化學(xué)體系乳化性能和界面活性對滲流特征影響差異*

汪士凱，施雷庭，葉仲斌，袁晨陽，張 虎，譚 林

（1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（西南石油大學(xué)），四川成都 610500；2.西南油氣田分公司重慶天然氣凈化總廠，重慶 401220）

0 前言

油田開發(fā)中，化學(xué)驅(qū)已成為大幅度提高采收率的重要手段。其中，化學(xué)體系的界面活性和乳化性能均對提高采收率具有重要作用［1］，而兩者的驅(qū)油機(jī)理存在一定差異［2—3］。岳湘安［4—9］等研究發(fā)現(xiàn)：油水界面張力與乳化效果之間沒有明顯的一致性，體系的界面張力越低則越容易形成乳狀液，但是界面膜的強(qiáng)度也隨之減弱，乳狀液的穩(wěn)定性下降。同時(shí)，部分學(xué)者亦通過驅(qū)替實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，并非界面張力越低驅(qū)替效果越好。因此，若能確定界面活性和乳化性能各自發(fā)揮優(yōu)勢的最佳作用條件，則可有針對性地利用兩種作用達(dá)到更好的驅(qū)油效果。

本文著眼于基本的流動(dòng)現(xiàn)象，測定了兩種具有不同界面活性和乳化性能的化學(xué)復(fù)合體系的相對滲透率曲線，開展了微觀驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，擬從滲流特征方面對比分析體系的界面活性與乳化性能在驅(qū)替過程中提高采收率所發(fā)揮的各自優(yōu)勢作用。通過對比分析兩種體系的相對滲透率曲線差異以及微觀流動(dòng)特征，分析界面活性和乳化性能對滲流特征影響差異，從而為最大化利用兩種性能優(yōu)勢達(dá)到最佳驅(qū)油效果提供驅(qū)替劑優(yōu)選方案。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

聚合物3640C，相對分子質(zhì)量2800×104，固含量89.16%，水解度25%～30%，法國SNF 公司；復(fù)合型表面活性劑HDS，由α-烯烴磺酸鹽與APG等表面活性劑按比例復(fù)配而成，有效物含量30%，華鼎鴻基公司。實(shí)驗(yàn)用油為模擬油，由JZ9-3 油田脫水脫氣原油與柴油混合而成，黏度17 mPa·s（常溫、7.34 s-1）。實(shí)驗(yàn)用水為模擬JZ 油田注入水，礦化度2657.4 mg/L，主要離子質(zhì)量濃度（單位mg/L）：K++Na+898.1、Mg2+6.46、Ca2+11.71、Cl-818.74、12.76、797.76、111.86。實(shí)驗(yàn)用巖心為人造均質(zhì)砂巖巖心，尺寸4.5 cm×4.5 cm×30 cm，滲透率約2.5 μm2。

物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置，江蘇海安石油科研廠；微觀驅(qū)替實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)驗(yàn)室自制。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 驅(qū)油體系配制

按配方1200 mg/L 3640C+0.2% HDS+20 mg/L Al3+溶液配制乳化性能較強(qiáng)而界面活性較弱的復(fù)合體系，該體系的黏度為40.2 mPa·s（常溫、7.34 s-1），油水界面張力為3.1×10-2mN/m，按油水比1∶2配制的乳液經(jīng)攪拌靜置1 h后的析水率為12%。

按配方1200 mg/L 3640C+0.2%HDS配制乳化性能較弱而界面活性較強(qiáng)的復(fù)合體系，體系黏度41.3 mPa·s（常溫、7.34 s-1），油水界面張力為5.7×10-3mN/m，按油水比1∶2 配制的乳液經(jīng)攪拌靜置1 h 后的析水率為75%。

1.2.2 相對滲透率曲線測定

采用界面活性和乳化性能存在明顯差異的兩種化學(xué)復(fù)合體系，按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 28912—2012《巖石中兩相流體相對滲透率測定方法》，利用非穩(wěn)態(tài)法測定相對滲透率曲線。具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：（1）巖心氣測滲透率，抽真空飽和水，測定孔隙度；（2）水測滲透率；（3）巖心飽和油，以漸變流速法分別以0.1、0.5、1 mL/min 的流速逐次飽和油，測定束縛水飽和度和束縛水飽和度條件下的油相滲透率；（4）以1 mL/min 的流速進(jìn)行化學(xué)復(fù)合體系驅(qū)油，采用“J.B.N”方法進(jìn)行相對滲透率曲線的計(jì)算。

1.2.3 微觀驅(qū)替實(shí)驗(yàn)

利用刻蝕玻璃模型來模擬地層中的孔隙空間并進(jìn)行驅(qū)替實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程中用圖像采集系統(tǒng)，通過自動(dòng)拍照攝像將驅(qū)替過程保存，然后對圖像分析處理。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同體系相對滲透率曲線特征對比

將乳化性能較弱而界面活性較強(qiáng)的體系定義為強(qiáng)界面體系，將乳化性能較強(qiáng)而界面活性較弱的體系定義為強(qiáng)乳化體系。兩種體系的相對滲透率曲線對比如圖1 所示。從圖1 可以看出，強(qiáng)界面體系的油相和水相的相對滲透率均大于強(qiáng)乳化體系。強(qiáng)界面體系等滲點(diǎn)對應(yīng)的含水飽和度（Sw）稍大于強(qiáng)乳化體系的，同時(shí)強(qiáng)界面體系的殘余油飽和度比強(qiáng)乳化體系的低4.4%。分析認(rèn)為強(qiáng)界面體系因其具有較強(qiáng)的界面活性，能夠降低油水界面張力，增大流體的流動(dòng)能力，油滴在通過巖心微小喉道時(shí)更易于變形流動(dòng)并匯聚形成油帶，從而更多地從孔隙中被驅(qū)替出。相對于乳化性能較強(qiáng)的體系，從相對滲透率曲線特征分析，界面活性的優(yōu)勢作用更能增強(qiáng)油水相的流動(dòng)能力。

圖1 兩種復(fù)合體系相對滲透率曲線對比

為了對比在長時(shí)間驅(qū)替后達(dá)到高含水飽和度時(shí)兩種體系所產(chǎn)生的作用效果，取部分高含水飽和度條件下的油相相對滲透率點(diǎn)作擬合曲線預(yù)測，分別得到兩種復(fù)合體系油相相對滲透率的預(yù)測趨勢（見圖2）。從圖2可知，當(dāng)含水飽和度大于0.866時(shí)，強(qiáng)乳化體系的油相相對滲透率將超過強(qiáng)界面體系。分析認(rèn)為強(qiáng)乳化體系在含水飽和度較低時(shí)，處于形成乳狀液的過程，其增大油水相流動(dòng)能力的作用弱于超低界面張力所發(fā)揮的作用，因此在相對滲透率曲線上表現(xiàn)為油水相的流動(dòng)能力要弱于強(qiáng)界面體系；而在含水飽和度較高時(shí)，強(qiáng)乳化體系形成穩(wěn)定的混相乳狀液，相對于強(qiáng)界面體系而言，油相滲透率的下降速率變緩，在相對滲透率曲線上體現(xiàn)為高含水飽和度下油相相對滲透率下降程度較強(qiáng)界面體系小，從而在高含水后期，強(qiáng)乳化體系的油相相對滲透率將會(huì)大于強(qiáng)界面體系的，并使得最終的殘余油飽和度更低。這一現(xiàn)象同時(shí)也說明，充分發(fā)揮乳化作用需要一定的時(shí)間，因此強(qiáng)乳化體系需要的驅(qū)替時(shí)間比強(qiáng)界面體系的長。

圖2 高含水時(shí)油相相對滲透率擬合曲線

2.2 微觀驅(qū)替特征對比

采用微觀驅(qū)替實(shí)驗(yàn)對復(fù)合體系的滲流規(guī)律進(jìn)行更進(jìn)一步地研究和驗(yàn)證。水驅(qū)至出口端后進(jìn)行復(fù)合體系驅(qū)替，兩種復(fù)合體系驅(qū)替結(jié)果見圖3、圖4。

圖3 強(qiáng)界面體系的微觀驅(qū)替實(shí)驗(yàn)

強(qiáng)界面體系的界面活性較強(qiáng)，其降低界面張力和改變潤濕性能力更明顯，使得孔道壁上的原油不斷被剝離，流動(dòng)過程中形成油絲、油帶狀不斷被拉長并向前流動(dòng)。從驅(qū)替6 min 到40 min，可以明顯看出原油形成條帶狀向前流動(dòng)，并且顏色不斷變淺。原油并未形成油膜附著于巖石顆粒表面，被強(qiáng)界面體系攜帶而出。強(qiáng)界面體系可以有效地降低殘余油飽和度，提高采收率。

圖4 強(qiáng)乳化體系的微觀驅(qū)替實(shí)驗(yàn)

強(qiáng)乳化體系具有較強(qiáng)的乳化性能，在驅(qū)替過程中與原油發(fā)生乳化作用形成小油滴并被驅(qū)替至出口端［10］，隨著驅(qū)替的進(jìn)行逐漸形成穩(wěn)定的乳狀液，相對于油水兩相而言，降低了流動(dòng)阻力，同時(shí)因?yàn)槿闋钜旱男纬蓪Σ糠挚椎佬纬煞舛拢?1—12］，從而改變了流動(dòng)通道，擴(kuò)大了波及體積。從驅(qū)替6 min 到40 min，明顯存在乳化形成的小油滴，同時(shí)小油滴聚集形成乳狀液并表現(xiàn)出一定的封堵作用。

對比強(qiáng)界面體系和強(qiáng)乳化體系的驅(qū)替過程：在驅(qū)替前期，油含量較高，此時(shí)為了增大油相流動(dòng)能力，降低界面張力可以發(fā)揮明顯的優(yōu)勢作用，此時(shí)界面活性的要求更加重要；隨著地層油含量的不斷減少，低界面張力所帶來的驅(qū)替效果有限。由乳化作用形成的小油滴不斷聚集并形成穩(wěn)定的乳狀液，這一過程需要一定的時(shí)間。在驅(qū)替后期，不僅通過乳化作用可以攜帶出更多的油，還由于封堵作用擴(kuò)大了波及體積，更進(jìn)一步地增大了驅(qū)替效果。因此強(qiáng)乳化體系相對于強(qiáng)界面體系在驅(qū)替后期更具提高采收率優(yōu)勢。對比強(qiáng)界面體系，長時(shí)間地驅(qū)替會(huì)使得乳化性能較強(qiáng)的強(qiáng)乳化體系充分發(fā)揮其優(yōu)勢，具有更高的提高采收率潛力。

3 結(jié)論

滲流過程中，界面活性增大油水相流動(dòng)能力的作用要強(qiáng)于乳化性能；而乳化性能在長時(shí)間的驅(qū)替后能夠持續(xù)發(fā)揮作用，增大油水相的流動(dòng)能力。

乳化性能和界面活性在驅(qū)油過程中發(fā)揮著各自不同的優(yōu)勢作用。在驅(qū)替前期，界面性能較強(qiáng)的體系作用效果明顯，而在驅(qū)替后期，乳化性能較強(qiáng)的體系具有更高的提高采收率潛力。

針對不同開發(fā)時(shí)長及條件的需求，為爭取早拿油、多拿油，可以根據(jù)界面活性和乳化性能各自發(fā)揮優(yōu)勢作用的有利條件，有針對性地采用特定性能的復(fù)合體系或者組合體系進(jìn)行驅(qū)油，從而達(dá)到最佳驅(qū)替效果。