差異，充分明確聚表劑的技術優勢，為其應用于中高滲油藏提高采收率提供理論支撐。

1 實驗研究

1.1 材料與儀器

實驗采用的聚合物為天津博弘化工有限公司生產的工業品 BHHP－112，聚合物的固含量為88%，相對分子質量為 2 500×104，水解度為22.3%。聚表劑為上海海博油田化學品有限公司生產的海博I，聚表劑的固含量為88%。實驗用水為大港油田A區塊注入水，礦化度為6 726 mg/L，鈣離子含量為40 mg/L，鎂離子含量為21 mg/L，鈉鉀離子含量為2 040 mg/L，碳酸氫根含量為3 224 mg/L，氯離子含量為1 401 mg/L。實驗用油為大港油田A區塊井口脫水原油，地下原油黏度為19.2 mPa·s。

實驗設備包括美國NICOL ET－560型傅里葉變換紅外光譜儀、日本Hitachi S－3 000 N型高分辨率(5～300 000倍)掃描電鏡(SEM)、美國Brookfield DV－III黏度計、驅油實驗裝置等。

1.2 實驗方法

1.2.1 與油藏匹配性實驗

通過聚表劑溶液流經不同滲透率巖心的壓力變化，評價其與巖心孔隙的匹配性。實驗用巖心尺寸為Φ2.5 cm×10 cm。驅替過程為:注5.00倍孔隙體積聚表劑溶液，再進行后續水驅至壓力穩定。實驗注入速度為5 m/d。實驗溫度為53℃。

1.2.2 傳導性實驗

實驗采用填砂管物理模型，巖心尺寸為Φ2.5 cm×60 cm，巖心滲透率為1 000 mD，巖心注入端布設壓力監測點，隨后每間隔15 cm布設一個壓力監測點，共計4個壓力監測點，相鄰2點壓力差值分別記為 Δp1、Δp2、Δp3、Δp4，其中，△p4為第 4 個測壓點的壓力。驅替過程為:水驅至巖心含水為98%時，轉注0.50倍孔隙體積聚表劑溶液，再進行后續水驅至壓力穩定。聚表劑溶液質量濃度分別為700、1 000 mg/L。實驗注入速度為5 m/d。實驗溫度為53℃。

1.2.3 液流轉向實驗

實驗選用三管并聯物理模型，模型由高、中、低滲透率的均質巖心組成，單支均質巖心尺寸為4.5 cm×4.5 cm×30.0 cm，高滲層、中滲層、低滲層的滲透率分別為2 400、1 500、400 mD。其中，聚合物驅替巖心的高滲層、中滲層、低滲層的初始含油飽和度分別為83.21%、82.03%、77.98%，聚表劑驅替巖心的高滲層、中滲層、低滲層的初始含油飽和度分別為82.66%、81.76%、77.45%。驅替過程為:水驅至含水90%轉注聚表劑或聚合物溶液0.33倍孔隙體積，再進行后續水驅至含水98%結束。聚合物和聚表劑溶液質量濃度均為1 000 mg/L。

1.2.4 驅油能力實驗

實驗選用環氧樹脂膠結三層非均質巖心，巖心尺寸為4.5 cm×4.5 cm×30.0 cm。驅替過程為:水驅至含水98%轉注聚表劑或聚合物溶液1.00倍孔隙體積，再進行后續水驅至含水98%結束。聚合物和聚表劑溶液質量濃度均為1 000 mg/L。

1.2.5 分子結構表征

采用美國NICOL ET－560型傅里葉變換紅外光譜儀表征聚合物與聚表劑的分子結構。

1.2.6 微觀結構表征

采用日本Hitachi S－3 000 N型高分辨率(5～300 000倍)掃描電鏡(SEM)觀察溶液樣品的微觀結構。

1.2.7 黏度測定

在53℃ 下，采用美國Brookfield DV－III黏度計在轉速為6 r/min(對應剪切速率7.34 s－1)下測定目標溶液的黏度。

2 實驗結果與分析

2.1 分子結構

圖1為聚合物和聚表劑的紅外光譜圖，二者譜圖形態大致相似。波數在3 440.00 cm－1左右時，聚表劑和聚合物都具有水中－OH的伸縮振動峰和伯酰胺中－NH2的伸縮振動峰;波數在2 918.32 cm－1和 2 852.75 cm－1左右時，都具有－CH2－不對稱振動峰;波數在1 643.78 cm－1左右時，都具有伯酰胺中C=O的對稱伸縮振動峰。聚表劑與聚合物的不同之處主要體現在，聚表劑在波數為1 077.80 cm－1處出現聚醚的特征吸收峰，在1 381.46 cm－1處出現比較明顯的甲基、亞甲基的特征吸收峰。該光譜特征充分說明了聚表劑是以丙烯酰胺為基本骨架，通過接枝親水和疏水基團得到的丙烯酰胺改性共聚物。

圖1 聚合物與聚表劑的紅外光譜Fig.1 The infrared spectrum of polymer and polymer surfactant

2.2 微觀結構

圖2為聚合物、聚表劑溶液(質量濃度為2 000 mg/L)的掃描電鏡照片。由圖2可知:聚合物分子鏈間相互交纏少，形成稀疏大孔網狀結構，這種分子聚集態包裹水分子的能力很弱，導致增黏性較差，易被擠壓變形，空間位阻小，抗鹽能力差;而聚表劑則不同，聚表劑分子線團尺寸較大，為1.7～7.3 μm，形成線狀、網狀聚集態，存在粗的主干和細的分支，分子鏈間相互纏繞，且整體密集程度均勻，在多孔介質中調剖能力很強，抗拖拽能力也很突出，驅替過程中不容易被拉斷，更容易形成活塞驅，因此，聚表劑在鹽水溶液中整體上表現為良好的增黏性。

圖2 聚合物與聚表劑掃描電鏡照片Fig.2 The stereoscan photograph of polymer and polymer surfactant

2.3 溶液特性

2.3.1 增黏性

圖3為采用A區塊注入水配制的聚合物與聚表劑溶液的黏度隨濃度變化曲線圖。由圖3可知:隨著溶液質量濃度的增加，聚合物溶液黏度以及聚表劑溶液黏度均呈指數關系增加。當溶液質量濃度為500～2 000 mg/L時，聚表劑溶液黏度大約為聚合物溶液黏度的3倍。分析原因:主要是由于聚表劑分子側鏈上引入了疏水基團，當其在溶液極性增加的鹽水溶液環境時，疏水締合作用顯著增強;同時這些疏水基團存在空間位阻效應，使分子鏈更為舒展，導致分子鏈剛性增強，增黏效果尤為顯著。

圖3 聚合物與聚表劑溶液黏度隨濃度變化關系Fig.3 The relation of change in viscosity of polymer and polymer surfactant solution with concentration

2.3.2 抗鹽性

圖4a為聚合物、聚表劑溶液(質量濃度750 mg/L)黏度與NaCl質量濃度的關系曲線。由圖4a可知:聚合物與聚表劑溶液黏度隨鹽度增加均呈下降趨勢。當NaCl質量濃度從0 mg/L增至7 000 mg/L時，聚合物溶液黏度從58.6 mPa·s降至11.3 mPa·s，降幅達80.7%，其抗鹽性較差;而聚表劑溶液黏度從84.2 mPa·s降至47.3 mPa·s，降幅為43.8%，其抗鹽能力相對較強。分析原因:主要是由于鹽度的增加，導致溶液分子鏈受到靜電屏蔽作用開始變卷曲，溶液黏度均呈下降趨勢。但當鹽度增至5 000 mg/L時，隨著溶液極性的增強，聚表劑分子鏈疏水基團的締合效應加強，溶液黏度開始緩慢增加;而聚合物溶液不產生締合效應，單方面受到鹽離子的屏蔽效應，分子鏈變得更加卷縮，溶液黏度依然呈下降趨勢。

圖4b為聚合物、聚表劑溶液(質量濃度750 mg/L)黏度與鈣鎂離子質量濃度的關系曲線。由圖4b可知:聚合物與聚表劑溶液黏度隨鈣鎂離子質量濃度的增加呈下降趨勢。當鈣鎂離子質量濃度從0 mg/L增至87 mg/L時，聚合物溶液黏度從58.6 mPa·s降至 9.3 mPa·s，降幅達 84.1%，其抗鈣鎂離子能力較差;而聚表劑溶液黏度從84.2 mPa·s降至 30.8 mPa·s，降幅為 63.4%，其抗鈣鎂離子能力相對較強。主要是由于Ca2+、Mg2+使溶液分子鏈由伸展構象變成卷曲構象，溶液黏度持續降低。當鈣鎂離子質量濃度達到600 mg/L時，聚表劑溶液出現鹽增稠效應，鹽的加入使溶液極性增大，疏水締合作用增強。

圖4 聚合物、聚表劑溶液黏度與不同鹽、鈣鎂離子濃度變化關系Fig.4 The relation of change in viscosity of polymer and polymer surfactant solution with concentration of different salts and calcium＆magnesium ions

2.4 與油藏匹配性

圖5為不同質量濃度聚表劑注入量與注入壓力的關系曲線。在注入過程中，隨著聚表劑溶液注入體積的不斷增加，若注入壓力升幅逐漸減小并趨于穩定，表明聚表劑分子與巖心匹配性良好;反之則表示該質量濃度的聚表劑溶液與巖心不匹配，即發生了堵塞。將聚表劑溶液通過巖心不發生堵塞的最低滲透率定義為該質量濃度聚表劑的極限滲透率。以質量濃度為200 mg/L的聚表劑溶液驅替為例(圖5)。由圖5可知:當巖心滲透率為600、500 mD時，在注入前期，注入壓力隨注入體積的增大逐漸升高，在注入后期壓力趨于穩定，說明質量濃度為200 mg/L的聚表劑溶液與滲透率為600、500 mD巖心匹配，且隨滲透率增大，壓力升幅減小，說明聚表劑越易注入;當滲透率為400 mD時，注入壓力隨注入體積的增大而升高，但壓力一直無法趨于穩定，說明質量濃度為200 mg/L的聚表劑溶液的極限滲透率為400 mD。依照該方法界定出了質量濃度為700、1 000、1 500 mg/L聚表劑對應的極限滲透率分別為800、1 000、1 350 mD。繪制聚表劑濃度與極限滲透率關系曲線，得到聚表劑濃度與滲透率匹配圖版(圖6)，圖6中曲線的上部為流動區，曲線下部為堵塞區。

圖5 注入壓力與注入量的關系Fig.5 The relation between injection pressure and injection rate

圖6 聚表劑濃度與滲透率匹配關系Fig.6 The matching relation between polymer surfactant concentration and permeability

2.5 傳導性

圖7為質量濃度分別為700、1 000 mg/L的聚表劑溶液，在滲透率為1 000 mD的長巖心中注入體積隨壓力梯度的變化曲線。由圖7a可知:質量濃度為700 mg/L的聚表劑溶液，Δp1先上升，待到前緣突破后開始下降，Δp2、Δp3、Δp4的變化趨勢與Δp1一致，說明聚表劑溶液能夠在巖心中有效運移，質量濃度為700 mg/L的聚表劑溶液的極限滲透率為800 mD，其在1 000 mD的巖心中并不能形成特別有效的封堵，導致其注入壓力在前緣突破后會呈下降趨勢;由圖7b可知:質量濃度為1 000 mg/L的聚表劑溶液Δp1先快速上升，前緣突破后仍然緩慢上升，而Δp2、Δp3、Δp4在壓力上升后基本持平沒有下降趨勢，造成這種原因的關鍵在于溶液質量濃度與滲透率匹配性差，質量濃度為1 000 mg/L的聚表劑溶液的極限滲透率為1 000 mD，聚表劑在1 000 mD的巖心中運移，在注入前端發生了堵塞，Δp1持續上升，而后端由于沒有聚表劑的有效運移，在前期少量聚表劑運移情況下建立的壓差未發生較大改變。因此，聚表劑質量濃度與滲透率匹配圖版中，只要在可流動區域內，聚表劑在巖心中均能順利注入并顯示出較好的傳導性。

圖7 聚表劑注入孔隙體積倍數與壓力梯度關系Fig.7 The relation between PV value of polymer surfactant injection and pressure gradient

2.6 液流轉向能力

表1、圖8為液流轉向能力實驗數據。由表1可知:聚表劑在不同滲流層的采出程度均高于聚合物，聚表劑液流轉向能力均強于聚合物;與聚合物相比，聚表劑對高滲層封堵能力強，高滲層流量大幅下降，開始繞流啟動中低滲透層。由圖8可知:隨著聚合物或聚表劑體系的注入，高滲層的分流率降低，中低滲透層的分流率提高，總體上注入聚表劑后高滲層的分流率降低程度以及中低滲透層的分流率提高程度均高于聚合物。注入聚表劑后高滲層的分流率由81.4%最低下降到47.2%，中滲層的分流率由15.8%最高升至45.1%，低滲層的分流率由3.6%最高升至9.2%;注入聚合物后高滲層的分流率由82.7%最低下降到63.7%，中滲層的分流率由13.5%最高升至28.2%，低滲層的分流率由3.8%最高升至8.7%。為了更清晰地表達聚合物或聚表劑的液流轉向能力，引入剖面改善率表征其大小，剖面改善率為高滲層在水驅和化學驅后分流率的相對降低能力。由式(1)計算的聚表劑剖面改善率為79.3%，而聚合物的剖面改善率僅為63.9%。主要是因為聚表劑具有網狀聚集態，對高滲層的封堵能力更強，而聚合物為稀疏的網狀結構，易被擠壓變形，空間位阻小，對高滲層的封堵能力弱，液流轉向能力弱，波及體積小。

圖8 聚合物與聚表劑不同滲透層注入孔隙體積倍數與分流率的變化Fig.8 The changes in PV value and diversion ratio of polymer and polymer surfactant in different permeable formations

表1 聚合物與聚表劑驅采出程度對比Table 1 The comparison of recovery percents between polymer and polymer surfactant displacement

式中:λ 為剖面改善率，%;Qhb、Qmb、Qlb分別為高、中、低滲層水驅結束后的分流率，%;Qha、Qma、Qla分別為高、中、低滲層注化學劑后的分流率，%。

2.7 不同滲透層剩余油飽和度變化

表2為三管并聯實驗中不同驅替階段剩余油飽和度的變化。由表2可知:聚表劑以及聚合物驅替后，高、中、低3個滲透率巖心剩余油飽和度均呈下降趨勢，聚表劑驅后，中、高滲透層剩余油飽和度的降低幅度較大，降低幅度約為聚合物的2倍。這是因為相同質量濃度的聚表劑具有較高的黏度，其分子能形成網狀密實度較強的聚集體，在多孔介質中拖拽能力更突出，聚集體中有較強的變形能力，更易形成活塞驅，對剩余油的驅替能力要遠勝于聚合物。

表2 不同驅替階段剩余油飽和度變化Table 2 The changes in remaining oil saturation in different displacement stages

2.8 驅油特性

表3為驅油能力實驗結果。由表3可知，純水驅采收率為55.03%，2倍體積系數水驅后若不開展化學驅而是繼續水驅的情況下提高采收率1.11個百分點;聚合物驅最終采收率為64.18%，較純水驅提高采收率10.44個百分點;聚表劑驅最終采收率為70.89%，較純水驅提高采收率16.80個百分點，較聚合物驅采收率提高了6.36個百分點，進一步驗證了聚表劑的驅油能力較聚合物更強。

表3 不同驅替體系不同階段采出程度變化表Table 3 The changes in recovery percents in different stages of different displacement systems

3 結論及認識

(1)聚表劑分子上功能基團的疏水締合作用是其具有增黏、抗鹽特性的主要原因。在53℃、礦化度為6 726 mg/L情況下，溶液質量濃度為500～2 000 mg/L時，聚表劑溶液黏度約為聚合物溶液黏度的3倍。

(2)建立了聚表劑質量濃度與儲層滲透率的匹配關系圖版。隨著聚表劑質量濃度的增大，聚表劑溶液對應的極限滲透率相應增大;聚表劑質量濃度為200 mg/L時，極限滲透率為400 mD;聚表劑質量濃度為1 500 mg/L時，極限滲透率為1 350 mD，通過傳導性實驗證實了匹配圖版的正確性。

(3)聚表劑因其網狀的分子結構賦予了獨特的增黏及調堵能力，其剖面改善率為79.3%，比聚合物提高了15.40個百分點;且聚表劑對中、高滲透層驅油能力較強，中、高滲層含油飽和度降低幅度約為聚合物的2倍，聚表劑驅最終采收率較聚合物驅提高了6.36個百分點。

(4)聚表劑做為一種新型的驅油體系，在增黏性、流度控制方面較常規聚合物有優勢，對比水驅提高采收率幅度大于15.00個百分點，聚表劑在高含水高采出程度的中、高滲油藏中做為一種新型大幅度提高采收率驅油劑具有廣闊的應用前景。