基于苯乙烯焦油的水包油乳狀液驅油體系的研制與性能評價*

劉冬鑫，張貴才，裴海華，葛際江，蔣 平

（1.中國石油大學（華東）石油工程學院，山東青島 266580；2.中國石油大慶油田有限責任公司采油工程研究院，黑龍江大慶 163453）

近年來，化學驅油技術已經(jīng)成為中高滲油藏提高原油采收率的重要方法［1-2］。其中，乳狀液驅油是將乳化劑與原油在高速攪拌下形成的水包油型乳狀液注入地層，驅替水驅后的殘余油［3］。在乳化捕集和乳化攜帶作用下，乳狀液驅油比普通水驅能獲得更好的洗油效率和波及系數(shù)，有效減少殘余油數(shù)量，提高原油采收率［4-5］。在高含水油田水驅開發(fā)與提高采收率中，乳狀液驅已成為一個新的研究方向［6］。

已有許多學者開展了乳狀液驅油的研究。Demikhova 等［7］研究表明在高含水油層中，注入含有疏水化合物的乳狀液段塞后，累積水油比下降，產(chǎn)油量增加。Karambeigi等［8］在對乳狀液驅油效率的研究中表明礦化度、表面活性劑濃度是影響驅油效率的主要因素，乳狀液的非牛頓性和界面電勢是增大毛細管數(shù)和采收率的原因。葛際江等［9］采用納米SiO2和表面活性劑TA-13 所制備的乳狀液驅油，發(fā)現(xiàn)乳狀液不僅可以降低巖心的滲透率，還對低滲透巖心有著更好的封堵能力，低的乳狀液注入速度則更有利于提高原油采收率。周亞洲等［10］發(fā)現(xiàn)三管并聯(lián)巖心驅替中乳狀液驅同比水驅可提高采收率16.98%，由于賈敏效應的存在，乳狀液在多孔介質中能產(chǎn)生較好的封堵作用，具有較好的流度控制能力，有效防止了高滲透層中的竄流現(xiàn)象。Wei等［11］的巖心驅替實驗結果表明，由于分散相油相產(chǎn)生的賈敏效應，乳狀液驅的注入壓力比水驅高，提高采收率的效果與高匹配系數(shù)和乳狀液穩(wěn)定性有關。

苯乙烯焦油作為苯乙烯工業(yè)生產(chǎn)的廢料，產(chǎn)量多、價格低廉，但利用率不高，多用于燃料燃燒［12-13］。國內對苯乙烯焦油的研究較少，僅作為防水油膏及道路瀝青的添加劑材料使用［14］。因此，為了探尋苯乙烯焦油的新用途，提升苯乙烯焦油的經(jīng)濟附加值，同時為油田開發(fā)提供一種低成本的原材料，本文進行了苯乙烯焦油制備的水包油型乳狀液驅油研究，包括乳狀液的配方篩選、乳狀液穩(wěn)定性及流變性評價和乳狀液驅油效果評價，為苯乙烯焦油乳狀液驅油在高含水后期的現(xiàn)場應用提供理論和實驗依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

表面活性劑吐溫20（Tween-20）、吐溫40（Tween-40）、吐溫60（Tween-60）、吐溫80（Tween-80）、十二烷基磺酸鈉（SLS），化學純，國藥集團化學試劑有限公司；月桂醇醚硫酸鈉（SLES），含量為70%，江蘇省海安石油化工廠；聚氧乙烯醚MOE-20、聚氧乙烯醚MOE-30，含量均為98%，東營同琨石油技術有限責任公司；醇醚硫酸鈉（AES），含量70%，自制；聚氧乙烯聚氧丙烯烷基醇醚丙撐磺酸鹽（9AS-4-4），含量92.4%，自制；質量濃度為20 g/L的NaCl溶液，自制；燕山石化苯乙烯焦油，50 ℃、7.34 s-1下的黏度為22.7 mPa·s；勝利孤東東一聯(lián)原油，60 ℃、7.34 s-1下的黏度為184.55 mPa·s；人造柱狀均質巖心，直徑26 mm，長80 mm，氣測滲透率2 μm2。

HH-J2 型數(shù)顯攪拌水浴鍋，常州申光儀器有限公司；DV-Ⅱ+Pro 型旋轉黏度計，美國Brookfield 公司；巖心驅油裝置，江蘇海安石油科研儀器有限公司；ME802 電子天平，瑞士Mettler Toledo 公司；XS-2100型生物顯微鏡，南京Novel公司。

1.2 實驗方法

（1）乳化劑的篩選。采用乳化不穩(wěn)定系數(shù)（IUS）為乳化劑的篩選指標。IUS越小，乳狀液越穩(wěn)定，乳化劑的乳化效果越好。IUS的定義式為：

式中，V（t）—乳化體系分出水相體積與時間變化的函數(shù)；t—乳化體系靜止時水相分離的時間，h。

（2）乳狀液的制備及性能評價。在室溫下，將表面活性劑水溶液以500 r/min的速度攪拌，緩慢將苯乙烯焦油加入攪拌器中，再以900 r/min的速度攪拌4 h得到水包油型乳狀液。乳狀液的性能評價包括粒度分布、穩(wěn)定性和流變性評價。采用電子顯微鏡和粒徑采集軟件測量乳狀液的粒度分布情況；在室溫下觀察乳狀液的油水分離情況，計算USI；采用旋轉黏度計測量乳狀液表觀黏度隨剪切速率的變化。

（3）巖心驅油實驗。將巖心抽真空，飽和水、飽和油；進行一次水驅直至含水率達到98%以上時停止，計算一次水驅采收率；向巖心中注入0.5 PV 的乳狀液；再進行二次水驅直至含水率為98%以上時停止，計算二次水驅采收率。

2 結果與討論

2.1 乳狀液驅用表面活性劑的篩選

為了提高乳狀液的耐溫性及耐鹽性，選用了陰、非離子型表面活性劑進行乳化劑的篩選實驗。當表面活性劑質量分數(shù)為0.3%、水油體積比為5∶5、乳化溫度為50 ℃時，其篩選結果如圖1 和圖2 所示。結果表明：非離子型表面活性劑MOE-20、MOE-30和陰離子型表面活性劑AES、9AS-4-4的乳化效果相對較好，形成的乳狀液隨時間變化分出的水相體積較少，乳化不穩(wěn)定系數(shù)分別為2.2300、2.3782 和3.9242、1.9017。采用稀釋法判斷乳狀液類型，發(fā)現(xiàn)9AS-4-4 形成的乳狀液為W/O 型乳狀液。因此，選用AES 和MOE-20 及MOE-30 進行表面活性劑的復配實驗，乳化劑的篩選結果見表1。當MOE-20和AES按質量比1∶1復配時，二者的正協(xié)同效果最好，USI 最?。?.1729）。綜上，選用非離子型表面活性劑MOE-20和陰離子型表面活性劑AES作為苯乙烯焦油水包油型乳狀液的復合乳化劑。

表1 復配表面活性劑的乳化效果

圖1 非離子型表面活性劑的乳化效果

圖2 陰離子型表面活性劑的乳化效果

2.2 苯乙烯焦油制備的水包油型乳狀液基本性能

2.2.1 乳狀液的粒徑分布

采用放大倍數(shù)為10 倍的生物顯微鏡觀察苯乙烯焦油制備的水包油型乳狀液，結果如圖3 所示。苯乙烯焦油制備的水包油型乳狀液呈乳黃色。由于界面張力的原因，油滴在水中以球形的形式存在，乳化劑在分散相液滴周圍形成了一定強度的油水界面膜。由粒徑測定軟件測得乳狀液液滴的粒徑為1～82 μm。

圖3 苯乙烯焦油制備的水包油型乳狀液微觀圖像

2.2.2 乳狀液的穩(wěn)定性

在MOE-20 與AES 質量比為1∶1、水油體積比為5∶5、乳化強度為900 r/min 的條件下常溫乳化。復合乳化劑加量（0.1%～0.5%）對乳狀液穩(wěn)定性的影響如圖4 所示。當乳化劑質量分數(shù)為0.1%～0.3%時，隨著乳化劑質量分數(shù)的增加，USI 減小，乳狀液穩(wěn)定性增加。這是由于乳狀液的穩(wěn)定性與油水界面性質有關，特別是界面擴張黏彈性。界面擴張黏彈性反映了界面膜強度大小，界面擴張黏彈性越大，界面膜產(chǎn)生抵抗并恢復形變的能力越強［15］。隨著乳化劑質量分數(shù)的增加，油水界面上的乳化劑含量增加，油水界面分子的相互作用增強，界面張力梯度及界面擴張模量增加，界面擴張黏彈性隨之增強，油水界面膜強度增大，有利于阻礙兩相液滴的聚并，同時油水界面張力下降，促使乳化體系破碎，液滴的直徑變小、數(shù)目增多，使得所形成的乳狀液的分散體系更加均勻，宏觀表現(xiàn)為乳狀液穩(wěn)定性增加［16-17］。

圖4 乳化劑加量對乳狀液穩(wěn)定性的影響

當乳化劑的質量分數(shù)達到0.3%時，USI最小，乳狀液的穩(wěn)定性最高。繼續(xù)增大乳化劑加量，USI 增大。這是由于隨著乳化劑質量分數(shù)的增加，陰離子型表面活性劑AES 電離出的負離子對帶正電荷的油滴雙電層起到了壓縮作用，促進小液滴聚并變成大液滴，引起乳狀液分出的水相體積增多［18］。同時，在乳化劑加量較大時，隨著其質量分數(shù)的增加，體相和界面之間的分子交換加快，表面活性劑分子會降低界面張力梯度，使得界面擴散模量隨之下降，乳狀液穩(wěn)定性降低［19-20］。

2.2.3 乳狀液的流變性

乳化條件為：乳化劑質量分數(shù)為0.3%，MOE-20與AES 質量比為1∶1，水油體積比為5∶5，乳化強度為900 r/min。在40～70 ℃條件下，乳狀液的流變性如圖5 所示。隨著溫度的升高，乳狀液的黏度降低。一方面是由于溫度升高，粒子間的運動加劇，液滴間碰撞、合并的幾率增大，同時吸附在油水界面上的表面活性劑分子逐漸分離出來，導致油水界面膜強度降低；另一方面由于油水界面電荷數(shù)的減少，液滴之間的靜電排斥力減弱，也會使得液滴的聚并速率加快，導致了析出水相體積的增大，乳狀液穩(wěn)定性下降，表觀黏度降低［21-22］。

圖5 不同溫度下乳狀液的表觀黏度隨剪切速率的變化

2.3 苯乙烯焦油制備的水包油型乳狀液驅油性能

在60 ℃下，用苯乙烯焦油制備的水包油型乳狀液在滲透率為2.0 μm2的巖心中進行驅油實驗。驅替的原油黏度為185 mPa·s，復合表面活性劑質量分數(shù)為0.3%，水油體積比為5∶5，結果如圖6 所示。在初始水驅時，注入壓力迅速上升達到一個小峰值，當注入水到達巖心出口端時，即水驅發(fā)生突破后，注入壓力迅速下降至最小值，說明在巖心中形成了水驅通道，此時產(chǎn)出液含水率達到98%以上，結束初始水驅，此時水驅采出程度僅為35.7%。然后轉注0.5 PV 的水包油乳狀液段塞，在注入0.2 PV乳狀液后，注入壓力開始上升，此時壓力也達到一個峰值，這是由于水包油型乳狀液可以通過賈敏效應封堵水流大通道［23］，增加流動阻力，將后續(xù)注入乳狀液轉向未波及的區(qū)域，從而增大波及系數(shù)。當注入0.5 PV乳狀液后，乳狀液完全有效封堵了初始水驅形成的水流通道，使得后面的注入水進入未波及的區(qū)域，同時制備乳狀液的苯乙烯焦油與前沿稠油相接觸后，可溶解在稠油中，從而降低稠油黏度，提高稠油流度，使其他部分原油流動起來并被采出。由圖可見，采出程度迅速提高且含水率出現(xiàn)下降。最終乳狀液驅采出程度可在水驅的基礎上提高16.7百分點，總采出程度可達52.4%。

圖6 乳狀液驅巖心驅替曲線

其他實驗條件不變，改變水油體積比進行乳狀液驅油效果評價，結果如表2 所示。隨著水油體積比的增大，乳狀液驅采出程度降低。這是由于注入乳狀液時，乳狀液首先在水流通道中流動，當流動受阻時，乳狀液轉向進入未波及區(qū)域。但乳狀液的水相含量較多時，乳狀液堵塞作用受到影響，乳狀液驅替繞流能力下降，減小了波及系數(shù)，從而影響驅油效果。從經(jīng)濟因素考慮，隨著水油體積比的增大，乳狀液的制備材料成本降低。在綜合考慮成本和乳狀液驅油效果后，用苯乙烯焦油制備的水包油乳狀液驅油的最優(yōu)水油體積比為9∶1。

表2 水油體積比對乳狀液驅油效果的影響

3 結論

為了提高化工副產(chǎn)物苯乙烯焦油的經(jīng)濟效益，將苯乙烯焦油應用于油田開發(fā)中，制成水包油型乳狀液驅油劑。當非離子型表面活性劑MOE-20和陰離子型表面活性劑AES 的質量分數(shù)為0.3%、MOE-20 和AES 復配質量比為1∶1 時，所制得的乳狀液最穩(wěn)定。苯乙烯焦油制備的水包油型乳狀液的驅油效果較好。針對黏度為185 mPa·s的普通稠油，在高含水后期的巖心驅油實驗中，二次水驅后采出程度增值可達16.7百分點，為苯乙烯焦油乳狀液驅油在現(xiàn)場的實際應用提供理論和實驗支持。