超低界面張力強(qiáng)化泡沫體系稠油驅(qū)研究

康萬利，郭黎明，孟令偉，劉述忍，楊潤梅

(中國石油大學(xué)石油工程學(xué)院，山東青島 266555)

超低界面張力強(qiáng)化泡沫體系稠油驅(qū)研究

康萬利，郭黎明，孟令偉，劉述忍，楊潤梅

(中國石油大學(xué)石油工程學(xué)院，山東青島 266555)

針對孤東六區(qū)稠油油藏條件，研究得到既能在不含堿的條件下與原油形成超低界面張力，又能形成穩(wěn)定泡沫的超低界面張力強(qiáng)化泡沫體系。其配方為:3.0 g/L石油磺酸鹽+5.0 g/LHEDP-Na4+0.6 g/LⅠ型兩親聚合物，氣體為氮?dú)狻Ｔ擉w系具有較好的泡沫性能和乳化降黏性能，并且兩親聚合物能夠改善泡沫的穩(wěn)定性和體系對原油的乳化效果。超低界面張力強(qiáng)化泡沫體系對孤東六區(qū)稠油具有較好的驅(qū)替性能，原油采收率能夠在水驅(qū)的基礎(chǔ)上提高37.9%，總采收率達(dá)到65.7%，所注入體系能在較長時(shí)間里發(fā)揮調(diào)剖和驅(qū)油效果。

超低界面張力;強(qiáng)化泡沫;兩親聚合物;稠油;乳化降黏;驅(qū)油

泡沫驅(qū)選擇泡沫作為驅(qū)油體系可以同時(shí)增大波及體積和洗油效率［1-3］。在常規(guī)泡沫體系的基礎(chǔ)上，強(qiáng)化泡沫體系、復(fù)合泡沫體系及空氣泡沫體系也得到應(yīng)用［4-8］。針對稠油油藏，泡沫體系中所含的表面活性劑還能起到乳化原油降低原油黏度的作用，因此能夠?qū)崿F(xiàn)稠油的化學(xué)降黏開采［9-10］。然而，泡沫體系存在油水界面張力高、泡沫穩(wěn)定性差等問題，并且復(fù)合泡沫體系中堿易引起結(jié)垢［11-13］。筆者研究不含堿的超低界面張力強(qiáng)化泡沫體系并用于稠油驅(qū)。

1實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)用水:孤三聯(lián)外輸污水室內(nèi)模擬水，其NaCl、Na2SO4、NaHCO3、CaCl2、MgCl2·6H2O、KCl的質(zhì)量濃度分別為7.1074、0.00924、0.7054、0.5544、0.5115、0.03833 g/L，總礦化度為8.6718 g/L;實(shí)驗(yàn)用油:勝利油田孤東六區(qū)脫水原油(在油藏溫度60℃下黏度為1.480 Pa·s);表面活性劑:HFYQ-C、HFYQ-D、HFYQ-E、烷醇酰胺、SNP、重烷基苯磺酸鹽、石油磺酸鹽，濟(jì)南華峰實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn);聚合物:Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型兩親聚合物(含樹枝狀疏水單體的丙烯酰胺共聚物，相對分子質(zhì)量分別為1.248× 107，7.5×106，5.71×106)、HPAM(相對分子質(zhì)量為2.5×107)，上海海博油田化學(xué)品有限公司生產(chǎn);助劑:HEDP-Na4(有機(jī)膦酸鹽類阻垢緩蝕劑)，山東省泰和水處理有限公司生產(chǎn);起泡劑:YZ、AES、SS-900，青島長興化工有限公司生產(chǎn);氣體:氮?dú)?填砂模型:Φ25 mm×500 mm，水測滲透率為1.273 μm2。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

TX-500C界面張力儀，美國德克薩斯大學(xué); Brookfield DV-Ⅱ+旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，美國 Brookfield公司;IKA-WEARKE攪拌機(jī)，德國IKA公司;泡沫性能評價(jià)裝置［14］;XSJ-2型實(shí)驗(yàn)室顯微鏡，中國重慶光學(xué)儀器廠;DHZ-50-180型化學(xué)驅(qū)動態(tài)模擬評價(jià)裝置［14］。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

在60℃下針對孤東六區(qū)脫水稠油對表面活性劑進(jìn)行篩選，確定能夠有效降低界面張力的表面活性劑類型及質(zhì)量濃度，引入HEDP-Na4作為助劑進(jìn)一步降低油水界面張力，并確定HEDP-Na4的質(zhì)量濃度。在室溫15℃條件下使用泡沫性能評價(jià)裝置利用氣流法分析體系的泡沫性能，以選擇合適的聚合物作為穩(wěn)泡劑，使體系在與原油形成超低界面張力的基礎(chǔ)上能夠產(chǎn)生較為穩(wěn)定的泡沫，并最終確定超低界面張力強(qiáng)化泡沫體系的配方，并對比評價(jià)所得到體系的泡沫性能。在溫度為60℃的條件下使用所得到體系對孤東六區(qū)稠油進(jìn)行乳化，并通過測量所形成乳狀液的黏度和沉降脫水率來評價(jià)體系對原油的乳化降黏性能。將填砂模型飽和水、飽和油之后接入實(shí)驗(yàn)流程，在溫度為45℃條件下水驅(qū)至含水率到達(dá)98%，然后采用氣液交替的方式分3輪注入0.45VP(VP為注入孔隙體積)超低界面張力強(qiáng)化泡沫體系，最后轉(zhuǎn)水驅(qū)至含水率到達(dá)98%，評價(jià)體系對稠油的驅(qū)替性能。

2 結(jié)果分析

2.1 超低界面張力強(qiáng)化泡沫體系配方

質(zhì)量濃度為3.0 g/L的不同種類表面活性劑溶液與孤東六區(qū)脫水原油之間的界面張力如圖1所示。結(jié)果表明，石油磺酸鹽溶液與原油之間的平衡界面張力最低，并且界面張力也下降較快。這表明石油磺酸鹽對孤東六區(qū)原油的適用性最強(qiáng)。因此，選用石油磺酸鹽作為體系用表面活性劑。

圖1 不同類型表面活性劑溶液與原油之間的界面張力Fig.1 Interfacial tension between different types of surfactant solutions and crude oil

圖2 石油磺酸鹽質(zhì)量濃度與HEDP-Na4質(zhì)量濃度對平衡界面張力的影響Fig.2 Effect of concentration of HEDP-D-Na4and petroleum sulfonate on equilibrium interfacial tension

石油磺酸鹽在不同質(zhì)量濃度條件下與原油之間的平衡界面張力如圖2所示?？梢钥闯?，隨著質(zhì)量濃度的增大，石油磺酸鹽溶液與原油之間的界面張力逐漸降低，且降低速度逐漸減小，這是因?yàn)楸砻婊钚詣┲饾u吸附到油水界面。當(dāng)質(zhì)量濃度大于3.0 g/ L后，界面張力基本不變，這是因?yàn)楸砻婊钚詣┰谌芤褐行纬闪四z束，膠束的增溶作用減少了表面活性劑在油水界面上的吸附，從而導(dǎo)致表面活性劑不能繼續(xù)吸附到油水界面上。因此，選擇體系中石油磺酸鹽的質(zhì)量濃度為3.0 g/L，此時(shí)石油磺酸鹽溶液與原油之間的界面張力最低值為10-2數(shù)量級。由于單獨(dú)表面活性劑不能與原油形成超低界面張力，現(xiàn)選擇水處理劑作為助劑，通過鹽效應(yīng)和鰲合高價(jià)金屬離子等作用來進(jìn)一步降低油水界面張力［14-15］。在模擬水中加入不同質(zhì)量濃度的水處理劑HEDP-Na4后，用其所配制得到的質(zhì)量濃度為3.0 g/L的石油磺酸鹽溶液與原油之間的平衡界面張力如圖2所示?？梢钥闯?，隨著HEDP-Na4質(zhì)量濃度的增大，表面活性劑溶液與原油之間的界面張力逐漸降低，而當(dāng)HEDP-Na4質(zhì)量濃度大于5.0 g/L時(shí)，界面張力基本不再繼續(xù)降低，反而有升高的趨勢，且界面張力最低值可達(dá)到10-4數(shù)量級，故水處理劑的質(zhì)量濃度選為5.0 g/L。

研究了不同類型聚合物對體系(3.0 g/L石油磺酸鹽+5.0 g/LHEDP-Na4)與孤東原油之間界面張力的影響，結(jié)果表明聚合物加入后界面張力逐漸增加，與普通聚合物相比，兩親聚合物對界面張力的影響較小，在相同質(zhì)量濃度條件下Ⅰ型兩親聚合物體系與原油之間的界面張力值最低，在Ⅰ型兩親聚合物質(zhì)量濃度為0～3.0 g/L的范圍內(nèi)，體系均能與原油之間形成超低界面張力，這是因?yàn)閮捎H聚合物與表面活性劑相互作用不僅僅是各組分界面活性的簡單疊加，兩親聚合物與表面活性劑產(chǎn)生了較好的協(xié)同效應(yīng)，并且與聚合物阻礙表面活性劑吸附到界面上的作用相抵消，從而對界面張力影響不大。

泡沫性能評價(jià)參數(shù)主要包括起泡體積和析液半衰期，起泡體積主要反映體系的起泡能力，而析液半衰期主要反映所形成泡沫的穩(wěn)定性。泡沫性能評價(jià)結(jié)果表明，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型兩親聚合物及HPAM加入后對體系的泡沫性能影響較大，隨著聚合物質(zhì)量濃度的增大，體系的起泡體積逐漸減小，而所形成泡沫的析液半衰期逐漸增大。與普通聚合物相比，兩親聚合物對體系的起泡體積影響更小，這是因?yàn)閮捎H聚合物本身具有一定的起泡性能，而普通聚合物基本沒有起泡性能。相同質(zhì)量濃度條件下Ⅰ型兩親聚合物加入后體系的起泡體積最大(Ⅰ型兩親聚合物對泡沫性能的影響見圖3)。此外，隨著聚合物質(zhì)量濃度的增大，體系所形成泡沫的析液半衰期逐漸增大，這是因?yàn)榫酆衔镌黾恿梭w系黏度，減緩了液膜排液，進(jìn)而增強(qiáng)了泡沫的穩(wěn)定性。

加入Ⅰ型兩親聚合物前后相同條件下的泡沫顯微照片見圖4。由圖4可以看出，聚合物加入后泡沫性質(zhì)發(fā)生較大變化，主要表現(xiàn)在:①體系所形成泡沫的尺寸變大，反映出兩親聚合物泡沫的特征;②泡沫的液膜厚度變大，這主要是因?yàn)榫酆衔镂皆跉馑缑嫔希龃罅艘合囵ざ?，減小了液膜的排液速度。

圖3 Ⅰ型兩親聚合物對泡沫性能的影響Fig.3 Effect ofⅠtype amphiphilic polymer on foam property

圖4 泡沫顯微照片F(xiàn)ig.4 Microscopic image of foam

綜合分析聚合物對體系界面張力性能及泡沫性能的影響，選擇Ⅰ型兩親聚合物作為超低界面張力強(qiáng)化泡沫體系中的穩(wěn)泡劑，并且質(zhì)量濃度選擇為0.6 g/L，此時(shí)體系同時(shí)具有較好的起泡體積和析液半衰期，并且能與原油形成超低界面張力。故確定超低界面張力強(qiáng)化泡沫體系的配方為:3.0 g/L石油磺酸鹽+5.0 g/LHEDP-Na4+0.6 g/LⅠ型兩親聚合物，氣體為氮?dú)狻?/p>

2.2 泡沫性能評價(jià)

現(xiàn)將所研究體系與3種起泡劑產(chǎn)品(YZ、AES、SS-900)的性能進(jìn)行對比，結(jié)果見圖5。

圖5 不同體系泡沫性能對比Fig.5 Comparison of foam property between different systems

圖5表明，在相同條件下，與3種起泡劑+聚合物的體系相比，超低界面張力強(qiáng)化泡沫體系的起泡體積比其中2種起泡劑+聚合物體系略小，但其析液半衰期最長，即泡沫穩(wěn)定性最好，故超低界面張力強(qiáng)化泡沫體系具有較好的泡沫性能。

2.3 乳化降黏性能評價(jià)

將所研究體系(石油磺酸鹽+HEDP-Na4+Ⅰ型兩親聚合物)注入地層后，沒能參與形成泡沫以及泡沫消泡后剩余的體系與原油接觸后，會與原油發(fā)生乳化形成原油乳狀液，從而能夠降低原油黏度，實(shí)現(xiàn)降黏開采。

體系降黏性能評價(jià)主要包括兩部分［16］:一是體系能夠有效乳化原油，從而可以大幅降低原油黏度，評價(jià)指標(biāo)為降黏率f;二是體系與原油形成的乳狀液不能太穩(wěn)定，否則會影響后續(xù)的原油脫水工作，原油穩(wěn)定性的評價(jià)指標(biāo)為沉降脫水率B。f、B定義為

式中，f為降黏率;η0為原油原始黏度，mPa·s;η為原油乳狀液黏度，mPa·s;B為沉降脫水率;H1為乳狀液總出水量;H0為乳狀液總含水量。

在油水比為7∶3、溫度為60℃的條件下使用所研究體系乳化原油，并測降黏率和沉降脫水率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用3.0 g/L石油磺酸鹽+5.0 g/LHEDP-Na4乳化原油得到的降黏率為99%，6 h后乳狀液的沉降脫水率為99%;使用3.0 g/L石油磺酸鹽+5.0 g/LHEDP-Na4+0.6 g/LⅠ型兩親聚合物乳化原油得到的降黏率為90%，6 h后乳狀液的沉降脫水率為80%。

加入聚合物后，體系的乳化降黏性能有所降低，這是因?yàn)槿榛玫降娜闋钜汉暧^類型為水包油(O/ W)型，其連續(xù)相為水相，聚合物會增加連續(xù)相的黏度，從而增加了乳狀液的黏度，降低了體系的降黏率，但降黏率仍能達(dá)到90%，能夠?qū)崿F(xiàn)對稠油的乳化降黏效果。沉降脫水實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著靜置時(shí)間的增加，乳狀液的沉降脫水率逐漸增大，說明乳狀液穩(wěn)定性不高，對后續(xù)原油脫水工作不會造成較大影響。聚合物加入后，乳狀液的脫水速率有所降低，這說明聚合物增強(qiáng)了乳狀液的穩(wěn)定性，有利于改善體系對原油的乳化效果。

2.4 驅(qū)油性能評價(jià)

利用單管填砂模型進(jìn)行物理模擬驅(qū)油實(shí)驗(yàn)，圖6為實(shí)驗(yàn)得到的動態(tài)驅(qū)油曲線。在開始水驅(qū)階段，由于所用油為稠油，水驅(qū)油過程中水油流度比較大，故在驅(qū)替過程中水指進(jìn)較快，最終水驅(qū)階段原油采收率為27.8%。

在泡沫驅(qū)階段，一方面注入體系與原油之間能夠形成超低界面張力，另一方面體系可以通過乳化原油降低原油黏度，同時(shí)泡沫和聚合物具有較高的黏度，因此體系注入后可以有效調(diào)整水油流度比和提高洗油效率，此外，泡沫和聚合物的調(diào)剖和封堵效果能夠進(jìn)一步增大波及體積，從而導(dǎo)致驅(qū)替壓差迅速上升，含水率逐漸下降。最終原油采收率在開始水驅(qū)的基礎(chǔ)上提高4.4%。

圖6 超低界面張力強(qiáng)化泡沫體系態(tài)驅(qū)油曲線Fig.6 Dynamic flooding curves of ultra-low interfacial tension enhanced foam system

在后續(xù)水驅(qū)的開始階段，由于泡沫具有較好的穩(wěn)定性，孔隙中的泡沫和聚合物仍能夠繼續(xù)提高波及體積和洗油效率，并會繼續(xù)起到封堵效果，故驅(qū)替壓差雖然比泡沫驅(qū)階段低，但仍大大高于開始水驅(qū)階段驅(qū)替壓差。同時(shí)原油含水率繼續(xù)降低，對應(yīng)采收率快速增加。但隨著后續(xù)水驅(qū)的進(jìn)行，孔隙中的體系逐漸被驅(qū)替出來，并且孔隙中的泡沫會因?yàn)樵偷纫蛩囟В首⑷塍w系的調(diào)剖和驅(qū)替效果逐漸減弱，導(dǎo)致原油含水率在降到一定水平后又逐漸上升，同時(shí)對應(yīng)采收率緩慢增加，最終原油采收率在水驅(qū)的基礎(chǔ)上提高37.9%，總原油采收率達(dá)到65.7%。

注入超低界面張力強(qiáng)化泡沫體系后，原油采收率能夠在水驅(qū)的基礎(chǔ)上提高37.9%，效果顯著。此外，泡沫驅(qū)階段阻力系數(shù)最高能達(dá)到20，并且后續(xù)水驅(qū)階段的殘余阻力系數(shù)仍基本維持在7左右，這就表明孔隙中的泡沫具有較好的穩(wěn)定性，所注入體系能夠在較長時(shí)間里發(fā)揮調(diào)剖和驅(qū)油效果。

3 結(jié)論

(1)強(qiáng)化泡沫體系配方為:3.0g/L石油磺酸鹽+ 5.0 g/LHEDP-Na4+0.6 g/LⅠ型兩親聚合物，氣體為氮?dú)?。在此條件下，泡沫體系在不含堿的條件下與原油形成超低界面張力，并且形成穩(wěn)定泡沫的超低界面張力。

(2)超低界面張力強(qiáng)化泡沫體系具有較好的泡沫性能和乳化降黏性能，并且兩親聚合物能夠改善體系所形成泡沫的穩(wěn)定性和體系對原油的乳化效果。

(3)超低界面張力強(qiáng)化泡沫體系對孤東六區(qū)稠油具有較好的驅(qū)替性能，原油采收率能夠在水驅(qū)的基礎(chǔ)上提高37.9%，總采收率達(dá)到65.7%，并且注入體系能在較長時(shí)間里發(fā)揮調(diào)剖和驅(qū)油效果。

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Heavy oil displacement by enhanced foam system with ultra-low interfacial tension

KANG Wan-li，GUO Li-ming，MENG Ling-wei，LIU Shu-ren，YANG Run-mei

(School of Petroleum Engineering in China University of Petroleum，Qingdao266555，China)

For the reservoir conditions of Gudong Oilfield，an enhanced foam system with ultra-low interfacial tension containing no alkali was developed to get ultra-low oil-water interfacial tension and the foam with good stability.The optimal formula was obtained and given as follows:3.0 g/Lpetroleum sulfonate+5.0 g/LHEDP-Na4+0.6 g/LⅠtype amphiphilic polymer，and the gas is nitrogen.The evaluation results on the foam system performance show that the system has good foaming and emulsifying properties and good ability to reduce oil viscosity.Furthermore，the amphiphilic polymer can improve the foam stability and the emulsification ability on oil.The enhanced foam system with ultra-low interfacial tension can effectively displace the heavy oil in Gudong Oilfield.The oil recovery efficiency is raised by 37.9%after water flooding，and the total oil recovery efficiency reaches 65.7%.Meanwhile，the foam system can be effective for a long time in profile control and oil displacement.

ultra-low interfacial tension;enhanced foam;amphiphilic polymer;heavy oil;reducing viscosity by emulsifying;oil displacement

TE 357.46

A

10.3969/j.issn.1673-5005.2012.01.031

1673-5005(2012)01-0170-05

2011-07-29

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(20873181);山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(Y2008F20);山東省“泰山學(xué)者”建設(shè)工程(ts20070704);教育部博士點(diǎn)基金項(xiàng)目(200804250502)

康萬利(1963-)，男(漢族)，吉林松原人，泰山學(xué)者特聘教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橛吞锘瘜W(xué)及提高采收率理論與技術(shù)。

(編輯 劉為清)