大慶薩中二類油層對三元驅油體系的吸附特性

李柏林，張瑩瑩，代素娟，姜 泳，張利利

（1.東北石油大學化學化工學院，黑龍江大慶 163318； 2.大慶油田有限責任公司第一采油廠，黑龍江大慶163001； 3.中國石油錦州石化分公司，遼寧錦州 121001； 4.大慶油田有限責任公司第二采油廠，黑龍江大慶163414）

大慶薩中二類油層對三元驅油體系的吸附特性

李柏林1，張瑩瑩1，代素娟2，姜 泳3，張利利4

（1.東北石油大學化學化工學院，黑龍江大慶 163318； 2.大慶油田有限責任公司第一采油廠，黑龍江大慶163001； 3.中國石油錦州石化分公司，遼寧錦州 121001； 4.大慶油田有限責任公司第二采油廠，黑龍江大慶163414）

通過大慶薩中二類油層三元復合驅礦場試驗，分析一、二類油層巖心的礦物組成和孔隙結構特征，繪制一、二類油層砂的吸附等溫線，考察化學劑在天然巖心上動態滯留量，比較一、二類油層的吸附差異；通過單一礦物對三元組分的吸附實驗，分析二類油層高吸附的原因.結果表明：二類油層的黏土礦物質量分數顯著高于一類油層的，且綠泥石質量分數較高；二類油層的滲透率約為一類油層的1/3，喉道半徑較小.三元驅油體系中3種化學劑在黏土礦物上的吸附量明顯大于骨架礦物的，三元組分的吸附損失主要由黏土礦物引起，其中綠泥石對化學劑的吸附作用較強.3種化學劑在油砂上的吸附等溫線為Langmuir型，NaOH和表面活性劑的飽和吸附量較高，HPAM的飽和吸附量較低；表面活性劑的飽和吸附量受巖心性質影響較大.3種化學劑在二類油層巖心的動態滯留量均高于一類油層巖心的，NaOH和表面活性劑的動態滯留量低于靜態吸附量，HPAM的動態滯留量大于靜態吸附量.該研究結果為復合驅油體系配方優化及礦場試驗方案設計提供依據.

大慶油田；三元驅油體系；二類油層；靜態吸附；動態滯留

0 引言

油藏礦物孔隙表面吸附三元組分是固體表面自由能自動減小的特性，吸附作用的程度除與化學劑本身的組成和結構有關外，還與油藏孔隙表面的表面自由能有關[1].與主力油層相比，二類油層黏土礦物質量分數高，滲透率低，具有較高的表面能，直接與三復合元驅化學劑接觸作用，對三元組分產生吸附作用；二類油層的滲流能力弱，比表面積大，對高分子化合物產生明顯的滯留作用[2].在多孔油藏運移過程中，三元復合驅體系化學劑和油藏礦物表面相互作用，產生吸附滯留作用或化學反應，導致段塞的化學劑濃度降低，三元段塞的組成偏離設計方案，從而影響驅油效率[3].

人們研究表面活性劑在黏土礦物及巖心上的吸附.Walter F等研究發現，蒙脫石晶層斷面對木質磺酸鹽等物質的吸附活性較強，對Na型蒙脫石的吸附能力較強[4]；Trogus F J等研究發現，表面活性劑吸附等溫線的異常是由混合膠體和單體之間的平衡關系引起的，與表面性質無關[5]；Somasundaran P等研究發現，驅油體系的p H、離子強度和離子類型對烷基苯磺酸鹽在油層巖石上的吸附作用有影響[6]；Liu Q等研究發現，氫氧化鈉和烷基苯磺酸鹽復合的二元體系在巖心吸附作用下，能顯著提高化學驅油效率[7]；Cristiano B C等通過數值模擬表明，聚合物或表面活性劑驅的吸附等溫線的形狀受化學劑濃度影響，與體系黏度等無關[8]；李道山等研究復合驅油體系中各種化學劑的吸附滯留規律及影響因素.這些研究多是在特定條件下對化學劑的吸附規律和機理的總結，鑒于吸附劑組成、性質的差異較大，結論的代表性存疑.通過大慶薩中二類油層三元復合驅礦場試驗，在相同實驗條件下，筆者比較一、二類油層的吸附特性，利用單一礦物對三元組分的吸附實驗揭示二類油層高吸附的原因.

1 實驗

1.1 實驗材料

表面活性劑：重烷基苯磺酸鹽，大慶油田化工有限公司；HPAM：相對分子質量為2 500火104，大慶煉化公司；NaOH：分析純，天津市大茂化學試劑廠；配制用水：大慶油田北一區6號水站污水；飽和模型水：人工鹽水，礦化度為6.500 g/L；巖心：鉆取柱狀天然巖心，Φ2.5 cm火5.0 cm；巖心砂：取心井試驗層巖心經甲苯抽提后粉碎、過篩，粒度為60～100目；高嶺石：上海市奉賢奉城試劑廠；伊利石：江西向陽伊利石礦物有限公司；綠泥石：遼寧海城信諾西爾礦業有限公司；長石、石英：山東省新泰市長石加工廠.

1.2 實驗儀器

DMLP偏光顯微鏡，德國徠卡儀器有限公司；CT4D離心機，日本日立公司；UV-2550紫外—可見光分光光度計，日本島津公司；物模驅油試驗裝置，江蘇海安石油科研儀器有限公司.

1.3 實驗方法

（1）靜態吸附實驗.根據礦場試驗方案配制三元驅油體系，表面活性劑質量分數為0.3%，HPAM質量濃度為1.800 g/L，NaOH質量分數為1.2%.將三元驅油體系用配制水稀釋1.2、1.5、2.0、3.0、6.0倍后分別與巖心砂作用，單一礦物直接與三元驅油體系作用.在離心沉降后，由初始質量濃度和平衡質量濃度計算化學劑的吸附量，繪制吸附等溫線.三元驅油體系和巖心砂質量比為9∶1，吸附溫度為45℃，平衡時間為72 h.

（2）動態滯留實驗.巖心抽空，飽和鹽水，測量孔隙體積.實驗溫度為45℃，注入速度為0.3 m L/min，三元驅油體系段塞為0.45 PV，后續配制水驅到4.00 PV.由驅油體系和采出液的化學劑質量濃度計算各化學劑的滯留量.

1.4 化學劑質量濃度檢測方法

表面活性劑：以水和二氯甲烷為溶劑，采用酸性混合指示劑，利用Hyamine 1622（芐基二甲基[2-[2 -[4-（1，1，3，3-四甲基丁基）苯氧基]乙氧基]乙基]氯化銨）進行兩相滴定；

HPAM：以淀粉—碘化鎘顯色，采用分光光度計，利用標準曲線法檢測；

NaOH：采用甲基橙指示劑，利用0.05 mol/L標準鹽酸溶液滴定.

2 一、二類油層基本性質

取心井號為大慶4C1-J5-檢E48，一類油層巖心取自葡Ⅰ組，二類油層巖心取自薩Ⅲ組，巖心薄片的偏光顯微照片見圖1.儲層屬于碎屑巖類，巖性以細砂巖、細粉砂巖和泥質粉砂巖為主，骨架礦物主要為石英、鉀長石和斜長石，膠結方式以接觸式和孔隙式為主，膠結物主要為泥質，其次是碳酸鹽[9].與一類油層相比，二類油層的小粒徑砂巖居多，在大粒徑砂巖間架橋填隙，孔隙明顯減小.

圖1 油層巖心薄片偏光顯微照片Fig.1 The polarized light micrograph of thin section of reservoir core

可以忽略油層砂巖骨架礦物與孔隙滲流體的作用.各種黏土礦物作為膠結物吸附于砂巖孔隙，以孔隙填充物或孔隙襯層的形式存在.孔隙襯層降低孔隙喉道半徑，砂巖孔隙度高而滲透率低.層型黏土礦物帶電且具有高的表面能，直接與滲流體產生接觸作用；這種作用引起儲層孔隙結構特征變化，對滲流體中某些組分產生強烈的吸附滯留作用.

利用X線衍射分析砂巖黏土礦物的絕對質量分數及各種黏土礦物的相對質量分數，一、二類油層的黏土礦物主要種類為高嶺石、伊利石、蒙脫石—伊利石混層（蒙伊混層）、蒙脫石—綠泥石混層（蒙綠混層）.一、二類油層巖心的黏土礦物質量分數及其種類分布見表1.由表1可以看出，二類油層中黏土礦物絕對質量分數是一類油層的2.4倍.根據相對組成，二類油層中黏土礦物的高嶺石質量分數下降，綠泥石質量分數大幅增加，蒙綠混層束縛砂巖孔隙[10].

表1 一、二類油層巖心的黏土礦物質量分數分布Table 1 The content distribution of clay minerals inⅠandⅡreservoir core

利用壓汞測孔實驗分析一、二類油層的孔隙結構特征結果（見表2）.由表2可以看出，二類油層的滲透率、孔隙度、孔隙半徑和喉道半徑明顯小于一類油層的.二類油層的滲透率約為一類油層的1/3，喉道半徑較小，孔喉半徑比是一類油層的1.7倍；二類油層的滲流能力弱，受小喉道限制，較大孔隙中原油難以被采出，導致二類油層水驅效率較低，同時對高分子化合物產生明顯的滯留作用.因此，二類油層的地質特點決定三元復合驅油過程的吸附特性.

表2 一、二類油層巖心的孔隙結構特征Table 2 The pore structure characteristics ofⅠandⅡreservoir core

3 單一礦物對三元組分的靜態吸附

單一黏土礦物的靜態吸附量見圖2.由圖2可以看出，三元驅油體系化學劑在黏土礦物上的吸附量明顯大于在骨架礦物上的，其中綠泥石對3種化學劑的吸附作用較強.3種黏土礦物和2種骨架礦物的化學組成和晶體結構不同[11-12]，表面性質差別較大，導致各種礦物對三元體系化學劑的吸附存在差異.

3.1 5種單一礦物的結構特點

（1）高嶺石的結構單元由1層[SiO4]四面體片和1層[Al O2（OH）4]八面體片連結而成，屬于1∶1層型黏土礦物，晶層間存在氫鍵.高嶺石晶格取代較少，陽離子交換容量較小.

圖2 單一黏土礦物的靜態吸附量Fig.2 The static adsorption capacity of single clay minerals

（2）伊利石的結構單元由2層[（SiAl）O4]四面體片和1層[AlO4（OH）2]八面體片構成，屬于2∶1層型黏土礦物，晶層間主要存在靜電引力.晶格取代主要發生在晶層表面的[（SiAl）O4]四面體片中，約有1/ 6的Si被Al取代，補償電價離子主要為K+.

（3）綠泥石的結構單元由1層類似伊利石的2∶1層型結構和1層[（Mg Al）（OH）6]八面體水鎂石片組成.水鎂石片的Mg被Al部分取代，表面荷正電.它可替代和交換陽離子補償2∶1層型結構中Al取代Si產生的不平衡電價；晶層間存在氫鍵和靜電引力；含有較多的Fe2+和Fe3+，為酸敏礦物.

伊利石和綠泥石的晶層只有1種底面，全部由氧原子組成.高嶺石的晶層有2種底面：一種全部由氧原子組成；另一種全部由Al—OH組成.高嶺石表面存在兩類羥基：一類是晶層底面的Al—OH；另一類是晶層端面的Si—OH或Al—OH.高嶺石的羥基數量多于伊利石和綠泥石的.

黏土礦物底面荷電的來源是晶格取代，其荷電性質和晶格中異價陽離子取代程度有關，與介質p H無關.因為硅（鋁）氧鍵斷裂，黏土礦物端面荷電吸附水中定位離子，在晶層端面生成羥基.羥基具有兩性水解作用，在堿性條件下，端面荷負電.

3種黏土礦物組成和結構的差異導致吸附量不同.高嶺石的表面羥基密度大于伊利石和綠泥石的，在堿性條件下表面羥基水解，負電性較強，但高嶺石陽離子交換容量較小；伊利石和綠泥石的陽離子交換容量大于高嶺石的，其中綠泥石礦物含有較多的Fe活性中心.

（4）長石和石英是架狀結構的硅酸鹽骨架礦物，石英結構中1/4的Si被Al取代后即為長石.兩者的荷電機理相同，即硅（鋁）氧鍵斷裂，與水中H+和OH-結合，生成羥基表面，在堿性條件下形成≡Si—O—或 Al—O—，表面荷負電.由于礦物破碎斷面的極化程度較高，導致親水性較強.

由于在長石結構中存在晶格取代，在晶體表面結合K+或Na+以平衡電價，長石礦物表面有荷負電的晶格，使得長石的零電點比石英的低.同時，Al—O比Si—O鍵易于斷裂，在長石表面存在Al的活性中心.結構差異導致長石與石英的表面性質略有不同.

3.2 3種化學劑在單一黏土礦物表面的靜態吸附

表面活性劑的—SO3—基、烴基與黏土礦物表面具有較強的吸附作用，主要有黏土表面的金屬活性中心（Al3+、Fe3+、Fe2+、Ca2+、Mg2+等）對表面活性劑離子的電性吸引，荷負電黏土表面的Sten層與表面活性劑—SO3—間的電性吸引，黏土礦物表面和表面活性劑離子間的色散力、誘導力和氫鍵，以及已吸附于黏土礦物的表面活性劑的膠團化作用導致的多層吸附[13].

HPAM分子與黏土礦物表面的作用主要包括：一是HPAM的—COO—與黏土表面的金屬活性中心或Sten層的靜電引力；二是黏土礦物表面與HPAM分子間的色散力、誘導力和氫鍵.雖然屬于多點吸附，但HPAM分子本身的大部分在溶液中游弋，在黏土礦物表面解吸作用傾向較大，黏土礦物對HPAM分子的吸附作用相對較弱[13].

NaOH作為驅油劑和犧牲劑，產生損耗的主要因素是堿的損失，包括巖礦溶解、表面轉型、離子交換、沉淀反應和化學吸附等.

黏土礦物的SiO2、Al2O3和NaOH發生化學反應：溶液中可溶性硅酸鹽和鋁酸鹽濃度增加；NaOH和羥基發生水解反應，增加黏土粒子表面的負電性；NaOH和黏土礦物交換出來的離子（Ca2+、Mg2+等）或和巖礦中高價離子（Fe2+、Fe3+等）反應生成沉淀；黏土礦物晶層斷裂形成的端面正電中心吸附OH-.

黏土礦物表面活性中心多，屬于高能表面，親水性較強.黏土礦物的吸附量顯著高于骨架礦物的.骨架礦物表面多被黏土礦物覆蓋，骨架礦物與三元驅替液的作用較小，三元組分的吸附損失主要由黏土礦物引起.由于綠泥石礦物的金屬活性中心數量多，端面吸附活性較高，對表面活性劑和HPAM的吸附量較大，引起NaOH的反應損耗也較多.

比較3種化學劑，因表面活性劑的雙親結構單元與黏土礦物表面有較強的作用，所以吸附損失最大；HPAM的分子體積大，與黏土礦物表面的作用相對較弱，吸附損失最小；NaOH的損耗多為溶解黏土礦物反應和沉淀反應所致.

4 化學劑靜態吸附

4.1 一、二類油層對表面活性劑的靜態吸附

三元驅油體系中一類砂和二類砂的表面活性劑吸附等溫線見圖3.由圖3可以看出，表面活性劑在一類油層巖心砂（簡稱一類砂）的靜態吸附量顯著大于二類油層巖心砂（簡稱二類砂）的，表面活性劑在一類砂和二類砂上的吸附規律基本相同，吸附曲線符合Langmuir吸附等溫線方程.表面活性劑在一類砂和二類砂上的飽和吸附量分別為1.200、1.700 mg/g，二類砂的吸附量比一類砂的增加41.7%.表面活性劑平衡質量分數小于0.1%時，吸附量隨著平衡質量分數的增加而快速增加；表面活性劑平衡質量分數在0.1%～0.3%之間時，重烷基苯磺酸鹽基本上達到飽和吸附.

兩階段吸附模型認為，表面活性劑在固—液界面吸附的第一階段為單分子形成的單層吸附；第二階段為形成表面膠團的多層吸附，且吸附量激劇上升，最高點對應的平衡濃度一般在表面活性劑的臨界膠束濃度附近[15].由圖3還可以看出，曲線未出現最大峰值，因為表面活性劑的吸附除與表面活性劑、礦物表面的性質有關外，還受堿和HPAM競爭吸附的影響.由于存在競爭吸附，礦物表面表面活性劑形成的單分子吸附層不夠均勻和致密，致使形成表面膠團的難度增加，形成多層吸附的可能性降低，所以三元體系中重烷基苯磺酸鹽的吸附等溫線呈L型.

二類砂的黏土礦物質量分數幾倍于一類砂的，且二類砂中吸附能力較強的綠泥石礦物質量分數非常高，黏土礦物的表面能高，黏土礦物表面以多種方式和表面活性劑離子作用；黏土礦物的吸附能力遠大于骨架礦物的，表面活性劑在巖心砂上的吸附主要是由黏土礦物引起的，所以二類砂的黏土礦物質量分數越高，尤其是綠泥石質量分數越高，其吸附量越大.

圖3 三元驅油體系中一類砂、二類砂的表面活性劑吸附等溫線Fig.3 Adsorption isotherms of surfactant in ternary liquid

4.2 一、二類油層對HPAM的靜態吸附

三元驅油體系中一類砂和二類砂的HPAM、NaOH吸附等溫線見圖4.由圖4（a）可以看出，當HPAM平衡質量濃度小于0.600 g/L時，吸附量隨平衡質量濃度的增加而線性增加，吸附規律符合Henry方程.當HPAM平衡質量濃度在0.900～1.800 g/L之間時，為平衡吸附，吸附等溫線平緩，巖心砂表面的活性中心被HPAM分子完全占據，形成單分子層吸附，符合Langmuir吸附模式.HPAM在一類砂和二類砂上的最大吸附量分別為0.056、0.062 mg/g，二類砂和一類砂的絕對吸附量相差不大[16].

圖4 三元驅油體系中一類砂、二類砂的HPAM、NaOH吸附等溫線Fig.4 Adsorption isotherms of HPAM and NaOH in ternary liquid

HPAM在巖心砂上的吸附平衡是多因素綜合作用的結果，三元驅油體系中HPAM的質量濃度、體系p H和礦化度，以及巖心砂的礦物組成和表面性質等影響吸附量.

平衡質量濃度增加引起吸附—解吸平衡向吸附方向移動，HPAM的吸附量一般隨平衡質量濃度的增大而升高，當質量濃度升高到一定程度時，將發生多層吸附；平衡質量濃度增加引起HPAM分子間的纏繞程度增加，脫離表面進入溶液的趨勢增加，吸附力相對減小，吸附量降低；當三元驅油體系中離子強度增大時，HPAM分子流體力學體積減小，巖心礦物表面擴散雙電層被壓縮，與HPAM分子間電性排斥力減小，吸附量增加；當三元驅油體系中p H增加時，巖心礦物表面負電性增加，HPAM分子水解度升高，與巖心礦物間靜電斥力增加，吸附量降低.

HPAM和巖心砂表面存在多點吸附，且吸附力較強，但HPAM高分子脫附力也較大，平衡作用力相對較小；HPAM高分子在靜態吸附條件下擴散到巖心砂內部孔隙的可能性較小，吸附作用主要取決于巖心砂的外表面，兩類巖心砂外表面總體產生的吸附性差異不大，即為在一、二類巖心砂上HPAM吸附量相差不大的原因.

因此，吸附量增加和減小的因素并存，在一、二類巖心砂上HPAM的吸附綜合表現為絕對吸附量較小且吸附量相差不大，吸附等溫線為L型.

4.3 一、二類油層對NaOH的靜態吸附

三元驅油體系中一類砂和二類砂的NaOH吸附等溫線見圖4（b）.由圖4（b）可以看出，二類砂的NaOH靜態吸附量大于一類砂的，一類砂和二類砂的NaOH吸附規律基本相同.當NaOH平衡質量分數小于0.6%時，吸附量隨著平衡質量分數的增加而快速增加；當平衡質量分數在0.6%～1.2%之間時，吸附量隨平衡質量分數的增加有緩慢上升的趨勢.在一類砂和二類砂上，三元驅油體系中NaOH的最大吸附量分別為1.680、1.800 mg/g，二類砂的吸附量比一類砂的增加7.1%.

一方面NaOH與組成巖石礦物的氧化物發生化學反應生成可溶性鹽，可溶性鹽在一定條件下再沉淀.NaOH和巖心礦物的反應過程[17]：

硅鋁酸鹽溶解的程度隨體系p H的升高而增加，堿度較低時反應比較緩慢.巖石礦物的組成影響硅鋁酸鹽的溶解平衡，當溶液中SiO2/Na2O的摩爾比不小于2時，硅鋁酸鹽的溶解達到平衡.由于存在溶解平衡，吸附曲線呈L型.

另一方面NaOH與黏土礦物表面的離子交換能力遠強于表面活性劑與HPAM的.Na+交換出來的Ca2+、Mg2+和OH-或可溶性硅酸鹽發生沉淀反應.另外，黏土礦物中的Fe類雜質也產生NaOH損耗.因此，含黏土礦物較多的二類砂的靜態吸附損耗的NaOH多于一類砂的.

5 一、二類油層的動態滯留

三元驅油體系動態滯留實驗的巖心參數和結果見表3和表4.由表4可以看出，3種化學劑在二類油層巖心上的動態滯留量均大于在一類油層巖心上的，NaOH和表面活性劑的動態滯留量小于靜態吸附量，而HPAM的動態滯留量大于靜態吸附量.

表3 動態滯留實驗巖心參數Table 3 Core parameters of dynamic retention experiment

在巖心流體運移過程中，三元驅油體系局部滲透率很小的孔隙難以被驅替液波及，加之巖心的比表面積小于油砂的，三元驅油體系和巖心作用的表面積減小.另外，巖心水的稀釋降低化學劑的濃度，后續水驅過程還存在化學劑的解吸，導致NaOH和表面活性劑的動態滯留量低于靜態吸附量.NaOH、表面活性劑與二類油層巖心的接觸面積大，二類油層巖心內表面的吸附能力強，所以二類油層巖心的NaOH和表面活性劑的動態滯留量高于一類油層巖心的.

表4 動態滯留實驗結果Table 4 The results of d_ynamic retention experiment

HPAM的動態滯留主要跟巖心的孔隙結構特征有關.在巖心流體運移過程中，HPAM除發生范德華力和氫鍵作用外，還發生機械捕集和水動力學捕集，二類油層喉道半徑小，HPAM更易滯留在較小的喉道處，從而導致HPAM的動態滯留量大于靜態吸附量，二類油層巖心的HPAM的動態滯留量高于一類油層巖心的.

6 結論

（1）大慶薩中二類油層的黏土礦物質量分數、組成和孔隙結構與一類油層的差異較大，導致三元驅油體系在二類油層中滲流的特殊性.二類油層中黏土礦物絕對質量分數是一類油層的2.4倍，綠泥石相對質量分數較高，二類油層的滲透率約為一類油層的1/3，喉道半徑較小.

（2）三元驅油體系中3種化學劑的黏土礦物的靜態吸附量明顯大于骨架礦物的，三元組分的吸附損失主要由黏土礦物引起，其中綠泥石對化學劑的吸附作用較強.

（3）3種化學劑在油砂上的吸附等溫線為Langmuir型，NaOH和表面活性劑的飽和吸附量較高，HPAM的飽和吸附量較低；表面活性劑的飽和吸附量受巖心性質影響較大.

（4）3種化學劑的二類油層巖心的動態滯留量高于一類油層巖心的，NaOH和表面活性劑的動態滯留量低于靜態吸附量，HPAM的動態滯留量大于靜態吸附量.

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TE357

A

2095-4107（2014）06-0092-08

DOI 10.3969/i.issn.2095-4107.2014.06.012

2014-09-18；編輯：任志平

李柏林（1967-），男，副教授，主要從事油田應用化學方面的研究.