低界面張力起泡劑的泡沫性能、油水界面活性及堵水驅(qū)油性能

張 曲，周 妮，鄭繼龍，張 勛

1.中海石油（中國）有限公司上海分公司，上海 200335；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司清潔能源分公司，天津 300459；3.中國石油長慶油田公司第三采油廠，陜西 延安 717500

目前國內(nèi)外各大油田已經(jīng)進(jìn)入高含水開發(fā)期，原油采收率逐年遞減，但儲(chǔ)層剩余油較高，因此尋找一種合理的三次采油技術(shù)日趨迫切［1］。三次采油的主要研究內(nèi)容就是如何利用新技術(shù)提高原油的采收率。三次采油的研究潛力巨大，我國大慶油田在無新探明儲(chǔ)量的情況下，利用三次采油技術(shù)還能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)5.5×107t/a［2］。

泡沫驅(qū)油在油田的二次采油以及三次采油中應(yīng)用極其廣泛。在一定條件下，因?yàn)榕菽哂小岸麓蟛欢滦　⒍滤欢掠汀钡奶攸c(diǎn)，所以它既能擴(kuò)大低滲透率地層的波及體積，達(dá)到高低滲透率地層同步驅(qū)替的效果，又能很好地控制水油流度比［3-6］。另外，泡沫中含一定濃度的表面活性劑（起泡劑主要成分），可有效降低油水界面張力，改善巖石孔隙表面潤濕性，降低毛細(xì)管作用力，提高洗油效率，降低地層殘余油飽和度［7］。因此，泡沫驅(qū)油很有希望成為繼聚合物驅(qū)油、聚合物/表面活性劑驅(qū)油之后更有潛力的驅(qū)油方法。

泡沫驅(qū)油的關(guān)鍵在于尋找一種在復(fù)雜地層環(huán)境中能大量起泡，對(duì)水層具有有效封堵作用，同時(shí)具有降低油水界面張力作用的起泡劑。基于此，本文針對(duì)渤海油田B區(qū)塊的特殊情況優(yōu)選適合該油田的低界面張力型起泡劑，并考察其驅(qū)油特性，以期為后續(xù)的應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 藥劑與儀器

非離子-陰離子型表面活性劑CUDA、非離子-陰離子型表面活性劑AUDB、非離子-陰離子型表面活性劑MBZC，長江大學(xué)。

CS505 型恒溫水浴鍋，天津科諾儀器設(shè)備有限公司；FB124型電子天平，上海上天精密儀器有限公司；TX-500C型旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀，上海隆拓儀器設(shè)備有限公司；85-2 型恒溫磁力攪拌器，上海司樂儀器有限公司；Teclis 泡沫掃描儀，法國泰克立斯界面有限公司。

實(shí)驗(yàn)用水為渤海B 油田注入水，礦化度7 052.28 mg/L，相關(guān)水質(zhì)資料見表1。

實(shí)驗(yàn)用油是取自渤海B 區(qū)塊的產(chǎn)出油，在80 ℃條件下原油黏度為3.89 mPa·s。

1.2 泡沫性能評(píng)價(jià)方法

以渤海油田B 區(qū)塊的注入水為溶劑配制60 mL 的低界面張力起泡劑溶液，在水浴加熱15 min后，取起泡劑溶液置于泡沫掃描儀泡沫筒，采用N2鼓吹起泡后進(jìn)行泡沫性能測(cè)試。按照泡沫綜合指數(shù)（F）［8］來表征發(fā)泡劑的起泡能力、穩(wěn)泡能力以及泡沫衰減的過程，即用式（1）來具體表征。

式中：F為泡沫綜合指數(shù)，t0為泡沫達(dá)到最大發(fā)泡體積所用時(shí)間，t為泡沫的半衰期，f（x）為發(fā)泡高度曲線。

當(dāng)5 000≤F＜10 000 mL·min時(shí)，泡沫流體屬于中等強(qiáng)度泡沫流體；當(dāng)F≥10 000 mL·min 時(shí)，泡沫流體屬于高強(qiáng)度泡沫流體。

1.3 油水界面張力測(cè)定

油水界面張力的測(cè)定參照文獻(xiàn)［9］的相關(guān)方法。用電子天平稱取適量表面活性劑樣品，以渤海B 區(qū)塊注入水為溶劑配制一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的表面活性劑溶液；用恒溫水浴鍋在80 ℃條件下加熱表面活性劑溶液15 min 后，用旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀以5 000 r/min測(cè)試表面活性劑溶液與原油間油水界面張力。

1.4 物理模擬驅(qū)油實(shí)驗(yàn)

以0.2 mL/min 的速度對(duì)膠結(jié)巖心進(jìn)行水驅(qū)，至含水率超過95%時(shí)暫停實(shí)驗(yàn)，計(jì)算采收率。

采用泡沫發(fā)生器混合N2與起泡劑溶液產(chǎn)生泡沫，向巖心中注入泡沫繼續(xù)進(jìn)行驅(qū)油實(shí)驗(yàn)，直至注入0.3 PV的泡沫后暫停實(shí)驗(yàn)。

改用水驅(qū)繼續(xù)進(jìn)行驅(qū)油實(shí)驗(yàn)直至含水率達(dá)到95%后停止實(shí)驗(yàn)，計(jì)算采收率。

實(shí)驗(yàn)所用巖心為膠結(jié)巖心，其滲透率為1 244 μm2、孔隙度為25.21%、巖心體積為615 cm3。

2 結(jié)果與討論

2.1 低界面張力起泡劑泡沫性能評(píng)價(jià)及優(yōu)選

泡沫性能直接關(guān)系到起泡劑在地層的封堵效果。目前，油田驅(qū)油用表面活性劑工業(yè)品主要有陰離子型、非離子型和兩性型單獨(dú)或復(fù)配使用，其泡沫性能差別很大［10］。起泡劑的濃度是影響起泡劑活性的重要因素之一，合理的濃度設(shè)置必須使其既具有高效的泡沫特性也具有一定的經(jīng)濟(jì)性，故選擇CUDA、AUDB、MBZC 這3 種非離子-陰離子型起泡劑，在其質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.10%、0.12%、0.14%和0.16%時(shí)，評(píng)價(jià)這3 種起泡劑發(fā)泡量、半衰期、泡沫綜合指數(shù)等性能。

2.1.1 起泡劑用量對(duì)發(fā)泡量的影響

3 種起泡劑在不同用量下的發(fā)泡量測(cè)試結(jié)果如圖1所示。

由圖1 可知：3 種起泡劑的用量低于0.20%時(shí)，隨著起泡劑用量的增加，3 種起泡劑的發(fā)泡量逐漸降低，但始終保持在110 mL 以上，且3 種起泡劑的發(fā)泡量相差不超過12 mL，說明所選的3種起泡劑發(fā)泡性能良好。起泡劑的發(fā)泡量隨其用量的增加而表現(xiàn)出下降趨勢(shì)，原因可能是隨著起泡劑用量的增加，起泡劑分子在泡沫表面的負(fù)載量過高，因此需要提供更加充足的體系能量來支撐該泡沫體系，而且在58 ℃條件下的體系能量低于高濃度起泡劑發(fā)泡的最低閾值，泡沫的蒸發(fā)作用弱于重力作用，引起泡沫體系受力失衡，導(dǎo)致起泡劑的發(fā)泡量降低。

2.1.2 起泡劑用量對(duì)半衰期的影響

3 種起泡劑在不同用量下的半衰期測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

圖2 起泡劑用量對(duì)半衰期的影響

由圖2 可知：隨著起泡劑用量的增加，CUDA型起泡劑的半衰期逐漸降低，而AUDB 型起泡劑的半衰期逐漸升高，MBZC 型起泡劑的半衰期先上升后下降，這可能是由于不同起泡劑具有不同的臨界膠束濃度（CMC）。當(dāng)起泡劑的用量較少時(shí)，起泡劑分子在氣液界面的吸附量較少且在氣液界面上的排布分散，導(dǎo)致起泡劑的起泡性與穩(wěn)泡性較差。隨著起泡劑用量的增加，起泡劑分子在氣液界面上的密度逐漸升高，起泡劑的起泡性與穩(wěn)泡性隨之上升，起泡劑分子在氣液界面的吸附量增大，從而穩(wěn)定性增強(qiáng)。當(dāng)起泡劑用量達(dá)到CMC 值后，起泡劑分子吸附在氣液界面的飽和度達(dá)到極值，再繼續(xù)提高起泡劑的用量，溶液中過剩的起泡劑分子會(huì)自發(fā)形成膠團(tuán)，無法起到增強(qiáng)起泡劑泡沫性能的作用。與此同時(shí)，過飽和的起泡劑分子會(huì)使界面膜上液體的遷移作用減弱因而液體流失加強(qiáng)，導(dǎo)致泡沫的穩(wěn)定性減弱［11］。其中AUDB 型起泡劑在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.16%時(shí)，半衰期達(dá)到106 min，穩(wěn)定性極好，超過目前市面上大多數(shù)類型的低界面張力型起泡劑。

2.1.3 起泡劑用量對(duì)泡沫綜合指數(shù)的影響

泡沫綜合指數(shù)是最直接反映起泡劑泡沫性能的參數(shù)。其值越高，泡沫性能越好。3 種起泡劑在不同用量下的泡沫綜合指數(shù)測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖3 起泡劑用量對(duì)泡沫綜合指數(shù)的影響

由圖3 可知：隨著起泡劑用量的增加，CUDA型起泡劑的泡沫綜合指數(shù)逐漸下降；AUDB 型起泡劑的泡沫綜合指數(shù)逐漸升高，且在質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.16%時(shí)達(dá)到峰值9 762 mL·min；而MBZC 型起泡劑的泡沫綜合指數(shù)先上升后下降。由此可見，AUDB型起泡劑的泡沫強(qiáng)度最高。

2.2 低界面張力起泡劑油水界面活性評(píng)價(jià)及優(yōu)選

起泡劑的油水界面活性對(duì)起泡劑改變地層巖石的潤濕性以及洗油效果產(chǎn)生重大影響。起泡劑的油水界面張力越低，表示起泡劑的油水界面活性越好，但過低的油水界面張力也會(huì)增大地面采出原油油水分離的困難程度，若要采取其他工藝實(shí)現(xiàn)油水分離則會(huì)直接導(dǎo)致后期經(jīng)濟(jì)成本的增加。目前，油水界面張力為0.001～0.05 mN/m 時(shí)，起泡劑既具有良好的油水界面活性，也能保證后期采出原油較易實(shí)現(xiàn)油水分離，從而降低開采成本，因此需要對(duì)3 種起泡劑的油水界面活性進(jìn)行擇優(yōu)。3 種起泡劑的油水界面張力測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

圖4 起泡劑用量對(duì)油水界面張力的影響

由圖4 可知：隨著起泡劑用量的增加，3 種起泡劑的油水界面張力逐漸降低，且在質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.16%時(shí)，油水界面張力降低到最低值，其中AUDB 與MBZC 型起泡劑的油水界面張力均低于0.02 mN/m，達(dá)到低界面張力驅(qū)油的要求。

2.3 低界面張力起泡劑驅(qū)油效果評(píng)價(jià)

綜合考慮3 種起泡劑的泡沫性能與油水界面活性，AUDB 型起泡劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.16%時(shí)的起泡體積達(dá)122 mL、半衰期達(dá)106 min、泡沫綜合指數(shù)達(dá)9 762 mL·min、油水界面張力達(dá)0.013 7 mN/m，綜合性能超過其他兩種起泡劑且完全具備低界面張力驅(qū)油的能力。故選擇AUDB型起泡劑進(jìn)行低界面張力驅(qū)油試驗(yàn)，結(jié)果見表2。

表2 AUDB型起泡劑驅(qū)油效果

由表2 可知：在注入泡沫前，采出液的含水率達(dá)到95.3%，在向膠結(jié)巖心中注入0.3 PV 的泡沫流體后含水率顯著下降到70.5%，注入泡沫流體前后壓差達(dá)0.104 MPa，說明AUDB 型起泡劑混合氮?dú)庑纬傻呐菽哂辛己玫姆舛滦Ч?。注入泡沫流體后，采收率明顯提高，由42.7%提高至53.1%，說明AUDB型起泡劑具有良好的洗油效果。

3 結(jié)論

1） 比較CUDA、AUDB 和MBZC 這3 類低界面張力起泡劑的泡沫性能，在溫度58 ℃、礦化度7 052.28 mg/L 的條件下，AUDB 型起泡劑在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.16%時(shí)，起泡體積達(dá)122 mL、半衰期達(dá)106 min、泡沫綜合指數(shù)達(dá)9 762 mL·min，說明該起泡劑的綜合性能較其他2種起泡劑更優(yōu)。

2） 在溫度58 ℃、礦化度7 052.28 mg/L的條件下，CUDA、AUDB 和MBZC 這3類低界面張力起泡劑的油水界面張力隨著起泡劑濃度的提高而降低，且當(dāng)起泡劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.16%時(shí)，AUDB與MBZC 型起泡劑的油水界面張力低于0.02 mN/m，具備低界面張力驅(qū)油的能力。

3） AUDB型起泡劑具有良好的封堵能力和吸油能力，向巖心注入0.3 PV 的AUDB 型起泡劑后，注入泡沫流體前后的壓差達(dá)0.104 MPa；含水率由95.3%顯著降至70.5%，含水率下降了24.8%；采收率由42.7% 提高至53.1%，采收率提高了10.4%。