超低界面張力型與乳化型復合體系驅(qū)替稠油特征對比*

劉義剛，丁名臣，韓玉貴，，王業(yè)飛，苑玉靜，陳五花

（1.中海石油（中國）有限公司天津分公司渤海石油研究院，天津 300452；2.中國石油大學（華東）石油工程學院，山東青島 266580）

隨著稀油油藏逐步進入高含水開采期，稠油油藏的開發(fā)成為保證能源供給的關鍵之一，越發(fā)受到重視。稠油黏度高（＞50 mPa·s），不利的水油流度比導致水驅(qū)開發(fā)效果較差，采收率為5%數(shù)10%［1］。稠油溫敏特征強，熱采能顯著降低稠油黏度，增強其流動性，在稠油開發(fā)中得到成功應用。當前主要的熱采方式有:蒸汽吞吐、蒸汽驅(qū)、重力輔助蒸汽驅(qū)和火燒油層等。盡管如此，由于潛在熱損失的影響，該方法在深層、薄層稠油油藏中的應用受到了限制。此外，消耗大量的燃料來制備蒸汽，有時難以滿足經(jīng)濟性和環(huán)保的要求。

近年來稠油冷采提高采收率逐漸引起關注，化學復合驅(qū)技術是其中一個重要的研究方向。含堿體系（堿/表面活性劑、堿/聚合物等）是當前稠油化學復合驅(qū)研究的重點之一［2-3］，表現(xiàn)出良好的驅(qū)油效果，但其存在嚴重的結(jié)垢問題［4-5］。為了克服這一不足，無堿二元復合驅(qū)（聚合物/表面活性劑）成為重要的替代技術。二元復合驅(qū)在稀油油藏開發(fā)中取得了巨大的成功，其能夠?qū)崿F(xiàn)流度控制-擴大波及體積、降低油水界面張力（IFT）、乳化和潤濕反轉(zhuǎn)等機理的協(xié)同，提高原油采收率。傳統(tǒng)稀油復合驅(qū)過程中，超低IFT往往是體系設計的首要指標，以實現(xiàn)殘余油的高效剝離。而對于稠油復合驅(qū)，部分研究者認為，通過稠油在水中的乳化，降低稠油黏度，改善其流動性，同時通過乳化油滴的賈敏效應，擴大波及體積是提高稠油采收率的關鍵，而非傳統(tǒng)的超低IFT［6-10］。據(jù)此，近年來人們發(fā)展了一類以良好乳化降黏性能為導向的乳化型復合體系。該體系強調(diào)對稠油的乳化降黏，而非傳統(tǒng)的超低IFT 洗油［8-10］。綜上所述，側(cè)重于不同的驅(qū)油機理（超低IFT和乳化降黏），當前形成了兩類稠油復合驅(qū)體系，即，超低IFT型和乳化型復合體系。關于哪一種機理對于復合驅(qū)提高稠油采收率更為關鍵，或者哪一類體系對于稠油開發(fā)更具優(yōu)勢，相關研究略顯欠缺，尚未形成統(tǒng)一的認識。據(jù)此，分別收集了超低IFT 型和乳化型復合體系，開展了IFT、乳化性能和泡沫性能研究，最后通過驅(qū)油實驗對比了兩種體系驅(qū)替稠油特征的差異。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

超低IFT 型和乳化型表面活性劑，均為陰非復配型，使用加量均為3000 mg/L，勝利油田；部分水解聚丙烯酰胺（HPAM），相對分子質(zhì)量2000×104，質(zhì)量濃度為1800 mg/L，北京恒聚化工有限公司；模擬地層水，礦化度6666.0 mg/L，離子組成（單位mg/L）為:Na+2456.5、Mg2++Ca2+128.5、Cl-4034.0、SO42-47.0；某區(qū)塊脫氣稠油，黏度為220.0 mPa·s（60℃），密度為0.96 g/cm3。

TX-500C 型界面張力儀，美國科諾工業(yè)有限公司；Warning Blender攪拌器，美國Waring公司；可視化驅(qū)油裝置，海安石油科研儀器有限公司；SZX7體式顯微鏡，日本奧林巴斯有限公司；均質(zhì)填砂模型，內(nèi)徑2.5 cm，長度30 cm。

1.2 實驗方法

（1）界面張力的測定。按照設定的使用濃度分別配制超低IFT 型和乳化型復合體系，在60℃下利用界面張力儀測試其與目標稠油的界面張力。

（2）乳化性能。將兩種復合體系和原油分別加熱至60℃，取等量5 mL 的稠油和復合體系分別加入試管中，搖勻后觀測油水混合物的析水狀態(tài)，判斷復合體系形成稠油乳液的穩(wěn)定性。將可視化玻璃刻蝕模型飽和稠油后，水驅(qū)至不出油為止，然后分別連續(xù)大量注入兩種復合體系，利用體式顯微鏡觀察多孔介質(zhì)中兩種復合體系對稠油的乳化形態(tài)。

（3）泡沫特征。利用Warning Blender 方法（起泡液體積100 mL，轉(zhuǎn)速6000 r/min，攪拌2 min），考察兩種復合體系的起泡能力和泡沫穩(wěn)定性。

（4）驅(qū)油能力。分別利用兩種不同性能的體系開展復合體系和泡沫體系（交替注入0.3 PV的水和0.3 PV的空氣，單個水或空氣段塞尺寸為0.1 PV）驅(qū)油實驗，根據(jù)采收率增幅確定體系驅(qū)油能力的強弱，進而分析稠油復合驅(qū)的關鍵驅(qū)油機理。

2 結(jié)果與討論

在比較兩種體系驅(qū)油特征之前，首先確定選用的兩種體系是否能滿足超低IFT和良好乳化性能的基本要求。據(jù)此，針對選用的復合體系開展了IFT和乳化性能研究。

2.1 界面張力

兩種復合體系與稠油的IFT隨時間的變化如圖1所示。由圖1可見，兩種復合體系與稠油的IFT符合初始設計要求。超低IFT型復合體系與稠油的穩(wěn)定IFT 為2.6×10-4mN/m，達到了超低水平。乳化型復合體系與稠油的穩(wěn)定IFT 為0.25 mN/m，降低IFT能力顯著弱于超低IFT型體系。超低IFT有利于減小毛管力和原油在巖石壁面的黏附功，顯著提高洗油效率，通常是化學驅(qū)油體系設計的首要指標。按照這一思路，超低IFT 型復合體系應為最佳的化學驅(qū)油體系。但是對于稠油油藏，部分觀點認為乳化降低稠油黏度，以及通過乳化油滴的賈敏效應擴大波及體積更為關鍵［6-10］。即，非超低IFT的乳化型復合體系可能更具潛力。綜上所述，在IFT 測試基礎上，有必要進一步開展兩種體系的乳化及驅(qū)油性能對比研究。

圖1 不同類型復合體系與原油的界面張力

2.2 乳化性能

2.2.1 乳液穩(wěn)定性

通過瓶試法觀測的稠油乳狀液析水率如圖2所示。隨著時間的延長，兩種體系形成稠油乳狀液的析水率均明顯增大，乳狀液逐漸聚并破壞。并且超低IFT 型復合體系形成乳狀液的析水率增幅更大，說明其穩(wěn)定性更差。而乳化型復合體系的乳狀液析水率上升較緩慢，1405 min的析水率僅為60%，而超低IFT 型體系的乳狀液析水率已達96.0%。選用的兩種復合體系對稠油的乳化性能符合研究設計要求。

圖2 不同類型復合體系形成乳液的析水率

此外，超低IFT 型復合體系對稠油乳狀液的穩(wěn)定性較差，說明超低IFT 與體系形成乳狀液的穩(wěn)定性無正相關性。乳狀液的穩(wěn)定性可能更取決于油水界面膜的強度［11-12］，而非IFT 的大小。甚至超低IFT會在一定程度上不利于乳狀液的穩(wěn)定。（1）超低IFT 下，油水界面能低，界面極易擴展，導致油水界面上局部表面活性劑濃度的瞬時降低，以及水化膜厚度的變薄，不利于乳狀液的穩(wěn)定［13］；（2）超低IFT導致的油水界面的極易擴展，增大了乳化油滴碰撞的概率，使乳化油滴粒徑增大，而乳狀液的穩(wěn)定性又反比于其粒徑大?。?4］；（3）能形成超低IFT，說明表面活性劑達到了較好的親水親油平衡，其更傾向于在水平的油水界面鋪展，而不是像乳狀液一樣的彎曲界面［13，15］。

2.2.2 多孔介質(zhì)中的稠油乳化特征

通過可視化模型中的復合體系驅(qū)油實驗，比較了兩種體系在多孔介質(zhì)中對稠油的乳化特征（見圖3）。在圖3（a）超低IFT 型復合體系驅(qū)油過程中，基本沒有形成稠油的乳化油滴。超低IFT導致油水界面極易擴展，稠油更傾向于以油絲或者條帶的方式運移。即使能瞬時形成少量的乳化油滴，由于穩(wěn)定性較差，也會發(fā)生快速的聚并形成條帶狀。而在圖3（b）乳化型復合體系驅(qū)油中明顯觀察到了孤立的乳化油滴，說明在孔喉的卡斷以及流動過程中的剪切作用下，形成了水包油型乳狀液。結(jié)合兩種體系IFT 和形成乳狀液穩(wěn)定性的差異發(fā)現(xiàn)，多孔介質(zhì)中稠油的乳化主要受體系形成乳狀液穩(wěn)定性的控制，而非超低IFT；試瓶中能形成穩(wěn)定稠油乳狀液的體系，在多孔介質(zhì)中亦能更好的乳化稠油。

圖3 不同類型復合體系在多孔介質(zhì)中對稠油的乳化特征

2.3 泡沫特征

大量的稠油化學驅(qū)研究認為，擴大波及體積對稠油提高采收率至關重要［3，6-10］。據(jù)此，考慮通過泡沫來增強復合體系的擴大波及體積能力，使表面活性劑更充分的發(fā)揮超低IFT 和乳化驅(qū)油能力。首先，利用Warning Blender方法考察了兩種具有不同IFT 和乳化性能復合體系的起泡能力和泡沫穩(wěn)定性。Warning攪拌器中，轉(zhuǎn)速6000 r/min條件下攪拌2 min，100 mL 超低IFT 復合體系的起泡體積為200 mL，而乳化型復合體系的起泡體積為360 mL。泡沫穩(wěn)定性方面，前者形成泡沫的析液半衰期和泡沫半衰期分別為0.1 min 和5.0 min；后者形成泡沫的析液半衰期和泡沫半衰期分別為5.0 min 和60.0 min。泡沫性能評價表明，超低IFT型復合體系的起泡能力和泡沫穩(wěn)定性均顯著弱于乳化型復合體系。這一方面說明，超低IFT 與復合體系的起泡能力、泡沫穩(wěn)定性無正相關性；另一方面，具有良好的穩(wěn)定油水界面能力的乳化型復合體系同樣能較好地穩(wěn)定氣水界面，形成更為穩(wěn)定的泡沫。

2.4 采收率特征

通過IFT、乳化性能及泡沫性能研究發(fā)現(xiàn)，兩種復合體系性能顯著差異:超低IFT 型復合體系具有超低油水IFT、較弱的乳化稠油和泡沫性能；而乳化型復合體系難以將油水IFT 降低到超低水平，但是具有良好的乳化稠油和泡沫性能。為了進一步確定這一差異對復合體系驅(qū)替稠油的影響，開展了復合體系和泡沫驅(qū)油實驗。此外，值得注意的是，由于稠油黏度高，黏性指進是導致其波及體積減小的關鍵因素之一。因此，稠油化學驅(qū)首先要求體系能抑制較強的黏性指進，進而擴大波及體積，提高稠油采收率。據(jù)此，借鑒已有方法［2，7-8］，研究涉及驅(qū)替實驗主要在均質(zhì)填砂模型中開展。

2.4.1 復合驅(qū)

兩種復合體系驅(qū)替稠油的采收率及注入壓力如圖4所示。在水驅(qū)采收率相近的條件下（見表1），超低IFT型復合體系可在水驅(qū)基礎上提高稠油采收率25.6%，乳化型復合體系可提高25.0%。盡管兩種體系的IFT 和乳化性能存在顯著的差異，兩者驅(qū)替稠油采收率增幅相近。為了進一步驗證實驗結(jié)果的可靠性，增大復合體系用量至0.5 PV，兩種體系驅(qū)替稠油采收率分別增至30.7%和32.7%，仍相差較?。ㄒ妶D5）。從注入壓力看，超低IFT型復合體系驅(qū)替壓力均略高于乳化型復合體系，間接表明后者能通過水包油型乳狀液的形成，增強稠油流動性，減小流動壓力［8-10］。

圖4 0.3 PV不同類型復合體系驅(qū)替稠油的采收率和注入壓力

超低IFT型復合體系與乳化型復合體系驅(qū)替稠油采收率增幅相差較小，可能是由于復合體系擴大波及體積能力不足，難以使體系的超低IFT 和乳化能力充分發(fā)揮作用造成的。為了驗證這一推斷，在復合體系基礎上，采用水氣交替注入的方式開展了泡沫體系驅(qū)油，以增強體系擴大波及體積能力。

表1 不同類型復合體系驅(qū)油實驗參數(shù)及采收率結(jié)果

圖5 0.5 PV不同類型復合體系驅(qū)替稠油的采收率和注入壓力

2.4.2 泡沫驅(qū)

超低IFT型泡沫與乳化型泡沫驅(qū)替稠油的采收率和注入壓力如圖6 所示。泡沫驅(qū)過程中，注入壓力明顯高于復合體系注入壓力（見圖6和圖4），表明體系剖面控制能力增強。并且超低IFT型泡沫注入壓力仍高于乳化型泡沫，說明乳化型體系發(fā)揮了對稠油的乳化降黏作用［8-10］，導致其注入壓力相對低于前者。采收率特征方面，在氣泡輔助下，體系的剖面控制和擴大波及體積能力增強，化學驅(qū)采收率增幅顯著增大，分別為38.3%和28.9%，高于單純復合驅(qū)的25.6%和25.0%。更為關鍵的是，盡管超低IFT 體系的泡沫性能和乳化性能均較乳化型體系弱，但前者的采收率增幅為38.3%，顯著高于后者的28.9%，這說明:（1）在體系擴大波及體積能力良好的條件下，超低IFT 洗油機理比稠油的乳化降黏機理更為關鍵；（2）超低IFT型泡沫驅(qū)是目前條件下提高稠油采收率的最佳方式，在化學劑用量僅為0.3 PV的條件下，其提高采收率幅度（38.3%）遠高于單純復合驅(qū)化學劑用量0.5 PV的條件（30.7%）。泡沫驅(qū)比增大復合驅(qū)體系段塞尺寸更能提高稠油采收率，單一復合體系驅(qū)替稠油存在化學藥劑的潛在浪費。

圖6 不同類型泡沫體系驅(qū)替稠油的采收率和注入壓力

3 結(jié)論

超低IFT型復合體系的乳化性能和泡沫性能相對較差，說明超低IFT與稠油乳狀液的穩(wěn)定性、復合體系起泡能力和泡沫穩(wěn)定性無明顯的正相關性；乳化型復合體系難以將IFT 降至超低，但其形成的稠油乳狀液更穩(wěn)定，起泡能力和泡沫穩(wěn)定性也優(yōu)于前者。復合驅(qū)過程中，由于體系擴大波及體積能力較弱，超低IFT 型復合體系和乳化型復合體系提高稠油采收率幅度相差較小。超低IFT型泡沫驅(qū)顯著優(yōu)于乳化型泡沫驅(qū)，表明在體系擴大波及體積能力良好的條件下，超低IFT 洗油機理比乳化降黏機理更為關鍵。泡沫驅(qū)比大段塞復合驅(qū)更能提高稠油化學驅(qū)采收率。超低IFT型泡沫驅(qū)是提高稠油采收率的最佳方式，單一復合體系驅(qū)替稠油存在化學藥劑的潛在浪費。