低界面張力起泡劑泡沫性能評(píng)價(jià)研究

鄭繼龍，趙 軍

中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452

目前國(guó)內(nèi)外各大油田已經(jīng)進(jìn)入高含水開發(fā)期，原油采收率逐年遞減，但地層依然儲(chǔ)藏著大量的原油難以開采，因此尋找一種合理的三次采油技術(shù)日趨迫切[1]。三次采油的主要研究?jī)?nèi)容就是如何利用新技術(shù)提高原油的采收率，三次采油的研究潛力巨大，我國(guó)大慶油田在無(wú)新探明儲(chǔ)量的情況下，利用三次采油技術(shù)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)5.5×107t/a[2]。

泡沫驅(qū)油在油田的二次采油以及三次采油中運(yùn)用極其廣泛。泡沫具有“堵大不堵小，堵水不堵油”的特點(diǎn)，既能擴(kuò)大低滲透率地層的波及體積，達(dá)到高低滲透率地層同步驅(qū)替的效果，又能很好地控制水油流度比[3-6]。另外，泡沫中含一定濃度的表面活性劑(起泡劑主要成分)溶液，可有效降低油水界面張力和改善巖石孔隙表面潤(rùn)濕性，降低毛管作用力，可提高洗油效率，降低地層殘余油飽和度[7]。因此泡沫驅(qū)很有希望能成為繼聚合物驅(qū)，聚合物/表面活性劑驅(qū)之后的更有效的驅(qū)油方法。

泡沫驅(qū)油的關(guān)鍵在于尋找一種在復(fù)雜的地層環(huán)境中能夠大量起泡對(duì)水層具有有效的封堵作用，同時(shí)具有降低油水界面張力作用的起泡劑。筆者針對(duì)渤海油田岐口地區(qū)BZ28-2s區(qū)塊的特殊情況優(yōu)選出適合該油田的低界面張力型起泡劑。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料與儀器

低界面張力表面活性劑CUDA，AUDB，MNZC，長(zhǎng)江大學(xué)自制；渤海BZ28-2s油田注入水，相關(guān)水質(zhì)資料見表1；實(shí)驗(yàn)用油取自渤海BZ28-2S區(qū)塊產(chǎn)出油，80 ℃下原油黏度為3.89 mPa·s。

表1 BZ28-2S油田注入水離子組成 mg/L

CS505型恒溫水浴鍋，天津科諾儀器設(shè)備有限公司；FB124電子天平，上海上天精密儀器有限公司；TX-500C旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀，上海隆拓儀器設(shè)備有限公司；85-2型恒溫磁力攪拌器，上海司樂儀器有限公司；Teclis泡沫掃描儀，法國(guó)泰克立斯界面有限公司。

1.2 泡沫性能評(píng)價(jià)方法

以渤海油田BZ28-2s區(qū)塊的注入水為溶劑配制60 mL起泡劑溶液，在水浴加熱15 min后，取起泡劑溶液置于泡沫掃描儀泡沫筒，采用氮?dú)夤拇灯鹋莺筮M(jìn)行泡沫性能測(cè)試。按照泡沫綜合指數(shù)[8]來(lái)表征發(fā)泡劑的起泡能力、穩(wěn)泡能力以及泡沫衰減的過程，即用下式表征：

式中：F為泡沫綜合指數(shù)，mL·min；t0為泡沫達(dá)到最大發(fā)泡體積所用時(shí)間，min；t為泡沫的半衰期，min；f(x)為發(fā)泡高度曲線。

當(dāng)F≥5 000 mL·min時(shí)，泡沫流體屬于中等強(qiáng)度泡沫流體；當(dāng)F≥10 000 mL·min時(shí)，泡沫流體屬于高強(qiáng)度泡沫流體。

1.3 油水界面張力的測(cè)定[9]

用電子天平稱取適量表面活性劑樣品，以渤海BZ28-2S區(qū)塊注入水為溶劑，配制一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的表面活性劑溶液。先用恒溫水浴鍋在80 ℃條件下加熱表面活性劑溶液15 min，再用旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀以5 000 r/min測(cè)試表面活性劑溶液與原油間的油水界面張力。

1.4 物理模擬驅(qū)油實(shí)驗(yàn)

1)以0.2 mL/min的速率對(duì)膠結(jié)巖心進(jìn)行水驅(qū)，至含水率達(dá)到95%以上時(shí)暫停實(shí)驗(yàn)，計(jì)算采收率；

2) 采用泡沫發(fā)生器混合氮?dú)馀c起泡劑溶液產(chǎn)生泡沫，向巖心中注入泡沫繼續(xù)進(jìn)行驅(qū)油實(shí)驗(yàn)，直至注入0.3 PV的泡沫后暫停實(shí)驗(yàn)；

3)改用水驅(qū)繼續(xù)進(jìn)行驅(qū)油實(shí)驗(yàn)，至含水率達(dá)到95%后停止實(shí)驗(yàn)，計(jì)算采收率。

實(shí)驗(yàn)所用巖心為膠結(jié)巖心，滲透率為1 244×10-3μm2，孔隙度為25.21%，巖心體積為615 cm3。

2 結(jié)果與討論

2.1 低界面張力起泡劑泡沫性能評(píng)價(jià)及優(yōu)選

泡沫性能直接關(guān)系到起泡劑在地層的封堵效果。目前油田驅(qū)油用表面活性劑工業(yè)品主要有陰離子型、非離子型和兩性型，單獨(dú)或復(fù)配使用，泡沫性能差別很大[10]。考慮到濃度是影響起泡劑活性的重要因素之一，起泡劑具有高效的泡沫特性的同時(shí)也必須具有一定的經(jīng)濟(jì)性，故選擇起泡劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.10%、0.12%、0.14%和0.16%，3種起泡劑的泡沫性能相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1～圖3。

圖1 起泡劑發(fā)泡量隨濃度的變化

圖2 起泡劑半衰期隨濃度的變化

圖3 起泡劑泡沫綜合指數(shù)隨濃度的變化

如圖1所示，隨著起泡劑濃度的升高，3種起泡劑的發(fā)泡量逐漸降低，但始終保持在110 mL以上，同時(shí)3種起泡劑的發(fā)泡量相差不超過12 mL。3種起泡劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一直低于0.2%，說明起泡劑的發(fā)泡性能良好。起泡劑的發(fā)泡量隨其濃度的上升而表現(xiàn)出下降趨勢(shì)，其原因可能是隨著起泡劑濃度的升高，起泡劑分子在泡沫表面的負(fù)載量過高，因此需要提供更加充足的體系能量來(lái)支撐該泡沫體系，58 ℃下的體系能量低于高濃度起泡劑發(fā)泡的最低閥值，泡沫的蒸發(fā)作用弱于重力作用，泡沫體系受力失衡因此起泡劑的發(fā)泡量降低。

如圖2所示，隨著起泡劑濃度的升高，CUDA型起泡劑的半衰期逐漸降低，而AUDB型起泡劑的半衰期逐漸升高，MBZC型起泡劑的半衰期先上升后下降。其原因可能是不同的起泡劑存在不同的cmc值，當(dāng)起泡劑的濃度較低時(shí)，起泡劑分子在氣液界面的吸附量較少且在氣液界面上的排布分散，因而導(dǎo)致起泡劑的起泡性與穩(wěn)泡性較差。隨著起泡劑濃度的提高，起泡劑分子在氣液界面上的密度逐漸升高，起泡劑的起泡性與穩(wěn)泡性隨之上升，起泡劑分子在氣液界面的吸附量增大，穩(wěn)定性增強(qiáng)。但隨著起泡劑濃度達(dá)到cmc值后，起泡劑分子吸附在氣液界面的飽和度達(dá)到極值，當(dāng)繼續(xù)提高溶液中起泡劑的濃度時(shí)，溶液中過剩的起泡劑分子會(huì)自發(fā)形成膠團(tuán)，無(wú)法起到增強(qiáng)起泡劑泡沫性能的作用，與此同時(shí)過飽和的起泡劑分子會(huì)使界面膜上液體的遷移作用減弱，因而液體流失加強(qiáng)，泡沫的穩(wěn)定性減弱[11]。AUDB型起泡劑在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.16%時(shí)，半衰期達(dá)到106 min，穩(wěn)定性極好，超過目前市面上大多數(shù)類型的低界面張力型起泡劑。

如圖3所示，隨著起泡劑濃度的升高，CUDA型起泡劑的泡沫綜合指數(shù)逐漸下降。AUDB型起泡劑的泡沫綜合指數(shù)逐漸升高，且在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.16%時(shí)達(dá)到峰值9 762 mL·min。MBZC型起泡劑的半衰期先上升后下降。泡沫綜合指數(shù)是最直接反映起泡劑泡沫性能的參數(shù)，對(duì)比所選3種起泡劑的泡沫綜合指數(shù)，可以看出AUDB型起泡劑的泡沫強(qiáng)度最高。

2.2 低界面張力起泡劑油水界面活性評(píng)價(jià)及優(yōu)選

起泡劑的油水界面活性對(duì)起泡劑改變地層巖石的潤(rùn)濕性以及洗油效果產(chǎn)生重大影響。起泡劑的油水界面張力越低，表示起泡劑的油水界面活性越好，但過低的油水界面張力也會(huì)增大地面采出原油油水分離的難度，若要采取其他工藝實(shí)現(xiàn)油水分離則會(huì)直接導(dǎo)致后期經(jīng)濟(jì)成本的增加。目前，油水界面張力范圍在5×10-2～1×10-3mN/m時(shí)，起泡劑既具有良好的油水界面活性，也能保證后期采出原油較易實(shí)現(xiàn)油水分離，降低開采成本，因此需要對(duì)3種起泡劑的油水界面活性進(jìn)行擇優(yōu)。3種起泡劑的油水界面張力測(cè)試結(jié)果見圖4。

圖4 起泡劑油水界面張力隨濃度的變化

如圖4所示，隨著起泡劑濃度的升高，3種起泡劑的油水界面張力逐漸降低，且在質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.16%時(shí)油水界面張力降低到最低值，其中AUDB與MBZC型起泡劑的油水界面張力均降低到2×10-2mN/m，達(dá)到低界面張力驅(qū)油的要求。

2.3 低界面張力起泡劑驅(qū)油效果評(píng)價(jià)

綜合考慮3種起泡劑的泡沫性能與油水界面活性，AUDB型起泡劑在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.16%時(shí)的起泡體積達(dá)122 mL，半衰期達(dá)106 min，泡沫綜合指數(shù)達(dá)9 762 mL·min，油水界面張力達(dá)1.37×10-2mN/m，綜合性能超過其他2種起泡劑且完全具備低界面張力驅(qū)油的能力，故選擇AUDB型起泡劑進(jìn)行低界面張力驅(qū)油試驗(yàn)，結(jié)果見表2。

表2 含水率、壓差以及采收率與注入泡沫的關(guān)系

如表2所示，在注入泡沫前，采出液的含水率達(dá)到95.3%，在向膠結(jié)巖心中注入0.3 PV的泡沫流體后，含水率顯著下降到70.5%，注入泡沫流體前后壓差達(dá)0.104 MPa，說明AUDB型起泡劑混合氮?dú)庑纬傻呐菽哂辛己玫姆舛滦Ч?。注入泡沫流體后采收率由42.7%提高至53.1%，采收率明顯提高，說明AUDB型起泡劑具有良好的洗油效果。

3 結(jié)論

1)比較CUDA，AUDB，MBZC 3類低界面張力起泡劑的泡沫性能，在溫度58 ℃，礦化度7 052.3 mg/L下，AUDB型起泡劑在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.16%時(shí)，起泡體積達(dá)122 mL，半衰期達(dá)106 min，泡沫綜合指數(shù)達(dá)9 762 mL·min，泡沫綜合性能較其他2種起泡劑更優(yōu)。

2)比較CUDA，AUDB，MBZC 3類低界面張力起泡劑的油水界面活性，在溫度58 ℃，礦化度7 052.3 mg/L下，起泡劑的油水界面張力隨著起泡劑濃度的提高而降低，且當(dāng)起泡劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.16%時(shí)，AUDB與MBZC 2種起泡劑的油水界面張力低于2×10-2mN/m，具備低界面張力驅(qū)油的能力。

3)AUDB型起泡劑具有良好的封堵能力以及吸油能力，向巖心注入0.3 PV的AUDB型起泡劑后，巖心兩端的壓差達(dá)0.104 MPa，含水率由95.3%顯著下降到70.5%，采收率由42.7%提高至53.1%。