0 引言

WZ油田Ⅳ油层组孔隙度为20%~28%，平均为24.3%，渗透率为4~50 mD，平均为13.7 mD，属于中孔、低渗油藏。由于该油藏渗透率低、孔喉结构复杂、储层物性较差，在开发过程中自然产能低、产量下降快、注水井吸水能力差、注水压力高，甚至存在“注不进”现象^[1-4]，采液、采油指数急剧下降，导致最终采收率很低。

水力压裂技术是低渗透储层油气井增产、注水井增注的重要措施^[5-8]。在水力压裂过程中，压裂液的选择至关重要。近年来，清洁压裂液以其低摩阻、低伤害等优势得到大规模应用^[9-11]，但同时也产生了大量的返排液，其中所含甲醛、石油类及其他各种添加剂，均是油田不容忽视的污染源，而如何合理地处理并有效利用清洁压裂液返排液，则成为目前亟待解决的问题。笔者拟以清洁压裂液返排液为研究对象，通过室内实验研究，构建一种基于清洁压裂液返排液的表面活性剂驱油体系，以期实现变废为宝、一剂多用及节约化工材料和水资源的目的，同时拓宽清洁压裂液返排液的使用范围，实现其在油田化学领域的高效、综合利用，从而提高油田开发效益。

1 实验 1.1 实验药品与仪器

实验材料主要包括：清洁压裂液返排液，其主要成分为表面活性剂，分子结构如图 1(a)所示；酸性橙Ⅱ(分析纯)，其分子结构如图 1(b)所示；正庚烷 (分析纯)；石油醚 (分析纯)；三氯甲烷 (分析纯)；无水乙醇 (分析纯)；目标区块天然柱状岩心；目标区块地面脱气、脱水原油 (在温度为80 ℃条件下黏度为1.34 mPa/s，密度为0.734 g/cm³)；地层模拟水，其总矿化度为37 683 mg/L，钙镁离子质量浓度为2 746 mg/L (如无特别说明，实验用水均为地层模拟水)。

实验仪器主要包括Hitachi S-4800扫描电子显微镜、Texas-500C型旋转滴界面张力仪、Attension Theta Lite静态接触角测量仪、HXH-100A高压恒压恒流泵、高温高压岩心流动仪、UV2802型紫外可见分光光度计、IKA 4000i control恒温摇床、TG18G高速离心机，以及1/1000电子天平等。

1.2 实验方法 1.2.1 界面张力测定

参照中国石油天然气行业标准《表面及界面张力测定方法》 ^[12]，采用地层模拟水配制表面活性剂溶液，在温度为80 ℃条件下，利用旋转滴界面张力仪Texas-500C测定表面活性剂溶液与目标区块脱水原油间的界面张力。

1.2.2 改变润湿性能测定

将石英片用目标区块脱水原油/正庚烷 (两者体积比为4:1) 混合溶液进行老化处理^[13]，并采用文献[14]中的静态接触角测量方法，测定清洁压裂液返排液体系 (FPYLY体系) 作用前后石英片表面接触角的变化。

1.2.3 动态吸附性能测定

动态吸附量是指在岩心流动条件下测得的吸附于单位质量吸附剂上的表面活性剂的质量。采用文献[15]中的酸性橙Ⅱ分光光度法，测定FPYLY体系吸附前后的吸光度，并以此确定该体系在吸附前后表面活性剂的含量，求出动态吸附量。

在进行动态吸附实验前先将天然岩心抽提、烘干，并测量孔隙体积及渗透率等参数。具体实施步骤如下：①将岩心及驱替流体放置于80 ℃条件下恒温2 h左右；②水驱至注入压力稳定，连续注入表面活性剂溶液，定体积收集流出液，检测表面活性剂含量至接近于注入液含量为止，再基于物质平衡原理，用驱油剂总注入量减去驱油剂总采出量得到驱油剂总滞留量，总滞留量与岩心干质量的比值即单位质量岩心中表面活性剂的滞留量；③继续水驱，定体积收集流出液，检测其中表面活性剂的含量，水驱直至流出液中表面活性剂的质量分数接近于0为止，按式 (1) 计算水驱后表面活性剂的滞留量。

$ \Gamma = \frac{{{X_0}{M_f}-\sum\nolimits_{i = 1}^n {{X_i}{M_i}} }}{W} $

(1)

式中：Γ为单位质量岩心中表面活性剂的滞留量，mg/g；X₀为驱油剂的注入质量浓度，mg/L；M_f为注入驱油剂溶液的体积，mL；X_i为第i个流出样品中驱油剂的质量浓度，mg/L；M_i为第i个流出样品中驱油剂的体积，mL；n为流出液样品的总数，个；W为岩心干质量，g。

1.2.4 提高采收率增值测定

水驱采收率增值是指注入表面活性剂后的采收率与水驱采收率的差值^[16-17]。其实验步骤为：①天然岩心分别称干质量；②抽真空饱和地层模拟水；③天然岩心分别称湿质量；④测定天然岩心的渗透率；⑤天然岩心分别饱和脱水原油；⑥水驱至含水率达到98%；⑦注入表面活性剂驱油体系；⑧在温度为80 ℃条件下老化直至吸附饱和；⑨再水驱至含水率达到98%；⑩计算采收率增值。

1.2.5 岩心孔喉扫描电镜实验

对饱和油且经表面活性剂驱之后的岩心，首先用质量比为1:1的乙醇/正庚烷混合液以1 mL/min的注入速度冲洗，直到产出液为无色，将所得的岩心放入通风橱中，待岩心中的溶剂挥发之后对其进行切片处理，再利用扫描电镜观察沥青质在岩心孔隙中的分布。

1.2.6 微观可视化实验

微观可视化实验所用设备主要包括微观玻璃刻蚀模型 (外观尺寸为40 mm×40 mm，孔道直径为30~40 μm，模型深度为60~80 μm)、数字显微摄像系统和微量注入泵等。

实验中所用的玻璃模型为亲水模型。实验前首先用石油醚、乙醇和蒸馏水清洗玻璃模型，然后按以下步骤进行微观驱油实验：①将清洗干净的微观模型抽真空后，饱和模拟地层水；②在温度为80 ℃条件下在模型中饱和原油，并在此温度条件下静置老化24 h；③以0.003 mL/min的驱替速度向模型中注入驱替相，并采集实验过程图像；④分析驱替图像。

2 结果与讨论 2.1 清洁压裂液返排液中表面活性剂含量检测

利用文献[15]中的方法测定具不同含量表面活性剂的清洁压裂液标准液的吸光度，并根据吸光度与清洁压裂液表面活性剂含量之间的关系作图，拟合出清洁压裂液标准曲线 (图 2)。

由图 2可知，拟合出的清洁压裂液标准曲线为y = 46.971 x-0.112，拟合精度为0.999 09。该曲线具有较好的线性关系，符合比尔定律^[18-19]，能够满足FPYLY体系表面活性剂含量测定的需要。当返排液中表面活性剂质量分数处于图 2所示范围之内时，其表面活性剂质量分数可以通过该直线公式推出；当返排液中表面活性剂质量分数超出该范围，将其适当地稀释后再测定，然后换算出表面活性剂的实际质量分数。

在室内条件下，首先将FPYLY体系进行预处理，包括自然沉降、高速离心 (转数为3 000 r/min，共15 min) 及微孔滤膜过滤 (孔隙半径为30 μm)；然后对预处理过的返排液进行表面活性剂有效含量检测，结果如表 1所列。由表 1可知，FPYLY体系表面活性剂有效质量分数为0.3%。

2.2 清洁压裂液返排液与脱水原油间稳态界面张力

油水界面张力的降低可以导致黏附功减小，使原油更容易从岩石表面脱落，驱替水驱后地层中各种不流动的残余油，从而提高驱油效率^[20-21]。在目标区块油藏条件下，测定脱水原油间稳态界面张力与FPYLY体系中表面活性剂有效含量的关系 (图 3)。

由图 3可知，在返排液中表面活性剂的有效质量分数为0.05%~0.30%时，油水界面张力均可达到10^-4~10^-3 mN/m的超低数量级，显示出了优越的降低油水界面张力的能力；当返排液中表面活性剂的有效质量分数低于0.07%时，油水界面张力随返排液中表面活性剂有效含量的增大而降低，当返排液中表面活性剂的有效质量分数高于0.07%时，油水界面张力随返排液中表面活性剂有效含量的增大而升高。原因在于，当返排液中表面活性剂的有效质量分数低于0.07%时，随着返排液中表面活性剂有效含量的增大，体系中表面活性剂分子数量增加，且越来越多的表面活性剂分子趋于吸附在油水界面，使油水界面张力逐渐减小；当返排液中表面活性剂的有效质量分数高于0.07%时，随着返排液中表面活性剂有效含量的增大，溶液中形成的胶束对油水界面高活性成分增溶，使油水界面上表面活性剂分子减少，导致油水界面张力增大^[22-23]。

2.3 清洁压裂液返排液对岩石润湿性的改变

在油藏的渗流过程中，孔隙表面的润湿性对油水在多孔介质中的分布规律和流动状态均具有决定性的影响，进而会影响油藏的最终采收率。表面活性剂可以通过在岩石表面的吸附改变其润湿性，对油藏提高采收率起到积极的作用^[22]。按照1.2.2小节中所述实验方法，首先将石英片处理为亲油表面，然后测定具不同含量表面活性剂的FPYLY体系作用下的静态接触角 (图 4)。

由图 4可知，该体系对石英片的润湿性产生了强烈的影响，增强了石英片表面的亲水性，将亲油表面转变为弱亲水表面。随着返排液中表面活性剂有效含量的增大，接触角迅速减小，当返排液中表面活性剂有效含量达到一定值后，接触角稍有增大，但变化不大，在返排液中表面活性剂的有效质量分数为0.04%时，接触角降至最低值48.6°。导致这一现象的原因为表面活性剂是通过在亲油石英片表面吸附而影响其润湿性的，疏水基朝向石英片。在低表面活性剂有效含量情况下，吸附量随返排液中表面活性剂有效含量的增大而增大，因此接触角减小；当返排液中表面活性剂有效含量增大到一定值时，吸附与脱附达到动态平衡，吸附量达到最大，表面活性剂在石英片表面紧密排列，且形成的吸附层结构最紧密，故接触角改变最大；当返排液中表面活性剂有效含量继续增大，有少量表面活性剂会形成胶束而出现脱附，所以接触角会略有增大^[24]。

2.4 清洁压裂液返排液动态吸附量

按照1.2.3小节所述动态吸附的评价方法在动态条件下对FPYLY体系在岩心中的滞留量进行测定。实验中FPYLY体系中表面活性剂的有效质量分数为0.1%，动态吸附量与注入孔隙体积倍数的关系如图 5所示，岩心参数以及动态吸附结果如表 2所列。

由图 5可知，在注FPYLY体系过程中，随注入孔隙体积倍数的增大，动态吸附量增大，但曲线斜率减小，说明吸附量增大的趋势越来越小；当注入一定体积的FPYLY体系后，产出液表面活性剂质量分数与注入表面活性剂质量分数相等，动态吸附量达到最大；转为水驱后，产出液表面活性剂质量分数随注入体积的增大而显著降减小，吸附量降低趋势减缓，最后趋于稳定，也就是说表面活性剂会稳定滞留在岩心中。

由表 2可知，FPYLY体系在注入56~73 PV时，动态吸附达到饱和，饱和吸附量为9.53 mg/g。根据文献[24]可知，与静态吸附量的测定相比，动态吸附量的测定更具有实际意义，且表面活性剂的动态吸附量相对于静态吸附量要低得多。动态吸附量之所以小于静态吸附量，原因在于：①动态吸附过程是一个吸附-脱附过程，表面活性剂在推进过程中不断被吸附，吸附的分子又会因后续溶液的强烈冲刷而脱附；②岩心中的砂粒之间相互胶结，与散砂相比，比表面积小；③岩心中存在一些盲端孔隙，增加了表面活性剂波及的困难性。水驱过后，仍有表面活性剂滞留于岩心中，但是量较小，仅相当于动态饱和吸附量的25%~33%，可见表面活性剂在孔隙中的吸附并不牢固，它可以重新溶解并恢复流动，这对驱油效果是有利的。

2.5 清洁压裂液返排液提高采收率影响因素 2.5.1 界面张力

在低渗透油藏中注入表面活性剂可在一定程度上提高原油采收率。低渗透油藏由于储层渗透率低，原油在油层中的渗流阻力大，采收率一般较低，大部分原油滞留在储层中无法采出。根据经典毛管束理论^[25-26]，油水两相界面张力越低，水驱时越容易将油驱替出来。表 3反映了FPYLY体系降低油水界面张力的能力对提高采收率的影响。

由表 3可知，注入不同质量分数的FPYLY体系段塞，可以形成不同的油水界面张力，使得后续水驱采收率有不同程度的提高。在注入体系中表面活性剂质量分数为0.06%时，水驱采收率的增幅为9.2%。随着界面张力的降低，水驱采收率增幅增大，在注入体系中表面活性剂质量分数为0.08%时，水驱采收率的增幅为12.5%。通过本组实验可以得出，油水界面张力越低，FPYLY体系提高采收率的效果越好。原因在于：①随着油水界面张力的降低，岩石壁面的油膜更容易被剥落而形成油滴，并参与流动；②水驱过程中产生的散落的油滴更容易聚集并形成油带而被驱替出来；③油滴在流经小孔道时由于低界面张力更容易变形和通过。

2.5.2 段塞

在表面活性剂驱替过程中注入段塞的大小直接与驱替成本和驱替效果相关。当注入段塞过小，由于地层吸附等原因，表面活性剂的作用范围较小；当注入段塞过大，一方面成本较高，另一方面表面活性剂与地层中矿物离子可能会发生反应并生成沉淀或与原油混合并形成乳状液。表 4反映了FPYLY体系段塞大小对提高采收率的影响。

由表 4可知，随着FPYLY体系段塞的增大，低渗透岩心的采收率大幅增高。当段塞为0.1 PV时，采收率的增幅仅为6.3%，而当段塞达到0.5 PV时，采收率的增幅达到12.5%，注入段塞越大，后续水驱提高采收率增幅越大。原因在于：注入段塞过小，表面活性剂溶液段塞波及的范围小，加之储层吸附等损耗，使表面活性剂的作用范围较小、作用时间较短，吸附到剩余油水界面以及岩石壁面的表面活性剂分子较少，不能充分地发挥表面活性剂溶液降低油水界面张力及改善岩石润湿性的作用，导致采收率增幅较小；随着注入段塞的增大，有更多的表面活性剂分子吸附在油水界面上，降低了油水界面张力，减小了油滴通过岩石孔隙的附加阻力，使更多的油参与流动并被采出，也使更多的表面活性剂分子吸附在岩石壁面上，减小了岩石对油滴的黏附力，提高了洗油效率，使采收率大幅增高。

3 结论

(1) FPYLY体系中表面活性剂有效质量分数为0.3%，用于目标区块脱水原油时，当其有效质量分数为0.05%~0.30%时，油水界面张力均可达到10^-4~10^-3 mN/m的超低数量级，显示出该体系优越的降低油水界面张力的能力。

(2) FPYLY体系可以使油湿石英片表面发生润湿性反转，将接触角降至48.6°，使其变为弱水湿；该体系吸附性能优良，当注入56~73 PV时，吸附达到动态饱和，动态吸附量为9.53 mg/g，水驱过后表面活性剂的滞留量仅相当于动态饱和吸附量的25%~33%。

(3) 物理模拟驱油实验证实，本文构建的基于清洁压裂液返排液的表面活性剂驱油体系具有较强的提高采收率的能力，在最优注入方案条件下实现水驱后采收率增值12.5%，能够满足低渗透油藏压裂后进一步提高采收率的要求。