低界面張力泡沫驅(qū)油劑的制備及其性能

余 婷，楊 旭，董雅杰，吳小玲，郭 麗，閆 秀

（1. 西南石油大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，四川 成都 610500；2. 西南石油大學(xué) 國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610500；3. 頁巖氣開采技術(shù)服務(wù)公司，湖北 武漢 430223）

低界面張力泡沫驅(qū)油劑的制備及其性能

余 婷1，楊 旭1，董雅杰1，吳小玲2，郭 麗1，閆 秀3

（1. 西南石油大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，四川 成都 610500；2. 西南石油大學(xué) 國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610500；3. 頁巖氣開采技術(shù)服務(wù)公司，湖北 武漢 430223）

采用Ross-Miles法，以脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉、十二烷基二甲基甜菜堿和陽離子聚丙烯酰胺為原料得到泡沫體系CX35，再將CX35與表面活性劑復(fù)配得到了泡沫驅(qū)油劑ZX35。利用泡沫儀、界面張力儀和巖心驅(qū)替裝置考察了ZX35的性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)m（CX35）∶m（石油磺酸鹽）∶m（甘油）=1.0∶0. 7∶0. 3時，ZX35具有良好的起泡性能和低界面張力，起泡高度可達(dá)95 mm以上，穩(wěn)泡能力達(dá)到0.946。ZX35具有較好的耐溫、耐鹽、耐油性能，當(dāng)溶液礦化度為8×104mg/L時，ZX35的泡沫高度為103.3 mm，穩(wěn)泡性能仍大于0.950。在15 d內(nèi)，ZX35具有較強(qiáng)的界面活性。當(dāng)ZX35含量為0.3%（w）時，驅(qū)油效果最突出，比水驅(qū)提高采收率17.52百分點(diǎn)。

泡沫驅(qū)油劑；低界面張力；起泡性能；Ross-Miles法；三次采油

泡沫驅(qū)油是在三元復(fù)合驅(qū)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種驅(qū)油方法，是目前應(yīng)用較廣泛的三采技術(shù)。我國多數(shù)油田已進(jìn)入開發(fā)后期，各種矛盾日益凸顯。泡沫有良好的封堵性和對油水的選擇性，可提高波及效率，選擇性降低油藏中的氣體滲透率，調(diào)節(jié)流度比，提高驅(qū)油效率［1］。泡沫還有很好的洗油能力，因?yàn)槠鹋輨┑膹?qiáng)表面活性可顯著降低油水界面張力，改善巖石潤濕性，將束縛油通過油水乳化、液膜置換等方式與水互溶為一相。但對傳統(tǒng)泡沫驅(qū)油劑的研究只單方面關(guān)注了其起泡性能，而忽視了油水界面張力對泡沫驅(qū)油劑的影響，且泡沫驅(qū)油劑的耐溫耐鹽能力較差。與常規(guī)驅(qū)油劑相比，低界面張力驅(qū)油劑有更強(qiáng)的乳化能力，能將殘余油有效驅(qū)出；低界面張力泡沫體系能在孔道中維持較高的滲透阻力，也能更有效地抑制氣竄［2］。與超低界面張力驅(qū)油劑相比，低界面張力泡沫驅(qū)油劑的界面張力對采出液的分離更有利，可節(jié)約分離成本。因此，低界面張力泡沫驅(qū)是擴(kuò)大波及體積和提高洗油效率的可行方法，也是泡沫驅(qū)發(fā)展的主要趨勢。單一表面活性劑難以達(dá)到多種性能要求，因此可將多種表面活性劑復(fù)配以提高驅(qū)油劑的起泡性能和驅(qū)油效率［3-4］。

本工作采用Ross-Miles法，以脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉（AES）、十二烷基二甲基甜菜堿和陽離子聚丙烯酰胺（CPAM）為原料得到泡沫體系CX35，再將CX35與表面活性劑復(fù)配得到了具有高起泡性能和低界面張力的泡沫驅(qū)油劑ZX35。利用泡沫儀、界面張力儀和巖心驅(qū)替裝置考察了ZX35的乳化性、耐油、耐溫、耐鹽、老化穩(wěn)定能及驅(qū)油性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要試劑

石油磺酸鹽：化學(xué)純，濟(jì)南弗蘭德化工有限公司；AES、十二烷基二甲基甜菜堿、α-烯烴磺酸鹽（AOS）、石油磺酸鹽、甘油：分析純，成都科龍化工試劑廠；CPAM：相對分子質(zhì)量1.5×107、陽離子度10%，臺前縣恒大化工有限公司。長慶油田模擬地層水組成為CaCl2，NaCl，MgCl2，含量分別為0.82×104，7.07×104，0.35×104mg/L，總礦化度為8.24 ×104mg/L。

1.2 儀器

2151型羅氏泡沫儀、SYG-512Y型羅氏泡沫儀專用水浴鍋：上海隆拓儀器設(shè)備有限公司； XEDSPJ型旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀：上海梭倫信息科技有限公司；DYQ-2型多功能巖心驅(qū)替裝置：成都巖心科技有限公司。

1.3 泡沫體系的篩選

采用Ross-Miles法［5］篩選出起泡性能突出的起泡劑進(jìn)行復(fù)配，再與穩(wěn)泡劑復(fù)配，以起泡能力和泡沫穩(wěn)定性為篩選指標(biāo)，最終確定了泡沫體系為：35%（w）AES+2%（w）十二烷基二甲基甜菜堿+0.5%（w）CPAM，此時泡高為103.7 mm，穩(wěn)泡性能為0.967，該體系記為CX35。

1.4 泡沫驅(qū)油劑的制備

將表面活性劑與CX35復(fù)配，在室溫下用旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀測定各復(fù)配體系與長慶油田脫水脫氣原油的界面張力。以起泡性能和油水界面張力為篩選指標(biāo)，最終確定了具有良好起泡性能、低界面張力的泡沫驅(qū)油劑，記為ZX35。

1.5 性能評價

向10 mL有塞刻度試管加入5 mL不同濃度的ZX35，再加入長慶油田脫水原油5 mL，密封后放在90 ℃水浴中恒溫20 min，隨后將試管上下振蕩200次后垂直放入90 ℃恒溫水浴中，開始計(jì)時，每隔一段時間記錄試管中分出的水的體積，考察乳液穩(wěn)定性［6］。

向0.3%（w）的ZX35溶液中加入不同濃度的原油，用Ross-Miles法在常溫下測定泡沫性能，考察其抗油性能。用羅氏泡沫儀專用水浴鍋將0.3%（w）的ZX35放在不同溫度下恒溫20 min后，用Ross-Miles法測泡沫性能，考察耐溫性能。用Ross-Miles法，在常溫下測定0.3%（w）的ZX35在不同礦化度下的泡沫性能，考察耐鹽性能。

用模擬水配置200 mL 0.3%（w）的ZX35，放在烘箱中于90 ℃下老化，用Ross-Miles法測定不同老化時間下驅(qū)油劑的泡沫性能，判定老化時間對驅(qū)油劑的影響。

1.6 室內(nèi)物理模擬驅(qū)油實(shí)驗(yàn)

選用參數(shù)相近的巖心，在油藏條件（90 ℃，13 MPa）下，采用氣液共注法（氣液比1∶1）注入，用模擬水和空氣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，評價不同濃度的ZX35的驅(qū)油效果。先用模擬地層水飽和巖心，測出巖心滲透率；再飽和長慶油田原油，以1 mL/min的速率進(jìn)行水驅(qū)，當(dāng)含水率達(dá)到98%，注入驅(qū)油體系后，后續(xù)水驅(qū)到含水率達(dá)98%，計(jì)算采收率。

2 結(jié)果與討論

2.1 表面活性劑的界面張力

分子鏈短、支化度低的表面活性劑在氣液界面形成的泡沫更穩(wěn)定；而分子鏈較長、支化度較高、和油有一定相似度的表面活性劑在油水界面形成的泡沫張力則較低。單一表面活性劑很難同時滿足上述兩種界面對表面活性劑的要求［7］。表面活性劑改性或互配是解決上述問題的主要研究方向?？紤]到表面活性劑改性耗時巨大且工作繁瑣，本工作采用表面活性劑復(fù)配的方法降低界面張力。

CX35雖具有降低油水界面張力的能力，但加入CX35后，油水界面張力仍大于10-1mN/m數(shù)量級。離子型表面活性劑與醇混合可降低油水界面張力［8］，但醇會影響驅(qū)油劑的起泡性能。不同復(fù)配體系的油水界面張力見表1。由表1可看出，石油磺酸鹽降低界面張力的效果尤為突出。這是因?yàn)椋突撬猁}含苯環(huán)及類苯結(jié)構(gòu)，且苯環(huán)上有疏水碳鏈，與原油中的瀝青質(zhì)和芳烴等物質(zhì)結(jié)構(gòu)相似，故石油磺酸鹽易吸附在油水界面上從而降低油水界面張力。同時，石油磺酸鹽還可提高驅(qū)油劑在空隙中的洗油效率，也可通過乳液產(chǎn)生的阻力提高驅(qū)油劑的波及效率［9］。在m（CX35）∶m（石油磺酸鹽）∶m（甘油）=1∶0. 7∶0. 3的條件下得到的ZX35的起泡高度可達(dá)到95 mm以上，穩(wěn)泡能力達(dá)到0.946。

表1 不同復(fù)配體系的油水界面張力Table 1 Oil-water interfacial tensions of diferent compound systems

2.2 性能評價

2.2.1 乳化能力

表面活性劑與原油發(fā)生乳化，然后通過乳化捕集與乳化攜帶將原油驅(qū)出。但過低的油水界面張力和過強(qiáng)的乳化能力會導(dǎo)致采出液分離較難，處理成本高；乳化能力太差則不能有效驅(qū)出殘余油。ZX35與原油形成乳液后，ZX35含量對乳液析水率的影響見圖1。從圖1可看出，當(dāng)ZX35含量（w）為0.30%～0.50%時，乳液穩(wěn)定，在60 min內(nèi)未出現(xiàn)破乳，但6 d后析水率可近99%，基本完全破乳；當(dāng)ZX35含量（w）為0.05%，0.10%，0.20%，0.60%時乳液穩(wěn)定性差，20 min左右開始破乳。這是因?yàn)槿橐旱姆€(wěn)定性與界面膜強(qiáng)度有關(guān)：當(dāng)驅(qū)油劑含量偏低時，吸附在界面上的分子少，膜強(qiáng)度低，乳液穩(wěn)定性差；當(dāng)驅(qū)油劑含量過高時，膠束會對界面膜產(chǎn)生負(fù)面影響［10］。因此ZX35含量（w）為0.30%～0.50%時原油的乳化效果最佳。

圖1 ZX35含量對乳液析水率的影響Fig.1 Efects of ZX35 content on the segregation rate of emulsions.Test conditions：90 ℃，vibrating 200 times.ZX35 content(w)/%：■ 0.05；● 0.10；▲ 0.20；▼ 0.30；◆ 0.40；○ 0.50；□ 0.60

2.2.2 耐油性能

泡沫遇水穩(wěn)定，遇油消泡。因?yàn)樗畾饨缑鎻埩h(yuǎn)大于油水界面張力，故泡沫遇水后，水氣界面張力下降、油水界面張力增大，泡沫最終消泡。原油含量對ZX35起泡性能的影響見表2。從表2可看出，隨原油含量的增大，ZX35的泡沫高度和穩(wěn)定性呈先下降后趨于穩(wěn)定的趨勢。這是由于ZX35為泡沫體系，原油含量達(dá)到一定濃度后，原油在泡沫表面不發(fā)生分散，使泡沫保持穩(wěn)定［11］。因此，與傳統(tǒng)驅(qū)油劑相比，ZX35有較好的耐油性能。

表2 原油含量對ZX35起泡性能的影響Table 2 Efects of oil content on the foaming properties of ZX35

2.2.3 耐溫性能

溫度對ZX35起泡性能的影響見表3。從表3可看出，隨溫度的升高，ZX35的泡沫高度急劇上升。因?yàn)樵谝欢囟确秶鷥?nèi)，隨溫度的升高，溶液膨脹，起泡劑分子間距增大，同時動能增加，分子易擺脫水的束縛上升到液面，即溶液表面的起泡劑分子數(shù)目增多，表面張力下降，起泡體積增大［12］。但泡沫的穩(wěn)定性隨溫度的上升逐漸下降，當(dāng)溫度達(dá)90 ℃時，泡沫穩(wěn)定系數(shù)小于0.8。這是由于溫度升高使液膜水分蒸發(fā)加劇，排液速率加快，最終液膜變薄至破裂。但ZX35的起泡體積和穩(wěn)定性總體上滿足長慶油田對驅(qū)油劑耐溫性的要求。

表3 溫度對ZX35起泡性能的影響Table 3 Efects of temperature on the foaming properties of ZX35

2.2.4 耐鹽性能

礦化度對ZX35起泡性能的影響見表4。從表4可看出，隨礦化度的增大，ZX35的起泡高度逐漸下降，說明鹽有消泡功能。這是因?yàn)?，雖然非離子表面活性劑耐硬水性強(qiáng)，不受酸、堿、鹽的影響，但ZX35的溶解度隨溶液中鹽含量的增大而下降，故起泡性能有所下降。但當(dāng)溶液礦化度為8×104mg/L時，ZX35的泡沫高度為103.3 mm，穩(wěn)泡性能仍大于0.950，說明ZX35有較好的耐鹽性能。因?yàn)閆X35中存在電解質(zhì)，電荷間的相互排斥作用可防止液膜變薄，從而增強(qiáng)了液膜強(qiáng)度，使泡沫具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性。

表4 礦化度對ZX35起泡性能的影響Table 4 Efects of salinity on the foaming property of ZX35

2.2.5 老化性能評價

老化時間越長、溫度越高，體系的熵增越大，混亂度越大，表面活性劑在油水界面排布的無序度增加，從而影響泡沫性能和油水界面張力［13］。模擬長慶油田地層溫度90 ℃、礦化度8×104mg/L的條件，對0.3%（w）的ZX35進(jìn)行了15 d的抗老化實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2。從圖2可看出，隨老化時間的延長，ZX35的泡沫體積呈先增大后穩(wěn)定的趨勢。因?yàn)樵诟邷叵码S時間延長，ZX35的溶解度增大，有效濃度增大，故起泡能力增強(qiáng)。高溫會破壞泡沫的穩(wěn)定性，但在老化后期，高溫對CPAM穩(wěn)泡性能的破壞逐漸達(dá)到穩(wěn)定。由于ZX35具有良好的耐熱耐鹽穩(wěn)定性，因此在15 d內(nèi)，ZX35的界面活性也較強(qiáng)，有助于殘余油進(jìn)一步減少［14］。

圖2 老化時間對ZX35泡沫性能的影響Fig.2 Efects of ageing time on the foaming properties of ZX35.Test conditions：ZX35 content 0.3%(w)，90 ℃，salintiy 8×104mg/L.

2.3 驅(qū)油實(shí)驗(yàn)

將ZX35溶液在非均質(zhì)巖心上進(jìn)行驅(qū)油實(shí)驗(yàn)，巖心參數(shù)見表5，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表6。從表6可看出，當(dāng)ZX35含量為0.3%（w）時，驅(qū)油效果最突出，比水驅(qū)提高采收率17.52百分點(diǎn)。因?yàn)樵谠摑舛认拢砻婊钚詣┑娜榛芰^強(qiáng)，能與原油形成穩(wěn)定的乳液，使殘余油從巖石表面脫離，從而提高洗油效率［15］；此外，由于泡沫先進(jìn)入流動阻力小的高滲透孔道，隨著不同大小的泡沫占據(jù)大孔道后，產(chǎn)生疊加的Jamin效應(yīng)，流動阻力增加，泡沫逐漸進(jìn)入中低滲透孔道，擴(kuò)大波及系數(shù)，進(jìn)而提高采收率。

表5 巖心參數(shù)Table 5 Parameters of rock cores

表6 驅(qū)油實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 6 Results of displacement experiments

3 結(jié)論

1）35%（w）AES+2%（w）十二烷基二甲基甜菜堿+0.5%（w）CPAM配制的CX35為適宜的泡沫體系。將CX35與石油磺酸鹽表面活性劑復(fù)配，當(dāng)m（CX35）∶m（石油磺酸鹽）∶m（甘油）= 1∶0.7∶0.3時，可得到具有良好起泡性能、低界面張力的驅(qū)油劑ZX35，起泡高度可達(dá)95 mm以上，穩(wěn)泡能力達(dá)到0.946。

2） ZX35含量（w）為0.30%～0.50%時原油的乳化效果最佳。ZX35具有較好的耐溫、耐鹽、耐油能力，當(dāng)溶液礦化度為8×104mg/L時，ZX35的泡沫高度為103.3 mm，穩(wěn)泡性能仍大于0.950。在15 d內(nèi)，ZX35具有較強(qiáng)的界面活性，有助于殘余油進(jìn)一步減少。

3）當(dāng)ZX35含量為0.3%（w）時，驅(qū)油效果最突出，比水驅(qū)提高采收率17.52百分點(diǎn)。

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（編輯 鄧曉音）

Preparation and evaluation of a foam displacement agent with low interfacial tension

Yu Ting1，Yang Xu1，Dong Yajie1，Wu Xiaoling2，Guo Li1，Yan Xiu3
（1.College of Chemistry and Chemical Engineer，Southwest Petroleum University，Chengdu Sichuan 610500，China；2. State Key Laboratory，Southwest Petroleum University，Chengdu Sichuan 610500，China；3. Shale Gas Exploitation Technology Services Company，Wuhan Hubei 430223，China）

A foam system，CX35，was prepared from fatty alcohol polyoxyethylene ether sodium sulfate，dodecyl dimethyl betaine and cationic polyacrylamide by the Ross-Miles method，and then a foam displacement agent，ZX35，was got through compounding CX35 with surfactants. The performances of ZX35 were studied by means of bubble meter，interfacial tensiometer and rock core displacement device. The results indicated that，ZX35 had good foaming ability and low interfacial tension with the foaming height of more than 95 mm and the foam stability of 0.946 whenm(CX35)∶m(petroleum sulfonate)∶m(glycerin) was 1.0∶0.7∶0.3. ZX35 had good heat resistance，salt resistance and oil resistance. Its foam height was 103.3 mm and the foam stability was greater than 0.950 when the solution salinity was 8×104mg/L. ZX35 had good interfacial activity within 15 d. When the content of ZX35 was 0.3%(w)，the oil displacement efect was the most prominent，with enhanced oil recovery 17.52% compared to water fooding.

foam displacement agent；low interfacial tension；foaming ability；Ross-Miles method；tertiary oil recovery

1000 - 8144（2016）10 - 1243 - 05

TQ 423.94

A

10.3969/j.issn.1000-8144.2016.10.015

2016 - 05 - 19；［修改稿日期］ 2016 - 08 - 02。

余婷（1992—），女，四川省自貢市人，碩士生，電話 18782972837， 電郵 1527646084@qq.com。聯(lián)系人：楊旭，電郵13880551887@163.com。