基于乳化性能設(shè)計(jì)的驅(qū)油用新型三元復(fù)合體系評價(jià)

尚丹森，侯吉瑞，馬云飛

(1.中國石油大學(xué)(北京) 提高采收率研究院，北京 102249； 2.中石油三次采油重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 低滲油田提高采收率應(yīng)用基礎(chǔ)理論研究室，北京100083； 3.石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249)

引 言

三元復(fù)合驅(qū)在中國發(fā)展迅速，在大慶、勝利、河南等油田開展的先導(dǎo)試驗(yàn)，以及在大慶油田開展的工業(yè)化應(yīng)用結(jié)果有力證明了三元復(fù)合驅(qū)是一種提高采收率的有效方法。一般認(rèn)為，要大幅度提高原油采收率，就必須使油水界面張力達(dá)到超低水平(10-3mN/m)。但堿-活性劑-聚合物(ASP)三元復(fù)合體系在地層運(yùn)移的過程中，其有效組分會(huì)發(fā)生物理和化學(xué)吸附、機(jī)械捕集、相分離、 彌散、沉淀、降解等損失[1-4]，使三元復(fù)合體系超低界面張力性質(zhì)變得脆弱且易被破壞，減小了超低界面張力在地層中發(fā)揮作用的范圍。有研究表明，超低界面張力性能僅能維持井距的前20%距離，作用距離十分有限[5-8]。同時(shí)，大量的礦場試驗(yàn)和室內(nèi)研究表明，復(fù)合體系對原油的乳化作用也是提高采收率的關(guān)鍵因素[9-13]。近年來，對于表面活性劑的乳化作用研究較多，且研究中所用的表面活性劑大都能使油水界面張力達(dá)到超低水平。而三元復(fù)合體系不僅包含表面活性劑，同時(shí)還包含堿和聚合物。堿和聚合物對復(fù)合體系乳化性能的影響不可忽視。目前，針對界面張力非超低(10-3mN/m數(shù)量級以上)的三元復(fù)合體系的乳化性能對提高采收率的作用鮮有研究。為此，筆者提出了一種將堿、聚合物、表面活性劑對復(fù)合體系乳化性能的影響綜合起來考察復(fù)合體系乳化性能的方法，并研究了界面張力非超低(10-3mN/m數(shù)量級以上)的三元復(fù)合體系這一有機(jī)整體的乳化性能對提高采收率的作用和機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)材料、儀器及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料和儀器

表面活性劑：OP-10，非離子表面活性劑，分析純；重烷基苯磺酸鹽HABS，大慶油田采油二廠提供，有效含量為50%。

聚合物：北京恒聚公司生產(chǎn)，相對分子質(zhì)量分別為2 000×104、2 500×104；水解度25%，固含量88%。

實(shí)驗(yàn)用油：大慶采油二廠脫氣脫水原油與煤油配制而成的模擬油，在45 ℃、轉(zhuǎn)速6 r/min的條件下其黏度為7.9 mPa·s。

實(shí)驗(yàn)用水：模擬地層水，其礦化度為6 778 mg/L，離子組成見表1。

實(shí)驗(yàn)用三元復(fù)合體系配方及相關(guān)性能見表2。

堿劑和石油醚均為分析純。

實(shí)驗(yàn)所用人工填砂管的直徑和長度分別為25 mm和1 500 mm，油砂目數(shù)40～200目不等，按照一定比例裝填，以獲得不同的滲透率。

實(shí)驗(yàn)儀器：HW-Ⅱ型恒溫箱，恒速恒壓泵，活塞中間容器，壓力傳感器，Texas-500型旋滴界面張力儀，布氏黏度計(jì)，IKA T10高速分散機(jī)，TURBISCAN AGS多重光散射儀，光化學(xué)刻蝕技術(shù)制成的微觀模型，生物倒置顯微鏡等。

表1 模擬地層水礦物離子含量Tab.1 Mineral ion content of simulation formation water

表2 實(shí)驗(yàn)用三元復(fù)合體系配方及相關(guān)性能Tab.2 Formula and properties of different ASP systems

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

界面張力測定 在45 ℃的條件下，用界面張力儀測定OP-10、重烷基苯磺酸鹽以及二者按不同比例復(fù)配后的溶液與模擬油之間的界面張力。

乳化力測定 使用模擬地層水配置三元復(fù)合體系，取配置好的50 mL三元復(fù)合體系與50 mL模擬油混合，使用分散機(jī)在10 000 r/min的轉(zhuǎn)速下攪拌10 min后形成乳狀液，靜止分層后，將乳化層分離，置于燒杯中，用移液管吸取10 mL乳狀液，移至另一個(gè)分液漏斗中，用50 mL石油醚，分3次萃取，之后用分光光度計(jì)測定萃取液的光密度值，再根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線得到相應(yīng)的油的含量，計(jì)算三元復(fù)合體系的乳化力，即

Ce=Vo/VASP。

(1)

式中：Ce為三元復(fù)合體系的乳化力；VASP為三元復(fù)合體系的體積，mL；Vo為三元復(fù)合體系在實(shí)驗(yàn)條件下所乳化的油的體積，即乳化層中油的體積，mL。乳化力越大，說明三元復(fù)合體系的乳化能力越強(qiáng)。

復(fù)合體系整體乳化性能參數(shù)[14-15]

(2)

式中，Ie為復(fù)合體系整體乳化性能參數(shù)。Ie越大，說明復(fù)合體系整體乳化性能越好。

宏觀驅(qū)油實(shí)驗(yàn)步驟：①填制1 500 mm人工填砂管，抽真空，飽和模擬地層水，計(jì)算孔隙體積和孔隙度，并水測滲透率；②飽和模擬油，老化48 h，并計(jì)算含油飽和度；③水驅(qū)至出口含水98%以上，轉(zhuǎn)注0.3 PV三元復(fù)合體系，后續(xù)水驅(qū)至出口含水98%以上止。以上過程均在45 ℃恒溫箱中進(jìn)行，驅(qū)替速度為0.4 mL/min。

微觀驅(qū)油實(shí)驗(yàn)步驟：①抽真空，飽和模擬地層水，飽和模擬油；②水驅(qū)20 min，建立束縛水飽和度；③注入配方3，并在顯微鏡下觀察驅(qū)油過程。本實(shí)驗(yàn)驅(qū)替速度為0.005 mL/min。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 三元復(fù)合體系油水界面張力

具有兩親結(jié)構(gòu)特征的表面活性劑能夠輕易地吸附、定向在固液、液液界面，從而降低界面張力σ，減小黏附功[16-17]，使驅(qū)替液更易剝離巖石表面的剩余油，進(jìn)而提高采收率。

從圖1可以看出，在很寬的堿濃度范圍內(nèi)(質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.3%～1.2%)，HABS均能使油水界面張力達(dá)到超低水平(10-3mN/m數(shù)量級)，當(dāng)堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%時(shí)，油水界面張力值達(dá)到最低，其值為0.002 7 mN/m；對于OP-10而言，隨著堿濃度的增加，油水界面張力值呈現(xiàn)下降的趨勢，但OP-10所能使油水界面張力達(dá)到的最低值為0.311 2 mN/m；在固定堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%、表面活性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%時(shí)，當(dāng)表面活性劑全由HABS組成時(shí)，油水界面張力可達(dá)到超低水平(10-3mN/m數(shù)量級)，其大小為0.007 7 mN/m；隨著表面活性劑組成中OP-10所占比例的增大，油水界面張力顯著增大，最高可達(dá)0.638 4 mN/m(10-1mN/m數(shù)量級)，此時(shí)表面活性劑全由OP-10組成。

圖1 三元復(fù)合體系與原油間的界面張力關(guān)系Fig.1 Influence of mass fraction of ASP system components on IFT between the system and crude oil

2.2 三元復(fù)合體系乳化性能

表3 不同三元復(fù)合體系的乳化力、乳狀液穩(wěn)定性和整體乳化性能參數(shù)Tab.3 Emulsifying capacity, emulsion stability and overall emulsifying property of different ASP systems

從圖2可以看出，使用2種配方制成的乳狀液的類型均為水包油型(O/W)，且配方1形成的乳狀液的粒徑明顯小于配方2形成的乳狀液的粒徑。粒徑越小，說明復(fù)合體系的乳化力越強(qiáng)，乳化穩(wěn)定性越好，復(fù)合體系整體表現(xiàn)出的乳化性能越優(yōu)異。這也從另一個(gè)方面證明了配方1的乳化性能優(yōu)于配方2。此結(jié)果與表2反映出的內(nèi)容相吻合。

圖2 乳狀液的微觀形態(tài)(400倍)Fig.2 Microscopic morphology of emulsions of different formula (×400)

2.3 三元復(fù)合體系提高采收率效果及機(jī)理分析

盡管超低界面張力是提高采收率的重要因素，但其并不是唯一的決定因素，復(fù)合體系對原油的乳化作用也是提高采收率的一個(gè)重要因素[9-13]。配方2為常用的常規(guī)三元復(fù)合體系(超低界面張力體系)，而配方1雖然不能使油水界面張力降至超低水平，但其整體乳化性能優(yōu)異。分別使用配方1和配方2進(jìn)行驅(qū)油實(shí)驗(yàn)，對比其驅(qū)油效果。

從圖3可以看出，水驅(qū)后，無論是注入配方1，還是注入配方2，注入壓力均顯著增大，含水率維持不變；在后續(xù)水驅(qū)階段，二者的采收率小幅度穩(wěn)步提高直至平穩(wěn)，但注入壓力和含水率出現(xiàn)明顯差異。在3種滲透率條件下分別注入配方1，其后續(xù)水驅(qū)階段的壓力整體呈下降趨勢，但在下降過程中出現(xiàn)較大波動(dòng)；含水率整體呈上升趨勢，但在上升過程中也出現(xiàn)不同程度的波動(dòng)。同時(shí)亦不難發(fā)現(xiàn)，在后續(xù)水驅(qū)階段，壓力的波動(dòng)和含水率的波動(dòng)之間是相互聯(lián)系的，壓力出現(xiàn)上升波動(dòng)的時(shí)候正是含水率出現(xiàn)下降波動(dòng)的時(shí)候；滲透率越低，壓力和含水率的波動(dòng)越明顯。反觀配方2，則未觀察到其含水率和注入壓力在后續(xù)水驅(qū)階段的波動(dòng)情況。

這是因?yàn)榕浞?的整體乳化性能優(yōu)于配方2，更容易乳化填砂管中原油，且形成的乳狀液粒徑較小，穩(wěn)定性好，隨著乳狀液顆粒在部分孔道中的堆積，局部阻力相應(yīng)增大，注入壓力產(chǎn)生小幅增長，隨著乳狀液的采出和堆積的乳狀液顆粒被后續(xù)水驅(qū)破壞，局部阻力相應(yīng)減小，注入壓力繼續(xù)下降，這樣注入壓力就產(chǎn)生了波動(dòng)。滲透率越小，乳狀液顆粒越容易產(chǎn)生堆積，且已經(jīng)發(fā)生堆積的乳狀液顆粒越不易被破壞，因此注入壓力波動(dòng)更明顯。每當(dāng)壓力出現(xiàn)波動(dòng)，含水率也發(fā)生波動(dòng)。注入壓力能夠宏觀地反映地層中的阻力，當(dāng)壓力波動(dòng)出現(xiàn)上升時(shí)，意味著阻力增大，注入壓力需要升高以克服此阻力。壓力升高有3種可能：第一，原有的相對高滲的通道被乳狀液顆粒封堵，后續(xù)注入的驅(qū)替劑被迫進(jìn)入到阻力更大的相對低滲的區(qū)域；第二，原有的相對高滲的通道被乳狀液顆粒封堵，后續(xù)注入的驅(qū)替劑需要更高的壓力來破壞封堵；第三，前兩種原因均存在。若是第一種原因或第三種原因，則含水率應(yīng)該表現(xiàn)出下降反應(yīng)；若是第二種原因，則含水率不發(fā)生變化。而觀察圖3(a)不難發(fā)現(xiàn)，壓力上升的時(shí)候往往出現(xiàn)含水率下降，這說明壓力的升高應(yīng)該是第一種原因或第三種原因，無論是哪種原因，均意味著后續(xù)注入的驅(qū)替劑被迫進(jìn)入到相對低滲的區(qū)域，也就是說壓力的升高反映出波及體積的擴(kuò)大。同時(shí)注意到，壓力下降的時(shí)候往往出現(xiàn)含水率上升，這意味著之前被乳狀液顆粒封堵的通道被部分破壞。注入壓力和含水率的波動(dòng)，反映出注入配方1后，配方1與原油相互作用所形成的乳狀液擴(kuò)大了波及體積。

從表4可以看出，在滲透率相當(dāng)?shù)那闆r下，配方1提高采收率的幅度均高于配方2，最多可達(dá)5%左右。這是因?yàn)椴墒章嗜Q于波及體積和波及范圍內(nèi)的洗油效率，乳狀液在運(yùn)移過程中既能夠依靠乳狀液顆粒的堆積來封堵部分大孔道，增大局部阻力效應(yīng)，迫使液流轉(zhuǎn)向，起到調(diào)剖作用，擴(kuò)大波及體積，又能夠?qū)⒖椎乐械脑腿榛?，發(fā)揮乳化攜帶的作用，從而提高微觀洗油效率[13-15]。配方1既擴(kuò)大了波及體積，又提高了洗油效率，因而提高采收率的幅度較配方2更大。

由表4還可以看出，在滲透率相當(dāng)?shù)那闆r下，配方1的殘余阻力系數(shù)高于配方2，且滲透率越小，配方1的殘余阻力系數(shù)越高，配方1與配方2殘余阻力系數(shù)相差越大。這是因?yàn)榕浞?與剩余油形成乳狀液后，乳狀液顆粒堆積并封堵部分大孔道，致使局部阻力增大，且乳狀液顆粒并不能完全被后續(xù)水驅(qū)驅(qū)替出來，因此配方1的殘余阻力系數(shù)較配方2更大；滲透率越小，乳狀液顆粒在孔隙中的運(yùn)移越困難，越不容易通過孔喉，相比高滲條件，乳狀液顆粒在低滲條件下更易滯留在孔隙中，因此低滲條件下的殘余阻力系數(shù)更大，且滲透率越小，配方1和配方2的殘余阻力系數(shù)相差越大。

圖3 不同三元復(fù)合體系的驅(qū)油動(dòng)態(tài)Fig.3 Displacement dynamic of different ASP systems

表4 不同三元復(fù)合體系的驅(qū)油效果Tab.4 Oil displacement effect of different ASP systems

2.4 三元復(fù)合體系微觀洗油效率

在采用光化學(xué)刻蝕技術(shù)制成的微觀模型上開展驅(qū)油實(shí)驗(yàn)，以觀察乳化性能優(yōu)良的復(fù)合體系的乳化作用對洗油效率的影響。由于體系的黏度過高會(huì)導(dǎo)致其無法注入微觀模型，因此必須降低聚合物的濃度。配方3是配方1降低聚合物濃度后的配方，以配方3注入微觀模型，可以保證復(fù)合體系順利注入。

由圖4(a)可知，水驅(qū)后該位置形成了盲端殘余油。圖中紅色箭頭表示來流方向。乳狀液流經(jīng)此地時(shí)，與盲端殘余油相互作用，通過擠壓盲端殘余油的上部和就地乳化部分原油，部分盲端殘余油被剝離形成較大的油珠和較小的乳狀液顆粒，如A所示，隨著源源不斷的乳狀液流經(jīng)該處，之前被剝離下來的較大的油珠被進(jìn)一步分散成較小的油珠，同時(shí)，盲端上部被乳化的殘余油增多，乳狀液顆粒數(shù)目顯著增多，如B所示。乳狀液不斷地?cái)D壓著盲端殘余油的界面，使其變形，進(jìn)而被乳狀液“刮”下來并被乳化形成乳狀液。在乳狀液的作用下，盲端殘余油頂端變平變薄，殘余油被啟動(dòng)，洗油效率得以提高。

由圖4(b)可知，水驅(qū)后該位置形成了簇狀殘余油。圖中紅色箭頭表示來流方向。注入復(fù)合體系后，殘余油與復(fù)合體系相互作用產(chǎn)生的乳狀液運(yùn)移至此，簇狀殘余油的左端被乳狀液擠壓變形，部分殘余油被“刮”下來，再加上三元復(fù)合體系的作用，左端的殘余油不斷被乳狀液刮下來并生成新的乳狀液，新的乳狀液一部分被后續(xù)流體帶走，一部分繼續(xù)滯留在左端與簇狀殘余油發(fā)生相互作用，隨著乳狀液對殘余油的側(cè)向擠壓作用和新的乳狀液的生成，左端的殘余油逐漸變少，原本充滿殘余油的左端被大量產(chǎn)成的乳狀液顆粒占據(jù)，乳狀液向著簇狀殘余油的中部推進(jìn)，不斷向右擠壓殘余油，并與殘余油發(fā)生相互作用，最終導(dǎo)致簇狀殘余油從左往右逐漸都被“刮”下來然后被乳化，當(dāng)右端的殘余油被乳化后，大部分簇狀殘余油被啟動(dòng)，最終只殘留下少部分乳狀液顆粒。在乳狀液的作用下，簇狀殘余油被啟動(dòng)，洗油效率得以提高。

圖4 乳化作用對洗油效率的影響Fig.4 Effect of emulsifying on oil displacement efficiency

3 結(jié) 論

(3)界面張力非超低，但乳化性能優(yōu)良的配方1提高采收率幅度比常規(guī)超低界面張力體系配方2高，且滲透率越高，提高采收率幅度相差越大，最大可達(dá)5%左右，在篩選表面活性劑和體系配方時(shí)，復(fù)合體系的綜合乳化性能也應(yīng)被充分考慮，這不失為一個(gè)新的思路。

(4)配方1的殘余阻力系數(shù)高于配方2，且滲透率越低，配方1的殘余阻力系數(shù)越高，配方1與配方2的殘余阻力系數(shù)相差越大。

(5)復(fù)合體系對原油的乳化作用對提高采收率具有積極意義，三元復(fù)合體系配方1能夠通過乳化作用有效地啟動(dòng)盲端殘余油和簇狀殘余油，發(fā)揮乳化攜帶作用，提高洗油效率。

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