低滲透油藏陰離子/非離子表面活性劑復(fù)配機(jī)理研究*

殷代印，姜婷婷

（東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院，黑龍江大慶163318）

低滲透油藏陰離子/非離子表面活性劑復(fù)配機(jī)理研究*

殷代印，姜婷婷

（東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院，黑龍江大慶163318）

針對(duì)低滲透油藏注水開發(fā)采收率低的問題，進(jìn)行了陰非復(fù)配表面活性劑的篩選與評(píng)價(jià)研究。通過對(duì)界面張力及乳化性能的測(cè)定，確定十二烷基苯基磺酸鹽（SDBS）與脂肪醇聚氧乙烯醚（AEO-9）進(jìn)行復(fù)配，具有良好的表面活性劑性能。通過陰非復(fù)配體系的特點(diǎn)、相滲曲線分析以及巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)SDBS/AEO-9陰非復(fù)配體系具有降低注入壓力、提高最終采收率的能力,能夠很好的應(yīng)用于低滲透油藏。確定當(dāng)表面活性劑濃度為0.5%時(shí)，該表面活性劑復(fù)配體系能夠降低界面張力至10-3mN·m-1，可提高采收率5.41%。

陰非復(fù)配；界面張力；乳化性能；驅(qū)油實(shí)驗(yàn)；降壓增注

低滲透油藏由于地層能量低，在開發(fā)過程中，存在啟動(dòng)壓力梯度和注入壓力過高的現(xiàn)象，導(dǎo)致油水井之間難于形成有效驅(qū)動(dòng)壓差，不能高效驅(qū)替原油[1]。為提高低滲透油藏的開發(fā)效果，部分油田采用注表面活性劑驅(qū)油，其中表面活性劑復(fù)配體系得到更為廣泛的關(guān)注，由于其比各組分單獨(dú)使用更能大幅度的提高驅(qū)油效率。目前，研究較多的為陰離子表面活性劑與非離子表面活性劑的復(fù)配，研究證明陰離子/非離子表面活性劑復(fù)配能夠影響聚集體結(jié)構(gòu)的變化，且分子中含有氧乙烯基團(tuán)和陰離子的兩類親水基團(tuán)，具有兩種表面活性劑各自的優(yōu)點(diǎn)，復(fù)配后具有優(yōu)良的表面活性劑性能[2]。

由于陰離子表面活性劑溶解性好、價(jià)格便宜，故選其為主劑，通過陰離子與不同種類非離子表面活性劑間的復(fù)配，對(duì)其降低界面張力的能力、乳化性能進(jìn)行比較，篩選出適合低滲透油藏的陰非復(fù)配表面活性劑體系。最后開展室內(nèi)巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)研究了陰非復(fù)配表面活性劑驅(qū)對(duì)低滲巖心油水相對(duì)滲透率曲線的影響以及降壓增注作用的機(jī)理，為其能夠更好的應(yīng)用于礦場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要試劑與儀器

朝陽溝天然巖心（大慶朝陽溝）油田脫水脫氣原油（45℃下粘度為10mPa·s）；SDBS（十二烷基苯基磺酸鹽，陰離子表面活性劑），AEO-9（脂肪醇聚氧乙烯醚，非離子表面活性劑），TX-100（辛基酚聚氧乙烯醚，非離子表面活性劑），選取大慶朝陽溝油田天然巖心若干塊。

TEXAS500型；平流泵；恒溫箱；巖心抽空飽和裝置；油水分離器。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

式中Ed：析水率，%；Vx：析水量，mL；V：制備乳狀液時(shí)的水相體積，mL。

1.2.3 室內(nèi)巖心模擬驅(qū)油實(shí)驗(yàn)本實(shí)驗(yàn)?zāi)M現(xiàn)場(chǎng)條件進(jìn)行驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，首先用水驅(qū)油，直到不出油為止，改為用表面活性劑驅(qū)復(fù)配體系。表面活性劑驅(qū)油的步驟為：（1）巖心抽真空，將飽和水緩慢注入其中；（2）以一定的驅(qū)替速度將實(shí)驗(yàn)原油注入巖心，計(jì)算含油飽和度；（3）用一定的驅(qū)替速度對(duì)巖心進(jìn)行水驅(qū)，至采出液含水率達(dá)98%，計(jì)算水驅(qū)采收率；（4）將表面活性劑復(fù)配體系注入巖心中，測(cè)量結(jié)束時(shí)的壓力與采收率。

1.2.1 界面張力的測(cè)定界面張力的測(cè)定在45℃下用旋轉(zhuǎn)液滴界面張力儀（TEXAS500型），選取陰離子表面活性劑與不同非離子表面活性劑進(jìn)行復(fù)配，非離子與陰離子表面活性劑質(zhì)量比均為3∶7，測(cè)定不同復(fù)陰非表面活性劑復(fù)配體系與實(shí)驗(yàn)原油的界面張力。

1.2.2 乳化性能的測(cè)定取一定比例的表面活性劑溶液與實(shí)驗(yàn)原油混合，置于10mL具塞量筒中，塞緊量筒塞，劇烈振蕩3min，在恒溫箱中靜置5min,觀察其乳化情況，計(jì)算不同復(fù)配體系的析水率，其公式為：

2 結(jié)果與分析

2.1 表面活性劑測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果

油水界面張力的降低會(huì)使油層中的油滴變形，使其在通過喉道時(shí)的阻力變小，導(dǎo)致部分滯留油變?yōu)榭闪鲃?dòng)油，進(jìn)而提高原油的可采儲(chǔ)量，尤其在低滲透油藏中，降低油水界面張力的能力是評(píng)價(jià)表面活性劑性能的重要指標(biāo)[3]。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)陰離子表面活性劑溶液中加入非離子表面活性劑，混合溶液的臨界膠束濃度下降，從單劑的0.9%降至混合溶液的0.5%，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致界面張力降低，單劑陰離子表面活性劑的界面張力為10-2數(shù)量級(jí)，混合后的界面張力可降至10-3數(shù)量級(jí)。這時(shí)由于SDBS與非離子表面活性劑作用時(shí)，非離子表面活性劑分子可以插入到SDBS的膠團(tuán)之中，減弱離子頭間的斥力，形成高強(qiáng)度的混合界面膜，并且由于陰離子與非離子表面活性劑疏水鏈間的強(qiáng)相互作用，更易于形成混合膠團(tuán)[4]，從而得到比單一表面活性劑更為穩(wěn)定的乳液，導(dǎo)致混合溶液的表面活性提高，界面張力降低。因此，要達(dá)到所需的界面張力，混合表面活性劑溶液所需的濃度要比單一表面活性劑濃度低的多，且降低界面張力的能力也比單一溶劑要強(qiáng)。與此同時(shí)，當(dāng)陰離子表面活性劑與不同的非離子表面活性劑混合時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不同的效果。當(dāng)混合表面活性劑的濃度為0.5%時(shí)，SDBS/AEO-9混合溶液能夠產(chǎn)生較低的界面張力，界面張力可降至10-3mN·m-1數(shù)量級(jí)。相對(duì)于SDBS/TX-100混合溶液，降低界面張力的能力更強(qiáng)，原因可能是在復(fù)配表面活性劑體系中，由于TX-100的頭基較大，插入到SDBS中，會(huì)導(dǎo)致形成的混合膠團(tuán)穩(wěn)定性相對(duì)變差，因而認(rèn)為SDBS/AEO-9混合溶液協(xié)同效應(yīng)較好。

圖1表面活性劑濃度與界面張力的關(guān)系曲線Fig.1Relationship between surfactant concentration and interfacial tension

2.2 乳化能力測(cè)試結(jié)果

一般來講低滲透油藏滲透率低，孔喉細(xì)小，因此，表面活性劑的乳化作用顯得尤為重要。表面活性劑對(duì)原油有較強(qiáng)的乳化作用，能夠?qū)粼趲r石表面的原油剝離下來，形成乳狀液，經(jīng)過乳狀液的聚集形成油墻，繼而被開采出來[5]。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，開始體系中的油水混合溶液在靜置的過程中，油水不斷分離，最終達(dá)到平衡，隨著時(shí)間的增加，析水率增加的幅度減小，直至后來幾乎保持不變。也就是說隨著表面活性劑濃度的增大，表面活性劑分子會(huì)緊密排列在油水界面上，使得界面上形成了一層緊密的界面膜，導(dǎo)致體系的穩(wěn)定性增強(qiáng)，乳化性能提高。可以發(fā)現(xiàn)的是在乳化時(shí)間相同的條件下，SDBS/AEO-9的析水率要比SDBS/TX-100相對(duì)要低，且在乳化90min左右時(shí)，二者的析水率基本保持不變，說明SDBS/AEO-9復(fù)配能夠有較好的乳化作用，這時(shí)由于AEO-9的結(jié)構(gòu)中，醇的羥基與聚氧乙烯之間是較穩(wěn)定的醚鍵，導(dǎo)致其有較高的穩(wěn)定性，二者的復(fù)配能夠穩(wěn)定的將油水分離，有效提高油藏的可采儲(chǔ)量。

圖2乳化時(shí)間與析水率的關(guān)系曲線Fig.2Relationship between emulsification time and water content

通過以上實(shí)驗(yàn)研究可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)陰離子表面活性劑中加入非離子表面活性劑，降低界面張力的能力及效率均有明顯的提高。陰-非離子型表面活性劑復(fù)配，使其在同一個(gè)表面活性劑分子結(jié)構(gòu)中，既含有陰離子親水基團(tuán)，又含有非離子親水基團(tuán)，從而大大提高了表面活性劑性能。通過對(duì)兩種復(fù)配表面活性劑的比較，可以發(fā)現(xiàn)SDBS/AEO-9復(fù)配體系能夠在較低濃度下，實(shí)現(xiàn)有效降低界面張力的能力，并且具有較強(qiáng)的乳化作用，綜合這兩方面的因素，發(fā)現(xiàn)SDBS/AEO-9復(fù)配體系的相互作用強(qiáng)于SDBS/TX-100復(fù)配體系。這意味著，無論復(fù)配體系在的混合膠束或是混合吸附層的形成過程中，二者具有強(qiáng)的相互作用。最終篩選出AEO-9作為與SDBS復(fù)配的非離子表面活性劑。

3 陰非復(fù)配表面活性劑降低啟動(dòng)壓力機(jī)理研究

在完成表面活性劑復(fù)配體系研究的基礎(chǔ)上，開展了低滲透油層陰非表面活性劑驅(qū)降低啟動(dòng)壓力機(jī)理研究。通過前文的研究可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)陰離子表面活性劑中加入非離子表面活性劑后，降低界面張力及乳化能力均有明顯的提高，表面活性劑的活性得到顯著提升。產(chǎn)生這種相互吸引的原因有很多。首先，考慮到非離子表面活性劑分子插入到陰離子表面活性劑分子間，在界面處由于極性頭基的靜電吸引和疏水基分子的相互作用增強(qiáng)，形成致密的界面膜，有效降低界面張力[6]。其次，由于非離子表面活性劑分子具有親水性質(zhì)，分子間會(huì)產(chǎn)生正負(fù)電荷分離，通過偶極子對(duì)離子基團(tuán)產(chǎn)生定向電吸引作用，由于陰離子與非離子表面活性劑疏水鏈間的強(qiáng)相互作用，使之更容易形成膠團(tuán)，從而增強(qiáng)了膠束和吸附層中分子間的相互作用力，使表面吸附層更為緊密[7]。最后是由于非離子和陰離子表面活性劑在溶液中形成了混和膠團(tuán)，導(dǎo)致界面層中陰離子表面活性劑的排布不均勻，其頭基聚集成小的團(tuán)簇，由非離子表面活性劑填充空穴，兩者緊密鑲嵌，產(chǎn)生協(xié)同作用，這也為表面活性劑的有效應(yīng)用和微乳液制備提供了理論指導(dǎo)。

3.1 相對(duì)滲透率曲線的測(cè)定

油水兩相相對(duì)滲透率曲線是油水兩相在滲流過程中必須遵循的基本規(guī)律。低滲透油層在相對(duì)滲透率曲線上表現(xiàn)出兩相流動(dòng)范圍較窄，束縛水飽和度較高，殘余油飽和度也較高等一系列特點(diǎn)。通過對(duì)比在低滲透巖心中注入表面活性劑后油水相對(duì)滲透率的變化，得到表面活性劑驅(qū)對(duì)低滲透巖心油水滲流以及提高采收率的相關(guān)規(guī)律，本研究采用穩(wěn)態(tài)法對(duì)相滲曲線進(jìn)行測(cè)定。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，與水驅(qū)相比，加入表面活性劑復(fù)配體系后隨著含水飽和度的增加，油相滲透率下降速度略變緩慢，水相滲透率有所提高，并且等滲點(diǎn)右移，含水飽和度為51.31%增至59.67%，說明表面活性劑的加入改變了巖石的潤濕性，增加了巖石表面的親水性,提高水相的滲透率也是降壓增注的主要機(jī)理。同時(shí)，還可以發(fā)現(xiàn)巖心的可動(dòng)油飽和度從32.24%增至35.12%，并且體系殘余油飽和度降低，兩相滲流區(qū)范圍增大，說明巖心中的剩余油變少，復(fù)配表活劑體系減小了油相流動(dòng)時(shí)由于賈敏效應(yīng)產(chǎn)生的附加阻力，有效激活殘余油，使巖心中散落的油滴更容易聚并形成油帶，導(dǎo)致驅(qū)替效率和洗油效率得到一定程度的提高，起到降低驅(qū)替壓力的目的。

圖3水驅(qū)、表面活性劑驅(qū)相對(duì)滲透率曲線（0.5%S）Fig.3Relative permeability curves of water flooding and surfactant flooding

3.2 陰非表面活性劑復(fù)配體系降低驅(qū)替壓力

為了驗(yàn)證陰非復(fù)配表面活性劑驅(qū)在低滲透巖心中具有降壓增注的效果，分別選取不同滲透率級(jí)別的巖心進(jìn)行了表面活性劑降壓增注的實(shí)驗(yàn)研究。

3.2.1 巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)根據(jù)選配的表活劑復(fù)配體系混和溶液（界面張力10-3mN·m-1），進(jìn)行了室內(nèi)巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)注入SDBS/AEO-9表面活性劑復(fù)配體系后，可以明顯降低驅(qū)替壓力，有效提高采收率，特別是對(duì)于特低滲透巖心，仍然有較好的效果。

表1 陰非復(fù)配表活劑體系降低驅(qū)替壓力室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.1Results of displacement test

3.2.2 壓力降低過程曲線分析圖4為水驅(qū)-活性劑體系驅(qū)-后續(xù)水驅(qū)過程中驅(qū)替壓力隨注入孔隙體積倍數(shù)的變化曲線。

圖41-3巖心水驅(qū)-活性劑-后續(xù)水驅(qū)壓力變化曲線Fig.41-3 Core water flooding-active agent-subsequent water drive pressure change curve

從圖4中可以看出，當(dāng)水驅(qū)到一定孔隙體積以后，驅(qū)替壓力是基本保持恒定的，這時(shí)注入0.5倍孔隙體積活性劑體系后，再后續(xù)水驅(qū)，壓力開始明顯下降，降低一定值以后不再變化，并直至實(shí)驗(yàn)結(jié)束，沒有反彈的現(xiàn)象。說明利用該活性劑體系可以明顯降低低滲透巖心的驅(qū)替壓力，且能在后續(xù)水驅(qū)過程中不回升。

室內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于同一塊巖心，活性劑體系有增加巖心滲透能力的作用，因此，在低滲透巖心驅(qū)油實(shí)驗(yàn)時(shí)，注入活性劑體系以后，水驅(qū)壓力顯著下降，可以起到降低驅(qū)替壓力，提高驅(qū)油效率的作用，由于陰非復(fù)配表面活性劑的兩親性，使體系能夠被吸附于油水界面，形成超低的界面張力，降低毛管力，更多的表面活性劑進(jìn)入小孔道，活化殘余油，能夠使孔隙間的油膜及滯留在大孔隙間的油滴啟動(dòng)，增大流動(dòng)的空間，并減小流體在巖心中的滲流阻力，在流動(dòng)的過程中，與油滴互溶，進(jìn)而提高采收率[8]。根據(jù)不同低滲透巖心滲透率的不同，可以發(fā)現(xiàn)隨滲透率的提高，壓力降低幅度也在呈增加趨勢(shì)，當(dāng)滲透率高于10×10-3μm2時(shí)，壓力降值大于50%，表明在相同條件下，SDBS/AEO-9陰非復(fù)配表面活性劑在低滲透油藏的高滲區(qū)塊作用效果會(huì)更為的明顯。

4 結(jié)論

（1）通過對(duì)陰非復(fù)配體系的篩選可知，復(fù)配體系較單劑能有效降低界面張力，且SDBS/AEO-9復(fù)配體系在濃度為0.5%時(shí)，能夠降低界面張力至10-3數(shù)量級(jí)。通過對(duì)陰非復(fù)配體系乳化性能的研究可以發(fā)現(xiàn)在相同時(shí)間內(nèi)，SDBS/AEO-9析水率更高，也就說其乳化性能越好。最終選定SDBS/AEO-9體系作為最佳復(fù)配組合。

（2）表面活性劑復(fù)配體系的加入使相對(duì)滲透率曲線特征發(fā)生顯著變化，由于能夠降低油水界面張力的性質(zhì)，導(dǎo)致等滲點(diǎn)右移，束縛水飽和度變小，水相相對(duì)滲透率下降緩慢，能夠使油水滲流狀況得到改善，有效降低啟動(dòng)壓力梯度。

（3）通過巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，知道采用SDBS/AEO-9陰/非離子表面活性劑復(fù)配體系不但具有降壓增注的效果，也具有提高驅(qū)油效率的作用，提高采收率5.41%，可在低滲透油藏中進(jìn)行廣泛應(yīng)用。

［1］周亞洲,殷代印,張承麗.降低啟動(dòng)壓力的表面活性劑體系在朝陽溝油田的應(yīng)用［J］.油田化學(xué),2013,（4）:565-569.

［2］南海明,張高勇,王紅霞.十二烷基苯磺酸鈉-聚醚混合表面活性劑體系增效作用的研究［J］.日用化學(xué)工業(yè),2007,（5）:290-292；297.

［3］岑桂秋.陰/非離子表面活性劑復(fù)配體系的膠束性質(zhì)及協(xié)同效應(yīng)［D］.海南大學(xué),2012.

［4］王慧敏.二元表面活性劑混合體系表面活性及協(xié)同效應(yīng)的研究［D］.山東師范大學(xué),2012.

［5］丁振軍,方銀軍,高慧,等.陰離子/非離子表面活性劑協(xié)同效應(yīng)研究［J］.日用化學(xué)工業(yè),2007,（3）:145-148.

［6］馮岸洲,張建強(qiáng),蔣平,等.低滲透油藏高濃度表面活性劑體系降壓增注試驗(yàn)研究［J］.油田化學(xué),2011,（1）:69-73.

［7］譚俊領(lǐng).陰非復(fù)配型表面活性劑在低滲透油藏的應(yīng)用性能評(píng)價(jià)［J］.科學(xué)技術(shù)與工程,2013,13:3695-3699.

［8］祝仰文,孟紅麗,馬寶東,等.低滲透油藏表面活性劑降壓增注效果影響因素［J］.油氣地質(zhì)與采收率,2016,（1）:74-78.

Research on the mechanism of anionic/nonionic surfactants applied in low permeability reservoirs*

YIN Dai-yin，JIANG Ting-ting
（Faculty of Petroleum Engineering,Northeast Petroleum University,Daqing 163318,China）

Based on the problem of low recovery of water flooding in low permeability oilfield,the screening and evaluation of the anionic/nonionic surfactants are carried out.Through the measurements of interfacial tension and emulsifying properties,determining SDBS（twelve alkyphenyl sulfonate）/AEO-9（fatty alcohol polyoxyethylene ether）has a good surfactant performance.Through the characteristics of the anionic/nonionic surfactants,the seepage curve analysis and the core displacement experiment,it is found that the SDBS/AEO-9 system has the ability to reduce the injection pressure and improve the final recovery,and it has a good application in the low permeability reservoirs When the surfactant concentration is 0.5%,the interfacial tension can be reduced to 10-3mN·m-1, and the recovery can be improved to 5.41%.

anionic/nonionic surfactants;Interfacial tension;emulsifying property;oil displacement experiment;depressurization injection

TE348

A

10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20170606

2017-03-14

國家自然基金資助項(xiàng)目“低滲透油藏表面活性劑驅(qū)微乳液滲流機(jī)理及數(shù)值模擬研究”（No.51474071)

殷代印（1966-），男（漢），山東省濟(jì)寧市人，教授，博士后，從事油氣藏?cái)?shù)值模擬和油氣田開發(fā)動(dòng)態(tài)分析方面研究。