表面活性劑復(fù)配提高超低滲油藏滲吸采收率*

康萬(wàn)利，趙 晗，邵 碩，張向峰，朱彤宇，楊紅斌

（1.非常規(guī)油氣開(kāi)發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國(guó)石油大學(xué)（華東）），山東青島266580；2.中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東青島266580）

由于經(jīng)濟(jì)高效，對(duì)低滲超低滲油藏適用性好的特點(diǎn)，水驅(qū)滲吸采油方法已經(jīng)成為當(dāng)前開(kāi)采致密油藏的常用手段［1］。滲吸作為一種自發(fā)的采油手段，指潤(rùn)濕相自發(fā)進(jìn)入孔隙喉道驅(qū)替非潤(rùn)濕相的過(guò)程，其主要驅(qū)動(dòng)力是毛細(xì)管力。研究表明，只要低滲超低滲油藏進(jìn)行注水開(kāi)發(fā)，就一定時(shí)刻伴隨水驅(qū)滲吸作用［2］。然而，由于巖石潤(rùn)濕性、毛管力等因素，水驅(qū)滲吸過(guò)程采收率較低［3-5］。

提高滲吸采收率的方法之一是采用表面活性劑體系取代水進(jìn)行滲吸采油。針對(duì)低滲油藏表面活性劑滲吸采油機(jī)理的研究較多，如李?lèi)?ài)芬等［6］發(fā)現(xiàn)潤(rùn)濕性、油黏度以及界面張力是影響表面活性劑自發(fā)滲吸的主要因素，而溫度不是影響滲吸的直接因素，它只能通過(guò)改變模擬油的黏度間接改變滲吸采收率。李士奎等［7］發(fā)現(xiàn)加入表面活性劑后，巖心表面析出油滴變小且時(shí)間較水體系提前。王慶國(guó)等［8］認(rèn)為表面活性劑滲吸采油方式能通過(guò)改變潤(rùn)濕性和界面張力增加弱親水致密油藏滲吸采收率及采收速度。Xu 等［9］發(fā)現(xiàn)降低界面張力可以有效提高油濕巖心滲吸采收率，且當(dāng)重力驅(qū)和毛管力驅(qū)實(shí)現(xiàn)協(xié)同時(shí)采收率達(dá)到最大。盡管表面活性劑提高低滲油藏滲吸采收率的研究已經(jīng)取得一些進(jìn)展和認(rèn)識(shí)，針對(duì)超低滲油藏特定表面活性劑體系復(fù)配滲吸采油的相關(guān)機(jī)理還有待探索。針對(duì)超低滲長(zhǎng)慶油田巖心，筆者采用陰離子表面活性劑HABS、非離子表面活性劑APG1214 以及二者復(fù)配體系開(kāi)展?jié)B吸實(shí)驗(yàn)。通過(guò)界面張力、潤(rùn)濕性、乳化的研究及一維巖心實(shí)驗(yàn)，探討了影響滲吸采收率的主要因素，為研究表面活性劑復(fù)配提高超低滲油藏滲吸采收率機(jī)理奠定基礎(chǔ)，同時(shí)為超低滲油藏表面活性劑復(fù)配滲吸采油提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

重烷基苯磺酸鈉（HABS），有效含量50%，西隴科學(xué)有限公司；月桂基葡糖苷（APG1214），分析純，希恩思公司；甲苯，分析純，上海國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；乙醇，純度≥99.7%，上海泰坦科技有限公司；長(zhǎng)慶油田慶三聯(lián)長(zhǎng)6 井原油，密度0.852 g/cm3，黏度2.25 mPa·s（25℃）；模擬地層水，0.5%KCl溶液；長(zhǎng)慶油田天然巖心，直徑2.5 cm，水測(cè)滲透率0.82×10-3μm2，為超低滲巖心。

TX-500C 旋轉(zhuǎn)液滴超低界面張力測(cè)量?jī)x，美國(guó)科諾公司；SL200KS接觸角 ＆ 界面張力測(cè)量?jī)x，上海中晨數(shù)字技術(shù)設(shè)備有限公司；MCR300流變儀，博精儀器股份有限公司；TLAB穩(wěn)定性分析儀，北京朗迪森科技有限公司；索式抽提器，上海壘固儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

（1）滲吸液制備方法。實(shí)驗(yàn)使用的3 種表面活性劑滲吸體系分別是用模擬地層水配制的0.6%HABS 體系、0.6%APG1214 體系及 0.6%的 HABS+APG1214復(fù)配體系（HABS、APG1214質(zhì)量比為3∶7）。

（2）巖心處理方法。采用抽提法清洗巖心。將巖心置入抽提器中，通過(guò)抽提器上下部的虹吸管和蒸汽導(dǎo)管實(shí)現(xiàn)洗油劑的循環(huán)清洗，將巖心中原有流體洗出，直至管內(nèi)洗油劑變得澄清，清洗劑為甲苯和乙醇的混合液。采用抽真空飽和法飽和原油。將巖心浸沒(méi)在原油中，放入抽濾瓶?jī)?nèi)，連接抽濾瓶與真空泵，打開(kāi)真空泵在室溫下飽和，直至沒(méi)有明顯氣泡出現(xiàn)。

（3）界面張力的測(cè)定。在50℃下，將滲吸液注滿測(cè)試管，注入一滴原油，使用旋轉(zhuǎn)液滴超低界面張力儀在6000 r/min的轉(zhuǎn)速下測(cè)定不同濃度滲吸體系與原油之間的界面張力值。

（4）接觸角的測(cè)定。將處理完的巖心薄片與巖心支架一起放入觀察室中，向觀察室內(nèi)注入滲吸液，用曲針頭從巖心底部向巖心注油，通過(guò)停滴法測(cè)量油在滲吸液中與巖心的油相接觸角。

（5）乳化實(shí)驗(yàn)方法。將原油與表面活性劑溶液按體積比2∶8混合，上下震蕩50次后在50℃下用乳狀液穩(wěn)定性分析儀測(cè)定乳狀液的穩(wěn)定性。

（6）自發(fā)滲吸實(shí)驗(yàn)方法。按Amott瓶法［9］，將飽和油后的巖心和滲吸液一同放入Amott 瓶中，在50℃水浴鍋內(nèi)靜置80 h，每隔一段時(shí)間讀取自發(fā)滲吸采出油量。

（7）驅(qū)替實(shí)驗(yàn)方法。將自發(fā)滲吸結(jié)束后的巖心放入驅(qū)替裝置中，按水驅(qū)、滲吸液驅(qū)再水驅(qū)的方式進(jìn)行驅(qū)替，讀取各個(gè)驅(qū)替階段的注入壓力和產(chǎn)液量，計(jì)算采收率。

2 結(jié)果與討論

2.1 界面張力篩選滲吸體系

滲吸液體系界面張力隨濃度的變化見(jiàn)圖1?？梢钥闯觯珹PG1214 體系的界面張力只能達(dá)到10-1mN/m數(shù)量級(jí)，加量為0.4%和0.6%時(shí)的界面張力相對(duì)較低；而HABS 體系和復(fù)配體系的界面張力在加量為0.2%數(shù)0.6%時(shí)均處于10-2mN/m 數(shù)量級(jí)?？紤]實(shí)際應(yīng)用的表面活性劑濃度，選用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%的3種體系進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

圖1 滲吸體系界面張力隨濃度的變化曲線

2.2 表面活性劑及KCl體系的滲吸效果

3 種0.6%表面活性劑體系及0.5% KCl 體系滲吸實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2，其中APG1214 體系滲吸采收率趨于零。在模擬油藏溫度下，復(fù)配體系的滲吸采收率和滲吸速度遠(yuǎn)高于HABS 體系和KCl 體系，APG1214體系滲吸采收率近乎于零，而鹽水體系滲吸采收率雖隨時(shí)間有所增加，但整體數(shù)值較小，可忽略不計(jì)。結(jié)合界面張力測(cè)定結(jié)果可見(jiàn)，由于APG1214 界面張力較大，使得黏滯力等阻力較大，原油無(wú)法啟動(dòng)［12］，因而體系幾乎不進(jìn)行自發(fā)滲吸采油。0.6%HABS 體系與復(fù)配體系的界面張力在一個(gè)數(shù)量級(jí)，但滲吸采收率卻相差很大，說(shuō)明除了界面張力外還有其他因素影響滲吸采收率。

圖2 3種不同滲吸體系在50℃下的滲吸采收率

對(duì)于超低滲油藏，極小的孔喉尺寸使得毛管力成為驅(qū)油過(guò)程中不可忽略的影響因素；而黏附功決定了將油與巖心分離所需要的能量，黏附功越大，將油與巖心分離所需的能量越多，這兩種因素與界面張力都成正比。綜合兩種因素分析，低界面張力可以使油滴形狀發(fā)生改變從而更容易通過(guò)孔喉，也可以通過(guò)影響?zhàn)じ焦κ褂偷胃菀纂x開(kāi)巖心表面，提高洗油效率。然而，低界面張力也會(huì)導(dǎo)致水濕巖心毛管力降低，不利于自發(fā)滲吸。

一般情況下，滲透率較低、孔隙半徑較小的致密巖心中，巖心各個(gè)面產(chǎn)生的滲吸現(xiàn)象均為較明顯的宏觀逆向滲吸［10］。理論分析和實(shí)驗(yàn)研究表明，在逆向滲吸過(guò)程中，低界面張力對(duì)提高滲吸采收率有更好的影響［11］。

2.3 滲吸體系對(duì)巖心潤(rùn)濕性的影響

油在不同表面活性劑體系和KCl溶液中與巖心的油相接觸角見(jiàn)表1。幾種滲吸體系浸泡過(guò)的巖心油相接觸角均出現(xiàn)不同程度的變小。其中，復(fù)配體系使得巖心實(shí)現(xiàn)了由強(qiáng)親水到弱親油的潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)，滲吸后巖心水相接觸角為105.65°；HABS 體系使得巖心潤(rùn)濕性發(fā)生了由強(qiáng)親水到弱親水的轉(zhuǎn)變，滲吸后巖心水相接觸角為68.87°。這兩種體系的滲吸采收率均較高。APG1214 體系和鹽水體系改變潤(rùn)濕性的能力都很小，其滲吸采收率也都很小，基本不能啟動(dòng)原油。這說(shuō)明巖心潤(rùn)濕性的改變可以直接影響滲吸采收率，滲吸后巖心的潤(rùn)濕性為近中性時(shí)，滲吸采收率大幅度提高。這是由于不同直徑的孔道中毛管阻力大小不同，使得滲吸液選擇性地進(jìn)入不同大小的孔喉，波及系數(shù)較低［13］。而中性巖心的接觸角接近90°，使得毛管力變得非常低，滲吸液可以無(wú)差別地進(jìn)入不同大小的孔喉中，提高波及系數(shù)；而在孔喉變徑處，中性潤(rùn)濕也可以使油滴兩端產(chǎn)生的附加阻力趨近于零，使得滲吸液更容易通過(guò)孔喉，提高洗油效率。

表1 滲吸體系不同性質(zhì)對(duì)滲吸采收率的影響

2.4 滲吸體系乳化性能

滲吸體系與原油形成的乳液的穩(wěn)定性隨時(shí)間的變化見(jiàn)圖3。HABS 體系和復(fù)配體系能使原油乳化，而APG1214體系不能形成乳狀液。由圖3可以看出，在相同條件下，復(fù)配體系形成的乳狀液穩(wěn)定性動(dòng)力學(xué)指數(shù)（TSI 值）始終大于HABS 體系，說(shuō)明復(fù)配體系乳狀液更不穩(wěn)定，可以實(shí)現(xiàn)相對(duì)快速的破乳。這是由于復(fù)配體系形成的乳液中，部分非離子表面活性劑插入離子型表面活性劑組成的乳狀液膜內(nèi)，取代了一部分離子型表面活性劑，使得乳液液滴帶電量減小，從而降低了乳液液滴之間的靜電斥力，不利于乳狀液穩(wěn)定［14］。

圖3 表面活性劑與油形成的乳液穩(wěn)定性隨時(shí)間的變化

由于兩體系均不是澄清體系，背散射光圖譜更準(zhǔn)確［15］。背散射光圖譜顯示，復(fù)配體系液面分層速度更快，說(shuō)明其乳液液滴聚并速度更快。而通過(guò)上下震蕩的方式兩體系與油就可以形成乳狀液，說(shuō)明原油在兩體系中容易生成乳液。

APG1214體系和鹽水與油都不能形成乳狀液，滲吸采收率很低；與HABS體系相比，復(fù)配體系與油形成的乳液更容易聚并，而復(fù)配體系滲吸采收率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于HABS體系。這說(shuō)明乳狀液的性質(zhì)是影響滲吸采收率的又一因素。表面活性劑與油容易生成乳液且乳液易聚并時(shí)，滲吸采收率更高，穩(wěn)定的乳狀液反而不利于滲吸采油。這是由于乳液易生成的性質(zhì)使得滲吸過(guò)程中大油滴可以被乳化成小油滴，有利于油滴的攜帶，提高洗油效率；同時(shí)乳液易聚并的性質(zhì)有助于油滴在互相碰撞中形成連續(xù)油相甚至形成油墻，減小滲流阻力的同時(shí)不易產(chǎn)生滯留，提高洗油效率。在過(guò)于穩(wěn)定的乳狀液中，較大的油滴會(huì)堵塞小孔喉，小油滴也可能會(huì)無(wú)序擁堵在孔喉處，導(dǎo)致出現(xiàn)賈敏效應(yīng)，不利于滲吸采油［16］。

為了探究乳狀液在巖心內(nèi)部對(duì)采收率的影響，將滲吸處理后的巖心以0.5 mL/min 的注入速度進(jìn)行水驅(qū)-表面活性劑驅(qū)-后續(xù)水驅(qū)實(shí)驗(yàn)（50℃），得到的以KCl體系水驅(qū)注入壓力為零刻線的注入壓力隨注入量的變化如圖4所示，其中KCl 體系穩(wěn)定注入壓力為0.184 MPa。由圖4可以看出，在表面活性劑驅(qū)階段，HABS 體系是唯一一組出現(xiàn)注入壓力頻繁波動(dòng)上升現(xiàn)象的體系，注入壓力在階段末甚至達(dá)到0.77 MPa。這是由于HABS體系處理后的巖心弱親水，且HABS體系與油形成的乳狀液性質(zhì)較為穩(wěn)定，導(dǎo)致孔喉處油滴易堆積從而產(chǎn)生賈敏效應(yīng)，小油滴累積的壓力造成了整體壓力的升高，而隨著孔喉處液滴的運(yùn)移出現(xiàn)了壓力波動(dòng)。

圖4 滲吸處理后巖心注入壓力隨注入量的變化曲線

復(fù)配體系的壓力增幅很小，相較水驅(qū)只升高了0.1 MPa。這是由于巖心潤(rùn)濕性為中性偏油濕，接近90°的潤(rùn)濕角使得油滴在孔喉處產(chǎn)生的附加阻力很??；而易聚并的乳狀液性質(zhì)有利于小油滴在運(yùn)移過(guò)程中形成油線甚至油墻，降低流動(dòng)阻力；較低的界面張力使得油滴可以迅速啟動(dòng)和變形，減小賈敏效應(yīng)，避免了壓力的波動(dòng)。而APG1214體系較高的界面張力不利于油相的啟動(dòng)和變形，使得體系注入壓力增幅遠(yuǎn)高于復(fù)配體系。由表2可見(jiàn)，復(fù)配體系與HABS體系驅(qū)替采收率分別為42.41%和37.73%，比KCl 體系提高了22.26%和17.58%。而APG1214 體系提高驅(qū)替采收率能力有限，體系驅(qū)替采收率為28.02%，僅比KCl 體系提高了7.87%。結(jié)合乳化結(jié)果分析，形成了乳狀液的HABS 體系和復(fù)配體系驅(qū)替采收率較其他兩種體系高，說(shuō)明乳化有助于驅(qū)替采收率的提高。復(fù)配體系驅(qū)替采收率高于HABS體系，是由于復(fù)配體系處理后的巖心為弱親油巖心，巖心內(nèi)壁會(huì)附著一層油膜，而驅(qū)替過(guò)程中重新黏附在巖心表面的油滴會(huì)并入油膜中，可以被乳液二次攜帶，提高洗油效率；同時(shí)復(fù)配體系與油形成的乳液更容易發(fā)生聚并，從而形成連續(xù)油相甚至油墻，降低滲流阻力，同時(shí)使小油滴不易產(chǎn)生滯留，洗油效率高。

表2 不同體系驅(qū)替巖心采收率結(jié)果

2.5 復(fù)配體系滲吸采收率提高的機(jī)理分析

復(fù)配體系提高超低滲油藏滲吸采收率幅度最大的原因如下：首先，復(fù)配體系的界面張力達(dá)到了10-2mN/m，這是原油啟動(dòng)所需的低界面張力。低界面張力有利于油滴變形流動(dòng)，是自發(fā)滲吸采油的重要條件和有利因素。潤(rùn)濕性的改變是復(fù)配體系提高滲吸采收率的另一個(gè)原因。復(fù)配體系可以將巖心潤(rùn)濕性由強(qiáng)親水轉(zhuǎn)變?yōu)槠行?，接?0°的潤(rùn)濕角會(huì)大大降低毛管力，減小滲流阻力，有利于油滴的運(yùn)移；同時(shí)低毛管力有利于水相滲吸液無(wú)差別進(jìn)入不同大小的孔喉，減少因繞流而產(chǎn)生的殘余油，提高波及系數(shù)。復(fù)配體系提高采收率的另一個(gè)原因是乳化性質(zhì)。復(fù)配體系與油在上下震蕩的弱剪切條件下就可以形成乳液，同時(shí)乳液液滴聚并迅速，使得油滴在孔喉變徑處會(huì)因剪切作用迅速乳化成小油滴以通過(guò)孔喉，而在平穩(wěn)的運(yùn)移中乳液液滴又可以迅速聚并，形成連續(xù)的油相，減小滲流阻力的同時(shí)減少油滴的滯留，從而提高洗油效率。

3 結(jié)論

影響表面活性劑復(fù)配體系提高超低滲油藏滲吸采收率提高的因素為：界面張力、潤(rùn)濕性、乳化性。復(fù)配體系滲吸采收率最大、HABS 體系次之、KCl 體系最小，APG1214 體系幾乎不能進(jìn)行滲吸采油。自發(fā)滲吸采油的發(fā)生需要界面張力達(dá)到10-2mN/m的數(shù)量級(jí)。超低滲巖心潤(rùn)濕性由強(qiáng)水濕轉(zhuǎn)變?yōu)槠行詽?rùn)濕時(shí)，滲吸采收率會(huì)出現(xiàn)大幅度提高。易生成且易聚并的乳狀液能提高超低滲油藏滲吸采收率，乳狀液過(guò)于穩(wěn)定反而不利于滲吸采油。