乳狀液提高聚表二元復(fù)合驅(qū)采收率機(jī)制

張黎明，王麗影，王 帥，朱述敏，陳 躍

(延安大學(xué) 石油工程與環(huán)境工程學(xué)院，陜西 延安 716000)

原油乳化是指原油與表面活性物質(zhì)接觸時(shí)，由于界面張力降低，使原油形成較小油滴并分散在另一種與之不互溶的溶劑中的現(xiàn)象。在三次采油中，尤其是化學(xué)驅(qū)油過(guò)程中，乳化是一種很常見(jiàn)的現(xiàn)象[1]。聚表二元復(fù)合驅(qū)屬于化學(xué)驅(qū)的一種，通過(guò)將表面活性劑溶液加入聚合物溶液，一方面利用表面活性劑降低界面張力，提高洗油效率，另一方面利用聚合物溶液調(diào)節(jié)驅(qū)油劑黏度，改善油水流度比，擴(kuò)大波及體積，從而達(dá)到提高采收率的目的。聚表二元體系流經(jīng)孔喉時(shí)，將巖石表面的部分殘余油剝落并促進(jìn)其乳化，乳狀液在聚表二元驅(qū)中對(duì)采收率有一定的貢獻(xiàn)。乳狀液主要有O/W型、W/O型兩種，另外還有油包水包油型(O/W/O)和水包油包水型(W/O/W)型。其類型取決于表面活性劑類型，也受油水比、溶液中電解質(zhì)種類和濃度、溫度等因素制約。當(dāng)油滴是分散相，水是分散介質(zhì)時(shí)，親水性表面活性劑有利于形成水包油型(O/W)乳狀液，反之，親油性表面活性劑有利于形成水滴分散在連續(xù)油相中的油包水型(W/O)乳狀液[2]。國(guó)內(nèi)外的學(xué)者對(duì)乳狀液的研究主要集中在以下幾方面：乳狀液的穩(wěn)定性機(jī)理及影響乳化的因素、乳化劑相互作用對(duì)乳化的影響、乳狀液與界面張力的關(guān)系、乳狀液在多孔介質(zhì)中的滲流規(guī)律等[3]。以上研究使我們對(duì)乳狀液有了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，但由于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)不能真實(shí)模擬地層條件，且乳狀液在地層中滲流規(guī)律復(fù)雜，因此，界面張力對(duì)驅(qū)油采收率的貢獻(xiàn)程度還未有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，乳狀液乳化能力及乳狀液對(duì)采收率的影響也很難進(jìn)行量化表征。乳狀液具有較高的粘度，且其與原油之間的界面張力比油水之間的界面張力小，從而使乳狀液不僅在多孔介質(zhì)中起到調(diào)節(jié)流度比、擴(kuò)大波及體積、提高波及效率的作用，而且還能增大洗油效率，使地層中的殘余油從巖石表面脫落隨驅(qū)油劑流入主流通道，進(jìn)而提高原油采收率[4-5]。因此，乳狀液在驅(qū)油過(guò)程的作用是不可忽略的，分析乳狀液特征及其對(duì)采收率的影響對(duì)石油的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用意義重大[6-7]。本研究通過(guò)開(kāi)展聚表二元驅(qū)物理模擬實(shí)驗(yàn)，分析油水界面張力與乳狀液穩(wěn)定性、采收率之間的關(guān)系，并探明驅(qū)替過(guò)程中乳狀液類型及乳狀液穩(wěn)定性對(duì)采收率的影響機(jī)制，為二元復(fù)合驅(qū)提高采收率方面的研究提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 原料與試劑

部分水解聚丙烯酰胺(HPAM)，固含量為88%，相對(duì)分子質(zhì)量為1 750×104；表面活性劑，有效質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%，HPAM和表面活性劑均由吉林油田提供。實(shí)驗(yàn)用油為脫水原油與煤油配制而成的模擬油，在油藏溫度為55 ℃時(shí)，黏度為12.9 mPa·s。實(shí)驗(yàn)用水為模擬現(xiàn)場(chǎng)清水。

1.2 儀器與設(shè)備

TX-500C型界面張力儀(外接恒溫槽的環(huán)流保溫平臺(tái)并配置圖像數(shù)據(jù)處理軟件)，中國(guó)上海中晨數(shù)字技術(shù)設(shè)備有限公司；Turbiscan Lab穩(wěn)定性分析儀(expert型裝有溫度調(diào)節(jié)裝置及Turbisoft軟件安裝程序)，法國(guó)Formulaction公司；Delsa Nano激光納米粒度儀，美國(guó)貝克曼庫(kù)爾特公司。

1.3 二元復(fù)合體系制備

先用現(xiàn)場(chǎng)清水配制聚合物母液和表面活性劑母液，室溫靜置12 h使其充分老化；再用現(xiàn)場(chǎng)清水稀釋到目的濃度，以一定的比例復(fù)合后放置在恒溫箱內(nèi)，55 ℃恒溫2 h備用。實(shí)驗(yàn)用二元復(fù)合體系溶液的聚合物濃度均為1 800 mg/L，表面活性劑濃度分別為1 000 mg/L、2 000 mg/L、3 000 mg/L。

1.4 界面張力測(cè)定

采用界面張力儀，在樣品管中加入形成界面的兩液相，再使樣品管以一定角速度自轉(zhuǎn)。當(dāng)達(dá)到設(shè)定溫度55 ℃時(shí)，將轉(zhuǎn)速加至5 000 r/min，隔一定時(shí)間讀取液滴的尺寸，測(cè)定時(shí)間為2 h。

1.5 乳狀液類型及穩(wěn)定性測(cè)試

將三層非均質(zhì)巖心裝入巖心夾持器，對(duì)其打還壓后進(jìn)行抽真空操作，使巖心飽和水、飽和油，再老化8 h后進(jìn)行水驅(qū)至含水率為96%；然后將二元復(fù)合體系分別注入巖心中進(jìn)行驅(qū)油實(shí)驗(yàn)，并記錄驅(qū)替過(guò)程中的壓力動(dòng)態(tài)及出油量；再進(jìn)行后續(xù)水驅(qū)至含水率達(dá)98%并計(jì)算最終采收率；從巖心出口端接取少量采出液進(jìn)行稀釋，并在1 000倍顯微鏡下觀察，確定乳狀液類型；最后再取適量乳狀液，利用激光納米粒度儀測(cè)定乳狀液粒徑分布和平均粒徑，并用穩(wěn)定性分析儀測(cè)定穩(wěn)定性動(dòng)力學(xué)指數(shù)(Turbsicanstability index，TSI)。

2 結(jié)果與分析

2.1 界面張力與采收率關(guān)系

在聚表二元復(fù)合驅(qū)油過(guò)程中，當(dāng)驅(qū)油劑黏度及驅(qū)替速率一定時(shí)，界面張力是影響驅(qū)油效率的因素之一[8-9]。圖1是聚表二元復(fù)合體系中表面活性劑濃度分別與界面張力和最終采收率的關(guān)系曲線。如圖1所示，界面張力在一定范圍內(nèi)取決于表面活性劑濃度，隨著表面活性劑濃度的增加，界面張力逐漸降低，在濃度大于2 000 mg/L時(shí)，界面張力能達(dá)到超低值(10-3mN/m數(shù)量級(jí))，即毛管數(shù)增加，巖心孔喉中剩余油有更多的油流通道，有利于驅(qū)油效率及采收率的提高。實(shí)際上，采收率隨表面活性劑濃度增加沒(méi)有單調(diào)增加，而是先增加后降低。當(dāng)表面活性劑濃度為2 000 mg/L時(shí)，采收率達(dá)到最高。即使表面活性劑濃度大于2 000 mg/L時(shí)，界面張力繼續(xù)降低，但采收率也降低。即并非界面張力越低，采收率越高。

圖1 表面活性劑濃度與界面張力和采收率的關(guān)系曲線

因?yàn)榫郾矶獜?fù)合體系流經(jīng)巖心孔喉時(shí)，在剪切作用下，殘余油與驅(qū)油劑發(fā)生乳化現(xiàn)象，較低的界面張力使地層孔喉中的油膜或較大油滴更易被乳化成小油滴而攜帶出地層[10]。而且，乳滴不斷聚集也會(huì)造成大孔喉堵塞，使吸水厚度發(fā)生改變，驅(qū)油劑發(fā)生繞流使洗油效率增加，從而使原油采收率提高[11]。但若乳狀液穩(wěn)定差，在后續(xù)驅(qū)油劑的沖刷下，乳狀液滴封堵調(diào)剖能力變?nèi)酰涮岣卟墒章实哪芰ο陆?。接下?lái)分析不同二元復(fù)合體系采出液中乳狀液穩(wěn)定性對(duì)采收率的影響規(guī)律及其機(jī)理。

2.2 乳狀液微觀特征及其穩(wěn)定性

通過(guò)將不同表面活性劑濃度(分別為1 000 mg/L、2 000 mg/L、3 000 mg/L)的聚表二元復(fù)合體系進(jìn)行驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，接取采出液進(jìn)行稀釋，乳滴可在水中鋪展，說(shuō)明復(fù)合體系驅(qū)油過(guò)程中產(chǎn)生了O/W型乳狀液。再取適量樣品，在顯微鏡下觀察(1 000倍放大倍數(shù))，初始時(shí)刻(0 h)的乳狀液微觀形態(tài)如圖2所示。

圖2 不同二元體系驅(qū)替后采出液中乳狀液的微觀形態(tài)

由圖2可得，3種復(fù)合體系的O/W型乳狀液乳滴形態(tài)不一。此時(shí)，圖2A、2B、2C中乳化效果依次變好：圖2A中乳滴最大且分布不均勻，圖2B和圖2C中乳滴大小相近，分布較均勻，尤其是圖2C中乳滴非常細(xì)密，分散性很好。說(shuō)明界面張力越小，油水乳狀液越容易被乳化成較小尺寸的乳滴。但從理論上說(shuō)，乳滴越小，分布越均勻，對(duì)應(yīng)的乳狀液越穩(wěn)定，更有利于采收率的提高。再將乳狀液放置1 h，觀察并分析其微觀形態(tài)和粒徑分布狀況，如圖3、圖4所示。

圖3表明，1 h之后，3種體系乳狀液的乳滴分布及尺寸均發(fā)生明顯變化。圖3A中乳滴發(fā)生聚并，乳滴大小相差更大，圖3C的乳滴由原來(lái)的細(xì)密均勻變得大小不一，大部分也出現(xiàn)了聚并。而圖3B則與0 h時(shí)差別較小，乳滴尺寸變化不大，只有少量乳滴聚集，乳狀液分散性依舊較好。說(shuō)明雖然0 h在表面活性劑濃度的影響下，3 000 mg/L的復(fù)合體系最容易將油滴乳化，得到的乳狀液效果最好，但在1 h后，該體系乳狀液穩(wěn)定性變差。而2 000 mg/L的體系乳狀液卻有很好的穩(wěn)定性，乳滴聚并緩慢。這一現(xiàn)象可用油水界面膜強(qiáng)度來(lái)解釋，因?yàn)槿闋钜旱姆€(wěn)定性不只是受界面張力的影響，還受界面膜強(qiáng)度的影響[12-13]。當(dāng)油水界面表面活性劑分子排列飽和，若再增加表面活性劑濃度，水相中過(guò)多的分子會(huì)與界面分子競(jìng)爭(zhēng)，使界面膜強(qiáng)度降低，界面膜破裂導(dǎo)致油滴聚并，穩(wěn)定性變差。

圖3 不同二元體系驅(qū)替1 h后采出液中乳狀液的微觀形態(tài)

圖4是各二元復(fù)合體系乳狀液在放置1 h后的粒徑分布情況，3種體系對(duì)應(yīng)的乳狀液平均粒徑分別是10.17 μm、3.29 μm、6.77 μm。其中，圖4A中乳滴平均粒徑最大，粒徑分布范圍很寬，說(shuō)明其液滴分散性較差，乳狀液穩(wěn)定性也差。圖4B中乳滴平均粒徑最小，粒徑分布范圍窄，峰較高，峰值靠近較小值，該體系的乳狀液此時(shí)有很好的穩(wěn)定性。圖4C中乳滴粒徑分布出現(xiàn)兩峰，即處于這兩峰所對(duì)應(yīng)的粒徑值的乳滴較多，表明該體系乳狀液分散性較差。該結(jié)果與圖3所述一致，即圖4B乳狀液穩(wěn)定性最好。

圖4 不同二元體系驅(qū)替1 h后采出液中乳狀液粒徑分布圖

利用Turbiscan Lab穩(wěn)定性分析儀測(cè)量各二元復(fù)合體系乳狀液的TSI值，它是利用靜態(tài)多重光散射理論并計(jì)算不同位置光強(qiáng)度的變化而得，也是用來(lái)表征分散體系穩(wěn)定性的量度，可定量表征乳狀液穩(wěn)定性。TSI值越大，乳狀液穩(wěn)定性越差，相反亦然。圖5為各二元復(fù)合體系乳狀液TSI值與測(cè)試時(shí)間的關(guān)系曲線，選取1 h時(shí)，TSI值分別為3.1、1.1、2.0。綜上分析，當(dāng)聚合物濃度一定，表面活性劑濃度為2 000 mg/L的二元復(fù)合體系乳狀液穩(wěn)定性最好。

圖5 各二元復(fù)合體系乳狀液TSI值與測(cè)試時(shí)間的關(guān)系曲線

2.3 乳狀液穩(wěn)定性對(duì)采收率的影響

上述乳狀液穩(wěn)定性分析表明，雖然油水界面張力能影響乳狀液形成的難易程度，但對(duì)乳狀液穩(wěn)定性的影響并不單調(diào)。因此，不能簡(jiǎn)單的通過(guò)界面張力對(duì)乳狀液穩(wěn)定性的影響來(lái)判斷乳狀液穩(wěn)定性對(duì)采收率的影響，乳狀液的穩(wěn)定性與采收率之間也存在一定的關(guān)系[14]。

圖6 不同二元復(fù)合體系乳狀液TSI值與采收率的擬合關(guān)系曲線

圖6是乳狀液TSI值與采收率的擬合關(guān)系圖，用于分析乳狀液穩(wěn)定性與采收率的關(guān)系。由圖6可知，隨著TSI值增加，O/W型乳狀液穩(wěn)定性變差，采收率降低。即表面活性劑濃度為1 000 mg/L時(shí)，TSI值最大，二元體系乳狀液穩(wěn)定性最差，最終采收率最低；表面活性劑濃度為2 000 mg/L時(shí)，TSI值最小，二元體系乳狀液穩(wěn)定性最好，形成的乳滴以架橋的形式堵住較大孔喉，促進(jìn)驅(qū)替劑進(jìn)入較小孔喉，增加了驅(qū)替劑的波及體積，從而啟動(dòng)更多的殘余油，采收率最高。此外，隨著越來(lái)越多穩(wěn)定的乳滴封堵孔喉，后續(xù)注入體積增加，使注入壓力不斷上升，故注入壓力的變化也能間接地反映乳狀液是否形成以及乳狀液穩(wěn)定性程度。

圖7是驅(qū)替過(guò)程中注入壓力與累積注入體積變化曲線，對(duì)于表面活性劑濃度為1 000 mg/L的二元體系來(lái)說(shuō)，整個(gè)過(guò)程中壓力都緩慢降低，當(dāng)表面活性劑濃度為2 000 mg/L、3 000 mg/L時(shí)，注入壓力變化趨勢(shì)都是先降低后增加，但是后者在注入2.3 PV后注入壓力才開(kāi)始上升，最后趨于平緩。前者的注入壓力是在注入1.2 PV時(shí)就開(kāi)始上升，并且上升明顯，幅度大。因?yàn)楸砻婊钚詣舛葹? 000 mg/L的體系中產(chǎn)生的乳狀液不穩(wěn)定，在巖心中流動(dòng)時(shí)破乳嚴(yán)重，受到外力沖擊時(shí)很快又分散成油和水[15]，使注入壓力降低，波及體積較小，采收率較低；表面活性劑濃度為2 000 mg/L的體系在驅(qū)油過(guò)程中產(chǎn)生的乳狀液穩(wěn)定性很好，隨著乳狀液的產(chǎn)生，較大乳滴堵塞部分孔道，較小乳滴不斷在大孔道處積聚造成大孔喉被堵塞，使注入壓力不斷上升，后續(xù)驅(qū)油劑則流入較小孔喉，不僅擴(kuò)大波及系數(shù)，還使吸水厚度和洗油效率增加，從而提高最終采收率，該乳狀液在巖心孔喉中起到了封堵調(diào)剖作用。而表面活性劑濃度為3 000 mg/L的二元體系乳狀液由于穩(wěn)定性較差，起到的封堵作用較弱，低界面張力使其具有較好的變形能力，當(dāng)進(jìn)行后續(xù)水驅(qū)時(shí)，乳狀液通過(guò)孔喉進(jìn)入主流通道而排出，因此，其對(duì)應(yīng)的注入壓力高但對(duì)采收率的貢獻(xiàn)比2 000 mg/L的體系小。

圖7 不同二元復(fù)合體系驅(qū)油過(guò)程中注入壓力 與累積注入體積的關(guān)系曲線

3 結(jié)論

聚表二元復(fù)合體系降低油水界面張力的能力取決于表面活性劑濃度，且聚合物濃度一定時(shí)，界面張力越低，原油越易被乳化成乳狀液，但影響乳狀液的穩(wěn)定性的因素眾多，單純的降低界面張力并不能決定其穩(wěn)定性。界面張力即使達(dá)到超低值，原油采收率并不一定隨其降低而增加。原油采收率與O/W型乳狀液的穩(wěn)定性之間存在一定的關(guān)系，乳狀液越穩(wěn)定，在封堵大孔道時(shí)越不易分散成油和水，乳狀液起到的調(diào)剖作用越強(qiáng)，采收率越高。