水溶性稠油降黏劑性能影響因素分析

鄒劍　王弘宇　王秋霞　張華　韓曉冬　米恒坤

摘????? 要： 以渤海油田兩種典型的水溶性稠油降黏劑為對象，包括小分子表面活性劑SR和高分子ZK，通過填砂管驅替實驗，研究了溫度、鹽度和滲透率對于它們驅油性能的影響。結果表明：在相同條件下，ZK的驅油效果優于SR;溫度升高、鹽度升高和滲透率降低不利于兩種降黏劑驅油效果的提升。通過界面張力測試、降黏性能測定、溶液表觀黏度測定、微觀可視化驅替實驗，探討了溫度和滲透率影響降黏劑驅油效果的原因。結果表明：溫度升高促使體系界面張力升高、降黏性能下降、溶液表觀黏度降低，不利于降黏劑提升洗油效果和擴大波及范圍。微觀驅替實驗結果表明，ZK在不同滲透率下均具有更好的波及效果;在低滲條件下，形成的乳狀液滴尺寸小，不利于調整吸水剖面。

關? 鍵? 詞：稠油降黏;乳化;采收率;兩親聚合物;耐溫抗鹽

中圖分類號：TE39????????? 文獻標識碼： A?? 文章編號： 1671-0460（2020）07-1341-06

Analysis on Factors Affecting the Performance of

Water-soluble Heavy Oil Viscosity Reducing Agents

ZOU Jian 1， WANG Hong-yu1， WANG Qiu-xia1， ZHANG Hua 1， HAN Xiao-dong1， MI Heng-kun2

（1. Bohai Oilfield Research Institute， Tianjin Branch， CNOOC China Limited， Tianjin 300459， China;

2. School of Petroleum Engineering， China University of Petroleum （East China）， Qingdao Shandong 266580， China）

Abstract： The effect of temperature， salinity and permeability on the oil displacement properties of two heavy oil viscosity reducing agents was studied through sand-filled pipe flooding experiments. These two chemicals are typical water-soluble agents in Bohai oilfield， including the small molecule surfactant SR and polymer ZK. The results indicated that，under the same condition， the oil displacement property of ZK was better than that of SR， and the increase of temperature and salinity as well as the decrease of permeability were not conducive to the improvement of oil displacement performances for both two agents. The reasons for the effect of temperature and permeability on the oil displacement property were analyzed by interfacial tension test， heavy oil viscosity reduction analysis， apparent viscosity measurement and microscopic displacement experiment. The results showed that the increase of temperature promoted the increase of interfacial tension， the decrease of heavy oil viscosity reduction， and the decrease of the apparent viscosity of ZK solution， which was not good for agents to enhance the oil displacement and sweep properties. The results of microscopic displacement experiments indicated that ZK had better sweep efficiency under both two investigated permeabilities， and in low permeability model， the size of emulsion droplets was small， which was bad for adjusting the water absorption profile.

Key words： Heavy oil viscosity reduction; Emulsification; Oil recovery; Amphiphilic polymer;Salt and temperature resistance

我國稠油資源非常豐富，總量約為16億t，約占原油總儲量的25%～30%^[1]。如何采取有效的手段加快稠油資源的開發利用，對保障國家能源安全、促進社會發展具有重要的戰略意義^[2]。在稠油注水開發時，由于注入水與稠油黏度相差過大，過高的水油流度比導致注入水突破早，在地層中形成低阻的水流通道，含水率迅速上升，注入水波及系數很低，油藏采出程度低，原油采收率通常在5%～10%^[3-5]。由此可見，降低原油黏度，是提高稠油采收率的重要方法之一。

稠油化學降黏是指向稠油中加入化學藥劑，包括水溶性降黏劑和油溶性降黏劑，水溶性降粘劑通過乳化作用而降黏，油溶性降粘劑通過稀釋和拆散膠質、瀝青質網架結構而降黏。與油溶性降黏劑相比，水溶性降黏劑具有用量小、降黏率高、安全環保、成本低廉等優點^[6-7]。傳統的水溶性降黏劑通常為HLB值在7～18范圍內的水溶性表面活性劑。近年來，人們研發了一類水溶性高分子降黏劑，它是在以聚丙烯酰胺為骨架的大分子鏈上，引入具有兩親性能的單體，改善高分子的親水親油能力，增加高分子對原油的增溶和乳化能力，因此高分子降黏劑既能增加水相黏度，又能通過乳化分散作用降低原油黏度，提高原油流動性^[8-10]。兩類水溶性降黏劑具有不同的分子結構和稠油降黏機制，本文通過測試溫度、鹽度和滲透率對于兩類降黏劑降黏效果和驅油性能的影響，考察兩類降黏劑的性能差異，對比分析兩類降黏劑的適用油藏條件。本研究可以為稠油油藏化學降黏體系的篩選提供參考。

1 ?實驗部分

1.1? 實驗材料

小分子表面活性劑型降黏劑SR、高分子型降黏劑ZK由中海油天津分公司提供;氯化鈉、氯化鈣、硫酸鎂、氯化鉀、碳酸氫鈉（均為分析純）購自國藥集團化學試劑有限公司。

實驗用油：渤海B油田脫水原油，性質及組成見表1。

實驗用水：渤海B油田模擬地層水，各離子含量見表2。

1.2? 實驗方法

1.2.1 ?驅油性能評價

降黏劑的驅油性能采用DHZ-50-180型化學驅動態模擬裝置評價。步驟如下：

1）向填砂管中加入石英砂，壓實后稱重;將填砂管飽和礦化水，再次稱重;計算孔隙體積及孔隙度。

2）將填砂管注入原油直到出液口不再產水，計算飽和油量及含油飽和度。

3）將模擬礦化水注入飽和油的填砂管，出液口用量筒計液，直到含水率大于98%，停止水驅，計算水驅采收率。

4）注入0.3 PV的降黏劑溶液后，開始后續水驅，出口端含水98%驅替結束，計算最終采收率。

1.2.2 ?降黏性能評價

在一定溫度下，以模擬礦化水配制降黏劑溶液，將稠油與降黏劑溶液按體積比7∶3混合，機械攪拌30 min（轉速1500 r·min^-1）后，用Brookfield黏度計（DV-Ⅲ型）測量混合體系黏度，并由混合前后體系黏度之差與混合前體系黏度之比計算降黏率。實驗過程中，SR降黏劑在礦化水中的質量濃度為

5 000 mg·L^-1，ZK降黏劑在礦化水中的質量濃度為1 500 mg·L^-1。

1.2.3 ?界面張力測試

按照標準《SY/T 5370-1999表面及界面張力測定方法》中的“旋轉滴法”測量樣品的界面張力。

1.2.4 ?微觀驅油實驗

采用微觀可視化驅替模擬裝置進行驅油實驗，玻璃孔隙模型尺寸φ2.5 cm × 2.5 cm，驅替過程中拍照錄像，記錄不同時間模型中油水的分布。步驟如下：

1）將孔隙模型抽空，飽和原油。2）以1 mL·min^-1 的流量水驅油至模型不出油為止。???? 3）以1 mL·min^-1的流量注入化學藥劑至模型不出油為止。

2? 驅油性能評價

2.1? 溫度影響

小分子降黏劑SR驅替過程中注入壓力、含水率和采收率的變化如圖1所示，實驗中填砂管的滲透率為1 400～1 600 mD。

從圖中可以看出，在水驅的過程中，注入壓力先上升后持續降低，當含水率到達90%以上時，注入壓力基本上不變。注入SR段塞后，注入壓力出現上升，這是因為SR具有良好的乳化能力，在注入過程中原油被乳化成小油滴，這些小油滴在孔吼中產生賈敏效應，從而對流動產生阻力^[11]。當后續水驅結束時，SR提高采收率18.7%，這是由于SR可以有效實現稠油的乳化降黏，將附著在巖心孔隙上的稠油分散，從而提高采收率。

溫度變化時，SR提高采收率情況如圖3所示。從圖中可以看出，當溫度從50 ℃升高至80 ℃時，SR提高采收率的能力持續降低;當溫度為80 ℃時，SR提高采收率12.9%。隨著溫度的升高，SR的分子熱運動增強，SR在油水界面上形成吸附膜的強度降低;另外，SR的親水親油性能也受到溫度的影響，表面活性劑過于親水或者過于親油，均不利于表面活性劑在界面上的吸附，由此可見，溫度升高，不利于SR對于原油的乳化^[12]。此外，溫度的變化，還將影響到界面張力，界面張力的變化對于賈敏效應和油相在孔隙中的滲流能力均存在影響。在實驗中還發現，隨著溫度的升高，水驅采收率持續升高，這是由于原油黏度隨著溫度的升高而降低，高溫下原油更容易被水驅動。

高分子降黏劑ZK驅替過程中注入壓力、含水率和采收率的變化如圖2所示。

與SR的驅替過程類似，當藥劑注入后，可以觀察到注入壓力的上升和含水率的下降。然而，ZK的注入壓力上升和含水率下降均強于SR，這是由于ZK具有較高的黏度，因此它在乳化原油的基礎上，還可以改善水油流度比、擴大驅油劑的波及體積，從而具有更好地提高采收率能力。當實驗結束時，ZK提高采收率23.2%，高于同等條件下的SR。

由圖3可以看出，隨著溫度的升高，ZK的采收率提高能力持續下降;當溫度為80 ℃時，ZK提高采收率16.4%。溫度的升高，同樣影響到ZK的吸附能力和親水親油性能，降低ZK對于原油的乳化能力;同時，溫度的升高還可以降低ZK溶液的黏度，這將削弱ZK改善水油流度比、擴大波及體積的作用，不利于采收率的提高。

2.2 ?鹽度影響

以模擬礦化水的礦化度為基準，分別配置了0.5倍、1.5倍、2倍和3倍礦化度的礦化水，測試SR和ZK在上述各礦化水中的驅油性能，測試溫度為50 ℃，滲透率為1 400～1 600 mD，結果如圖4所示。

從圖中可以看出，隨著礦化度的增加，SR和ZK提高采收率的幅度持續降低。當礦化度從0.5倍增加到3倍時，SR提高采收率從20.1%降低到16.5%，而ZK的提高采收率從25.5%降低到17.7%，由此可見，與SR相比，ZK對于礦化度的敏感程度更高。對于小分子而言，礦化度的升高，一方面可以提高水相的極性，改變降黏劑對于水相和油相的親合能力;另一方面可以削弱降黏劑所帶電荷之間的靜電斥力，提升界面膜的強度^[13]。對于高分子而言，礦化度的升高除了上述作用之外，鹽離子還可以屏蔽高分子分子鏈上的電荷，高分子構型更為蜷曲，分子間網絡結構削弱，黏度顯著降低^[14]。因此，鹽度對于ZK驅油效果的影響更大。

2.3 ?滲透率的影響

渤海油田不同區塊稠油油藏的滲透率差異顯著，滲透率對于驅油劑的注入、吸附、驅替效果等性能具有很大的影響。填制滲透率分別為300～500 mD（低）、900～1 100 mD（中）和1 400～1 600 mD（高）的填砂管，考察滲透率對于SR和ZK驅油效果的影響，測試溫度為50 ℃，結果如圖5所示。

由圖中可以看出，滲透率對于兩種降黏劑的驅油性能影響很大，與中、高滲透率的情況相比，兩者在低滲透率填砂管中的驅油性能顯著下降。當滲透率下降時，多孔介質中孔吼的半徑變小，藥劑的注入性變差，油滴產生的賈敏效應增強，不利于油水的運移;孔隙的比表面積增加，提高藥劑在巖石表面的吸附量，降低藥劑的有效濃度及洗油效果;此外，低滲透率儲層非均質性更強，水突破后注入流體易沿大孔道流出，降黏劑擴大波及范圍的能力受限。相較于ZK，滲透率對于SR的影響更加明顯，這是因為ZK在控制油水流度比、擴大波及范圍方面具有更好的效果。

3? 溫度影響原因分析

以溫度為例，通過降黏劑基本性能和參數的測定，從微觀角度進一步探討外界條件影響降黏劑驅油性能的原因。

3.1? 界面張力測試

測試了不同溫度下SR和ZK的界面張力，結果如圖6所示。從圖中可以看出，在相同溫度下，SR的界面張力低于ZK。這是因為，小分子結構規整、分子構型少，在油水界面上容易規則排布，形成很好的界面膜;而高分子兩親部分無規排布、分子構型復雜多變，難以形成規整的油水界面膜^[15]。當溫度升高時，SR和ZK的界面張力均逐漸升高，然而ZK的升高幅度高于SR。過高的界面張力，對于乳化和洗油可能都是一個不利的因素。

3.2 ?降黏性能測試

由圖7可以看出，SR具有很好的降黏效果，在測試溫度范圍內，降黏率都在95%以上;在相同溫度下，SR的降黏性能優于ZK;當溫度升高時，SR的降黏率略有下降，而ZK的下降趨勢更明顯。SR和ZK的降黏性能變化規律與它們的界面張力變化規律一致，這說明降黏劑在油水界面良好的吸附，是獲得良好乳化能力的基礎。需要指出的是，在石油開采過程中，過高的乳化能力使得采出液破乳困難、后處理繁雜，這在海上油田開發中更為明顯。因此，降黏劑合適乳化性能的選擇十分重要。

3.3? 表觀黏度測試

高分子型降黏劑為丙烯酰胺聚合物的衍生物，分子上往往還帶有羧基、磺酸基等陰離子基團，屬于聚電解質化合物，因此溫度對它的表觀黏度有一定的影響。

由圖8可以看出，隨著溫度的升高，ZK的表觀黏度持續降低，這與常規的驅油聚合物部分水解聚丙烯酰胺的表觀黏度—溫度關系一致。表觀黏度的降低，對于聚合物擴大波及范圍、驅油劑溶液提升黏彈性性能都是不利的，因此聚合物的驅油性能隨著溫度的升高而降低^[16]。

4? 微觀驅油實驗

為了分析兩種降黏劑在多孔介質中驅替原油的過程，我們選用高滲玻璃模型和低滲玻璃模型，通過微觀可視化裝置觀察了驅替前后的油水分布，以及驅替中乳液的形成和運移過程。

從圖9可以看出，將降黏劑注入飽和油的高滲玻璃模型，水從流出端突破，形成流通性好的中間流道，邊角處的殘余油難以被波及;ZK由于具有較高的表觀黏度，波及區域明顯高于SR，這與填砂管驅替實驗的結果一致。在低滲玻璃模型的實驗中，也觀察到了類似的實驗現象。

從圖10可以看出，將SR注入高滲和低滲模型中，都可以觀察到大量乳狀液的生成。在保持注入流量不變的情況下，由于低滲模型中孔隙度低，孔徑更狹窄，降黏劑在其中的流速快，剪切強，形成的乳狀液滴尺寸小，難以實現有效封堵孔喉、調整吸水剖面的效果，這與填砂管驅替實驗的結果一致。由此可見，在不提升注入液黏度的情況下，強剪切應力不利于發揮降黏劑乳化降黏驅油的效果。

5? 結 論

1）針對兩種水溶性稠油降黏劑，包括小分子表面活性劑型SR和高分子型ZK，對比評價了它們對于渤海B油田稠油的驅油效果，結果表明同等條件下，ZK提高采收率的效果更好。

2）溫度和鹽度的升高，對于兩種降黏劑的驅油性能均有不利影響。以溫度的影響為例，溫度升高導致界面張力升高、降黏性能降低和聚合物溶液表觀黏度降低，不利于提高驅油劑的洗油效率和波及系數。

3）滲透率的降低，對于兩種驅油劑的驅油性能均有不利的影響。微觀驅油實驗表明，低滲模型中孔徑狹窄，降黏劑在其中的流速快，剪切強，形成的乳狀液滴尺寸小，不利于封堵孔喉、調整吸水剖面。

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基金項目：中海石油（中國）有限公司重大項目，“渤海油田3000萬噸持續穩產關鍵技術研究”課題四“稠油規模化熱采有效開發技術”（項目編號：CNOOC-KJ135ZDXM36TJ04TJ）。

收稿日期：2020-03-04

作者簡介：鄒劍（1969-），男，高級工程師，1992年畢業于西南石油大學石油地質勘查專業，研究方向：海上采油工藝技術。E-mail：zoujian@cnooc.com.cn。