國外某油田二元復合驅配注工藝參數優化室內試驗研究

李夢坤 王梓棟，2 周繼芊 陶瑞 李佶曄

1大慶油田設計院有限公司

2大慶油田國際勘探開發公司

3中國石油青海油田分公司采油五廠

4中國石油華北油田公司第四采油廠

國外某油田處于高含水開發后期，急需接替技術來實現油田的持續開發，推進化學驅現場試驗進程[1-5]。本文針對篩選出的聚合物和表面活性劑（簡稱表面活性劑），通過室內試驗確定了該油田二元驅配制用污水的含油量指標；測試了采用模擬含油污水配制的不同濃度聚合物溶液的流變性，給出了其流變參數，確定了聚合物母液的配制濃度和熟化時間；測試了兩種表面活性劑原液（40%，質量分數，下同）和目的液（0.3%）的黏溫關系，確定了表面活性劑的應用條件；測試了二元體系的流變性和界面張力，確定了篩選出的聚合物和表面活性劑對該油田二元驅的適用性。借鑒大慶油田化學驅配注系統的成功經驗[6-7]，針對該油田儲層流體性質和地面建設現狀，確定了該油田二元復合驅的配注工藝流程。

1 試驗原材料及主要儀器

現場油取自國外某油田的目標層；模擬油取自中俄管道油。

二元目的液組成：1 600 mg/L 聚合物+0.3%表面活性劑+0.05%添加劑、化學劑主要參數見表1。

表1 化學劑主要參數Tab.1 Main parameters of chemical agents

根據該油田污水水質分析結果（表2），室內采用蒸餾水+四種化學試劑（氯化鈉、碳酸氫鈉、無水氯化鈣和六水合氯化鎂）配制模擬鹽水。采用不同含油量的模擬污水配制二元目的體系，測試其界面張力。結果表明，兩種表面活性劑均可使配制的二元體系達到超低界面張力（表3），能夠滿足二元驅注入指標對界面張力的要求。目前，該油田水驅污水含油濃度為60 mg/L，因而室內配制該油田二元驅模擬污水的含油濃度定為60 mg/L。

表2 國外某油田污水水質分析Tab.2 Waste water quality analysis of an oversea oilfield mg/L

表3 二元體系的界面張力（不同含油量模擬污水配制）Tab.3 Interfacial tension of the SP system (prepared by simulated waste water with different oil content)

試驗主要儀器包括：流變儀，安東帕MCR301；電子天平，精度0.01 g；立式電動攪拌器；界面張力儀TX500-C；恒溫水浴。

2 聚合物性質測試

2.1 流變性及流變參數

室內采用含油濃度60 mg/L 的模擬污水配制濃度為為1 000～20 000 mg/L 的聚合物溶液，用安東帕MCR301 流變儀測試其流變特性。

2.1.1 試驗條件

測試溫度：50～70 ℃（溫度間隔5 ℃，該油田地層溫度為50～70 ℃，平均60 ℃）；剪切速率：100～0 s-1（為了降低流變儀的測量誤差，采用預剪切程序[8-9]，即0～100 s-1條件下剪切100 s）。

2.1.2 試驗結果與分析

圖1 是聚合物溶液黏度與剪切速率的關系曲線。可以看出：相同濃度條件下，剪切速率越大，溶液的黏度越小，說明其為剪切稀釋性（假塑性）流體；相同溫度條件下，聚合物溶液濃度越高，黏度越大，曲線斜率越大，聚合物溶液的假塑性越強；濃度≤10 000 mg/L 時，各個剪速下的黏度均＜1 000 mPa·s。

圖1 聚合物溶液黏度與剪切速率關系曲線（60 ℃）Fig.1 Relation curves of viscosity and shear rate of polymer solution（60 ℃）

圖2 是不同濃度聚合物溶液的流變曲線。可以看出，該聚合物溶液為剪切稀釋性（假塑性）流體，其流變方程符合冪律模式[10]。

圖2 不同濃度聚合物溶液的流變曲線（60 ℃）Fig.2 Rheological curves of polymer solution with different concentration（60 ℃）

式中：τ為剪切應力，Pa；γn為剪切速率，s-1；k為稠度系數，表示流體的黏稠程度，Pa·sn；n為流變指數，表示流體偏離牛頓流體的程度，無因次；對于牛頓流體，n=1；對于剪切稀釋流體，n＜1；對于剪切增稠流體，n＞1。

表4 是聚合物溶液的流變參數。可以看出，試驗條件下，所有流變指數n＜1，說明該聚合物溶液為剪切稀釋流體，與試驗結果相符；相同條件下，聚合物溶液的濃度越大，稠度系數k越大，流變指數n越小，說明配制濃度越高，聚合物溶液的剪切稀釋性越強，與試驗結果相符。

表4 國外某油田聚合物溶液（60 ℃）的流變參數Tab.4 Rheological parameters of polymer solution in an oversea oilfield（60 ℃）

2.2 聚合物母液的配制濃度

表5 是不同濃度聚合物溶液的黏度測試結果（8.98 s-1）。可以看出，濃度為10 000 mg/L 時，聚合物溶液的黏度為500 mPa·s 左右。參照大慶2 500萬相對分子質量聚合物母液，黏度為600 mPa·s左右。因此，該油田的聚合物母液配制濃度定為10 000 mg/L。

表5 不同濃度聚合物溶液的黏度（8.98 s-1）Tab.5 Viscosity of polymer solution with different concentration(8.98 s-1)

2.3 聚合物溶液的熟化時間

采用黏度法測試該油田聚合物母液（10 000 mg/L）和聚合物目的液（1 600 mg/L）的熟化時間。

2.3.1 試驗方法和過程

在60 ℃的恒溫水浴中，用模擬污水分別配制10 000 mg/L 和600 mg/L 的聚合物溶液，在400±20 r/min 的條件下攪拌，每隔一定時間取樣，測試其黏度，當溶液黏度變化＜3%，即溶解過程出現平臺時，所需攪拌時間即為聚合物的溶解熟化時間。

2.3.2 試驗結果與分析

圖3 是聚合物母液的熟化時間曲線，圖4 是聚合物目的液的熟化時間曲線。可以看出，在試驗條件下，隨著時間的增加，聚合物溶液的黏度逐漸增大，時間達到30 min 以后，黏度基本穩定。因而，聚合物的試驗室熟化時間為30 min。

圖3 聚合物母液的熟化曲線Fig.3 Maturation curve of polymer mother solution

圖4 聚合物目的液的熟化曲線Fig.4 Maturation curve of polymer injection solution

3 表面活性劑性質測試

3.1 表面活性劑原液的黏溫關系

在測試溫度5～30 ℃（溫度間隔5 ℃）、剪切速率0～100 s-1的條件下采用MR301 流變儀測試了兩種表面活性劑原液在不同溫度下的黏度，并繪制了黏溫曲線。

圖5、圖6 分別是兩種表面活性劑的黏溫關系曲線。可以看出，表面活性劑1 原液為牛頓流體，黏度只受溫度的影響，不受剪切應力的影響；表面活性劑2 原液，當溫度≥20 ℃時，為牛頓流體；當溫度＜20 ℃時，為剪切稀釋流體。當溫度≥20 ℃時，兩種表面活性劑，黏度變化不大，且為牛頓流體。因此，兩種表面活性劑原液的儲存和使用溫度宜≥20 ℃。

圖5 表面活性劑1 的黏溫關系曲線Fig.5 Relation curve of viscosity and temperature of Surfactant 1

圖6 表面活性劑2 的黏溫關系曲線Fig.6 Relation curve of viscosity and temperature of Surfactant 2

3.2 表面活性劑目的液的黏溫關系

采用模擬污水將40%表面活性劑原液稀釋至0.3%（目的濃度），測試其在不同溫度下的黏度（50～70 ℃）。表6 是黏度測試結果。可以看出，0.3%表面活性劑屬于牛頓流體，黏度只隨溫度變化；相同溫度條件下，0.3%表面活性劑的黏度＞水的黏度，說明表面活性劑的加入增加了溶液的黏度；試驗條件下，兩種表面活性劑的黏度＜1 mPa·s。

表6 0.3%表面活性劑的黏度Tab.6 Viscosity of 0.3% surfactant

4 二元體系流變性測試

采用模擬污水配制兩種二元目的液（1 600 mg/L聚合物+0.3%表面活性劑+0.05%添加劑），用MCR301 流變儀測試其流變特性。測試溫度：50～70 ℃（溫度間隔5 ℃），剪切速率：0～100 s-1。

圖7、圖8 分別是兩種二元液的黏度曲線，圖9、圖10 分別是兩種二元液的流變曲線。可以看出，相同條件下，隨著剪切速率的增大，兩種二元液的黏度減小，說明二元液為剪切稀釋流體；兩種二元液的流變方程均符合冪律模式，流變指數n＜1（表9），與試驗結論相符；低剪速下（10 s-1），兩種二元體系的黏度＞10 mPa·s，滿足了二元驅注入指標對黏度的要求。

圖7 二元液的黏度曲線（目的層1）Fig.7 Viscosity curves of SP solution (Target Layer 1)

圖8 二元液的黏度曲線（目的層2）Fig.8 Viscosity curves of SP solution (Target Layer 2)

圖9 二元液的流變曲線（目的層1）Fig.9 Rheological curves of SP solution (Target Layer 1)

圖10 二元液的流變曲線（目的層2）Fig.10 Rheological curves of SP solution (Target Layer 2)

表7 是國外某油田二元體系的流變參數，可為二元液管道輸送提供技術支持。

表7 國外某油田二元體系的流變參數Tab.7 Rheological parameters of SP solution in an oversea oilfield

5 二元驅配注工藝

5.1 表面活性劑對二元驅配注工藝的影響

由于表面活性劑易起泡的特性（圖11），如果用0.3%表面活性劑的水分散聚合物，當0.3%表面活性劑通過射流噴射器后，抽吸聚合物干粉，然后高速進入潤濕緩沖罐，極易造成溢罐現象[11]。因此，不建議采用“含表面活性劑的一元水分散聚合物”的工藝流程。

圖11 表面活性劑起泡試驗Fig.11 Surfactant foaming test

5.2 “目的液”配注工藝

在熟化裝置內直接配制含聚合物1 600 mg/L+表面活性劑0.3%+添加劑0.05%的二元目的液，過濾、升壓后外輸至注入井。

5.3 “低壓二元、高壓一元”配注工藝

二元驅“低壓二元、高壓一元”配注工藝可實現注入井聚合物濃度可調、表面活性劑濃度不變的要求。

（1）集中配制：配制單元完成兩項任務，一是將添加劑與聚合物干粉及表面活性劑一同混合熟化后，配制成低壓二元母液（聚合物10 000 mg/L+表面活性劑0.3%+添加劑0.05%）；二是將上游注水站的高壓來水與表面活性劑混合成高壓一元水（表面活性劑0.3%）。

（2）集中注入：注入單元將配制單元產生的低壓二元母液進行升壓，升壓后的二元母液與高壓表面活性劑水混合稀釋，形成的二元目的液通過站外單井注入管道輸至注入井井口，然后注入地層。

6 結論

確定了國外某油田二元驅配制用污水的含油濃度為60 mg/L；確定了該油田聚合物母液的配制濃度為10 000 mg/L，熟化時間為30 min，并給出了不同濃度聚合物溶液（1 000～15 000 mg/L）的流變參數；確定了兩種表面活性劑原液的儲存溫度和使用溫度宜≥20 ℃，0.3%表面活性劑目的液為牛頓流體，黏度＜1 mPa·s（50～70 ℃），稍高于同等條件下水的黏度；篩選出的聚合物和兩種表面活性劑對該油田具有適用性，可以使模擬污水配制的二元體系達到10-3mN/m 的超低界面張力，體系黏度＞10 mPa·s（50～70℃，7.34 s-1），滿足了二元驅注入指標的要求，并給出了兩種二元體系在不同溫度（50～70 ℃）下的流變參數；確定了該油田二元驅“目的液”和“低壓二元、高壓一元”配注工藝流程。