稠油分散性降黏劑的降黏效果及其微觀驅油機理*

李洪毅

（中國石化勝利油田分公司勘探開發研究院，山東東營 257015）

0 前言

勝利油田稠油儲量豐富，產量占比高，主要開發方式為注蒸汽熱力采油。相比常規原油，稠油膠質、瀝青質含量高，結構復雜，黏度高，流動性能差，開采難度大［1］。目前國內外普遍采用的稠油開采方式主要是注蒸汽開發，通過注入高溫蒸汽降低原油黏度，提高稠油的流動性［2-5］。但注蒸汽開發需要消耗大量的蒸汽和燃料，物耗、能耗大，成本高，尤其在低油價形勢下，注蒸汽開發嚴重制約了稠油的效益開發。

化學降黏冷采是接替稠油蒸汽熱力采油的一種經濟有效的方法［6-8］。目前礦場應用的降黏主要是油溶性降黏劑，其主要作用機理是通過破壞稠油瀝青質、膠質分子之間網狀結構，拆散聚集體，起到解聚降黏的作用［9-12］。但由于油溶性降黏劑的成本比較高，限制了實際礦場規模化應用。水溶性降黏劑由于其價格相對低廉以及良好的降黏性能而逐步引起重視。水溶性降黏劑本質上是一種表面活性劑，不僅可降低油水界面張力，還可與原油發生乳化作用，形成水包油乳狀液，降低稠油表觀黏度，增強稠油流動性［13-15］。

勝利樂安油田位于濟陽坳陷東營凹陷南斜坡的純化-草橋鼻狀斷裂帶上，初始地層壓力為11.07 MPa，油層溫度（56 ℃）下脫氣原油黏度為6913 mPa·s，地層水的礦化度為6404～10595 mg/L，屬于具有一定礦化度的邊底水層狀構造普通稠油油藏。由于該油田稠油的黏度較大、地層水的礦化度較高、油層溫度較高，因此需要選擇一種耐溫耐鹽的降黏劑以實現苛刻油藏條件下稠油的有效降黏。從室內低壓實驗條件下測試發現，分散型降黏劑具有較好的稠油降黏效果，是一種比較理想的水溶性降黏劑，但該類型降黏劑在高溫高鹽油藏條件下對稠油的降黏效果以及降黏機理尚不明晰。本文以樂安油田稠油油樣為實驗樣品，通過一系列室內實驗，評價了分散性降黏劑L-A 對稠油的降黏效果，并從分子結構角度和微觀層面上分析了該類型降黏劑的降黏機制及提高采收率機理。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

稠油油樣，取自勝利樂安油田，油層溫度（56 ℃）下脫氣原油黏度6913 mPa·s；油田模擬地層水，礦化度17904 mg/L，鈣離子含量為114 mg/L；分散性降黏劑L-A，東營孚東石油工程技術有限公司；溴化鉀、無水乙醇，國藥集團化學試劑有限公司；二維微觀刻蝕模型采用真實巖心鑄體薄片對圓形玻璃片激光雕刻，模型尺寸6.2 cm×2.2 cm，平均孔隙半徑30 μm，平均喉道半徑4 μm。

NDJ-8S型旋轉黏度計，上海昌吉地質儀器有限公司；Apreo型透射電鏡，美國FEI公司；AFM+型多功能原子力顯微鏡，美國Anasys Instruments公司。

1.2 實驗方法

（1）降黏實驗

參照標準中國石油化工集團公司企業標準Q/SHCG 65—2013《稠油降黏劑技術要求》和Q/SH 0479—2012《稠油流變性測試-旋轉流變儀法》，將一定質量濃度的降黏劑溶液與稠油按一定體積比混合均勻。在油層溫度（56℃）、剪切速率25 s-1下測試稠油的黏度，由降黏前后稠油黏度之差與降黏前稠油黏度比計算降黏率。

（2）稠油分散狀態觀察

首先將稠油樣品放入150 ℃恒溫箱中烘干，然后放入一定量的無水乙醇，震蕩后形成均勻溶液，取出一滴溶液滴在載玻片上，待液滴水分蒸發后采用透射電鏡觀察稠油分散狀態。

（3）黏附力測試

使用原子力顯微鏡（AFM）對稠油樣品進行黏附力測試。具體實驗步驟如下：①蘸取少量加降黏劑前后的稠油油樣分別均勻涂抹于圓形載玻片上，并用刀片將油膜削得盡可能薄；②將圓形載玻片放入150 ℃恒溫箱中烘干；③靜置24 h 后將載玻片取出，使用原子力顯微鏡對樣品進行測試。實驗所用探針為AC20-0 型探針，彈性系數為2.0 N/m。根據胡克定律，探針與樣品間力的大小即黏附力可表示為彈性系數與探針形變量之積，用公式（1）表示如下：

式中：F—黏附力，N；k—彈性系數，N/m；D—探針形變量，m。

（4）微觀可視化實驗

采用二維微觀刻蝕模型開展分散性降黏劑驅油機理研究。具體實驗步驟如下：①常溫下，將刻蝕模型抽真空后飽和水；②油驅水建立束縛水飽和度；③對飽和油模型以1 mL/min 的恒速進行水驅，至出口端含水98%結束，并用高清攝像頭進行攝像；④水驅后以1 mL/min的注入速率注入降黏劑溶液（質量分數2%、3%），直至出口端含水98%結束，并用高清攝像頭進行攝像。對比分析水驅結束及不同濃度降黏劑溶液驅后的驅油圖像。

2 結果與討論

2.1 降黏劑的降黏效果

2.1.1 降黏劑濃度的影響

在溫度56 ℃、降黏劑溶液與稠油體積比為1∶6 下，分散性降黏劑L-A 濃度對稠油的降黏效果如表1 所示。從表1 可以看出，隨著降黏劑質量分數的增大，降黏率大幅增加，當降黏劑質量分數超過2.0%后，降黏率的增加幅度逐漸變小，因此降黏劑溶液的最佳經濟質量分數為2%。

表1 降黏劑質量分數對稠油降黏效果的影響

2.1.2 降黏劑溶液與稠油體積比的影響

將降黏劑溶液與稠油按不同體積比混合，稠油的降黏效果如表2 所示。從表2 可以看出，當質量分數2%的降黏劑溶液與稠油體積比為1∶6，稠油的降黏率最高，為94.58%。降黏劑溶液與稠油體積比過低時，降黏劑在稠油中得不到較好的發揮分散作用，而降黏劑溶液與稠油體積比過高會使降黏劑溶液與稠油中被拆散的片狀分子結合形成新的黏度更大的絡合物。

表2 不同降黏劑溶液與稠油體積配比下的降黏效果對比

2.2 降黏機理分析

2.2.1 分子結構變化分析

從樂安油田稠油樣品的分子結構（圖1（a））可看出，該稠油分子含有大量的氫鍵，較強的締合作用使得膠質、瀝青質分子聚集成層狀堆積狀態［16-17］，因而表現出高黏度。分散性降黏劑L-A的分子結構式如圖1（b）所示，該降黏劑分子含有—OH、—SH、—COOH、—N=C=S 等極性基團，具有親水性；同時降黏劑分子含有—CH3、—BH2非極性基團，又具有一定的親油性，因此該降黏劑具有親水-親油的特性。

加入降黏劑后，稠油與降黏劑分子結合后結構示意圖如圖1（c）所示。降黏劑分子中部分側鏈與支鏈中的極性基團與稠油片狀分子相結合，分子延伸度變大，且稠油本體的雜環原子如S、N大部分被拆散，有效地降低了稠油絡合物的復雜度。降黏劑分子通過特殊官能團的綜合作用達到降低稠油黏度的作用。乙酸鉀基團（—CH3COOK）中的鉀以離子形式存在，可作為“活躍體”分散稠油堆砌復雜的分子體；硼烷基（—BH2）與亞甲基（—CH2）形成支鏈，硼以雜環原子的形式存在于稠油分子中；磷羥基（—P—OH）可通過插層進入稠油分子間起到分散作用；羥基基團（—OH）則通過進入稠油分子中形成強有力的氫鍵，吸附在瀝青質膠質上。稠油本體的瀝青質與膠質通過氫鍵連接形成的締合作用明顯降低，導致膠質與瀝青質分子形成的平面層狀穩定結構聚集體產生分離，稠油的黏度降低，類同于油溶性降黏劑的降黏機制。

圖1 稠油（a）、降黏劑（b）的分子結構式以及稠油與降黏劑分子結合（c）示意圖

加入降黏劑前后的稠油顆粒透射電鏡照片見圖2。加降黏劑前，稠油顆粒結構穩定、邊緣清晰；而加降黏劑后，在降黏劑作用下稠油顆粒邊緣向四周擴散。這說明降黏劑分子在滲透、分散作用下進入膠質和瀝青質的片狀分子，拆散稠油堆砌重疊的復雜片狀分子結構，破壞穩定的膠體分散體系和稠油膠質、瀝青質的空間網絡結構，結構變得松散。

圖2 加降黏劑前（a）、后（b）稠油的透射電鏡照片

2.2.2 黏附力分析

采用原子力顯微鏡（AFM）對加入分散性降黏劑前后的稠油樣品進行黏附力測試，圖像如圖3 所示。加降黏劑前，稠油樣品在圓形載玻片上呈輻射狀分布，說明稠油顆粒之間存在著較強的相互作用力，顆粒之間相互黏連，形成細小的橋狀通道。加降黏劑后，稠油顆粒呈條帶狀分布，圖像邊界明顯虛化。

圖3 加降黏劑前（a）、后（b）稠油的AFM測試圖像

對樣品在5 μm×5 μm的掃描范圍內均勻地取若干個點做黏附力曲線，如圖4 所示。形變量D＞0 時探針與樣品間為斥力，D＜0時探針與樣品間為引力，斥力曲線與引力曲線構成完整閉合的黏附力曲線。根據公式（2）以及曲線圖可求得加劑前最大引力為1.2×10-7N，加劑后最大引力為5.4×10-8N。加降黏劑后稠油分子間黏附力降低，說明加入降黏劑后，稠油膠質瀝青質分子通過氫鍵連接形成的締合作用減小，分子相對位移時的內摩擦力降低，從而原油黏度降低。

圖4 加降黏劑前（a）、后（b）稠油的黏附力曲線

2.3 微觀驅油效果

2.3.1 剩余油分布模式

二維可視化刻蝕模型降黏劑驅的微觀剩余油分布見圖5。降黏劑驅微觀剩余油主要分為4種：包圍式簇狀、并聯式喉道狀、死角式點狀以及繞流式粒間孔喉狀。

圖5 降黏劑溶液驅替前（a）、后（b）的微觀刻蝕模型剩余油圖像

（1）包圍式簇狀剩余油主要存在于被小孔喉所包圍的較大孔喉中。由于外圍的小孔喉具有較高的毛管力，驅替壓差不足以克服毛管力，從而阻止降黏劑進入內部大孔喉，最終使大孔喉內部富集剩余油。

（2）并聯式喉道狀剩余油主要存在于小喉道與大喉道并聯系統中的小喉道內部。由于在并聯系統中，大喉道毛管力較小，降黏劑易沿此喉道通過并將喉道內部的原油驅出，使小喉道內部的原油繞流，致使小喉道內部形成剩余油。

（3）死角式點狀剩余油主要存在于部分孔隙的角隅、盲端中。分散性降黏劑溶液屬于牛頓流體，沒有非牛頓流體的黏彈性，當降黏劑經過孔隙角隅或盲端時，原油不會像高分子聚合物依靠黏彈性被洗下來而滯留，最終形成死角式點狀剩余油。

（4）繞流式粒間孔喉狀剩余油主要存在于高滲條帶兩側小孔喉中。降黏劑沿著高滲條帶竄流，難以有效波及兩側孔喉尺寸較小的區域，最終形成繞流式粒間孔喉狀剩余油。

2.3.2 提高采收率機理

二維微觀刻蝕模型飽和原油、水驅、質量分數2%的降黏劑驅、質量分數3%的降黏劑驅后的微觀剩余油分布如圖6 所示。從圖6 可以看出，水驅剩余油主要存在于顆粒遮擋、盲端、水動力弱、并聯孔道和包圍式孔道中，并且剩余油呈條帶狀和平面狀富集區。加入分散性降黏劑后，模型中飽和稠油的顏色由深變淺，表明降黏劑分子在水溶性和油溶性雙重分散攜帶作用下，喉道盲端、并聯吼道的油水混合液逐步被剝離，起到洗油的作用；同時，隨著降黏劑注入濃度的增大，降黏劑驅替范圍延伸至高滲帶兩側小孔喉區域，提高了低滲通道驅油效率，顯示出該降黏劑具有一定的調驅能力。

圖6 微觀驅替前后的剩余油分布圖

3 結論

分散型降黏劑分子間作用力主要以氫鍵為主，分子結構穩定，具備親水-親油的特性，降黏穩定性好。對稠油顆粒結構具有分散作用，微觀上降黏劑分子插層進入稠油膠質瀝青質片狀分子之間，拆散聚集體，破壞空間網絡結構，降低分子間的黏附力，降黏機理與油溶性降黏劑中作用機理類似。與常規水溶性降黏劑相比，分散型降黏劑除了能動用吼道中的剩余油，發揮洗油效率作用外，還可驅替大孔喉兩側的小孔喉區域剩余油，顯示出一定程度的微觀調驅效應。分散性降黏劑同時具有常規水溶性降黏劑的乳化降黏作用和油溶性降黏劑的解聚降黏作用，是一種成本低、降黏性能良好的“雙性”稠油降黏劑。