弱堿三元污水稀釋弱堿三元復合驅體系的可行性*

何金鋼

（大慶油田有限責任公司第一采油廠，黑龍江大慶 163000）

三元復合驅在大慶油田的穩產方面發揮了重要作用［1-2］。隨著三元復合驅工業化的推廣，工業化區塊達到33個且規模不斷擴大，年產油量貢獻達到430萬噸以上。弱堿三元復合驅體系具有注采能力高、結垢程度弱于強堿三元復合驅且驅油效果基本相當的特性［3-5］，投注的區塊比例達到55%以上。與此同時，弱堿三元復合驅采出污水（以下簡稱三元污水）不斷增加，造成了環境污染和處理成本增加的雙重壓力。由于水質指標達標難度大，目前僅能將三元污水直接回注到三元復合驅后續水驅的區塊，避免水驅區塊受到污染。但目前三元復合驅工業化推廣區塊的速度大于結束三元復合驅進入后續水驅區塊的速度，因此三元污水過盈的問題日益凸顯，需要進一步研究三元污水的再利用。本文利用三元污水稀釋弱堿三元體系再進行弱堿三元復合驅，研究弱堿三元污水性能對弱堿三元體系性能、注入能力和驅油效果的影響，探索三元污水稀釋弱堿三元體系回注本區塊的可行性，并通過現場試驗進行驗證，為三元污水再利用和三元復合驅降本增效提供思路。

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1200×104，固含量91.4%，中國石油大慶煉化公司；石油磺酸鹽，有效物含量38%，大慶油田第一采油廠；碳酸鈉（Na2CO3），分析純，天津致遠化學試劑有限公司；實驗用模擬油由大慶油田第一采油廠脫氣原油與煤油按一定比例混合得到，黏度9.0 mPa·s（溫度45℃）。飽和巖心用水為模擬地層水，水驅用水為清水，配制聚合物溶液母液用水為聚中五注水站的深度污水，稀釋弱堿三元體系用水為中202 三元污水站的弱堿三元復合驅采出污水（以下簡稱三元污水），各種水樣的水質分析見表1。

表1 實驗用水水質分析

天然巖心取自取芯井G111-J455井SII組，外觀尺寸（直徑×長）φ2.5 cm×10 cm；石英砂環氧樹脂膠結均質巖心［6］，滲透率約為300×10-3μm2（模擬大慶油田二類油層），外觀尺寸（長×寬×高）為30 cm×4.5 cm×4.5 cm。

DV-Ⅱ型布氏黏度計，美國Brookfield 公司；BI-200SM 型廣角動/靜態光散射儀系統，美國Brookhaven公司；T25型數顯型分散機，德國IKA公司；TEXAS-500C 型旋滴界面張力儀，德國Dataphysics公司；2PB00C型平流泵，北京星達公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 三元污水回注油層滲透率界限實驗

油田開發過程中回注流體是否傷害油層決定了全過程的開發效果，為確定三元污水回注油層時污水可以通過的油層滲透率界限，選取二類油層不同滲透率的天然巖心（有效滲透率50×10-3數600×10-3μm2）開展三元污水注入條件下的流動性實驗。采用阻力系數和殘余阻力系數來描述巖心堵塞情況［12-13］。在45℃恒溫條件下，首先對天然巖心抽真空并飽和模擬地層水，同時水測滲透率；其次，以驅替速度0.1 mL/min（約1 m/d）連續注入三元污水，為最大程度模擬回注時堵塞油層情況，流動性實驗過程中連續注入30 PV 的三元污水，模擬由于注入井井壁附近巖石骨架顆粒起到過濾作用時形成的類似鉆完井過程中損害時的“表皮區”［7-11］，達到確定滲透率界限的目的。

1.2.2 三元污水稀釋三元體系性能研究

（1）不同污水稀釋三元體系方式及水質指標

為評價三元污水稀釋三元體系可行性，分別采用深度污水配制、深度污水稀釋，深度污水配制、三元污水稀釋的兩種三元體系，評價三元主段塞和副段塞的體系性能。不同污水稀釋三元體系指標情況如表2 所示，下文中不同體系采用體系編碼進行替代。其中聚合物母液濃度為5000 mg/L，三元體系中聚合物濃度為2000 mg/L，因此深度污水配制、深度污水稀釋的三元污水占比為60%。通過比例計算得到含油量和懸浮物量的理論值，再通過化驗確定實測結果，結果如表2中實測值。

（2）體系增黏性和黏度穩定性評價

采用表2中不同污水稀釋條件下的三元體系評價體系的增黏性和黏度穩定性。在45℃、6 r/min的條件下用布氏黏度計測定三元復合體系溶液的黏度；將各體系放置0，3，7，30，60，90 d，測定體系的黏度。

表2 不同污水稀釋三元體系指標

（3）體系抗剪切性能評價

為模擬不同三元體系的抗剪切能力，以目前大慶油田在用的WWZ 體系作為基準，在聚合物濃度為2000 mg/L 條件下對其進行預剪切，使黏度降為配制黏度的60%，此時采用IKAT25 數顯型分散機對體系剪切28 s，再以相同的剪切速率和剪切時間對其他3 種體系進行預剪切，測定剪切后的體系黏度，計算黏度保留率，評價體系的抗剪切性能。

（4）體系界面張力及穩定性測定

采用深度污水和三元污水兩種水質分別配制35 個不同質量分數的表面活性劑和堿濃度的三元復合體系，在45℃、6000 r/min 的條件下，用界面張力儀測定三元復合體系與模擬油間的界面張力，取平衡值。通過測試各體系放置0，3，7，30，60，90 d后與模擬油間的界面張力評價體系界面張力穩定性。

（5）乳化性能測定

取三元復合體系溶液與脫氣原油各12.5 mL倒入具塞量筒中，放置45℃恒溫箱30 min，手動振蕩200 次后使油水乳化，然后在45℃恒溫箱靜置1 h，計算乳化析水率，評價體系的乳化性能。

（6）體系流動性實驗

采用阻力系數和殘余阻力系數描述三元體系流動特性。為模擬現場配制和注入過程中三元體系的黏度損失，在注入巖心前采用IKAT25 數顯型分散機對其進行預剪切。體系流動性實驗在45℃、驅替速度0.5 mL/min（約1 m/d）的條件下進行。

1.2.3 三元污水稀釋三元體系的驅油效果實驗

為對比三元污水配制三元體系和深度污水配制三元體系的驅油效果差別，采用人造石英砂環氧樹脂膠結均質巖心開展驅油實驗。將巖心抽真空，飽和模擬地層水，并水測滲透率；以速度0.1 mL/min飽和模擬油，老化72 h，計算初始含油飽和度；在45℃條件下，全過程以0.5 mL/min（約1 m/d）的驅替速度恒速驅替。水驅至出口含水98%，注入兩種水質的三元復合體系（段塞組合和注入量如表3 所示），后續水驅至含水率98%。

表3 三元復合驅段塞組合及注入參數

2 結果與討論

2.1 三元污水回注油層滲透率界限

采用8組不同滲透率天然巖心開展三元污水回注實驗，結果如表4 所示。有效滲透率50×10-3μm2的天然巖心，三元污水注入后壓力急劇升高，沒有計算出阻力系數，發生明顯巖心堵塞現象。巖心有效滲透率增加至100×10-3μm2時，阻力系數為262，殘余阻力系數245，說明三元污水中含的油及懸浮物形成了架橋封堵且很難恢復，但是巖心仍具有穩定的滲流能力。阻力系數的變化趨勢表明，隨著有效滲透率的增加，阻力系數在有效滲透率大于300×10-3μm2時出現突降。在大慶油田二類油層聚合物驅控制程度計算時，相對分子質量為1200×104的部分水解聚丙烯酰胺溶液的滲透率注入下限約為100×10-3μm2，此時儲層平均厚度比例大于95.6%［14-15］。因此，三元污水與相對分子質量1200×104的部分水解聚丙烯酰胺溶液具有類似的注入下限，均為100×10-3μm2，采用三元污水配制稀釋三元體系并沒有造成化學驅的控制儲量損失。

表4 三元污水回注不同滲透率天然巖心評價結果

2.2 三元污水稀釋三元體系的性能

現階段，大慶油田弱堿三元體系的配制稀釋流程為：配制站配制聚合物母液，調配站加入堿和表面活性劑調配三元體系。在聚合物母液的配制過程中，三元污水細菌數量遠大于清水和深度污水，易導致黏度損失過大［16-17］。而在稀釋三元體系過程中堿的加入達到殺菌效果，因此三元污水更適合稀釋三元體系而不是配制聚合物母液。按照表2中的不同污水稀釋的三元體系開展三元體系性能研究。

2.2.1 增黏性和黏度穩定性

不同污水稀釋的三元體系的增黏性如圖1 所示。WWASPZ體系的黏度比WWZ體系的黏度低，在1600數2400 mg/L的主要驅油用三元體系聚合物濃度條件下黏度低0.1數1.8 mPa·s，隨著體系濃度的不斷增加，黏度差別增大，在濃度3000 mg/L時黏度相差2.2 mPa·s。因此，要達到相同的體系黏度，WWASPZ體系較WWZ體系需要增加0.96%數5.56%的聚合物用量。對比WWASPF體系和WWF體系，在1600數2400 mg/L 的配制濃度下黏度低0.4數2.0 mPa·s，在濃度3000 mg/L時黏度相差3.0 mPa·s。由于三元污水與深度污水礦化度之間的差別，造成了三元污水稀釋體系黏度偏低。在增黏性評價過程中，三元污水稀釋體系增黏性略差于深度污水稀釋體系。

圖1 不同污水稀釋的三元體系的黏度隨聚合物濃度變化

不同污水稀釋的三元體系黏度穩定性評價結果如圖2所示。90 d體系黏度保持率為：WWASPZ體系＞WWZ體系＞WWASPF體系＞WWF體系。WWASPZ體系受到高堿濃度和礦化度的影響，增黏性略差，但穩定性要好于深度污水三元體系。黏度穩定性結果表明，三元污水稀釋的三元體系黏度穩定性好于深度污水稀釋體系。

圖2 不同污水稀釋的三元體系的黏度穩定性

2.2.2 三元體系的抗剪切作用

不同污水稀釋三元體系抗剪切性能結果如表5。經剪切作用后，WWZ 體系的黏度保持率為60.13%，其黏度保持率高于WWF體系和WWASPF體系的。由于三元污水的高礦化度作用，部分水解聚丙烯酰胺的分子鏈相對較短，在受到剪切作用時，長鏈分子受到的剪切破壞程度大，體系黏度損失主要是源于長鏈的斷鏈，在相同的剪切速率和剪切時間下，長鏈越多，其剪切斷鏈的概率越高，總體上，主段塞的黏度保留率高于副段塞，三元污水稀釋的體系高于深度污水稀釋的體系。綜合評價WWASPZ體系的抗剪切穩定性能最好。

表5 不同污水稀釋三元體系黏度特性評價

2.2.3 分子線團尺寸

圖3為不同污水稀釋三元體系中聚合物的分子線團尺寸Dh隨時間變化曲線。隨著放置時間的延長，Dh值均先增大后減小，聚合物分子在三元體系中逐漸伸展，然后發生一定的降解。分子線團尺寸大小為：WWASPZ體系＜WWZ體系＜WWASPF體系＜WWF體系。由于水中的陽離子會與部分水解聚丙烯酰胺分子鏈上的羧基負電荷結合，使部分水解聚丙烯酰胺分子鏈靜電斥力減弱，而擴散雙電層將被壓縮，使得分子鏈變得蜷縮，導致Dh減?。?7］。因此，礦化度和堿濃度對分子線團尺寸影響較大，但是隨著時間的延長其影響逐漸趨于穩定。

圖3 不同污水稀釋三元體系中聚合物分子線團尺寸隨時間變化

2.2.4 黏彈性

圖4 不同水質的三元體系溶液的損耗模量（a）和儲能模量（b）

不同污水稀釋的三元體系溶液黏彈性通過測試損耗模量和儲能模量來進行表征，圖4 為損耗模量和儲能模量的測試結果。通過對三元體系溶液損耗模量和儲能模量的測定，能夠從其聚合物“黏彈性”驅油的機理上分析三元體系相應的驅油潛力［18］。不同水質中體系的損耗模量和儲能模量為：WWASPZ體系＜WWZ 體系＜WWASPF 體系＜WWF 體系。三元體系中礦化度越低，損耗模量和儲能模量越大，通過黏彈性提高采收率的能力越強，而三元污水在稀釋三元體系的過程中將會對“黏彈性”驅油具有一定影響。

2.3 三元污水稀釋三元體系的界面活性

2.3.1 三元體系與原油作用界面活性范圍

三元體系與原油作用界面活性范圍直接影響驅油效率和抗吸附性能［19］。用兩種水質分別配制的35個不同表面活性劑、堿濃度的三元體系與原油界面張力測定結果如圖5 所示。結果表明，三元污水稀釋三元體系和深度污水稀釋三元體系的超低界面張力（＜10-2mN/m）范圍相近，且超低界面張力范圍較寬，與原油之間有較好的界面活性范圍。三元污水中的懸浮物、含油及細菌等雖然含量較高，但是在三元污水中殘余的表面活性劑（0.048%）和堿（0.23%）能夠進一步發揮其與原油的作用。因此，三元污水稀釋條件下對三元體系界面活性沒有影響。

圖5 不同水質條件下三元體系的界面活性范圍

2.3.2 三元體系界面張力穩定性

三元體系在儲層運移過程中會長期與原油和巖石接觸，因此界面張力的穩定性極為重要。不同污水稀釋的三元體系與原油間的界面張力隨時間的變化如圖6所示。三元污水稀釋的三元復合體系在90 d的測試中均具有較好的界面張力穩定性，全過程界面張力均能達到超低界面張力（＜10-2mN/m）。對比四種體系穩定性，由于三元污水中含有殘余表面活性劑和堿，體系中的有效表面活性劑和堿的濃度相對更高，界面張力穩定性相對深度污水稀釋的三元體系更好。

圖6 不同污水稀釋的三元體系的界面張力隨時間的變化

2.3.3 三元體系對原油的乳化性能

乳化性能是三元復合體系在驅油過程中提高采收率的重要性能［20-21］。WWZ、WWF、WWASPZ 和WWASPF 體系的乳化析水率分別為83.1%、91.5%、66.8%和78.5%。三元污水稀釋三元體系對原油具有更好的乳化性能，增油能力較強。

2.3.4 三元體系的抗吸附性能

三元體系在儲層多孔介質的流動過程中將發生明顯的表面活性劑吸附現象，產生不同程度的吸附損失，三元體系組成將隨運移距離的變化而變化，進而直接影響與原油作用的界面張力，從而影響驅油效率。不同污水稀釋的三元體系的抗吸附性能如圖7 所示。WWZ 體系、WWF體系、WWASPZ體系和WWASPF體系在吸附5次、4次、5次、4次后與原油間的界面張力仍能達到超低界面張力。由圖5可知，目前兩種污水稀釋的三元體系都存在較寬的吸附損失范圍，在吸附一定量后也仍在超低界面張力范圍內。

圖7 吸附次數與界面張力之間的關系

2.4 三元污水稀釋三元體系的注入能力

不同污水稀釋的三元體系的注入能力評價實驗結果如表6 和圖8 所示。根據2.1 節污水回注滲透率界限結果，在有效滲透率300×10-3μm2的條件下，三元污水中的懸浮物和含油并不會堵塞巖心。分子線團尺寸測試結果表明WWASPZ 體系＜WWZ體系＜WWASPF 體系＜WWF 體系，因此分子線團尺寸將直接影響注入能力，表現出了圖8 中壓力升幅的差異。三元污水稀釋三元體系的阻力系數小于深度污水稀釋體系，而在后續水驅過程中殘余阻力系數小于污水稀釋體系。雖然三元污水稀釋三元體系的注入能力更好，但低的殘余阻力系數不利于后續水驅過程中進一步發揮流度控制作用，綜合含水率會快速回升。由于在三元副段塞注入后通常采用聚合物保護段塞，因此殘余阻力小的問題得到解決。

圖8 不同污水稀釋的三元體系的注入壓力隨注入體積的變化

表6 不同污水稀釋的三元體系的注入能力評價實驗結果

2.5 三元污水稀釋三元體系巖心驅替實驗

通過以上性能評價，三元污水稀釋三元體系較深度污水稀釋三元體系增黏性略低，穩定性好，抗剪切性能好，分子線圖尺寸小，黏彈性略低，界面活性相同，界面活性穩定性更好，乳化性能更好，抗吸附性能相同，注入能力更好。在黏度性能、界面活性和注入能力相似的前提下，采用相同條件進一步評價兩種三元體系的驅油效果，結果如表7 所示。結果表明，三元污水稀釋三元體系較深度污水稀釋三元體系在三元驅階段采收率平均高0.81%，兩種體系的階段提高采收率水平相當。兩組實驗的綜合曲線結果如圖9所示。三元污水稀釋三元體系由于具有更好的注入能力和乳化能力，在驅油實驗過程中達到了含水降低幅度更低、注入壓力較深度污水體系稍低、三元驅階段采收率相當的效果。

表7 不同水質條件下驅油實驗結果

圖9 不同污水稀釋三元體系的巖心驅油結果

2.6 現場驅油情況

在室內實驗取得成功的基礎上，進一步通過現場試驗驗證三元污水稀釋三元體系可行性。試驗區為北一二排東二類油層弱堿三元復合驅中202注入站。中202 注入站共25 口注入井、35 口采出井，平均油層有效厚度10.0 m，平均有效滲透率746×10-3μm2，在薩中開發區具有較強的二類油層代表性。為了評價三元污水和深度污水稀釋三元體系的差別在北一二排東選取中201 站作為對比站，兩站開發過程相同，油層物性相似。2015 年9 月數2018 年8 月，兩站注深度污水稀釋三元體系。2018年8 月數2019 年8 月，中202 站注三元污水稀釋三元體系，中201站注深度污水稀釋三元體系。

現場試驗注入動態結果如圖10 和圖11 所示。由于兩站井數差別，日注入量有差異，但是中202站注入量全程保持穩定，在注入三元污水稀釋三元體系后，截止目前注入量略增加50 m3/d，而中201站緩慢下降，約為100 m3/d，但是注入壓力全程兩站基本相似，具有相同的變化趨勢。兩站的注入體系黏度和體系中聚合物濃度連續監測結果表明，三元污水稀釋體系與深度污水稀釋體系相比，并沒有出現明顯的體系黏度下降問題，與室內實驗評價結果相同。綜合以上注入狀況結果，進一步說明現場試驗與室內評價的注入能力評價結果基本相似，三元污水稀釋三元體系略好于深度污水稀釋體系。

采出端的連續監測結果如圖12 所示。兩站綜合含水率的變化趨勢一致，中202 站的含水率從三元污水稀釋三元體系注入時的93.68%下降到最低值的91.89%，中201 站從92.65%下降到91.88%，含水降低水平相同，但是中202 站下降幅度比中201站高1.03%。兩站的日產液量也基本保持穩定，說明三元污水稀釋三元體系沒有影響到產液和驅油效果。

圖10 現場試驗注入量和注入壓力綜合曲線

圖11 現場試驗注入體系聚合物濃度和注入黏度綜合曲線

圖12 現場試驗日產液量和綜合含水率綜合曲線

三元復合驅全過程的動用有效厚度見圖13。中202站在三元污水稀釋三元體系注入有效厚度動用比例增加，而中201站基本保持穩定，現場試驗結果與前文的室內研究結果較為一致。三元污水稀釋三元體系的現場試驗證實了三元污水稀釋三元體系的可行性。

圖13 現場試驗動用有效厚度變化結果

3 結論

懸浮物含量100 mg/L、含油50 mg/L 的弱堿三元污水，直接回注油層的滲透率下限是100×10-3μm2。當巖心滲透率增至300×10-3μm2以上時，三元污水對儲層的影響基本消失。

三元污水稀釋體系的增黏性略低、穩定性好、抗剪切性能好、分子線圖尺寸小、黏彈性略低；界面活性相同、界面活性穩定性更好、乳化性能更好、抗吸附性能相同；注入能力更好。

三元污水稀釋三元體系由于具有更好的注入和乳化能力，在室內驅油過程中，壓力升幅小而含水降低幅度大，現場試驗也表現出了注入能力強、動用程度高且含水率降幅大的特點。

三元污水稀釋三元體系具有廣泛的應用前景，針對大慶油田二類儲層，在考慮技術可行性和經濟可行性的前提下可以采用弱堿三元污水稀釋弱堿三元體系開展三元復合驅。