大慶稠油耐高溫起泡復(fù)配體系室內(nèi)評價(jià)研究

徐慶，李達(dá)，張德龍，李景偉

大慶頭臺油田開發(fā)有限責(zé)任公司，黑龍江 大慶 163000

目前世界上超過80%的稠油是通過注蒸汽技術(shù)開發(fā)，但由于稠油與蒸汽密度和黏度的差異，蒸汽在注入過程中易形成井間汽竄[1-3]。但是三次采油中普遍使用的高分子聚合物在高溫條件下容易降解。而CO2或N2泡沫的賈敏效應(yīng)可以封堵高滲孔道，提高蒸汽波及體積，同時(shí)氣體和起泡性表面活性劑具備乳化降黏及降低油水界面張力的作用，在各大油田稠油開采中廣泛應(yīng)用[4-7]。

大慶稠油經(jīng)過近30年的熱采開發(fā)，汽竄井?dāng)?shù)逐年增加，年汽竄井占比在20%左右，其中重復(fù)汽竄井占比達(dá)到68.2%，成為制約吞吐開發(fā)的主要矛盾之一。為了尋找適合大慶稠油的耐高溫高效起泡劑，對6種國內(nèi)常見表面活性劑進(jìn)行起泡性能以及乳化性能室內(nèi)實(shí)驗(yàn)評價(jià)，從中挑選出起泡性能佳和乳化性能好的表面活性劑，按一定比例復(fù)配得到了2種乳化性能好、耐溫耐鹽抗油的高效起泡體系，體系配方為0.08%APG0810+0.32%AOS和0.1%APG0810+0.4%甜菜堿(配方中的百分?jǐn)?shù)為質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)。其中APG0810+AOS起泡性能優(yōu)于APG0810+甜菜堿，APG0810+甜菜堿驅(qū)油能力優(yōu)于APG0810+AOS，可以根據(jù)現(xiàn)場汽竄程度進(jìn)行暫堵調(diào)剖體系的選擇。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

1)試劑。大慶葡南地層稠油，模擬地層水(NaHCO3型)；甜菜堿兩性表活劑、石油磺酸鹽陰離子表活劑，大慶油田；烷醇酰胺非離子表活劑、脂肪醇聚氧乙烯醚羧酸(AEC-9H)陰非離子表活劑、α-烯基磺酸鈉(AOS)陰離子表活劑和烷基糖苷(APG0810)非離子表活劑，成都市科龍化工試劑廠。

2)儀器。旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，Brookfield DV-Ⅲ + Pro，美國Brookfield公司；徠卡顯微鏡，DM LB2，德國徠卡公司；旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀，SDT，德國KRUSS公司；潤濕角測定儀，HARKE-SPCA，北京哈科試驗(yàn)儀器廠；紫外/可見分光光度計(jì)，UV-1800，日本島津公司；電動攪拌機(jī)，JJ-1B，海安石油科研儀器有限公司；水浴鍋，DFD-700，海安石油科研儀器有限公司；電子天平，ESJ110-4A，沈陽龍騰電子有限公司；攪拌器，Waring Blender，上海愛澤工業(yè)設(shè)備有限公司。

1.2 評價(jià)方法

參照標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6955—2013《注蒸汽泡沫提高石油采收率室內(nèi)評價(jià)方法》、SY/T 0601—2009《水中乳化油、溶解油的測定》、SYT 5370—1999《表面及界面張力測定方法》、SY/T 5153—2017《油藏巖石潤濕性測定方法》、GB/T 7494—1987《水質(zhì)陰離子表面活性劑的測定》對單劑和復(fù)配體系進(jìn)行起泡性能、乳化性能、界面張力和靜態(tài)吸附性能室內(nèi)實(shí)驗(yàn)評價(jià)。

1)泡沫制備及表征。將100 mL的某種表面活性劑溶液倒入Waring Blender攪拌機(jī)中，常溫下以6 000 r/min轉(zhuǎn)速攪拌1 min，制備好的泡沫倒入1 L量筒中，常溫下量取起泡體積，測定泡沫析液半衰期判斷泡沫穩(wěn)定性，并用金相顯微鏡觀察泡沫的微觀結(jié)構(gòu)。

2)乳液制備及表征。將30 mL的某種表面活性劑溶液與30 mL油樣在燒杯中混合，在50 ℃下采用電動攪拌機(jī)500 r/min攪拌5 min。采用滴定法判斷乳液類型；采用Brookfield DV-Ⅲ+Pro旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)在50 ℃條件下測定乳液黏度。

3)界面張力測定。采用旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀測定油樣與不同表面活性劑溶液的界面張力。

4)潤濕角測定。將制備的親油載玻片浸于表面活性劑體系中，放置48 h后采用HARKE-SPCA接觸角測定儀測定載玻片/原油/注入水的三相接觸角。

5)靜態(tài)吸附測定。將40～80目的石英砂與表面活性劑體系溶液按照固液質(zhì)量比1∶10混合均勻后放入50 ℃恒溫烘箱。靜置7 d后取上層溶液離心，取上層清液采用UV-1800紫外分光儀測量吸光度，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算此時(shí)溶液的濃度。

2 起泡劑體系的優(yōu)選

2.1 單劑起泡性能和乳化性能評價(jià)

將6種表面活性劑按照0.5%的質(zhì)量分?jǐn)?shù)配制溶液150 mL，其中100 mL用于起泡實(shí)驗(yàn)，50 mL用于乳化實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果(見表1)表明，APG0810和AOS常溫未老化起泡體積分別為680 mL和710 mL，析液半衰期為426 s和372 s，120 ℃老化后起泡體積分別為720 mL和520 mL，析液半衰期為196 s和147 s，起泡性和穩(wěn)定性較好，且乳化后均能形成低黏的O/W型乳液。甜菜堿起泡體積和半衰期高溫下有所增加，耐溫性較好，形成低黏的O/W型乳液。而石油磺酸鹽起泡性差，烷醇酰胺、AEC-9H形成高黏的W/O型乳液。因此優(yōu)選AOS、APG0810和甜菜堿進(jìn)行高效起泡劑體系復(fù)配。

表1 單劑評價(jià)結(jié)果

2.2 高效起泡劑體系復(fù)配

利用AOS、APG0810和甜菜堿在不同質(zhì)量比條件下進(jìn)行復(fù)配。由圖1(a)可以看出，APG0810+AOS在不同質(zhì)量比條件下起泡體積穩(wěn)定，介于620～690 mL之間；隨著質(zhì)量比變化，泡沫半衰期呈上升趨勢，質(zhì)量比為1∶4泡沫半衰期最長，半衰期為484 s。因此優(yōu)選1∶4作為該體系最佳復(fù)配質(zhì)量比。

圖1 復(fù)配體系在不同質(zhì)量比下起泡性能

由圖1(b)可以看出，APG0810+甜菜堿隨著質(zhì)量比的變化，起泡體積逐漸降低，質(zhì)量比為4∶1～1∶1時(shí)泡沫較穩(wěn)定，質(zhì)量比為4∶1時(shí)泡沫半衰期最長，半衰期為396 s。因此優(yōu)選4∶1作為該體系最佳復(fù)配質(zhì)量比。

3 復(fù)配體系評價(jià)

3.1 起泡性能評價(jià)及泡沫穩(wěn)定機(jī)理

在兩種復(fù)配體系最佳質(zhì)量比的條件下，系統(tǒng)評價(jià)了質(zhì)量分?jǐn)?shù)、溫度、含油量和礦化度對起泡性能的影響，并用不同條件下的泡沫微觀分布圖揭示其耐溫耐鹽抗油機(jī)理。

1)穩(wěn)定性。由圖2可以看出，隨著體系質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，兩種復(fù)配起泡體系的起泡體積及析液半衰期呈上升趨勢，但低質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下APG0810+AOS的起泡性和泡沫穩(wěn)定性優(yōu)于APG0810+甜菜堿。這是因?yàn)殡S著質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，兩種復(fù)配體系泡沫粒徑減小，分布變得更加均勻緊密，宏觀上就表現(xiàn)為泡沫析液半衰期增加，泡沫穩(wěn)定性增強(qiáng)[8]。而在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%時(shí)，APG0810+AOS泡沫的微觀分布較APG0810+甜菜堿均勻，因此APG0810+AOS低質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)的起泡性和泡沫穩(wěn)定性較好(見圖3)。

圖2 復(fù)配體系在不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下起泡性能

圖3 復(fù)配體系在不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下的泡沫微觀分布圖

2)抗溫性。由圖4可以看出，隨著溫度的增加，兩種體系起泡體積和析液半衰期先增加后下降。APG0810+AOS的拐點(diǎn)溫度為120 ℃，起泡體積和析液半衰期為700 mL和456 s，溫度為140 ℃時(shí)，起泡體積仍達(dá)到550 mL；APG0810+甜菜堿起泡體積變化不大，介于520～590 mL，析液半衰期介于320～438 mL，說明兩種體系均具備良好的抗溫性，但APG0810+AOS的抗溫性略優(yōu)于APG0810+甜菜堿。這是因?yàn)殡S著溫度的增加，兩種體系的泡沫微觀粒徑先減小后增大，泡沫分布非均質(zhì)性先減弱后增強(qiáng)，導(dǎo)致在一定范圍內(nèi)升高溫度可以增加了泡沫穩(wěn)定性。而溫度從60 ℃到120 ℃，泡沫微觀粒徑規(guī)則排列，表明兩種體系泡沫在不同溫度下均較為穩(wěn)定(見圖5)。

圖4 復(fù)配體系在不同溫度老化后起泡性能

圖5 復(fù)配體系在不同溫度老化后的泡沫微觀分布圖

3)耐油性。由圖6可以看出，隨著含油量的增加，兩種體系的起泡體積和析液半衰期均下降。當(dāng)含油量為5%時(shí)，兩種起泡體系起泡體積分別從700 mL和580 mL下降為430 mL和360 mL，析液半衰期分別由455 s和399 s下降為182 s和157 s；當(dāng)含油量為20%時(shí)，起泡體積分別為225 mL和210 mL。說明兩種起泡體系均有一定的抗油能力，但APG0810+AOS的抗油能力略強(qiáng)于APG0810+甜菜堿體系。這是因?yàn)殡S著含油量的增加，附著在泡沫液膜上的原油越多，從而加速了泡沫的聚并和破裂，使穩(wěn)定性變差。體現(xiàn)為“遇水起泡，遇油消泡”[9-10]，可以針對地下含水的分布，自動調(diào)整泡沫強(qiáng)度，從而調(diào)整蒸汽的波及方向(見圖7)。

圖6 復(fù)配體系在不同含油量條件下起泡性能

圖7 復(fù)配體系在不同含油量條件下的泡沫微觀分布圖

4)抗鹽性。從圖8可以看出，隨著礦化度的增加，兩種體系起泡體積和析液半衰期整體變化不大。APG0810+AOS體系起泡體積有所下降，起泡體積介于550～660 mL，析液半衰期介于335～456 s；APG0810+甜菜堿體系起泡體積有所增加，起泡體積介于560～590 mL，析液半衰期介于349～456 s。兩種體系均具備較好的抗鹽性，APG0810+甜菜堿的抗鹽性優(yōu)于APG0810+AOS。這是因?yàn)殡S著礦化度的增加，APG0810+AOS泡沫粒徑增加，非均質(zhì)性有所增強(qiáng)，泡沫穩(wěn)定性有所下降。而APG0810+甜菜堿不同礦化度條件下泡沫微觀粒徑分布均勻，因此析液半衰期較長，泡沫穩(wěn)定性較好(見圖9)。

圖8 復(fù)配體系在不同礦化度條件下起泡性能

圖9 復(fù)配體系在不同礦化度條件下的泡沫微觀分布圖

3.2 乳化降黏能力評價(jià)及機(jī)理

3.2.1 質(zhì)量分?jǐn)?shù)

從圖10(a)可以看出，與未加體系相比，加入APG0810+AOS和APG0810+甜菜堿體系后形成乳液黏度顯著降低，并且乳液黏度隨著起泡體系質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高而降低。當(dāng)起泡體系質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.7%時(shí)，APG0810+AOS和APG0810+甜菜堿的乳液黏度分別為30 mPa·s和31 mPa·s，降黏率分別為55.9%和54.4%，相差不大。這是因?yàn)榈貙釉途纬筛唣さ腤/O型乳液，而加入0.2%～0.7%的起泡體系后均形成低黏的O/W型乳液(見圖11)，使得乳液黏度降低，可以提高地層原油的流動性，提高驅(qū)油效率[11-12]。

圖10 復(fù)配體系在不同條件下乳液黏度的變化

圖11 復(fù)配體系在不同濃度體系下乳液類型實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.2.2 溫度

從圖10(b)可以看出，隨著溫度增加，兩體系形成的乳液黏度均增加。在高溫條件下，APG0810+甜菜堿體系的降黏效果遠(yuǎn)好于APG0810+AOS體系。這是因?yàn)闇囟仍黾訒绊懕砻婊钚詣┑幕钚訹13-14]，APG0810+AOS體系在60～120 ℃條件下均形成O/W型乳液，而140 ℃時(shí)形成W/O型乳液，溫度高于120 ℃會對其乳化性能產(chǎn)生一定影響；APG0810+甜菜堿體系在60～140 ℃條件下均形成O/W型乳液，因此該體系在不同溫度條件下均能保持良好的乳化性(見圖12)。

圖12 復(fù)配體系在不同溫度老化后乳液類型實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.3 降低界面張力能力評價(jià)

由圖13可以看出，兩體系均可以達(dá)到較低的界面張力，這有利于油水的乳化[15]，降低原油黏度。地層原油和模擬地層水的界面張力為22 mN/m，較大的界面張力不利于油水乳化和驅(qū)油效率的提高[16]。加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的APG0810+AOS體系后，界面張力介于1.36～1.68 mN/m，為100數(shù)量級，降低1個(gè)數(shù)量級；加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的APG0810+甜菜堿體系后，界面張力介于0.22～0.57 mN/m，為10-1數(shù)量級，降低2個(gè)數(shù)量級，降低界面張力能力優(yōu)于APG0810+AOS。

圖13 復(fù)配體系在不同起泡體系質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的油水界面張力變化

3.4 改善潤濕性能力評價(jià)

由圖14可以看出，隨著兩種起泡體系質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，接觸角逐漸增加。APG0810+AOS體系質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.3%后，潤濕角開始大于90°；APG0810+甜菜堿的潤濕性改善能力略強(qiáng)，體系質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.2%后，潤濕角就開始大于90°。巖石潤濕性由油濕轉(zhuǎn)變?yōu)樗疂?，有利于提高?qū)油效率[17]。

圖14 復(fù)配體系在不同起泡體系質(zhì)量分?jǐn)?shù)下潤濕性改善情況實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.5 靜態(tài)吸附性能評價(jià)

從圖15可以看出，隨著起泡體系質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，APG0810+AOS以及APG0810+甜菜堿的吸附量均逐漸增加。當(dāng)起泡體系質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于0.4%時(shí)，APG0810+AOS的靜態(tài)吸附量趨于平穩(wěn)，穩(wěn)定在1.3 mg/g左右。當(dāng)起泡體系質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于0.5%時(shí)，APG0810+甜菜堿的靜態(tài)吸附量穩(wěn)定在1.22 mg/g左右。兩種耐高溫泡沫體系的靜態(tài)吸附量均低于標(biāo)準(zhǔn)的1.5 mg/L。

圖15 復(fù)配體系在不同起泡體系質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的靜態(tài)吸附量

綜合考慮兩種耐高溫起泡劑復(fù)配體系的起泡性能、乳化性能和吸附性能，優(yōu)選APG0810+AOS(1∶4)最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%，起泡體積為700 mL，體系配方為0.08%APG0810+0.32%AOS；優(yōu)選APG0810+甜菜堿(4∶1)最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%，起泡體積為580 mL，體系配方為0.1%APG0810+0.4%甜菜堿。

4 結(jié)論

1)用于起泡體系優(yōu)選的單劑中，APG0810、AOS起泡性較好，AEC-9H起泡性一般，石油磺酸鹽、烷醇酰胺、甜菜堿起泡性較差；此外，APG0810、AOS、石油磺酸鹽、甜菜堿乳化形成低黏的O/W型乳液，AEC-9H、烷醇酰胺乳化形成高黏W/O型乳液。

2)兩種體系發(fā)泡體積均可超過500 mL，耐溫性較好(120～140 ℃)，耐鹽性好(4 000～20 000 mg/L)。具備一定的抗油性，含油量為5%時(shí)起泡體積分別為430 mL和360 mL；含油量為20%時(shí)，起泡體積分別為225 mL和210 mL。

3)兩種復(fù)配體系均具備較好的降低界面張力、改善巖石潤濕性的能力。APG0810+AOS可將界面張力降到100數(shù)量級，APG0810+甜菜堿可將界面張力降到10-1數(shù)量級；質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于0.2%的條件下均能將潤濕性由油濕轉(zhuǎn)變?yōu)樗疂瘛Ｍ瑫r(shí)在地層中的吸附量均低于平均的1.5 mg/g。

4)優(yōu)化得到了兩種耐溫抗油的高效起泡體系，體系配方為0.08%APG0810+0.32%AOS和0.1%APG0810+0.4%甜菜堿。APG0810+AOS起泡性能優(yōu)于APG0810+甜菜堿，APG0810+甜菜堿降黏和降低界面張力能力優(yōu)于APG0810+AOS，可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)剖體系選擇。