中高礦化度聚表劑乳化性能及穩(wěn)定乳狀液驅(qū)油機(jī)理

王貴江，張 杰，苑光宇，劉哲宇

(1.中國石油集團(tuán)安全環(huán)保技術(shù)研究院有限公司，北京 102206；2.中國石油大港油田分公司，天津 300280；3.油氣資源與探測國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249；4.中國石油大學(xué)(北京)，北京 102249)

0 引 言

中國化學(xué)驅(qū)油技術(shù)經(jīng)過多年的研究與應(yīng)用，已較為成熟，取得了良好的開發(fā)效果，是“雙高期”中高滲油藏提高采收率的重要技術(shù)手段[1]。但目前中國多個油田的聚合物驅(qū)和復(fù)合驅(qū)實(shí)施完成后，仍有接近50%的原油殘留地下，聚合物驅(qū)、復(fù)合驅(qū)后如何進(jìn)一步提高采收率，是目前行業(yè)關(guān)注的問題[2]。聚表劑驅(qū)技術(shù)近年來研究與應(yīng)用較多，有望成為聚合物驅(qū)后一項(xiàng)潛力接替技術(shù)[3]。

聚表劑是一種新型單組分的化學(xué)驅(qū)油劑，是具有表面活性的功能型聚合物。研究表明，聚表劑分子中含有多種功能性單體，如酰胺基、硅氧烷和復(fù)合醚基等[4]，同時具有表面活性劑和聚合物的優(yōu)勢，能克服聚合物、表面活性劑二元體系的色譜分離等缺點(diǎn)，已在礦場成功應(yīng)用。

聚表劑性能評價，中國已開展了較多相關(guān)研究，包括聚表劑的增黏性[5]、流變性[6-7]、抗鹽性能[8]、流動特性[9-10]、熱穩(wěn)定性[11]等，關(guān)于乳化性能，相關(guān)研究[12-13]不夠全面深入；聚表劑的驅(qū)油機(jī)理雖有報(bào)道[14]，但對于聚表劑乳化在驅(qū)油中的作用尚無文獻(xiàn)述及；穩(wěn)定的乳狀液具有良好的驅(qū)油能力，其可在多孔介質(zhì)內(nèi)部依靠賈敏效應(yīng)對大孔隙實(shí)施有效封堵，從而提高波及體積，但鮮有學(xué)者研究過穩(wěn)定乳狀液的微觀驅(qū)油機(jī)理。因此，借助微流控系統(tǒng)，通過向微觀模型中注入穩(wěn)定DG乳狀液，來研究其微觀驅(qū)油機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)用水為大港某區(qū)塊模擬地層水，水質(zhì)類型為CaCl2型，總礦化度為6 150 mg/L。實(shí)驗(yàn)用油為大港某區(qū)塊現(xiàn)場脫水原油，50 ℃時地面脫氣原油黏度為52 mPa·s。實(shí)驗(yàn)藥品包括HD-I、HD-II、HB-BI、DG聚表劑。其中，HD-I、HB-BI和DG均為調(diào)驅(qū)型聚表劑，HD-II為驅(qū)洗型聚表劑。實(shí)驗(yàn)儀器包括體式顯微鏡、高速乳化設(shè)備、恒溫水浴箱、量筒以及燒杯。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 乳狀液的制備

乳狀液制備的主要步驟：①用清水配制5 000 mg/L聚表劑母液，再用污水稀釋成1 000 mg/L的目的溶液；②將化學(xué)劑溶液及脫水原油置于50 ℃干燥箱保持2 h，燒杯和具塞量筒事先預(yù)熱，并恒溫50 ℃?zhèn)溆?，再按一定油水比量取聚表劑溶液與脫水原油；③按照預(yù)先設(shè)定的比例將脫水原油與聚表劑溶液置于燒杯內(nèi)，燒杯放置于恒溫水浴箱中，將高速乳化設(shè)備轉(zhuǎn)子置于燒杯內(nèi)部，浸沒至液體2/3處，轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，高速攪拌約5 min ，制得均勻乳狀液體系；④將上述制得的乳狀液體系放置于恒溫箱中，觀察不同時間節(jié)點(diǎn)時乳狀液的析液情況。

1.2.2 乳狀液類型判別

乳狀液的類型可用稀釋法(分散法)[17]、染色法[18]、電導(dǎo)法[19]和顯微鏡觀察等方法確定，實(shí)驗(yàn)運(yùn)用分散法和顯微鏡法進(jìn)行分析。分散法即以“水”或“油”對乳狀液進(jìn)行分散實(shí)驗(yàn)，若乳狀液能被水分散，則為O/W型乳狀液；若乳狀液能被油分散，則為W/O型乳狀液。顯微鏡法是利用原油和水透光性的差別，確定乳狀液內(nèi)相介質(zhì)的類型，若內(nèi)相為油，則為O/W型乳狀液，內(nèi)相為水，則為W/O型乳狀液。

1.2.3 乳狀液粒徑測試

采用體式顯微鏡觀察乳狀液的微觀圖片，并用軟件統(tǒng)計(jì)分析液滴大小分布。

1.2.4 乳狀液微觀驅(qū)油實(shí)驗(yàn)

微觀模型難以產(chǎn)生大量的穩(wěn)定乳狀液，很難觀察到聚表劑乳狀液的驅(qū)油過程。通過將DG聚表劑注入到多孔介質(zhì)中制得穩(wěn)定乳狀液。微觀模型飽和油并水驅(qū)后，將穩(wěn)定乳狀液注入到微觀模型中，觀察乳狀液的微觀驅(qū)油機(jī)理。

2 結(jié)果與討論

2.1 乳狀液穩(wěn)定性影響因素分析

2.1.1 析水率變化

在聚表劑濃度為1 000 mg/L，油水比為4∶6、3∶7、6∶4、5∶5時，不同體系形成的乳狀液析水率隨時間變化規(guī)律見圖1。

由圖1可知：4種聚表劑隨時間的延長，析水率均逐漸增加，這是由于界面膜的穩(wěn)定性隨時間的變化而減弱，當(dāng)界面膜的穩(wěn)定性不足以支撐包裹乳液內(nèi)相時，乳狀液發(fā)生破乳，導(dǎo)致析水率逐漸增加；隨著油水比的增加，HD-Ⅰ型、HD-Ⅱ型、HB-BⅠ型聚表劑析水率逐漸減小，而DG聚表劑析水率逐漸增加；HD-Ⅱ型聚表劑析水率上升最快，10 d后穩(wěn)定，析水率為4種聚表劑中最大，穩(wěn)定性最差，而DG聚表劑和HD-Ⅰ型聚表劑在初期析水率為0，10 d后才緩慢上升，30 d析水率仍未超過10%，乳化性能及穩(wěn)定性最好。乳化性能及穩(wěn)定性由強(qiáng)到弱依次為：DG聚表劑、HD-Ⅰ型、HB-BⅠ型、HD-Ⅱ型。

圖1 4種聚表劑乳狀液的析水率隨時間變化

2.1.2 乳狀液類型

表1為乳狀液類型鑒別結(jié)果。由表1可知，HB-BI型、HD-I型、HD-II型與DG聚表劑在濃度為1 000 mg/L，油水比為3∶7、4∶6、5∶5、6∶4時，形成的乳狀液均為O/W型乳狀液。

表1 乳狀液類型鑒別結(jié)果

2.1.3 乳狀液粒徑

圖2為4種聚表劑乳狀液粒徑中值(聚表劑濃度為1 000 mg/L)。由圖2可知：4種聚表劑粒徑中值變化具有類似的規(guī)律，隨著油水比的增加乳狀液粒徑中值均逐漸減小。其中，HB-BⅠ型聚表劑乳狀液粒徑中值最小，且中值降低幅度最小，說明油水比對HB-BⅠ型聚表劑乳狀液顆粒影響較?。欢鳫D-Ⅱ型聚表劑乳狀液粒徑中值最大，均在70 μm以上，結(jié)合文中乳狀液穩(wěn)定性的分析結(jié)果，HD-Ⅱ型聚表劑乳狀液穩(wěn)定性最差，說明乳狀液粒徑與穩(wěn)定性有一定對應(yīng)關(guān)系，乳狀液粒徑越小、分布越均勻，乳狀液越穩(wěn)定[20]，反之則不穩(wěn)定；而HB-BⅠ型聚表劑粒徑比HD-Ⅰ型和DG聚表劑都小，但穩(wěn)定性卻比兩者差，說明粒徑對乳狀液穩(wěn)定性有影響，但同時也受聚表劑類型和性能等其他因素制約。

圖2 4種聚表劑乳狀液粒徑中值

2.2 黏度對乳狀液穩(wěn)定性的影響

為考察黏度對聚表劑乳狀液穩(wěn)定性的影響，選取DG聚表劑剪切后制備乳狀液，測試析水率隨時間的變化(圖3)。對比圖3和圖1d可知，相同時間內(nèi)剪切后形成乳狀液的析水情況明顯快于剪切前形成乳液的析水情況，剪切后從第2 d開始逐漸析水，30 d析水率為10%～20%，而剪切前在10 d以內(nèi)時均未析水，之后逐漸析水，30 d析水率仍不到10%。說明聚表劑經(jīng)剪切后黏度大幅下降，乳化穩(wěn)定性隨之下降。分析原因：一是乳狀液均為O/W型乳狀液，聚表劑溶液為連續(xù)相，聚表劑溶液經(jīng)剪切后黏度下降，導(dǎo)致懸浮油滴的能力降低，使油滴易運(yùn)移碰撞，破裂或聚并的幾率增加；二是聚表劑黏度下降后，乳狀液界面膜的強(qiáng)度降低，使乳狀液滴易于破裂析水。剪切后聚表劑乳狀液30 d后析水率為10%～20%，但仍小于HB-BⅠ型聚表劑乳狀液和HD-Ⅱ型聚表劑乳狀液，說明黏度對聚表劑乳狀液的穩(wěn)定性有較大影響，但影響最大的因素還是聚表劑本身的乳化性能。

圖3 剪切后聚表劑乳狀液析水曲線

2.3 濃度對乳狀液穩(wěn)定性的影響

為了考察聚表劑濃度對乳狀液穩(wěn)定性的影響，選取HB-BⅠ型聚表劑制備乳狀液，測試析水率隨時間變化規(guī)律(圖4)。由圖4可知，在相同油水比時，隨著濃度的升高析水率逐漸降低，乳狀液越穩(wěn)定。因?yàn)闈舛仍礁?，聚表劑溶液?nèi)形成膠束的數(shù)量越多，從而導(dǎo)致乳狀液界面膜強(qiáng)度增加，乳液穩(wěn)定性增強(qiáng)，2種油水比條件下均具有相似的規(guī)律。在相同濃度時，隨著油水比的增加，析水率逐漸減小。

進(jìn)一步分析了相同聚表劑溶液用量的情況下(濃度與油水比均不同)乳狀液的穩(wěn)定性(圖5)。由圖5可知，濃度為0.15%、油水比為6∶4條件下的乳狀液析水率遠(yuǎn)低于濃度為0.10%、油水比為4∶6條件下的乳狀液析水率，說明乳狀液穩(wěn)定性與聚表劑溶液的用量并無直接關(guān)系，而是與油水比和聚表劑濃度相關(guān)。分析可知，聚表劑濃度、油水比均與析水率呈負(fù)相關(guān)(與乳狀液穩(wěn)定性呈正相關(guān))，兩者均可提高乳狀液的穩(wěn)定性，因?yàn)榫郾韯┯退?、濃度越大，界面活性物質(zhì)越多，聚表劑對油滴的捕集能力越強(qiáng)，形成的乳狀液越穩(wěn)定；反之，則會減弱乳狀液的穩(wěn)定性。低油水比對乳狀液穩(wěn)定性不利，較高的聚表劑濃度彌補(bǔ)了不足，使兩者析水率差別很小，穩(wěn)定性接近，因此，對該類聚表劑，油水比越小，越應(yīng)提高聚表劑濃度，才能保證乳化性能及穩(wěn)定性。

圖4 不同濃度聚表劑乳狀液析水率隨時間變化

3 聚表劑乳狀液微觀驅(qū)油機(jī)理

3.1 對殘余油的乳化攜帶作用

穩(wěn)定乳狀液通過巖心孔隙時，如果孔隙或喉道直徑與乳狀液粒徑相當(dāng)或較小時，油滴在驅(qū)替力的作用下繼續(xù)沿著孔道向前移動或變形通過孔喉，當(dāng)乳狀液滴在孔道中與殘余油接觸時，打破了原有的油水界面膜，內(nèi)相與殘余油互溶，導(dǎo)致原來難以驅(qū)替的殘余油變得可流動。后續(xù)的乳狀液滴以同樣的作用，通過互溶攜帶將原來難以啟動的殘余油連續(xù)不斷的驅(qū)替出來。

3.2 封堵后液流轉(zhuǎn)向作用

穩(wěn)定乳狀液在巖心中流動，在滲流速度較小時，遇到細(xì)小孔喉或在大孔隙的轉(zhuǎn)角處，由于吸附作用，前緣的乳狀液滴滲流速度會降低甚至停止，后續(xù)乳狀液捕捉聚集形成堵塞，起到封堵作用；驅(qū)替壓力不足以沖開聚集的乳狀液滴時，后續(xù)的乳狀液或者流體會進(jìn)入到并行的另一孔隙或喉道中，將其中的殘余油驅(qū)替出來，即乳狀液的聚集產(chǎn)生了封堵作用，導(dǎo)致液流轉(zhuǎn)向驅(qū)替殘余油。

3.3 乳狀液渦流旋轉(zhuǎn)刮油作用

聚表劑乳狀液與原油界面張力較低時，大油滴接觸前緣在后續(xù)注入穩(wěn)定聚表劑乳狀液剪切力的作用下，被剝離成小油滴，小油滴隨油膜運(yùn)移。在渦流旋轉(zhuǎn)不斷剪切作用下，厚油團(tuán)逐漸變薄變小，同時乳狀液滴渦流旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的推動力將變小的油團(tuán)沿著孔隙推動，最終以膜狀流態(tài)運(yùn)移而出。渦流旋轉(zhuǎn)切削作用一般出現(xiàn)在高分子聚合物驅(qū)油實(shí)驗(yàn)中，與聚合物驅(qū)相比，聚表劑驅(qū)替過程中該作用更明顯。

4 實(shí)踐指導(dǎo)

聚表劑作為一種新型驅(qū)替劑，同時具有聚合物與表面活性劑的優(yōu)點(diǎn)，但其乳化能力與表面活性劑又有所差異，導(dǎo)致現(xiàn)場應(yīng)用聚表劑時很難借鑒表面活性劑的使用方法。通過對不同類型聚表劑的乳化規(guī)律及乳化驅(qū)油機(jī)理進(jìn)行系統(tǒng)研究，明確了不同類型聚表劑的乳化特點(diǎn)與驅(qū)油機(jī)理，可為油田現(xiàn)場聚表劑的評價、篩選與應(yīng)用提供一定的理論指導(dǎo)。

5 結(jié) 論

(1) 油水比、聚表劑黏度和濃度均會對聚表劑乳化性能產(chǎn)生影響，油水比越大，乳狀液粒徑越小，聚表劑黏度、濃度越大，乳狀液穩(wěn)定性越強(qiáng)，4種聚表劑均易于形成O/W型乳狀液。

(2) 聚表劑形成的乳狀液可通過乳化攜帶作用、乳化封堵液流轉(zhuǎn)向作用及旋流刮削作用驅(qū)替殘余油，聚表劑的乳化性能對驅(qū)油效果有重要貢獻(xiàn)，是聚表劑驅(qū)油的重要機(jī)理之一。

(3) 該項(xiàng)研究明確了不同類型聚表劑的乳化特點(diǎn)與驅(qū)油機(jī)理，可為油田現(xiàn)場聚表劑的評價、篩選與應(yīng)用提供一定的理論指導(dǎo)。