不同水油黏度比下乳化對(duì)稠油復(fù)合驅(qū)的影響

李宗陽(yáng)，楊 勇，王業(yè)飛，張世明，張真瑜，丁名臣

（1.中國(guó)石化勝利油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，山東東營(yíng)257015；2.中國(guó)石化勝利油田分公司，山東東營(yíng)257001；3.中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東青島266580）

稠油油藏黏度高、水油流度比高導(dǎo)致其水驅(qū)采收率僅為5%～10%［1-2］。傳統(tǒng)稠油熱采取得較大成功，但仍存在能源消耗大、易竄、效果逐輪/逐年變差等問(wèn)題［3］。化學(xué)復(fù)合驅(qū)兼具增大驅(qū)替相黏度、降低油水界面張力和乳化降低油相黏度等優(yōu)勢(shì)，逐漸成為稠油開(kāi)發(fā)的重要接替技術(shù)［4-9］。尤其是近年來(lái)，稠油的乳化降黏開(kāi)發(fā)備受關(guān)注，在驅(qū)油體系中加入降黏劑，形成O/W 型乳狀液，改善其流動(dòng)性［10-13］；發(fā)展了高效的乳化降黏體系（甚至是自乳化體系），主要包括表面活性劑類、兩親聚合物類和改性納米顆粒等體系［14-17］，稠油降黏率達(dá)90%以上，表現(xiàn)出顯著的降黏效果。但是降黏劑加入的同時(shí)會(huì)帶來(lái)潛在的產(chǎn)出液破乳困難、驅(qū)油劑成本顯著升高等問(wèn)題［18-19］。諸多試驗(yàn)階段的乳化降黏劑價(jià)格高昂，甚至達(dá)到每噸十幾到幾十萬(wàn)元，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)表面活性劑。在稠油復(fù)合體系設(shè)計(jì)中是否應(yīng)追求強(qiáng)乳化，取決于乳化對(duì)稠油驅(qū)替的影響和貢獻(xiàn)。尤其是水油黏度比變化時(shí)，復(fù)合體系中聚合物組分流度控制能力差異，稠油高效驅(qū)替對(duì)乳化降黏的要求不同，乳化對(duì)稠油驅(qū)替的貢獻(xiàn)會(huì)發(fā)生改變；諸多學(xué)者更多地關(guān)注高效降黏體系的研發(fā)［14-17］，而乳化對(duì)驅(qū)油的影響或者貢獻(xiàn)仍不清晰，有待深化研究。據(jù)此，分別收集了性能顯著不同的傳統(tǒng)超低界面張力、乳化、兼顧超低界面張力和乳化的雙效3 種稠油復(fù)合體系；開(kāi)展了系列的界面張力、乳化性能和驅(qū)油等研究，對(duì)比不同體系驅(qū)油采收率增幅的差異，確定在不同水油黏度比條件下乳化對(duì)稠油復(fù)合驅(qū)的影響和貢獻(xiàn)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

實(shí)驗(yàn)材料包括超低界面張力型表面活性劑S1、乳化型表面活性劑S2和雙效型表面活性劑S3，均為陰非復(fù)配型，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為0.3%，來(lái)自于勝利油田；部分水解聚丙烯酰胺P（HPAM），相對(duì)分子質(zhì)量為2.5×107，來(lái)自于山東寶莫生物化工股份有限公司；模擬地層水，礦化度為6 681 mg/L，離子組成Na++K+，Mg2++Ca2+，Cl-，HCO3-和CO32-的質(zhì)量濃度分別為2 299，184，3 435，725 和38 mg/L；某區(qū)塊脫氣稠油黏度為731 mPa·s（70 ℃），密度為0.98 g/cm3。

實(shí)驗(yàn)儀器包括TX-500C 型界面張力儀（美國(guó)科諾工業(yè)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)徑為2.5 cm，長(zhǎng)度為30 cm。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

界面張力 按照設(shè)定濃度分別配制超低界面張力、乳化和雙效復(fù)合體系（表1），在70 ℃下利用界面張力儀，測(cè)試其與目標(biāo)稠油的界面張力［20］。

表1 復(fù)合體系組成與基本性能Table1 Compositions and basic properties of three combination systems

乳化性能 將稠油和復(fù)合體系分別加熱至70 ℃，取等量5 mL的稠油和復(fù)合體系分別加入試管中，搖勻后采用瓶試法觀測(cè)油水混合物不同時(shí)間下的析水狀態(tài)，判斷復(fù)合體系形成稠油乳狀液的穩(wěn)定性；同時(shí)，利用SZX7 體式顯微鏡觀察不同體系形成乳狀液的微觀形態(tài)隨時(shí)間的變化。

驅(qū)油能力 固定稠油黏度為731 mPa·s，改變復(fù)合體系黏度，利用性能顯著不同的3種復(fù)合體系，在水油黏度比分別為0.010，0.045，0.100，0.200 和0.460 條件下，首先開(kāi)展了二元復(fù)合驅(qū)油實(shí)驗(yàn)，根據(jù)超低界面張力、乳化與雙效復(fù)合體系采收率增幅的差異，按照體系性能依次增強(qiáng)的順序，判斷乳化對(duì)稠油復(fù)合體系的影響與貢獻(xiàn)。此外，諸多學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，擴(kuò)大波及是稠油復(fù)合體系提高采收率的前提［2，20］，故進(jìn)一步引入泡沫輔助復(fù)合體系擴(kuò)大波及，在水油黏度比分別為0.010，0.045，0.100，0.150 和0.460 條件下，開(kāi)展了3 種泡沫復(fù)合體系驅(qū)油實(shí)驗(yàn)（交替注入0.3 PV復(fù)合體系和0.3 PV空氣，單個(gè)復(fù)合體系段塞或空氣段塞尺寸為0.1 PV），考察泡沫輔助下復(fù)合體系乳化對(duì)稠油驅(qū)替的影響，并與單獨(dú)二元復(fù)合驅(qū)進(jìn)行對(duì)比。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 界面張力

在比較3 種復(fù)合體系驅(qū)油特征之前，應(yīng)確定其能否滿足超低界面張力和良好乳化性能的基本設(shè)計(jì)要求。因此，首先針對(duì)選用的復(fù)合體系，測(cè)試其與稠油的界面張力（圖1）。1#超低界面張力復(fù)合體系和3#雙效復(fù)合體系與稠油的界面張力均能達(dá)到超低水平，為3.0×10-3mN/m；而2#乳化復(fù)合體系與稠油的界面張力為5.1×10-1mN/m。3種復(fù)合體系與稠油的界面張力表現(xiàn)出顯著的不同，符合進(jìn)一步驅(qū)油對(duì)比的需要。此外，盡管超低界面張力有利于減小毛細(xì)管力和稠油在巖石壁面的黏附功，但是對(duì)于稠油復(fù)合驅(qū)，乳化降黏機(jī)理極為關(guān)鍵［21］，需進(jìn)一步對(duì)3種復(fù)合體系的乳化性能加以研究。

圖1 3種復(fù)合體系與稠油的界面張力Fig.1 Interfacial tension between three combination systems and heavy oil

2.2 稠油乳化特征

結(jié)合圖2 和圖3 可見(jiàn)，初始油水充分振蕩混合后，3 種復(fù)合體系均能較好地乳化和分散稠油，形成大量的乳化油滴。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，乳狀液逐漸聚并，不同復(fù)合體系形成乳狀液穩(wěn)定性差異明顯：①析水率特征（圖2）。1#超低界面張力復(fù)合體系60 min 時(shí)最先開(kāi)始析水，析水率上升更快，560 min 后析水率穩(wěn)定在96.4%；2#乳化復(fù)合體系析水最晚，130 min時(shí)開(kāi)始析水，析水率上升最慢，560 min后析水率穩(wěn)定在52.2%；3#雙效復(fù)合體系在80 min 時(shí)開(kāi)始析水，析水率上升速度介于前兩者之間，560 min后析水率為93.3%。②乳狀液微觀形態(tài)（圖3）。乳狀液制備后，高溫70 ℃時(shí)維護(hù)90 min，1#超低界面張力復(fù)合體系形成的乳化油滴顯著聚并成大油滴，甚至是連片分布，這也是其更容易析水的原因。2#乳化復(fù)合體系僅有少量的大油滴出現(xiàn)，大部分油滴保持初始的分散狀態(tài)，能夠更好地穩(wěn)定。3#雙效復(fù)合體系中油滴也發(fā)生了明顯的聚并，但是油滴尺寸較1#超低界面張力復(fù)合體系中的小，且油滴與油滴間即使相互接觸、堆積，也仍有明顯的界面膜存在，未聚并。綜上所述，3 種復(fù)合體系穩(wěn)定稠油乳狀液的能力由弱到強(qiáng)依次為：1#超低界面張力復(fù)合體系、3#雙效復(fù)合體系、2#乳化復(fù)合體系。體系性能符合研究設(shè)計(jì)要求，具備進(jìn)一步驅(qū)油對(duì)比的基礎(chǔ)。

圖2 不同時(shí)間下3種復(fù)合體系所形成的稠油乳狀液析水率Fig.2 Water segregation rates of heavy oil emulsions formed by three combination systems separately at different times

圖3 不同時(shí)間下3種復(fù)合體系所形成的稠油乳狀液微觀形態(tài)Fig.3 Morphology of heavy oil emulsions formed by three combination systems separately at different times

此外，1#超低界面張力復(fù)合體系和3#雙效復(fù)合體系形成稠油乳狀液的穩(wěn)定性較2#乳化復(fù)合體系差，這也說(shuō)明乳狀液的穩(wěn)定性與超低界面張力無(wú)正相關(guān)性，可能更多地取決于油水界面膜的強(qiáng)度［22-23］。超低界面張力甚至不利于乳狀液的穩(wěn)定，因?yàn)椋孩儆退缑婺艿?，界面極易擴(kuò)展，油水界面上局部表面活性劑濃度瞬時(shí)降低，水化膜厚度變薄，不利于乳狀液的穩(wěn)定［24］。②油水界面的擴(kuò)展，增大了油滴碰撞的幾率。③能形成超低界面張力的表面活性劑具有更好的親水親油平衡，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。

2.3 不同性能體系復(fù)合驅(qū)對(duì)比

通過(guò)界面張力、乳化性能研究發(fā)現(xiàn)，3 種復(fù)合體系性能存在顯著差異：1#超低界面張力復(fù)合體系可將油水界面張力減小至超低水平，但穩(wěn)定稠油乳狀液的能力較差；2#乳化復(fù)合體系難以將油水界面張力降低至超低，但能夠更好地穩(wěn)定稠油乳狀液；3#雙效復(fù)合體系油水界面張力能夠達(dá)到超低，對(duì)稠油的乳化性能介于前兩者之間。為了進(jìn)一步確定性能差異（尤其是乳化）對(duì)復(fù)合體系驅(qū)替稠油的影響，首先在水油黏度比為0.045 和0.460 的條件下開(kāi)展驅(qū)油研究（圖4）。

圖4 不同水油黏度比下3種復(fù)合體系的驅(qū)油采收率Fig.4 Oil recoveries of three combination systems at different water-oil viscosity ratios

在水驅(qū)采收率基本不變，含水率達(dá)到98%時(shí)，分別轉(zhuǎn)注0.3 PV 不同性能的復(fù)合體系進(jìn)一步提高采收率。當(dāng)水油黏度比為0.045 時(shí)，3 種復(fù)合體系驅(qū)替稠油的采收率增幅分別為21.2%，24.5% 和27.9%。2#乳化復(fù)合體系驅(qū)油能力較1#超低界面張力復(fù)合體系略微增強(qiáng)，但3#雙效復(fù)合體系具有最強(qiáng)的驅(qū)油能力，是最佳驅(qū)油體系。進(jìn)一步增大水油黏度比至0.460，3 種復(fù)合體系驅(qū)替稠油的采收率增幅分別為33.6%，33.8%和34.5%，3 種復(fù)合體系驅(qū)油效果相近，傳統(tǒng)1#超低界面張力復(fù)合體系即能滿足驅(qū)油要求，無(wú)需選用2#乳化復(fù)合體系或者3#雙效復(fù)合體系。對(duì)比2 個(gè)水油黏度比下的驅(qū)油結(jié)果認(rèn)為，水油黏度比為0.045 時(shí)，復(fù)合體系流度控制能力不足，乳化性能的增強(qiáng)能夠輔助稠油降黏，并通過(guò)乳化油滴的賈敏效應(yīng)擴(kuò)大波及，致使乳化性能相對(duì)較好的2#乳化復(fù)合體系和3#雙效復(fù)合體系具有更好的驅(qū)油效果；而當(dāng)水油黏度比增大至0.460 時(shí)，復(fù)合體系流度控制能力較強(qiáng)，高效驅(qū)油對(duì)體系乳化性能的要求減弱。據(jù)此，可以推斷，當(dāng)水油黏度比從0.045 增大到0.460 時(shí)，存在一個(gè)水油黏度比界限：小于該界限時(shí)，乳化能夠顯著增強(qiáng)復(fù)合體系的驅(qū)油效果；而大于該界限時(shí)乳化對(duì)驅(qū)油的影響顯著減小，甚至可以忽略，無(wú)需過(guò)分強(qiáng)調(diào)乳化，傳統(tǒng)超低界面張力復(fù)合體系即能滿足驅(qū)油要求。為驗(yàn)證上述判斷，同時(shí)確定上述界限值，補(bǔ)充了水油黏度比分別為0.010，0.100 和0.200 條件下的驅(qū)油實(shí)驗(yàn)，模型參數(shù)及采收率結(jié)果匯總?cè)绫?和圖5所示。

由表2 和圖5 可見(jiàn)，隨著水油黏度比增大，3 種復(fù)合體系驅(qū)油采收率增幅均先快速升高，后逐漸減緩。更為關(guān)鍵的是，3 種復(fù)合體系的采收率差異越來(lái)越小，存在一個(gè)水油黏度比界限為0.200：①當(dāng)水油黏度比小于該界限，為0.010，0.045和0.100時(shí)，1#超低界面張力復(fù)合體系驅(qū)油采收率增幅分別為15.9%，21.2%和26.0%；2#乳化復(fù)合體系采收率增幅分別為17.1%，24.5% 和27.3%，較1#高1.2%，3.3%和1.3%，乳化復(fù)合體系僅略優(yōu)于傳統(tǒng)超低界面張力復(fù)合體系；3#雙效復(fù)合體系采收率增幅分別為20.6%，27.9%和29.6%，較1#高4.7%，6.7%和3.6%。在超低界面張力基礎(chǔ)上增強(qiáng)體系乳化性能，能夠明顯改善驅(qū)油效果。因此，在該水油黏度比下，乳化對(duì)稠油復(fù)合驅(qū)具有較明顯的貢獻(xiàn)。②當(dāng)水油黏度比大于等于該界限，為0.200 和0.460 時(shí)，3 種復(fù)合體系驅(qū)油采收率增幅分別為29.7%，30.0%，31.7%和33.6%，33.8%，34.5%，3種復(fù)合體系驅(qū)油效果相差較小，乳化的貢獻(xiàn)減小，甚至可以忽略，復(fù)合體系設(shè)計(jì)中無(wú)需過(guò)分強(qiáng)調(diào)乳化。

圖5 不同水油黏度比下3種復(fù)合體系采收率增幅Fig.5 Oil recovery increments of three combination systems at different water-oil viscosity ratios

表2 復(fù)合體系驅(qū)油模型參數(shù)及采收率結(jié)果Table2 Parameters of models for combination flooding and corresponding oil recoveries

2.4 不同性能體系泡沫復(fù)合驅(qū)油對(duì)比

不同水油黏度比下的復(fù)合體系驅(qū)油結(jié)果（圖5）同時(shí)證明，增大水油黏度比和擴(kuò)大波及對(duì)稠油化學(xué)驅(qū)至關(guān)重要。因此，研究中考慮通過(guò)水氣交替的方式引入泡沫（交替注入0.3 PV 復(fù)合體系和0.3 PV 空氣，單個(gè)復(fù)合體系段塞或空氣段塞尺寸為0.1 PV），輔助復(fù)合體系擴(kuò)大對(duì)稠油的波及。在水油黏度比分別為0.010，0.045，0.100，0.150 和0.460 時(shí)，開(kāi)展了不同性能體系泡沫復(fù)合驅(qū)油實(shí)驗(yàn)，判斷泡沫輔助下復(fù)合體系乳化對(duì)稠油驅(qū)替的影響，并與單獨(dú)復(fù)合體系驅(qū)油對(duì)比。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥?shù)及采收率結(jié)果如表3和圖6所示。

表3 泡沫復(fù)合驅(qū)模型參數(shù)及采收率結(jié)果Table3 Parameters of models for foam combination flooding and corresponding oil recoveries

圖6 不同水油黏度比下3種泡沫復(fù)合體系驅(qū)油采收率增幅Fig.6 Oil recovery increments of three foam combination systems at different water-oil viscosity ratios

隨著水油黏度比的增大，3 種泡沫復(fù)合體系采收率增幅的差異逐漸減小，水油黏度比界限為0.150：①當(dāng)水油黏度比小于該界限，分別為0.010，0.045 和0.100 時(shí)，1#超低界面張力泡沫復(fù)合體系驅(qū)油采收率增幅分別為25.6%，31.6%和37.8%；2#乳化泡沫復(fù)合體系驅(qū)油采收率增幅分別為21.6%，27.2%和32.6%，較1#采收率增幅低，1#超低界面張力泡沫復(fù)合體系驅(qū)油效果強(qiáng)于2#乳化泡沫復(fù)合體系，后者不能替代前者；3#雙效泡沫復(fù)合體系驅(qū)油采收率增幅分別為34.8%，40.0%和40.7%，較1#高9.2%，8.4%，2.9%；可見(jiàn)，在超低界面張力基礎(chǔ)上增強(qiáng)體系乳化性能，能夠明顯改善驅(qū)油效果。因此，在該水油黏度比下，乳化對(duì)稠油泡沫復(fù)合驅(qū)具有較明顯的貢獻(xiàn)。②當(dāng)水油黏度比大于等于該界限，分別為0.150 和0.460 時(shí)，1#，2#和3#泡沫復(fù)合體系驅(qū)油采收率增幅分別為38.3%，38.2%，40.7% 和39.4%，39.2%，41.0%，3種泡沫復(fù)合體系驅(qū)油效果相差較小，乳化的貢獻(xiàn)較小，泡沫復(fù)合體系設(shè)計(jì)中不應(yīng)過(guò)分強(qiáng)調(diào)乳化性能。

此外，對(duì)比復(fù)合驅(qū)（表2，圖5）和泡沫復(fù)合驅(qū)（表3，圖6）可見(jiàn)：①泡沫的引入確實(shí)能夠顯著提高稠油采收率，以水油黏度比0.010 為例，1#，2#，3#復(fù)合體系驅(qū)油采收率增幅分別為15.9%，17.1%，20.6%，而泡沫復(fù)合體系分別為25.6%，21.6%，34.8%，顯著高于前者，相差幅度為9.7%，4.5%，14.2%，這說(shuō)明泡沫復(fù)合驅(qū)在稠油驅(qū)替方面極具潛力。②與單一復(fù)合體系相比，泡沫復(fù)合體系驅(qū)替稠油對(duì)體系乳化性能的要求降低，能夠?qū)⑷榛阅芤蟮慕缦迯乃宛ざ缺葹?.200減小至0.150。

3 結(jié)論

乳化降黏對(duì)稠油復(fù)合驅(qū)的影響存在以水油黏度比0.200 為界限的2 個(gè)不同區(qū)域：小于該界限時(shí)，乳化復(fù)合體系和雙效復(fù)合體系強(qiáng)于單一超低界面張力復(fù)合體系，乳化能夠在一定程度上增強(qiáng)復(fù)合體系對(duì)稠油的驅(qū)替效果；大于等于該界限時(shí)，3 種復(fù)合體系驅(qū)油效果相近，乳化對(duì)驅(qū)油的貢獻(xiàn)顯著減小，甚至可以忽略。泡沫復(fù)合驅(qū)較單獨(dú)復(fù)合體系驅(qū)采收率增幅顯著提高，是極具潛力的稠油驅(qū)替方式，并且其可將稠油驅(qū)替對(duì)復(fù)合體系乳化性能的要求界限即水油黏度比從0.200減小到0.150。在稠油復(fù)合驅(qū)中，應(yīng)依據(jù)水油黏度比的差異，確定對(duì)復(fù)合體系性能的要求，而不是一味強(qiáng)調(diào)體系的乳化性能。