油水乳化能力對油膜驅(qū)替的影響

郭亞兵，岳湘安，閆榮杰，李潤慶，李曉驍

（1.油氣資源與探測國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249；2.石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249；3.中國石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院，北京 102249）

水驅(qū)后油藏中殘余油類型主要有孔喉殘余油滴、油膜、微觀非均質(zhì)殘余油、水動(dòng)力滯留殘余油［1-3］，有效挖掘各類殘余油潛力是提高采收率的關(guān)鍵［3-7］。因黏附力而被吸附在儲層礦物表面的油膜是水驅(qū)后典型的殘余油，具有鋪展面積大、難以啟動(dòng)和驅(qū)替的特點(diǎn)，是提高采收率的潛力所在［8-12］。因此，深入研究驅(qū)油劑對油膜的驅(qū)替效果具有重要意義。

目前，研究人員主要是通過巖心薄片模型［13-14］、玻璃蝕刻模型［15-16］和平板模型［17］來研究驅(qū)油劑對油膜的驅(qū)替特性。巖心薄片模型來源于真實(shí)的巖心，具有接近于真實(shí)多孔介質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，形成的殘余油類型并不是單一的油膜。玻璃刻蝕模型通過刻蝕簡單的孔隙通道，能夠可視化觀察驅(qū)油劑對油膜的驅(qū)替過程，缺點(diǎn)是模型尺寸較小，且飽和油量小，難以量化油膜驅(qū)替效率。平板模型的表面容易處理成親油的，且面積可控，可保證一定的油膜量，從而實(shí)現(xiàn)油膜的量化，缺點(diǎn)是平板模型過于簡單，難以反映出孔隙介質(zhì)中油膜的驅(qū)替特性，且平板間隙中的流動(dòng)易于出現(xiàn)繞流，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。

油水乳化能力是化學(xué)驅(qū)油劑的一個(gè)重要性能，各研究者采用不同的方法和指標(biāo)對其進(jìn)行評價(jià)，如乳化帶透光率［18］、乳化力［19］、最小乳化轉(zhuǎn)速［20］、最低振蕩速率［21］等，但是普遍存在問題，如測試方法實(shí)用性差、表征參數(shù)未能全面反映乳化能力等，亟需建立對這一性能的科學(xué)、實(shí)用的評價(jià)方法。另外，界面張力和乳化效應(yīng)是驅(qū)油劑驅(qū)替油膜的重要機(jī)制［9-12，22］，但是目前有關(guān)驅(qū)油劑的這2 個(gè)主要性能指標(biāo)在油膜驅(qū)替中所起作用的主次關(guān)系研究較少。

針對以上問題，建立一種研究多孔介質(zhì)中油膜驅(qū)替特性的實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝置，該裝置以玻璃棒束模型來模擬孔隙介質(zhì)，確保殘余油以單一油膜形式存在，排除了油滴、微觀非均質(zhì)殘余油等其他類型殘余油的影響，并通過計(jì)量采出液體積量化油膜的驅(qū)替效率。以綜合反映乳化速度和乳化量的乳化系數(shù)表征油水乳化能力。針對低黏原油和中黏原油，篩選出具有不同乳化能力和界面張力的驅(qū)油劑，并進(jìn)行油膜驅(qū)替模擬實(shí)驗(yàn)，研究乳化能力和界面張力對油膜驅(qū)替的影響。

1 油水乳化能力評價(jià)方法

油水乳化能力是指驅(qū)油劑促使乳狀液形成的能力，反映油水乳化的難易程度。

準(zhǔn)確評價(jià)油水乳化能力的方法需要滿足以下要求：①乳化條件精確控制；②反映乳化動(dòng)態(tài)過程；③精確測取最大乳化量；④消除乳狀液重力懸浮、黏壁等問題。

針對以往評價(jià)方法存在的問題，研發(fā)了高溫乳化動(dòng)態(tài)評價(jià)儀THE-Ⅱ（圖1）［23-25］。該評價(jià)儀利用超聲波振動(dòng)實(shí)現(xiàn)油水乳化，可通過調(diào)節(jié)功率和頻率精確地控制乳化條件，保證所有樣品的乳化實(shí)驗(yàn)條件嚴(yán)格統(tǒng)一。利用該評價(jià)儀可實(shí)時(shí)地、準(zhǔn)確地讀取乳化量的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。

定義乳狀液中油量與乳化裝置中總油量之比為乳化油率。在乳化過程中，乳化能力與2 個(gè)特征參數(shù)相關(guān)，一是乳化速度（圖2a 中乳化油率曲線斜率）；二是總?cè)榛土浚▓D2a中乳化油率平衡值Eoe）。對于特定油水體系，測得如圖2a所示的乳化油率動(dòng)態(tài)曲線，乳化過程如圖2b所示。將乳化油率動(dòng)態(tài)曲線與時(shí)間軸（0～20 min）圍成的無因次面積A1和乳化油率最大值（其值為100%）與時(shí)間軸（0～20 min）圍成的無因次面積A2之比定義為乳化系數(shù)［23-25］。顯然，該乳化系數(shù)綜合反映乳化速度和乳化量，其值越大，油水乳化能力越強(qiáng)。

2 驅(qū)油劑的性能指標(biāo)及測定

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

圖2 典型乳化油率動(dòng)態(tài)曲線及乳化過程示意Fig.2 Typical dynamic curve of emulsified oil rate and schematic diagram of emulsification process

實(shí)驗(yàn)用2 種原油的組分及黏度如表1 所示。對比2 種原油影響乳化性能的主要組分，原油A 中蠟含量相對較高，而原油B 中膠質(zhì)含量相對較高。對比2 種原油的黏度可以看出，原油A 黏度較小，為低黏原油；原油B黏度相對較大，為中黏原油。

表1 2種原油的組分及黏度Table1 Composition and viscosity of two kinds of crude oil

實(shí)驗(yàn)用水為去離子水。實(shí)驗(yàn)用表面活性劑包括甜菜堿類表面活性劑、陰離子表面活性劑和調(diào)節(jié)劑的復(fù)配體系，由實(shí)驗(yàn)室配制。

2.2 低黏原油驅(qū)油劑

針對實(shí)驗(yàn)用低黏原油A，根據(jù)驅(qū)油劑的乳化能力和界面張力，篩選出具有不同乳化能力和界面張力的3種驅(qū)油實(shí)驗(yàn)用驅(qū)油劑。應(yīng)用高溫乳化動(dòng)態(tài)評價(jià)儀THE-Ⅱ，測定3種驅(qū)油劑與低黏原油A 的乳化油率，從圖3可以看出，1#和2#驅(qū)油劑的乳化油率明顯高于3#驅(qū)油劑，分別為82.4%和75.2%。依據(jù)乳化油率動(dòng)態(tài)曲線計(jì)算出1#，2#和3#驅(qū)油劑與低黏原油A 的乳化系數(shù)分別為0.706，0.667 和0.244。應(yīng)用界面張力儀JJ-2000B，測定3 種驅(qū)油劑與低黏原油A 的界面張力，從圖4 可以看出，1#，2#和3#驅(qū)油劑與低黏原油A 的平衡界面張力分別為7.5×10-3，8.1×10-2和2.4×10-3mN/m。由測試結(jié)果可知，1#驅(qū)油劑為強(qiáng)乳化能力-超低界面張力體系；2#驅(qū)油劑為強(qiáng)乳化能力-低界面張力體系；3#驅(qū)油劑為弱乳化能力-超低界面張力體系。

圖3 3種驅(qū)油劑與低黏原油A的乳化油率動(dòng)態(tài)曲線Fig.3 Dynamic emulsified oil rate curves of three oil displacement agents and low viscosity oil A

圖4 3種驅(qū)油劑與低黏原油A的界面張力動(dòng)態(tài)曲線Fig.4 Dynamic interfacial tension curves of three oil displacement agents and low viscosity oil A

2.3 中黏原油驅(qū)油劑

針對實(shí)驗(yàn)用中黏原油B，根據(jù)驅(qū)油劑的乳化能力和界面張力，篩選出3 種具有不同乳化能力和界面張力的驅(qū)油實(shí)驗(yàn)用驅(qū)油劑。應(yīng)用高溫乳化動(dòng)態(tài)評價(jià)儀THE-Ⅱ，測定3 種驅(qū)油劑與中黏原油B 的乳化油率，從圖5可以看出，4#和5#驅(qū)油劑的乳化油率明顯高于6#驅(qū)油劑，分別為77.3%和72.2%。依據(jù)乳化油率動(dòng)態(tài)曲線計(jì)算出4#，5#和6#驅(qū)油劑與中黏原油B 的乳化系數(shù)分別為0.602，0.534 和0.258。應(yīng)用界面張力儀JJ-2000B，測定3 種驅(qū)油劑與中黏原油B 的界面張力，從圖6 可以看出，4#，5#和6#驅(qū)油劑與中黏原油B 的平衡界面張力分別為6.4×10-3，2.4×10-2和3.1×10-3mN/m。由測試結(jié)果可知，4#驅(qū)油劑為強(qiáng)乳化能力-超低界面張力體系；5#驅(qū)油劑為強(qiáng)乳化能力-低界面張力體系；6#驅(qū)油劑為弱乳化能力-超低界面張力體系。

圖5 3種驅(qū)油劑與中黏原油B的乳化油率動(dòng)態(tài)曲線Fig.5 Dynamic emulsified oil rate curves of three oil displacement agents and medium viscosity oil B

圖6 3種驅(qū)油劑與中黏原油B的界面張力動(dòng)態(tài)曲線Fig.6 Dynamic interfacial tension curves of three oil displacement agents and medium viscosity oil B

3 油膜驅(qū)替實(shí)驗(yàn)

3.1 玻璃棒束模型

油膜類殘余油形成的主要原因是油藏巖石表面潤濕性為親油性，原油因黏附力被吸附在巖石礦物表面并發(fā)生展布，主要包括連續(xù)油膜和不連續(xù)油膜2 種類型［9］。為模擬該過程，先將玻璃棒束浸泡在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的二甲基二氯硅烷-煤油溶液中48 h以上，將玻璃棒表面處理成親油性；然后用酒精將浸泡過的玻璃棒束清洗3 遍后風(fēng)干備用；最后將風(fēng)干的玻璃棒束浸泡在70 ℃原油中老化72 h以上。將黏附好油膜的玻璃棒束小心裝入外管中，封閉兩端，模型結(jié)構(gòu)如圖7所示。

3.2 油膜驅(qū)替效率測定

將玻璃棒束油膜驅(qū)替裝置連接好后，先水驅(qū)，若水驅(qū)階段無原油采出，則油膜制備合格，否則，重新制備油膜；然后分別用具有不同乳化能力和界面張力的3 種驅(qū)油劑進(jìn)行驅(qū)替，驅(qū)至不出油為止，每隔一段時(shí)間記錄出液情況，并用顯微鏡觀察采出液微觀狀態(tài)。根據(jù)總出油體積計(jì)算油膜驅(qū)替效率。油膜驅(qū)替效率為：

圖7 玻璃棒束模型結(jié)構(gòu)示意Fig.7 Schematic diagram of glass rod bundle model

式中：η為油膜驅(qū)替效率，%；ρo為原油密度，g/cm3；Vo為采出原油體積，mL；m2為黏附油膜后玻璃棒束質(zhì)量，g；m1為黏附油膜前玻璃棒束質(zhì)量，g。

3.3 低黏原油油膜驅(qū)替實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對于低黏原油A，分別以相同的驅(qū)替速度（0.5 mL/min）先水驅(qū)后驅(qū)油劑驅(qū)。從1#，2#和3#驅(qū)油劑驅(qū)替殘余油膜過程中的采出液顯微鏡照片（圖8）可以看出，具有強(qiáng)乳化能力驅(qū)油劑的驅(qū)替過程中，顯微鏡下觀測采出液有明顯乳化現(xiàn)象（圖8a，8b），形成乳液液滴較多；而具有弱乳化能力-超低界面張力的驅(qū)油劑驅(qū)替過程中，顯微鏡下觀測采出液乳化現(xiàn)象不明顯（圖8c），乳液液滴較少。

驅(qū)油劑驅(qū)替結(jié)束后，取出玻璃棒束并觀察其顏色。從圖9可以看出，水驅(qū)結(jié)束時(shí)無原油采出，玻璃棒束顏色為深黃色（圖9a）；具有強(qiáng)乳化能力驅(qū)油劑驅(qū)替結(jié)束后，玻璃棒束顏色由深黃色變?yōu)闇\黃色（圖9b，9c），油膜驅(qū)替效果較好；而具有弱乳化能力-超低界面張力驅(qū)油劑驅(qū)替結(jié)束后，玻璃棒束顏色變化較小，基本仍為深黃色（圖9d），油膜驅(qū)替效果相對較差。

從3種驅(qū)油劑與低黏原油的油膜驅(qū)替效率動(dòng)態(tài)曲線（圖10）可以看出，具有強(qiáng)乳化能力的驅(qū)油劑，不論其界面張力是否達(dá)到超低，其驅(qū)替效率都在90%左右；而弱乳化能力-超低界面張力驅(qū)油劑的驅(qū)替效率不足70%。由此可見，對于低黏原油，只要乳化系數(shù)足夠高就可以高效驅(qū)替殘余油膜；乳化系數(shù)較低，即使界面張力達(dá)到超低，油膜的驅(qū)替效率也較低。

圖8 3種驅(qū)油劑驅(qū)替低黏原油油膜過程中采出液顯微鏡照片F(xiàn)ig.8 Micrographs of produced liquid in low viscosity oil film displacement with three oil displacement agents

圖9 3種驅(qū)油劑驅(qū)替低黏原油油膜結(jié)束時(shí)玻璃棒束照片F(xiàn)ig.9 Photographs of glass rod bundles after low-viscosity oil film displacement with three oil displacement agents

圖10 3種驅(qū)油劑與低黏原油的油膜驅(qū)替效率動(dòng)態(tài)曲線Fig.10 Dynamic displacement efficiency curves of oil film of three oil displacement agents and low viscosity oil

3.4 中黏原油油膜驅(qū)替實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對于中黏原油B，分別以相同的驅(qū)替速度（0.5 mL/min）先水驅(qū)后驅(qū)油劑驅(qū)。從4#，5#和6#驅(qū)油劑驅(qū)替殘余油膜過程中的采出液顯微鏡照片（圖11）可以看出，具有強(qiáng)乳化能力驅(qū)油劑的驅(qū)替過程中，顯微鏡下觀測采出液有明顯乳化現(xiàn)象（圖11a，11b），形成乳液液滴較多；而在具有弱乳化能力-超低界面張力驅(qū)油劑驅(qū)替過程中，顯微鏡下觀測采出液乳化現(xiàn)象不明顯（圖11c），乳液液滴較少。

圖11 3種驅(qū)油劑驅(qū)替中黏原油油膜過程中采出液顯微鏡照片F(xiàn)ig.11 Micrographs of produced liquid in medium-viscosity oil film displacement with three oil displacement agents

驅(qū)油劑驅(qū)替結(jié)束后，取出玻璃棒束并觀察其顏色。從圖12 可以看出，水驅(qū)結(jié)束時(shí)無原油采出，玻璃棒束顏色為深黑色（圖12a）；具有強(qiáng)乳化能力驅(qū)油劑驅(qū)替結(jié)束后，玻璃棒束顏色變?yōu)闇\灰黑色（圖12b，12c），油膜驅(qū)替效果較好；而在具有弱乳化能力-超低界面張力驅(qū)油劑驅(qū)替結(jié)束后，玻璃棒束顏色變化較小，基本仍為深黑色（圖12d），油膜驅(qū)替效果相對較差。

圖12 3種驅(qū)油劑驅(qū)替中黏原油油膜結(jié)束時(shí)玻璃棒束照片F(xiàn)ig.12 Photographs of glass rod bundles after medium viscosity oil film displacement with three oil displacement agents

圖13 3種驅(qū)油劑與中黏原油的油膜驅(qū)替效率動(dòng)態(tài)曲線Fig.13 Dynamic displacement efficiency curves of oil film of three oil displacement agents and medium viscosity oil

從3種驅(qū)油劑與中黏原油的油膜驅(qū)替效率動(dòng)態(tài)曲線（圖13）可以看出，具有強(qiáng)乳化能力的驅(qū)油劑，不論其界面張力是否達(dá)到超低，其驅(qū)替效率都在83%左右；而弱乳化能力-超低界面張力驅(qū)油劑的驅(qū)替效率不足65%。由此可見，對于中黏原油，只要乳化系數(shù)足夠高就可以高效驅(qū)替殘余油膜；乳化系數(shù)較低，即使界面張力達(dá)到超低，油膜的驅(qū)替效率也相對較低。

4 結(jié)論

綜合分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，對于低黏原油A 和中黏原油B，不論其界面張力是否達(dá)到超低，只要乳化系數(shù)大于0.5，油膜驅(qū)替效率就高于80%；乳化系數(shù)較小，即使界面張力達(dá)到超低，對油膜的驅(qū)替效率也不足70%。

在油藏中，驅(qū)油劑與原油的乳化能力是對油膜類殘余油驅(qū)替起決定作用的性能指標(biāo)。

研究認(rèn)識是在玻璃棒束油膜模型基礎(chǔ)上得到的。在油藏多孔介質(zhì)中，油膜的形成和性質(zhì)與玻璃棒束油膜差異較大。下一步工作將以人造巖心為實(shí)驗(yàn)材料，結(jié)合CT 掃描技術(shù)，進(jìn)一步研究多孔介質(zhì)中油膜的形成和驅(qū)替機(jī)理。