無機鹽對新疆油田二元驅(qū)過程中乳狀液影響研究*

張　慧，廖先燕，侯軍偉，孫記夫，曾曉飛，李織宏

［1.新疆交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院道路橋梁工程學(xué)院，新疆烏魯木齊831401；2.中國石油新疆油田公司采油一廠；3.中國石油新疆油田公司，實驗檢測研究院；4.中國石油大學(xué)（北京）理學(xué)院］

無機鹽對新疆油田二元驅(qū)過程中乳狀液影響研究*

張慧1，廖先燕2，侯軍偉3，孫記夫3，曾曉飛4，李織宏3

［1.新疆交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院道路橋梁工程學(xué)院，新疆烏魯木齊831401；2.中國石油新疆油田公司采油一廠；3.中國石油新疆油田公司，實驗檢測研究院；4.中國石油大學(xué)（北京）理學(xué)院］

乳狀液穩(wěn)定性對于化學(xué)驅(qū)提高原油采收率具有非常重要的作用，穩(wěn)定性過強會導(dǎo)致采出液破乳困難；穩(wěn)定性過弱，乳狀液會很快破乳，使復(fù)合驅(qū)油體系波及體積受到影響。系統(tǒng)研究了不同類型無機鹽對新疆油田二元復(fù)合驅(qū)油體系乳狀液穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明，無機鹽可以加速水包油型乳狀液的破乳，特別是二價陽離子，能將破乳率提高1倍以上；陰離子的種類對乳狀液的穩(wěn)定性影響較弱。無機鹽對乳狀液破乳效率的影響與離子價態(tài)和Zeta電位有關(guān)。

二元復(fù)合驅(qū)；乳狀液；Zeta電位

近年來，中國能源消費快速增長，但是中國大部分油田的開發(fā)目前仍處于高含水和高采出階段，急需3次采油提高采收率的新技術(shù)以保持原油產(chǎn)量的增長和穩(wěn)定［1］。二元復(fù)合驅(qū)技術(shù)由于無需堿，降低了聚合物的黏度損失，同時也消除了堿的結(jié)垢，受到了人們的廣泛關(guān)注［2］。二元復(fù)合驅(qū)油過程中會產(chǎn)生大量的乳狀液，乳狀液不但可以攜帶大量的油滴，還可以進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)剖［3-5］。新疆油田室內(nèi)先導(dǎo)實驗發(fā)現(xiàn)，乳化性能好的表面活性劑，即使界面張力達(dá)不到超低水平，其采出程度仍然能達(dá)到較高水平；反之，如果沒有明顯的乳化，則體系提高采收率的效果相對較差。因此，越來越多的科技人員開始重視乳狀液穩(wěn)定性的研究工作［6］。

無機鹽的種類和濃度對乳狀液的穩(wěn)定性有較大的影響，而地層水中都含有大量的無機鹽，新疆油田七中區(qū)的礦化度為6 000 mg/L，勝利油田中礦化度高的將近40 000 mg/L。因此，研究無機鹽對二元復(fù)合驅(qū)配方體系乳化作用的影響對二元復(fù)合驅(qū)的現(xiàn)場實施具有重要的指導(dǎo)意義。

筆者討論了在新疆油田二元復(fù)合驅(qū)實驗中，不同種類的無機鹽對二元配方與原油形成水包油型乳狀液的穩(wěn)定性影響，為二元復(fù)合驅(qū)表面活性劑的篩選與配方設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。

1　實驗

1.1實驗材料與儀器

原料與試劑：陰離子表面活性劑KPS200（工業(yè)品，新疆克拉瑪依金塔公司）、NaCl（分析純，天津風(fēng)船化學(xué)試劑廠）、KCl（分析純，天津市天新精細(xì)化工開發(fā)中心）、Na2SO4（分析純，天津風(fēng)船化學(xué)試劑廠）、MgCl2（分析純，天津市福晨化學(xué)試劑廠）、CaCl2（分析純，天津盛奧化學(xué)試劑有限公司）、聚合物KB2500（北京恒聚化工集團有限公司，分子量為2.5×107，固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為91.38%）。實驗用油為新疆油田七中區(qū)復(fù)合驅(qū)實驗區(qū)脫水脫氣原油，34℃時原油黏度為13 mPa·s，相對密度為0.857 g/cm3，使用離心機脫水（轉(zhuǎn)速為10 000 r/min）10 min。實驗用水為實驗室模擬水（用不同種類無機鹽配置）。

儀器：FA25型高剪切分散乳化機、AXIOSKOP 40型顯微鏡、Zetasizer Nano ZS型納米粒度和Zeta電位及分子量分析儀、LXJ-2B型離心機。

1.2實驗方法

1.2.1不同礦化度乳狀液制備

實驗選取不同的礦化度，即NaCl質(zhì)量濃度分別為10、100、500、1 000、3 000、6 000、10 000 mg/L。二元配方：0.3%KPS200+0.12%KB2500（均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)）；油與配方水的體積比為1∶1；使用乳化劑乳化1min，制成乳狀液。

1.2.2不同無機鹽乳狀液制備

先用移液管分別移取無機鹽離子濃度為0.2mol/L 的 KCl、NaHCO3、Na2SO4、NaCl、CaCl2、MgCl2的二元配方水溶液5 mL作為水相，再用移液管準(zhǔn)確移取七中區(qū)原油5 mL作為油相；使用乳化劑乳化1 min，制成乳狀液。

1.2.3破乳實驗

將裝有乳狀液的試管靜置，測定不同時間乳狀液的體積及析出水的體積。

1.2.4Zeta電位的測定

實驗采用Zetasizer Nano ZS納米粒度及Zeta電位分析儀，在40℃下（油藏溫度）測定乳狀液Zeta電位。

2　實驗結(jié)果與討論

2.1礦化度對復(fù)合體系與原油乳化類型和穩(wěn)定性影響

圖1為不同礦化度下二元液與原油的乳化微觀照片。由圖1可見，對于二元體系，礦化度較低時（小于3 000 mg/L），主要生成大量的O/W型乳狀液，顆粒分布均勻，乳狀液粒徑為10～200 μm，且隨著礦化度的增加乳狀液粒徑逐漸減小。這是因為水中礦化度增加將界面膜上的電荷中和，使液滴之間斥力減弱，更易接近和聚并。當(dāng)?shù)V化度大于6 000 mg/L時，生成大量微小的乳狀液液滴，粒徑為1～5 μm，此時少量的W/O型的乳狀液開始出現(xiàn)。隨著礦化度的持續(xù)增大，發(fā)生了由水包油型乳狀液朝油包水型乳狀液的轉(zhuǎn)換［7-9］。

圖1　不同礦化度下二元液與原油的乳化微觀照片

圖2為不同礦化度和靜置時間下油水乳狀液的分水率。

圖2　礦化度對油水乳狀液穩(wěn)定性的影響

由圖2可見，礦化度低于1 000 mg/L時，分水率一直較低；當(dāng)?shù)V化度增至3 000 mg/L時，50 h時分水率達(dá)到50%；礦化度為6 000 mg/L時，在25 h的時候分水率即達(dá)到100%；當(dāng)?shù)V化度達(dá)到10 000 mg/L時，靜置10 h后分水率可達(dá)到100%。乳狀液界面水相一側(cè)雙電層、水化層厚度減小，導(dǎo)致油珠之間的靜電斥力和水化層的保護作用減弱，從而使得油珠碰撞、聚并的機會增加，同時礦化度使得油水界面膜強度降低，導(dǎo)致乳狀液的破壞［10］。

Zeta電位也稱電動電位，是表征乳狀液穩(wěn)定性的一個重要參數(shù)。它的大小反映了油珠帶電的情況，與乳狀液的穩(wěn)定性密切相關(guān)。Zeta電位絕對值越大，則乳狀液越穩(wěn)定［11］。石油磺酸鹽KPS200為陰離子表面活性劑，在水中溶解后其分子帶負(fù)電荷。圖3為不同NaCl濃度下油水乳狀液的Zeta電位。由圖3可以看出，隨著礦化度的增大，Zeta電位絕對值下降很快，油珠間的靜電斥力減小，則油珠之間發(fā)生聚并而導(dǎo)致油水分離的幾率變大，乳狀液穩(wěn)定性隨之相應(yīng)減小。

圖3　不同濃度NaCl生成乳狀液的Zeta電位

2.2無機鹽種類對復(fù)合體系與原油乳化穩(wěn)定性的影響

2.2.1陽離子對二元復(fù)合體系乳化穩(wěn)定性的影響

圖4為相同陰離子強度下，不同陽離子無機鹽的二元溶液與原油乳化后靜置不同時間的分水率。

圖4　不同陽離子對二元體系乳化穩(wěn)定性的影響

圖5為氯鹽靜置24 h后的照片。結(jié)合圖4和圖5可以看出，在陰離子相同的條件下，陽離子對二元體系與原油形成的O/W乳狀液的穩(wěn)定性的影響大小為Ca2+>Mg2+>Na+>K+，其中二價離子影響明顯大于一價離子。

圖5　不同氯鹽靜置24 h后的照片

2.2.2陰離子對二元復(fù)合體系乳化穩(wěn)定性的影響

圖6為相同陽離子強度下，不同陰離子無機鹽的二元溶液與原油乳化后靜置不同時間的分水率，圖7為鈉鹽靜置24 h后的照片。結(jié)合圖6和圖7可知，在陽離子濃度相同的條件下，陰離子對二元體系與原油形成的O/W乳狀液的穩(wěn)定性的影響大小為Cl->HCO3->SO42-。

圖6　不同陰離子對二元體系乳化穩(wěn)定性的影響

圖7　不同鈉鹽靜置24 h后的照片

圖8為不同無機鹽的Zeta電位數(shù)據(jù)。由圖8可見，對于陽離子來說，Ca2+的Zeta電位絕對值最小，Mg2+的Zeta電位絕對值稍大，NaHCO3、KCl、NaCl的Zeta電位絕對值最大；對于陰離子來說，Cl-的Zeta電位絕對值最小，SO42-絕對值最大［12-13］。

圖8　不同無機鹽的Zeta電位數(shù)據(jù)

3　結(jié)論

考察了陽離子和陰離子對新疆油田二元驅(qū)乳狀液破乳效果的影響。研究發(fā)現(xiàn)，無機鹽對乳狀液破乳效率的影響與離子價態(tài)和Zeta電位有關(guān)，二價陽離子對O/W乳狀液的穩(wěn)定性影響較強，其中Ca2+具有最強的破乳性，最小的Zeta電位絕對值；陰離子對乳狀液的穩(wěn)定性影響較弱。

［1］程杰成，吳軍政，胡俊，等.三元復(fù)合驅(qū)提高原油采收率關(guān)鍵理論與技術(shù)［J］.石油學(xué)報，2014，35（2）：310-318.

［2］李世軍，楊振宇，宋考平，等.三元復(fù)合驅(qū)中乳化作用對提高采收率的影響［J］.石油學(xué)報，2003，24（5）：71-73.

［3］王榮健，薛寶慶，盧祥國，等.聚/表二元復(fù)合體系配方優(yōu)選及其驅(qū)油效果評價［J］.油田化學(xué)，2015，32（1）：108-113.

［4］夏惠芬，黃麒鈞，馬文國.大慶油田無堿二元復(fù)合體系對聚合物驅(qū)后殘余油作用效果研究［J］.油田化學(xué)，2010，27（2）：162-165，148.

［5］張書棟.高溫高鈣稠油油藏二元復(fù)合驅(qū)配方設(shè)計與應(yīng)用［J］.石油化工應(yīng)用，2014，33（11）：7-10.

［6］孫煥泉.二元復(fù)合驅(qū)油技術(shù)［M］.北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社，2007：56-58.

［7］王仁芳，李克華，楚軍.無機鹽對W/O型原油乳狀液穩(wěn)定性的影響［J］.油田化學(xué)，1992，9（4）：366-369.

［8］夏立新，曹國英，陸世維.無機鹽對乳狀液破乳效果的影響［J］.石油學(xué)報，2003，19（4）：94-97.

［9］Johannessen A M，Spildo K.Enhanced oil recovery（EOR）by combining surfactant with low salinity injection［J］.Energy Fuels，2013，27（10）：5738-5749.

［10］Bhardwaj A，Hartland S.Dynamics of emulsification and demulsification of water in crude oil emulsions［J］.Ind.Eng.Chem.Res.，1994，33（5）：1271-1279

［11］徐明進，李明遠(yuǎn)，彭勃，等.Zeta電位和界面膜強度對水包油乳狀液穩(wěn)定性影響［J］.應(yīng)用化學(xué)，2007，24（6）：623-627.

［12］Mandal A，Samanta A，Bera A，et al.Characterization of oil-water emulsion and its use in enhanced oil recovery［J］.Ind.Eng.Chem. Res.，2010，49（24），12756-12761.

［13］McAuliffe C D.Crude-oil-in-water emulsions to improve fluid flow in an oil reservoir［J］.J.Pet.Tech.，1973，25（6）：721-726.

聯(lián)系方式：junweihou@petrochina.com.cn

Influence of inorganic salts on emulsion of binary flooding system in Xinjiang oilfield

Zhang Hui1，Liao Xianyan2，Hou Junwei3，Sun Jifu3，Zeng Xiaofei4，Li Zhihong3
［1.School of Road and Bridge Engineering，Xinjiang V ocational&Technical College of Communications，Urumqi 831401，China；2.No.1 Oil Production Plant，PetroChina Xinjiang Oilfiled Company；3.Research Institute of Experiment and Detection，PetroChina Xinjiang Oilfield Company；4.School of Science，China University of Petroleum（Beijing）］

Emulsion′s stability plays an important role in chemical flooding enhancing oil recovery（EOR）.The strong emulsion′s stability will make the demulsification more difficult.The weak emulsion will make the demulsification faster and thus impactexpandingsweptvolume.Influencesofdifferentkindsofinorganicsaltonthestabilityofemulsionsbinaryfloodingsystem in Xinjiang Oilfield was discussed.It was shown that the inorganic salts effectively accelerated the demulsification of O/W emulsions.Maximum demulsification efficiency by adding bivalent cation was up to more than 100%.The types of anion had little effect for demulsification.It was also found that demulsification efficiency was attributed to valence of cation and Zeta potential.

binary flooding；emulsication；Zeta potential

TQ115

A

1006-4990（2016）02-0022-04

2014年自治區(qū)提升專業(yè)服務(wù)能力資助項目（新教職成辦［2014］9號）、國家科技重大專項資助項目（2011ZX05003-005）。

2015-08-18

張慧（1980—），女，碩士，講師，主要研究方向為油田化學(xué)、材料學(xué)，已公開發(fā)表論文5篇。

侯軍偉