新疆油田高礦化度回注水配制二元驅油體系研究

闕庭麗，關 丹，欒和鑫，焦秋菊，張國山，向小玲

（1.中國石油 新疆油田分公司，新疆 克拉瑪依 834000；2. 中國石油天然氣集團公司 礫巖油氣藏勘探開發重點實驗室，新疆 克拉瑪依 834000；3. 中國石油天然氣集團公司 油田化學重點實驗室新疆油田分研究室新疆 克拉瑪依 834000）

二元復合驅體系在無堿條件下能使油水界面張 力達到超低，且使油水體系產生適度乳化，這促使二元復合驅技術取得較快發展[1-5]。新疆屬于淡水資源匱乏地區，將回注水應用于二元復合驅配液不僅可以節省大量清水資源，而且可以減少回注水外排造成的環境污染[6-8]。在中國石油新疆油田分公司采用水質組成較簡單、礦化度低的回注水配液取得了較好的效果，但對于水質較復雜、礦化度較高的回注水配制二元復合驅目前仍處于實驗室研究階段。經研究發現，疏水締合聚合物KYPAM在回注水中具有良好的増黏性能、流變性能和驅油性能[9]，中國石油新疆油田分公司研發的表面活性劑環烷基石油磺酸鹽（KPS）具有較好的降低油水界面張力的性能，優選疏水締合聚合物KYPAM和表面活性劑KPS組成二元驅油體系，應用在中國石油新疆油田分公司二元復合驅中。中國石油新疆油田分公司A井區儲層巖性以含礫粗砂巖、砂礫巖、砂質礫巖為主，地層溫度為43 ℃，滲透率為0.182 μm2，孔隙率為16.9%，地層原油黏度為8.2 mPa·s，地層水水型為NaHCO3，適宜開展二元復合驅研究。

本工作優選疏水締合聚合物KYPAM和KPS配制成二元復合驅油體系，考察了該體系的黏度、油水界面張力、耐鹽、老化穩定性、乳化等性能，并研究了該體系在高礦化度回注水配制條件下的驅油性能。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

疏水締合聚合物KYPAM：分子量1.62×107，固含量88.65%（w），水解度26.76%，疏水基含量為0.2%（w），北京恒聚化工集團有限責任公司。KPS：活性物含量約為30.02%（w），未磺化油為8.94%（w），無機鹽為4.64%（w），平均分子量為452，新疆金塔集團有限公司。石蠟基油：飽和烴含量為66.04%（w），芳香烴含量為9.16%（w），膠質含量為7.55%（w），瀝青質含量為15%（w），酸值為0.186 mg/g，原油黏度為17.84 mPa·s，中國石油新疆油田分公司A井區B油井。

MCR92型流變儀：奧地利安東帕公司；QUANTA 450型環境掃描電子顯微鏡：美國Thermo Fisher公司；SDT型旋轉滴超低界面張力儀：德國KRUSS-GmbH公司；EURO-STAR 型高速攪拌器、T25型乳化機、KS 4000i CS25 型控溫搖床：德國 IKA 公司；OKFKJ-200 型安瓿瓶熔封機：沃克能源公司；UV1800型紫外可見分光光度計：日本島津公司。

1.2 實驗方法

表觀黏度：采用流變儀在溫度為43 ℃、剪切速率為10 s-1條件下測定溶液的表觀黏度。

吸附量測定：用回注水配制表面活性劑溶液和二元驅油體系溶液，并與石英砂按固液質量比1∶9混合，測定吸附前后表面活性劑含量的變化，計算單一表面活性劑與二元驅油體系在石英砂上的靜態吸附量。

驅油實驗測定步驟：將人造巖心抽空，用地層水飽和巖心，并在相同條件下使巖心飽和油，水驅至含水98%（w），計算水驅采收率，注入 0.5 PV二元溶液，后續水驅至含水 98%（w），計算二元驅采收率和最終采收率。

2 結果與討論

2.1 表面活性劑對聚合物性能的影響

KYPAM 質量濃度對溶液黏度的影響見圖1。

圖1 KYPAM 質量濃度對黏度的影響Fig.1 Influence of KYPAM concentration on viscosity.

從圖1可看出，在KYPAM質量濃度較低時，黏度增速較小，在質量濃度超過1 200 mg/L時，黏度增長速度突然上升，即KYPAM的臨界締合濃度為1 200 mg/L。

KPS對KYPAM増黏性的影響見圖2。

從圖2可看出，加入0.5%（w）的KPS后，二元復合驅油體系的黏度有所下降。

采用掃描電子顯微鏡觀察KYPAM、KPS和二元驅油體系的微觀形貌，結果見圖3。

圖3 KYPAM、KPS和二元驅油體系的SEM照片Fig.3 SEM images of KYPAM，KPS and binary flooding system.

從圖3可看出，KYPAM呈現較為規整的三維網絡結構，KPS呈現鱗狀有序結構，二元驅油體系呈現出更為緊密的協同網狀結構。KYPAM是疏水締合聚合物，同時存在分子內和分子間的締合效應，在高礦化度的回注水中，KYPAM由于分子間締合形成空間網狀結構，降低了分子鏈的卷曲程度，使其表現較高的黏度。KPS是陰離子表面活性劑，且加入的量0.5%（w）已超過CMC值（KPS的CMC值為0.14%（w）），將部

分締合聚合物的疏水側鏈基形成新的混合膠束聚集體，導致KYPAM分子間締合向分子內締合轉變，同時壓縮聚合物分子的擴散雙電層，因此黏度有所下降[10-11]，但降幅較小，仍可滿足使用要求。

2.2 KPS和KYPAM質量濃度對二元復合驅油體系界面張力的影響

表面活性劑質量濃度對二元驅油體系界面張力的影響見圖4。

圖4 KPS和KYPAM含量對二元液界面張力的影響Fig.4 Influences of different concentrations of KPS and KYPAM on interfacial tension of binary liquids.

從圖4（a）可看出，二元驅油體系界面張力性能較好，KPS含量在0.05%～0.50%（w）范圍內二元驅油體系都可以達到超低界面張力（小于1×10-2mN/m），KPS含量大于0.5%（w）后界面張力上升。這是由于KPS含量過高時，KPS分子開始在溶液內部發生自聚，疏水基朝內聚集形成內核，親水基朝外與水接觸形成外殼，最終形成膠團，使得水表面的KPS分子含量降低，導致油水界面張力的增大[12]。從圖4（b）可看出，隨著KYPAM質量濃度的增加，二元驅油體系界面張力逐漸升高，這是因為KYPAM的加入，不僅增加了分子間擴散的阻力，而且KYPAM的大分子基團會與KPS小分子基團爭奪界面位置，影響了二元復合體系的界面張力[13-14]。

2.3 耐鹽性能

測試了不同礦化度、不同Ca2+含量對二元驅油體系油水界面張力的影響，結果見圖5。從圖5可看出，礦化度和Ca2+對界面張力的影響都呈現先降低后上升至平穩的趨勢。低含量的無機鹽和Ca2+加入后，壓縮了KPS的雙電層，破壞了親水基周圍的水化膜，導致油水界面張力降低。無機鹽和Ca2+含量較高時，KPS分子受到強烈的電性壓縮，使其分子向油相中分配，造成大部分KPS分子進入到油相中，在油水界面的吸附失去平衡，導致界面張力回升。中國石油新疆油田分公司A井區回注水的礦化度為9 000～12 000 mg/L之間，Ca2+含量為30～80 mg/L，二元驅油體系能滿足超低界面張力的要求，二元驅油體系對中國石油新疆油田分公司回注水有較好的適應性。

圖5 礦化度和Ca2+對KPS界面張力的影響Fig.5 Influences of salinity and Ca2+ on the interfacial tension of KPS.Condition：KPS concentration is 0.5%(w).

2.4 老化穩定性

在厭氧條件下測定了二元驅油體系的黏度和界面張力隨老化時間的變化情況，結果見表1。從表1可看出，二元驅油體系黏度隨著老化時間的延長呈現逐漸下降的趨勢，但變化幅度較小，30 d后的黏度保留率仍達到92.64%，顯示出較高的黏度保留率。同時，該體系的界面張力在30 d內一直維持在10-3mN/m 數量級，說明二元驅油體系在回注水中穩定性較好。

表1 二元驅油體系老化穩定性Table 1 Aging stability of binary flooding system

2.5 乳化綜合指數

不同含量KPS對乳化綜合指數的影響見表2。從表2可看出，隨KPS含量的增加，乳狀液的穩定性逐漸增加，乳化綜合指數也逐漸增加。KPS含量大于0.5%（w）時，乳化綜合指數大于70%，由于驅油體系適宜的乳化綜合指數應控制在30%～60%之間，乳化綜合指數大于70%的超強乳化體系對提高采收率效果是不利的[15]，因此，要求KPS的含量不大于0.5%（w）。

2.6 吸附性能

測試了不同濃度表面活性劑溶液和二元驅油體系溶液在石英砂上的靜態吸附量變化曲線，結果見圖6。從圖6可看出，單一的KPS溶液的吸附量隨表面活性劑初始濃度的增加而增加，并逐漸穩定。當KPS質量濃度為2 500 mg/L時，達到平衡時的吸附量為7.37 mg/g。當二元體系中KPS質量濃度為3 000 mg/L時，靜態吸附達到平衡，吸附量為6.63 mg/g。二元體系中各組分存在競爭吸附關系，表面活性劑的吸附量小于單一組分的吸附量。

表2 不同含量KPS對乳化綜合指數的影響Table 2 The influence of different concentrations of KPS on the comprehensive emulsification index

圖6 KPS和二元驅油體系在石英砂的靜態吸附曲線Fig.6 Static adsorption curves of KPS and binary flooding system on quartz sand.

2.7 驅油效率

在中國石油新疆油田分公司A井區油藏條件下，采用人造礫巖巖心，測試了KPS和KYPAM含量對二元復合體系驅油性能的影響，結果見表3和表4。

從表3可看出，隨KYPAM質量濃度的增加，提高采收率呈現先上升后下降的趨勢，當KYPAM質量濃度為1 800 mg/L時，提高采收率值最高，為29.22%。

從表4可看出，隨著KPS含量的增加，提高采收率變化幅度先增大再降低，最后趨于平穩，驅油效率差別的原因在于：KPS含量過高時形成的超強乳化體系對提高采收率有一定影響，當KPS含量大于0.3%（w）時，二元驅提高采收率大于20%，當KPS含量為0.5%（w）時，提高采收率最大，為29.22%。

表3 聚合物KYPAM質量濃度的影響Table 3 Influence of polymer KYPAM concentration

表4 KPS含量的影響Table 4 The influence of KPS content

2.8 現場應用試驗

在中國石油新疆油田分公司A井區開展高礦化度回注水二元驅試注試驗，注入聚合物的分子量為1.5×107、質量濃度為1 800 mg/L，KPS質量濃度為5 000 mg/L，設計單井配注量為25 m3/d，于2019年12月7日開始注入，2020年11月5日結束注入，累計注入0.1 PV，試注期間含水率最高由水驅末的96.6%（w）下降為86.5%（w），日產油最高由水驅末的6.0 t增至的22.0 t，累計產油4 261 t。中國石油新疆油田分公司A井區B油井日產油由試注前的0.11 t最高上升到7.38 t，含水由試注前的99.8%（w）下降到76.6%（w）（如圖7所示），二元驅體系顯示出了良好的降水增油效果。

圖7 新疆油田油井B試注試驗產油量和含水量變化曲線Fig.7 The oil production and water content changes of the injection test of well B in Xinjiang Oilfield.

3 結論

1）優選疏水締合聚合物KYPAM和表面活性劑KPS組成二元驅油體系，在高礦化度回注水中，隨著KPS的加入，二元驅油體系黏度下降，但降幅較小，仍可滿足使用要求。

2）在KPS含量為0.05%～0.50%（w）時，二元驅油體系界面張力都可以達到超低。二元驅油體系表現出較好的耐鹽耐鈣性能。

3）隨聚合物KYPAM質量濃度的增加，二元驅提高采收率呈現先上升后下降的趨勢，當聚合物質量濃度為1 800 mg/L時，提高采收率最高；隨KPS含量的增加，提高采收率幅度先增大再降低，最后趨于平穩，當KPS含量為0.5%（w）時，提高采收率最大，為29.22%。

4）采用高礦化度回注水在中國石油新疆油田分公司A井區B油井開展試注試驗，二元驅體系顯示出了良好的降水增油效果。