三元復合驅表面活性劑梯度降濃注入方式優化*

劉春天，陸 屹，田燕春，李 星，王 穎，宋志瑞，李欣欣

（大慶油田有限責任公司勘探開發研究院&國家能源陸相砂巖老油田持續開采研發中心，黑龍江大慶 163712）

大慶油田三元復合驅從20世紀80年代開始攻關，經歷了室內基礎研究、先導性試驗、工業性試驗和工業化應用四個階段，取得了較好的開發效果，相對水驅提高采收率18 個百分點以上［1-3］，已成為支撐大慶油田持續發展的主導開發技術之一。室內研究和現場試驗結果表明，表面活性劑的吸附損耗是影響復合體系作用效果的重要因素［4-6］。近年來，隨著復合驅技術應用規模不斷擴大，開發區塊的儲層物性發生變化，黏土礦物含量增多、油砂粒徑變小，導致表面活性劑的損耗加重［7］。增大表面活性劑濃度有利于提高采收率，但將使化學劑成本增加。因此，本文通過分析現場試驗過程中三元段塞在地下的運移規律，采用換砂不換液、換液不換砂兩種實驗方法，模擬段塞不同位置油砂對表面活性劑的吸附作用，從注入方式上針對復合體系抗吸附性能進行優化，形成表面活性劑梯度降濃方式。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

部分水解聚丙烯酰胺HPAM，相對分子質量1600×104～1900×104，固含量88%，水解度25%，大慶煉化公司；Na2CO3，分析純，遼寧泉瑞試劑有限公司；石油磺酸鹽表面活性劑，大慶煉化公司。物理模擬驅油實驗用模擬油：由大慶油田采油四廠外輸原油與航空煤油配制而成，黏度10 mPa·s（45 ℃）。實驗用水為模擬地層水，礦化度6778 mg/L，在1 L蒸餾水中加入3.977 g NaCl、0.028 g CaCl2、0.046 g MgCl2·6H2O、0.093 g Na2SO4和2.634 g NaHCO3配制而成。油砂：將天然巖心用苯和汽油清洗，研磨粉碎后，篩分出80～120 目的部分，粒徑0.125～0.180 mm；貝雷巖心：氣測滲透率300×10-3μm2，動態吸附實驗巖心尺寸為φ2.5 cm×10 cm，物理模擬驅油實驗巖心尺寸為4.5 cm×4.5 cm×30 cm。

TX500C型界面張力儀，美國CNG公司；Innova 40型恒溫搖床，美國New Brunswick Scientific公司；多功能驅油裝置，江蘇華安科研儀器有限公司。

1.2 實驗方法

采用聚合物濃度1800 mg/L、堿質量分數1.2%、表面活性劑質量分數0.3%的弱堿石油磺酸鹽復合體系，開展換砂不換液、換液不換砂兩種靜態吸附實驗，分析段塞不同位置表面活性劑的損耗規律；采用聚合物濃度1800 mg/L、堿質量分數1.2%、表面活性劑質量分數分別為0.35%、0.3%、0.25%的弱堿石油磺酸鹽復合體系，開展靜態、動態吸附實驗和物理模擬驅油實驗，分析不同注入方式對表面活性劑損耗和提高采收率的影響。

（1）靜態吸附實驗

換砂不換液靜態吸附實驗模擬三元段塞前端的吸附情況。將三元復合體系與油砂按照液固比9∶1 混合后放置于錐形瓶中，在恒溫搖床（溫度45℃，轉速120 r/min）上震蕩48 h，靜置后將溶液與油砂分離。將分離后的溶液與新油砂按照上述步驟進行重復實驗。

換液不換砂靜態吸附實驗模擬三元段塞中部及后端的吸附情況。每次采用新配制的溶液與吸附后的油砂混合進行吸附實驗。

每次吸附實驗結束后，采用兩相滴定法檢測溶液中的表面活性劑濃度。在溶液中加入酸性混合指示劑和二氯甲烷，然后向溶液中滴加海明，根據指示劑顏色變化判斷滴定終點，確定表面活性劑濃度。采用界面張力儀檢測溶液與原油間的界面張力。

（2）動態吸附實驗

將貝雷巖心抽真空12 h，飽和模擬水，分別采用不同三元體系進行動態吸附實驗。第一個實驗采用恒定表面活性劑質量分數為0.3%、堿質量分數1.2%、聚合物質量濃度1800 mg/L 的三元體系連續驅替9 PV，后續進行水驅。第二個實驗依次采用表面活性劑質量分數為0.35%、0.3%、0.25%，堿質量分數1.2%，聚合物質量濃度1800 mg/L 的三元體系驅替3 PV，后續進行水驅。檢測采出液中表面活性劑濃度，確定表面活性劑的損耗。

（3）物理模擬驅油實驗

將貝雷巖心抽真空12 h，飽和模擬水，飽和模擬油，采用模擬水驅替巖心至含水98%，注入0.3 PV的三元段塞，然后注入0.2 PV 濃度為1400 mg/L 的聚合物保護段塞，后續水驅至含水98%。

2 結果與討論

2.1 三元復合體系的靜態吸附分析

兩種靜態吸附實驗中表面活性劑濃度見表1。由表1可以看出，吸附1次后，表面活性劑質量分數由0.3%降低至0.18%，損失40%。采用換砂不換液方式，新油砂對表面活性劑的吸附作用強，吸附3次后，表面活性劑損失接近67%；采用換液不換砂方式，經過上一輪的吸附后，油砂表面已被化學劑占據一部分，吸附作用減弱，吸附3 次后表面活性劑損失降低至53%。由此可見，三元復合體系在地下運移過程中，由于段塞前緣接觸的都是未經吸附的新油砂，表面活性劑損耗較大，應適當提高濃度，后續段塞的表面活性劑損耗相對較小，可適當降低濃度。

表1 不同類型靜態吸附實驗結果

基于以上分析，提出梯度降濃注入方式，即將0.3 PV 的三元段塞劃分為3 個0.1 PV，表面活性劑質量分數依次為0.35%、0.3%、0.25%，堿質量分數保持為1.2%，聚合物濃度保持為1800 mg/L。采用換砂不換液方式模擬三元段塞前端，對比分析表面活性劑質量分數為0.35%和0.3%時的抗吸附性能。采用換液不換砂方式模擬三元段塞中部及后端，對比分析表面活性劑質量分數遞減為0.3%、0.25%的三元體系與表面活性劑質量分數恒定為0.3%的三元體系抗吸附性能。

根據對比實驗結果可以看出，將表面活性劑質量分數提高到0.35%，吸附3次后，溶液中的表面活性劑仍可保持在0.16%，這將擴大段塞前緣達到超低界面張力的距離，有利于提高驅油效果（表2）。段塞中部表面活性劑初始質量分數0.3%，采用梯度降濃方式時，表面活性劑吸附3 次后的濃度為0.15%，高于常規恒定質量分數時的0.13%。段塞后部采用梯度降濃方式時，表面活性劑吸附3 次后的質量分數為0.11%，低于常規恒定濃度時的0.16%。這主要是由于該階段的初始表面活性劑濃度低，在實際驅替過程中，該階段可借助段塞前端形成的油墻實現提高采收率。將吸附三元體系后的油砂用模擬水浸泡24 h，檢測到水中表面活性劑質量分數為0.05%，表明表面活性劑存在脫附現象，使后續段塞中的表面活性劑濃度升高，有利于提升梯度降濃注入方式的效果。

表2 不同注入方式靜態吸附實驗結果

2.2 不同表面活性劑注入方式下的動態吸附

分別采用常規恒濃方式和梯度降濃方式注入9 PV 的三元體系，后續進行水驅，注入過程中采出液中表面活性劑含量隨注入體積變化見圖1。三元體系中聚合物濃度保持為1800 mg/L，堿質量分數保持為1.2%，常規恒濃方式的表面活性劑質量分數為0.3%，梯度降濃方式的表面活性劑質量分數分別為0.35%、0.3%、0.25%。梯度降濃方式在注入9 PV三元體系后，采出液中的表面活性劑濃度出現明顯的上升峰，然后下降，進一步驗證了靜態吸附實驗中表面活性劑存在脫附現象的推斷。脫附后的表面活性劑進入后續段塞進行濃度補償，有利于梯度降濃方式保持超低界面張力作用距離。

圖1 動態吸附實驗采出液中表面活性劑含量隨注入體積變化

2.3 不同注入方式下的驅油效果對比

分別采用梯度降濃方式和常規恒濃方式進行物理模擬驅油實驗，具體方案見表3，驅油實驗結果見表4，驅替過程中采收率、含水和注入壓力隨注入體積變化見圖2和圖3。驅油實驗結果表明，方案2采用表面活性劑梯度降濃方式，可相對水驅提高采收率28.62 百分點，與方案1 常規恒濃方式相比，采收率進一步提高了0.91 百分點。前端注入0.1 PV三元體系中的表面活性劑質量分數為0.35%，高濃度的表面活性劑有利于形成油墻，同時可減少油砂和原油作用下的表面活性劑損耗；中間注入0.1 PV三元體系中的表面活性劑質量分數為0.3%，可維持較高的洗油效果，盡管后續段塞的0.1 PV的三元體系中表面活性劑濃度降低，但仍具有提高采收率作用，從而在相同化學劑用量條件下改善了三元復合驅效果。從圖2 和圖3 可以看出，采用梯度降濃方式使驅替壓力上升幅度增大且持續時間長，含水下降快、降幅明顯，注入段塞階段的采收率更高。方案3將表面活性劑質量分數增至0.4%，可相對常規恒濃方式進一步提高采收率2.53百分點，但表面活性劑用量增加了33%。

表3 不同注入方式實驗方案

表4 不同注入方式物理模擬驅油實驗結果

圖2 貝雷巖心20驅油實驗曲線（常規恒濃注入）

圖3 貝雷巖心18驅油實驗曲線（梯度降濃注入）

以地質儲量100×104t計算，在三元主段塞表面活性劑質量分數為0.3%、二類B油層復合驅提高采收率16百分點的基礎上，采用表面活性劑梯度降濃注入方式進一步提高采收率0.91百分點，噸油化學劑成本可降低4.76%，采用表面活性劑質量分數為0.4%的體系，噸油化學劑成本可降低2.17%。因此，表面活性劑梯度降濃方式可獲得更好的經濟效益。

3 結論

根據三元段塞不同位置的化學劑吸附損耗規律，提出表面活性劑梯度降濃方式，將段塞前端的表面活性劑質量分數提高到0.35%，擴大超低界面張力體系的作用距離，三元體系沖刷后的油砂吸附作用減弱，同時由于被吸附的表面活性劑脫附后可進入后續段塞增加濃度，所以三元段塞中端和后部的表面活性劑濃度可依次設計為0.3%、0.25%。在化學劑用量相同條件下，采用表面活性劑梯度降濃方式，室內貝雷巖心物理模擬驅油實驗進一步提高采收率0.91百分點。現場試驗過程中，三元體系運移距離長，油砂體積大，表面活性劑的損耗嚴重，采用表面活性劑梯度降濃方式具有更重要的意義，預計提高采收率幅度將進一步增大，有效改善三元復合驅技術經濟效果。