一種陰-非離子型乳化劑的性能及驅(qū)油效果評價

蒲萬芬，李博文，賀 偉，常家靖，劉仁保

(西南石油大學油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室，四川 成都 610500)

在油田注水開發(fā)后期，通?？紤]實施三次采油。表面活性劑驅(qū)油能夠提高洗油效率，其乳化作用是提高原油采收率的重要機理。加入乳化劑可使油-水界面張力降低，使相界面處形成定向分散雙電層界面膜[1-3]。同時，由于地層剪切、拉伸作用，使注入的原位乳化體系能與原油就地乳化，形成的乳液具有調(diào)剖作用，可提高水驅(qū)波及系數(shù)，控制微觀驅(qū)油劑流度。目前，核磁共振技術(shù)已被用于石油領域。核磁共振儀不僅能對流體氫含量作定性分析，還能評價流體在多孔介質(zhì)內(nèi)平均流速及微觀分布等。本文依托新疆油田BDW油藏，針對注水開發(fā)后期油藏高含水等問題，開展室內(nèi)實驗，為該油藏殘余油開發(fā)提供合理意見。

1 實 驗

1.1 材料與儀器

Brookfield DV-Ⅲ+Pro型旋轉(zhuǎn)黏度計，美國博勒飛；DM2700M型徠卡顯微鏡，德國萊茵TüV集團；SDT300009702型旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀、DSA100型全自動界面張力儀，德國KRüSS公司；FJ-200-SH型乳化機，廣州恒東乳化設備有限公司；LDY40-180型高溫高壓巖心驅(qū)替裝置，成都巖心科技有限公司；SPEC-RCI多孔介質(zhì)核磁滲流實驗分析儀，北京斯派克科技發(fā)展有限公司。

1.2 乳化體系及乳狀液制備

采用模擬水，按0.05%(質(zhì)量分數(shù)，下同)自制表面活性劑D、0.2%自制表面活性劑L3、0.05%油酸鈉、0.1%單甘脂配制乳化體系，備用。利用乳化機，在溫度29.5 ℃，轉(zhuǎn)速500 r/min下剪切0.5 h得到各含水率乳液。

1.3 乳化劑性能評價方法

利用徠卡顯微鏡觀察乳液微觀結(jié)構(gòu)并統(tǒng)計粒徑。采用旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀測定原油-乳化體系及乳液-模擬水IFT。利用全自動界面張力儀測定乳液界面擴張模量后將其置于29.5 ℃的烘箱內(nèi)并記錄階段析水量。

1.4 驅(qū)油效果評價試驗

1)將巖心飽和油后接入驅(qū)替裝置；2)對巖心采用錳水驅(qū)至含水98%，記錄產(chǎn)液量；3)向巖心注入濃度為4 000 mg/L的原位乳化體系，隨后采用錳水驅(qū)至100%；4)對飽和油及每次驅(qū)替完成后的巖心進行核磁共振儀掃描。

2 結(jié)果與討論

2.1 乳液黏度測定

乳液黏度及增溶結(jié)果見表1。

由表1可見，含水率60%的乳液黏度最高，為936.48 mPa·s。含水率30%～60%乳液的黏度逐漸增大；含水率60%的乳液增溶率最高；當含水率大于60%，乳液黏度減小，增溶率降低。

表1 乳液黏度測定及增溶結(jié)果

2.2 微觀結(jié)構(gòu)分析

原油乳狀液粒度特征是其主要標志之一。觀察乳液粒度特征既能從微觀上確定原油乳狀液分散相的組成，又能從宏觀上描述其絮凝和聚結(jié)等過程[4-6]。各含水率乳液微觀結(jié)構(gòu)及粒徑分布曲線見圖1、圖2。

由圖1和圖2可見，含水率60%乳液的分子豐度最大，平均粒徑較小，為1.961 μm，曲線呈左歪度。觀察到含水率80%的乳液平均粒徑最小，為1.192 μm，但微觀下乳液分子豐度明顯最小，宏觀上基本不乳化，故淘汰此試樣。

同時，微觀結(jié)構(gòu)中，液滴內(nèi)相襯度明顯低于外相，且將乳液滴定于蒸餾水中不發(fā)生分散，故判斷為W/O型乳液[7]。優(yōu)選目標乳化劑時，可參考乳化劑在構(gòu)成乳液的兩相液體中的溶解度。

2.3 動態(tài)界面張力(IFT)測定

乳液熱力學性質(zhì)不穩(wěn)定，降低其界面張力是實現(xiàn)穩(wěn)定的途徑之一。測得原油-模擬水界面張力為32.29 mN/m，各乳液-模擬水界面張力見表2。

由表2可見，含水率60%的乳液與模擬水間界面張力最小，為13.72 mN/m。低IFT有利于乳液穩(wěn)定，能夠使乳液體系內(nèi)能減小，故含水率60%的乳液穩(wěn)定性較好。但IFT并非影響乳液穩(wěn)定的決定性因素，降低的同時也會減弱構(gòu)成乳液體系的兩液間界面膜強度。影響乳液穩(wěn)定的主要因素是乳液界面膜強度及表面活性劑作用[8-12]。故對乳液穩(wěn)定性的準確判斷，還需借助老化實驗。

圖2 不同含水率乳液的粒徑分布

表3 乳液-模擬水IFT

2.4 乳液界面黏彈性

對不同含水率乳液的黏彈行為進行測試，結(jié)果見圖3。由圖3可見，對乳液施加一定應變，楊氏模量和黏性模量均隨頻率的增加而擬線性增加，楊氏模量增幅更大。低頻振蕩下，乳液受到外部剪切作用發(fā)生變形和取向變化，分子間作用增強，使乳液在宏觀上更突出地表現(xiàn)彈性特征。頻率不同引起模量的變化是因為乳液體系中液膜的變形伴隨液滴流動，不同頻率下兩者共同作用引起的能量耗散不同[13]。當界面膜受干擾時，通過各種弛豫過程來對抗干擾，使其回復到平衡狀態(tài)，因此振蕩頻率是影響界面擴張性質(zhì)的重要因素之一。

圖3 不同含水率乳液黏彈行為

2.5 乳液老化實驗

將乳液試樣置于油藏溫度下10 d，記錄階段析水量并計算析水率，結(jié)果見圖4。

圖4 不同含水率乳液的析水率曲線

由圖4可見，含水率60%的乳液析水最少(1.5 mL)，析水率最低(8.3%)，穩(wěn)定性較好；70%最差。乳液老化并非簡單的析水、聚并和破乳的過程，還伴隨水、油分子熱運動[14]。表面活性劑類型、油水體積比、乳液黏度等因素都會對乳液穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

2.6 物理模擬實驗

利用核磁共振技術(shù)研究驅(qū)油過程巖心內(nèi)油水分布的變化，采用錳水和原位乳化體系進行模擬驅(qū)替，得到驅(qū)替壓力及累計采收率隨注入體積的變化情況，見圖5。

圖5 驅(qū)替壓力、累計采收率與注入體積的關(guān)系

前期水驅(qū)壓力和含水上升較快，但采收率低。當注液超過0.4 PV，壓力降低，含水近90%，證明水驅(qū)前緣已突破介質(zhì)，巖心中為殘余油。

原位乳化體系驅(qū)階段，乳化體系與原油形成W/O乳液后，驅(qū)替壓力上升較快，含水先下降后上升且幅度較小。是因為乳滴產(chǎn)生疊加的賈敏效應，封堵了大孔道，使后進入的驅(qū)油劑被迫進入小孔道，提高了微觀波及系數(shù)。因此，含水率在短時間內(nèi)有所下降，但隨著體系驅(qū)進行，又緩慢上升。

后續(xù)水驅(qū)壓力突降，采收率明顯上升?？赡苁菐r心滲透率較高，內(nèi)部孔徑較乳滴偏大，乳液封堵不完全致巖心中的乳液段塞被突破，使壓力下降。因此，后續(xù)水驅(qū)能明顯提高采收率的原因可能是表面活性劑作用。

在模擬驅(qū)替過程中，通過核磁共振掃描確定巖心內(nèi)油水分布的變化情況。根據(jù)原油中氫元素在巖心內(nèi)信號強度和T2橫向弛豫時間譜相關(guān)關(guān)系進行傅里葉反衍，可得巖心孔隙半徑(r)[15]。巖心孔徑與T2弛豫時間成正比，從而可根據(jù)T2譜圖峰值范圍的變化情況判斷出巖心“大、中、小”孔隙內(nèi)原油動用情況。不同物理驅(qū)替階段的T2譜見圖6。

圖6 不同物理驅(qū)替階段的T2譜

由圖6可知，巖心孔徑與T2弛豫時間成正比。定義T2弛豫時間小于1 ms的為“小孔隙”，大于100 ms的為“大孔隙”?？傻?，在飽和油狀態(tài)下，T2在1～100 ms和100 ms以上的信號幅度遠高于在1 ms以下的值，說明原油在大、中孔隙的量遠高于在小孔隙中的；水驅(qū)后，T2在1～100 ms和100 ms以上的信號幅度顯著降低，而在1 ms以下的信號幅度變化較小，說明水驅(qū)過程使原油主要從大、中孔隙被產(chǎn)出，而小孔隙中原油僅有少量動用；在體系驅(qū)和后續(xù)水驅(qū)后，T2在1～100 ms和100 ms以上的信號幅度進一步降低，而在1 ms以下的信號幅度也發(fā)生較明顯的降低，說明不僅大孔隙和中孔隙中殘余油被驅(qū)出，小孔隙中殘余油也被較大程度動用?？梢?，即使在非均質(zhì)條件下，原位乳化體系仍可通過流度控制作用提高微觀尺度下的波及體積，有效動用小孔隙內(nèi)殘余油。

3 結(jié) 論

a.含水60%的乳液黏度及增溶率最高且完全乳化，平均粒徑1.961 μm，粒徑曲線左歪度明顯，乳液-模擬水IFT最低，相同條件下析水最少且析水率最低。因此，綜合來看：界面張力較低，黏度較大，平均粒徑越小，析水率越低，乳液越穩(wěn)定。

b.振蕩頻率范圍內(nèi)，乳液擴張模量隨振蕩頻率增加而擬線性增加，乳液突出表現(xiàn)彈性特征。因此，乳液界面膜穩(wěn)定，在使用應變對其周期性干擾時，乳液弛豫過程彈性可恢復。

c.T2譜圖反映出體系驅(qū)及后續(xù)水驅(qū)完成后，巖心“大、中、小”孔隙內(nèi)原油均有較大動用，說明DLYD-8乳化體系可通過流度控制作用擴大微觀水驅(qū)波及體積，具有顯著的乳化調(diào)剖驅(qū)油效果。實驗沒有對多個不同物性巖心進行物理模擬；對后續(xù)水驅(qū)壓力突降，但采收率卻仍提升的增產(chǎn)機理尚不明確。