油田注水開發(fā)中后期大量污水產(chǎn)生，目前勝利油田油井產(chǎn)液量為86.7×104m3/d，綜合含水92%，產(chǎn)水量為79.8×104m3/d。從地下采出的油田污水均需再次回注地下油藏用于驅(qū)替原油，從而實(shí)現(xiàn)污水的循環(huán)再利用。從地下采出的污水中含有原油、固體懸浮物、細(xì)菌以及大量的無機(jī)鹽，在油田污水回注過程中主要存在兩個(gè)方面的問題：一方面由于中低滲透油藏儲(chǔ)層物性差、滲透率低、微孔隙發(fā)育、滲流阻力大等原因，在油田污水回注過程中普遍存在水井注水壓力高、注水量小和水驅(qū)采收率低等問題。

采用表面活性劑提高油田污水回注率是補(bǔ)充地層能量，提高油井產(chǎn)能的新方法。表面活性劑通過改善油/水界面和巖石/水界面活性，提高油水兩相在地層中的滲流能力，降低污水回注壓力，增加污水回注量。該研究在減少污水外排，實(shí)現(xiàn)污水注采良性循環(huán)以及中低滲油藏高效開發(fā)等方面具有重要意義。另一方面污水是導(dǎo)致化學(xué)驅(qū)油體系中聚合物溶液粘度損失的主要原因。

在化學(xué)驅(qū)油過程中，通過投加大量的聚合物增加注入水粘度是提高原油采收率的主要手段。然而，污水中各種復(fù)雜的化學(xué)組分對(duì)聚丙烯酰胺分子的降解作用導(dǎo)致聚合物溶液在配制和注入過程中溶液粘度下降，驅(qū)替相的流度控制能力變差，驅(qū)油效率降低，進(jìn)而限制了該項(xiàng)技術(shù)在油田的推廣應(yīng)用。本文在大量文獻(xiàn)調(diào)研和文獻(xiàn)分析基礎(chǔ)上，從界面力學(xué)研究入手，分析油水兩相在地層微孔隙中的滲流阻力和滲流特征；通過掃描電鏡技術(shù)分析聚丙烯酰胺分子鏈的空間構(gòu)象，研究聚丙烯酰胺分子降解機(jī)理。探索表面活性劑提高污水回注量及其驅(qū)油效率的內(nèi)在機(jī)制，為實(shí)現(xiàn)油田污水循環(huán)再利用和中低滲油藏高效開發(fā)提供理論指導(dǎo)。

主要研究內(nèi)容及結(jié)果如下：

1.采用物理模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)和核磁共振技術(shù)，分析了水驅(qū)油過程中的毛管阻力、賈敏效應(yīng)、巖水界面摩阻和水驅(qū)毛管數(shù)與表面活性劑物化特性的相關(guān)性。研究結(jié)果表明，在水驅(qū)油過程中，用于提高低滲油藏注水能力的表面活性劑并非界面活性越高越好。在史深100油藏條件下，當(dāng)活性劑體系將油水界面張力降至4×10-2～2×10-2mmN/m時(shí)，注水壓力降幅最大達(dá)到75%。

2.合成并提純了不同種類陰離子表面活性劑，并分別測定了其主要物化性能，包括表面活性劑的表面張力(γcmc)、臨界膠束濃度(cmc)、界面飽和吸附量、pC20、表面壓、Gibbs吸附能。

研究結(jié)果表明：

(1)對(duì)于單一體的陰離子磺酸鹽類表面活性劑，僅石油磺酸鹽(SHL-PS、KAQ-PS)、C2024AOS、C18AESO-3可以在較短時(shí)間內(nèi)使動(dòng)態(tài)界面張力瞬時(shí)達(dá)到10-3mN·m-1數(shù)量級(jí)，甚至10-4mN·m-1數(shù)量級(jí)，平衡界面張力維持在10-2mN·m-1數(shù)量級(jí)。其它表面活性劑因親水性較強(qiáng)，因此油水界面張力較高，一般分布在10-1mN/m或更高數(shù)量級(jí)。

(2)在以C2024AOS為主的二元體系中，按協(xié)同增效作用從小到大的排列順序?yàn)椋篊2024AOS/C416AOSC2024AOS/C16AESO-3C2024AOS/Dow8390，由此可初步認(rèn)為：親水基體積小的陰離子表面活性劑與親水基體積大的陰離子表面活性劑的協(xié)同增效效果相對(duì)較好，而兩種親水基體積小的陰離子表面活性劑之間協(xié)同增效效果不明顯。

(3)在以石油磺酸鹽為主的二元體系中，在C1416AOS/SHL-PS復(fù)配比例為1：19時(shí)，產(chǎn)生了較強(qiáng)的協(xié)同效應(yīng)，其動(dòng)態(tài)界面張力始終維持在10-3mN/m；不同EO數(shù)C18AESO均可以與SHL-PS發(fā)生協(xié)同增效效應(yīng)，將界面張力降低到10-3數(shù)量級(jí)，三者瞬時(shí)最小動(dòng)態(tài)界面張力的大小順序?yàn)镃18AESO-3C18AESO-5C18AESO-7。鑒于C18AESO與C1416AOS的親水性大小和分子結(jié)構(gòu)具有顯著的不同，推斷兩個(gè)復(fù)配體系在降低界面張力的機(jī)理上是有所差別的。

3.考察了幾組陰離子表面活性劑及復(fù)配體系的物化性能(γcmc、cmc)與應(yīng)用性能(界面張力、乳化性能、油膜粘附功、巖石潤濕性、洗油率)之間的相關(guān)性。

研究結(jié)果表明：

(1)對(duì)于不同種類的磺酸鹽表面活性劑，總體來看，臨界膠束濃度越低，界面張力亦較低，二者大體上呈正相關(guān)性。

(2)不同表面活性劑水溶液的表面張力與其界面張力間無明顯的關(guān)聯(lián)。

(3)降低臨界膠束濃度，有利于提高乳化性能，但不同系列表面活性劑的臨界膠束濃度與乳化指數(shù)之間無明確的對(duì)應(yīng)關(guān)系。適度增加疏水鏈長度，有利于提高乳化力；EO數(shù)增加，不利于乳化。

(4)表面活性劑的表面張力與乳化性能無相關(guān)性。

(5)不同系列表面活性劑水溶液的表面張力與接觸角、粘附功基本上呈正相關(guān)性，即在同一親油固體表面上的接觸角隨表面張力降低而減小，但分子結(jié)構(gòu)不同，潤濕反轉(zhuǎn)的能力不同。

(6)表面活性劑的臨界膠束濃度與油膜粘附功及潤濕性之間無相關(guān)性。

(7)對(duì)于親油表面而言，界面張力和乳化對(duì)洗油率的影響程度不及潤濕性。換言之，當(dāng)潤濕性處于中性潤濕狀態(tài)時(shí)，驅(qū)油效率最高。

(8)較低的界面張力、較高的乳化能力和中等潤濕狀態(tài)均有利于提高驅(qū)油效率，且三者的貢獻(xiàn)具有加合性。

(9)不同分子結(jié)構(gòu)的表面活性劑對(duì)原油和石蠟的洗脫能力明顯不同。脂肪醇聚氧乙烯醚磺酸鹽表面活性劑能有效洗出原油中的芳烴類組成，而對(duì)石蠟類物質(zhì)的洗脫能力較低，Dow8390對(duì)石蠟的洗脫能力較高。

4.采用單因素分析法系統(tǒng)研究了油田污水中的各水質(zhì)參數(shù)對(duì)聚合物溶液粘度的影響。采用正交實(shí)驗(yàn)分析法研究了各水質(zhì)參數(shù)在降低聚合物溶液粘度過程中的協(xié)同作用以及影響聚合物溶液粘度的主要水質(zhì)參數(shù)。

研究結(jié)果表明：

(1)油田污水中含有大量的金屬離子，這些金屬離子對(duì)聚合物溶液粘度具有不同程度的影響，陽離子對(duì)聚合物溶液粘度的影響程度由大到小的為Fe2+Fe3+Ca2+、Mg2+Na+、K+。

(2)油田污水中的Fe2+、S2等離子具有還原性，這種離子對(duì)聚合物溶液粘度的影響遠(yuǎn)大于其它離子，它們對(duì)聚合物溶液的粘度的影響與溶解氧的存在有密切的關(guān)系。在密閉條件下，F(xiàn)e2+、S2對(duì)聚合物溶液粘度的影響較大;當(dāng)?shù)娜芙庋跻欢舛葧r(shí)，污水中的Fe2+、S2大幅度減少或消失。

5.采用紅外光譜和掃描電鏡分析方法，探討了污水降低聚合物溶液粘度的機(jī)理。

研究結(jié)果表明：

(1)Na+、K+、Ca2+、Mg2+引起聚合物溶液粘度下降的原因是Na+、K+、Ca2+、Mg2+所帶的正電荷，具有屏蔽聚丙烯酰胺分子羧酸基上負(fù)電荷的能力，從而使聚丙烯酰胺分子發(fā)生去水化作用，分子鏈?zhǔn)湛s，導(dǎo)致聚合物溶液粘度降低，其中Ca2+、Mg2+因?yàn)榫哂休^多的電荷而且Mg2+、Ca2+易與羧酸基相結(jié)合且不易電離，導(dǎo)致聚合物溶液粘度降低程度更大。

(2)Fe2+對(duì)聚合物溶液粘度的影響由Fe2+的氧化還原反應(yīng)引起。它在水中與氧發(fā)生反應(yīng)生成氧自由基，同時(shí)在水的存在下生成過氧化物，誘發(fā)一系列的自由基鏈反應(yīng)，從而使聚丙烯酰胺分子鏈斷裂，聚合物溶液的粘度降低。S2-的影響機(jī)理與Fe2+相類似。要想保持聚合物水溶液粘度的穩(wěn)定性，必須改善聚丙烯酰胺分子的空間效應(yīng)，增加聚丙烯酰胺分子的電荷密度，增強(qiáng)聚丙烯酰胺分子鏈節(jié)的靜電斥力，增加聚丙烯酰胺分子的溶劑化作用。以增強(qiáng)聚合物溶液粘度穩(wěn)定性為主要功能的表面活性劑配方設(shè)計(jì)可以從這三方面攻關(guān)研究。

6.針對(duì)油田污水對(duì)聚合物溶液粘度的影響，研制了三種表面活性劑配方進(jìn)行水質(zhì)改性，將污水配制的聚合物溶液粘度從12.5mPa·s提高至30mPa·s以上，實(shí)現(xiàn)了油田污水在化學(xué)驅(qū)油單元的資源化利用。