基于乳化性能设计的驱油用新型三元复合体系评价

尚丹森，侯吉瑞，马云飞

(1.中国石油大学(北京) 提高采收率研究院，北京 102249； 2.中石油三次采油重点实验室 低渗油田提高采收率应用基础理论研究室，北京100083； 3.石油工程教育部重点实验室，北京 102249)

引 言

三元复合驱在中国发展迅速，在大庆、胜利、河南等油田开展的先导试验，以及在大庆油田开展的工业化应用结果有力证明了三元复合驱是一种提高采收率的有效方法。一般认为，要大幅度提高原油采收率，就必须使油水界面张力达到超低水平(10-3mN/m)。但碱-活性剂-聚合物(ASP)三元复合体系在地层运移的过程中，其有效组分会发生物理和化学吸附、机械捕集、相分离、 弥散、沉淀、降解等损失[1-4]，使三元复合体系超低界面张力性质变得脆弱且易被破坏，减小了超低界面张力在地层中发挥作用的范围。有研究表明，超低界面张力性能仅能维持井距的前20%距离，作用距离十分有限[5-8]。同时，大量的矿场试验和室内研究表明，复合体系对原油的乳化作用也是提高采收率的关键因素[9-13]。近年来，对于表面活性剂的乳化作用研究较多，且研究中所用的表面活性剂大都能使油水界面张力达到超低水平。而三元复合体系不仅包含表面活性剂，同时还包含碱和聚合物。碱和聚合物对复合体系乳化性能的影响不可忽视。目前，针对界面张力非超低(10-3mN/m数量级以上)的三元复合体系的乳化性能对提高采收率的作用鲜有研究。为此，笔者提出了一种将碱、聚合物、表面活性剂对复合体系乳化性能的影响综合起来考察复合体系乳化性能的方法，并研究了界面张力非超低(10-3mN/m数量级以上)的三元复合体系这一有机整体的乳化性能对提高采收率的作用和机理。

1 实验材料、仪器及方法

1.1 实验材料和仪器

表面活性剂：OP-10，非离子表面活性剂，分析纯；重烷基苯磺酸盐HABS，大庆油田采油二厂提供，有效含量为50%。

聚合物：北京恒聚公司生产，相对分子质量分别为2 000×104、2 500×104；水解度25%，固含量88%。

实验用油：大庆采油二厂脱气脱水原油与煤油配制而成的模拟油，在45 ℃、转速6 r/min的条件下其黏度为7.9 mPa·s。

实验用水：模拟地层水，其矿化度为6 778 mg/L，离子组成见表1。

实验用三元复合体系配方及相关性能见表2。

碱剂和石油醚均为分析纯。

实验所用人工填砂管的直径和长度分别为25 mm和1 500 mm，油砂目数40～200目不等，按照一定比例装填，以获得不同的渗透率。

实验仪器：HW-Ⅱ型恒温箱，恒速恒压泵，活塞中间容器，压力传感器，Texas-500型旋滴界面张力仪，布氏黏度计，IKA T10高速分散机，TURBISCAN AGS多重光散射仪，光化学刻蚀技术制成的微观模型，生物倒置显微镜等。

表1 模拟地层水矿物离子含量Tab.1 Mineral ion content of simulation formation water

表2 实验用三元复合体系配方及相关性能Tab.2 Formula and properties of different ASP systems

1.2 实验方法

界面张力测定 在45 ℃的条件下，用界面张力仪测定OP-10、重烷基苯磺酸盐以及二者按不同比例复配后的溶液与模拟油之间的界面张力。

乳化力测定 使用模拟地层水配置三元复合体系，取配置好的50 mL三元复合体系与50 mL模拟油混合，使用分散机在10 000 r/min的转速下搅拌10 min后形成乳状液，静止分层后，将乳化层分离，置于烧杯中，用移液管吸取10 mL乳状液，移至另一个分液漏斗中，用50 mL石油醚，分3次萃取，之后用分光光度计测定萃取液的光密度值，再根据标准曲线得到相应的油的含量，计算三元复合体系的乳化力，即

Ce=Vo/VASP。

(1)

式中：Ce为三元复合体系的乳化力；VASP为三元复合体系的体积，mL；Vo为三元复合体系在实验条件下所乳化的油的体积，即乳化层中油的体积，mL。乳化力越大，说明三元复合体系的乳化能力越强。

复合体系整体乳化性能参数[14-15]

(2)

式中，Ie为复合体系整体乳化性能参数。Ie越大，说明复合体系整体乳化性能越好。

宏观驱油实验步骤：①填制1 500 mm人工填砂管，抽真空，饱和模拟地层水，计算孔隙体积和孔隙度，并水测渗透率；②饱和模拟油，老化48 h，并计算含油饱和度；③水驱至出口含水98%以上，转注0.3 PV三元复合体系，后续水驱至出口含水98%以上止。以上过程均在45 ℃恒温箱中进行，驱替速度为0.4 mL/min。

微观驱油实验步骤：①抽真空，饱和模拟地层水，饱和模拟油；②水驱20 min，建立束缚水饱和度；③注入配方3，并在显微镜下观察驱油过程。本实验驱替速度为0.005 mL/min。

2 实验结果与分析

2.1 三元复合体系油水界面张力

具有两亲结构特征的表面活性剂能够轻易地吸附、定向在固液、液液界面，从而降低界面张力σ，减小黏附功[16-17]，使驱替液更易剥离岩石表面的剩余油，进而提高采收率。

从图1可以看出，在很宽的碱浓度范围内(质量分数0.3%～1.2%)，HABS均能使油水界面张力达到超低水平(10-3mN/m数量级)，当碱质量分数为0.8%时，油水界面张力值达到最低，其值为0.002 7 mN/m；对于OP-10而言，随着碱浓度的增加，油水界面张力值呈现下降的趋势，但OP-10所能使油水界面张力达到的最低值为0.311 2 mN/m；在固定碱质量分数为0.3%、表面活性剂质量分数为0.3%时，当表面活性剂全由HABS组成时，油水界面张力可达到超低水平(10-3mN/m数量级)，其大小为0.007 7 mN/m；随着表面活性剂组成中OP-10所占比例的增大，油水界面张力显著增大，最高可达0.638 4 mN/m(10-1mN/m数量级)，此时表面活性剂全由OP-10组成。

图1 三元复合体系与原油间的界面张力关系Fig.1 Influence of mass fraction of ASP system components on IFT between the system and crude oil

2.2 三元复合体系乳化性能

表3 不同三元复合体系的乳化力、乳状液稳定性和整体乳化性能参数Tab.3 Emulsifying capacity, emulsion stability and overall emulsifying property of different ASP systems

从图2可以看出，使用2种配方制成的乳状液的类型均为水包油型(O/W)，且配方1形成的乳状液的粒径明显小于配方2形成的乳状液的粒径。粒径越小，说明复合体系的乳化力越强，乳化稳定性越好，复合体系整体表现出的乳化性能越优异。这也从另一个方面证明了配方1的乳化性能优于配方2。此结果与表2反映出的内容相吻合。

图2 乳状液的微观形态(400倍)Fig.2 Microscopic morphology of emulsions of different formula (×400)

2.3 三元复合体系提高采收率效果及机理分析

尽管超低界面张力是提高采收率的重要因素，但其并不是唯一的决定因素，复合体系对原油的乳化作用也是提高采收率的一个重要因素[9-13]。配方2为常用的常规三元复合体系(超低界面张力体系)，而配方1虽然不能使油水界面张力降至超低水平，但其整体乳化性能优异。分别使用配方1和配方2进行驱油实验，对比其驱油效果。

从图3可以看出，水驱后，无论是注入配方1，还是注入配方2，注入压力均显著增大，含水率维持不变；在后续水驱阶段，二者的采收率小幅度稳步提高直至平稳，但注入压力和含水率出现明显差异。在3种渗透率条件下分别注入配方1，其后续水驱阶段的压力整体呈下降趋势，但在下降过程中出现较大波动；含水率整体呈上升趋势，但在上升过程中也出现不同程度的波动。同时亦不难发现，在后续水驱阶段，压力的波动和含水率的波动之间是相互联系的，压力出现上升波动的时候正是含水率出现下降波动的时候；渗透率越低，压力和含水率的波动越明显。反观配方2，则未观察到其含水率和注入压力在后续水驱阶段的波动情况。

这是因为配方1的整体乳化性能优于配方2，更容易乳化填砂管中原油，且形成的乳状液粒径较小，稳定性好，随着乳状液颗粒在部分孔道中的堆积，局部阻力相应增大，注入压力产生小幅增长，随着乳状液的采出和堆积的乳状液颗粒被后续水驱破坏，局部阻力相应减小，注入压力继续下降，这样注入压力就产生了波动。渗透率越小，乳状液颗粒越容易产生堆积，且已经发生堆积的乳状液颗粒越不易被破坏，因此注入压力波动更明显。每当压力出现波动，含水率也发生波动。注入压力能够宏观地反映地层中的阻力，当压力波动出现上升时，意味着阻力增大，注入压力需要升高以克服此阻力。压力升高有3种可能：第一，原有的相对高渗的通道被乳状液颗粒封堵，后续注入的驱替剂被迫进入到阻力更大的相对低渗的区域；第二，原有的相对高渗的通道被乳状液颗粒封堵，后续注入的驱替剂需要更高的压力来破坏封堵；第三，前两种原因均存在。若是第一种原因或第三种原因，则含水率应该表现出下降反应；若是第二种原因，则含水率不发生变化。而观察图3(a)不难发现，压力上升的时候往往出现含水率下降，这说明压力的升高应该是第一种原因或第三种原因，无论是哪种原因，均意味着后续注入的驱替剂被迫进入到相对低渗的区域，也就是说压力的升高反映出波及体积的扩大。同时注意到，压力下降的时候往往出现含水率上升，这意味着之前被乳状液颗粒封堵的通道被部分破坏。注入压力和含水率的波动，反映出注入配方1后，配方1与原油相互作用所形成的乳状液扩大了波及体积。

从表4可以看出，在渗透率相当的情况下，配方1提高采收率的幅度均高于配方2，最多可达5%左右。这是因为采收率取决于波及体积和波及范围内的洗油效率，乳状液在运移过程中既能够依靠乳状液颗粒的堆积来封堵部分大孔道，增大局部阻力效应，迫使液流转向，起到调剖作用，扩大波及体积，又能够将孔道中的原油乳化，发挥乳化携带的作用，从而提高微观洗油效率[13-15]。配方1既扩大了波及体积，又提高了洗油效率，因而提高采收率的幅度较配方2更大。

由表4还可以看出，在渗透率相当的情况下，配方1的残余阻力系数高于配方2，且渗透率越小，配方1的残余阻力系数越高，配方1与配方2残余阻力系数相差越大。这是因为配方1与剩余油形成乳状液后，乳状液颗粒堆积并封堵部分大孔道，致使局部阻力增大，且乳状液颗粒并不能完全被后续水驱驱替出来，因此配方1的残余阻力系数较配方2更大；渗透率越小，乳状液颗粒在孔隙中的运移越困难，越不容易通过孔喉，相比高渗条件，乳状液颗粒在低渗条件下更易滞留在孔隙中，因此低渗条件下的残余阻力系数更大，且渗透率越小，配方1和配方2的残余阻力系数相差越大。

图3 不同三元复合体系的驱油动态Fig.3 Displacement dynamic of different ASP systems

表4 不同三元复合体系的驱油效果Tab.4 Oil displacement effect of different ASP systems

2.4 三元复合体系微观洗油效率

在采用光化学刻蚀技术制成的微观模型上开展驱油实验，以观察乳化性能优良的复合体系的乳化作用对洗油效率的影响。由于体系的黏度过高会导致其无法注入微观模型，因此必须降低聚合物的浓度。配方3是配方1降低聚合物浓度后的配方，以配方3注入微观模型，可以保证复合体系顺利注入。

由图4(a)可知，水驱后该位置形成了盲端残余油。图中红色箭头表示来流方向。乳状液流经此地时，与盲端残余油相互作用，通过挤压盲端残余油的上部和就地乳化部分原油，部分盲端残余油被剥离形成较大的油珠和较小的乳状液颗粒，如A所示，随着源源不断的乳状液流经该处，之前被剥离下来的较大的油珠被进一步分散成较小的油珠，同时，盲端上部被乳化的残余油增多，乳状液颗粒数目显著增多，如B所示。乳状液不断地挤压着盲端残余油的界面，使其变形，进而被乳状液“刮”下来并被乳化形成乳状液。在乳状液的作用下，盲端残余油顶端变平变薄，残余油被启动，洗油效率得以提高。

由图4(b)可知，水驱后该位置形成了簇状残余油。图中红色箭头表示来流方向。注入复合体系后，残余油与复合体系相互作用产生的乳状液运移至此，簇状残余油的左端被乳状液挤压变形，部分残余油被“刮”下来，再加上三元复合体系的作用，左端的残余油不断被乳状液刮下来并生成新的乳状液，新的乳状液一部分被后续流体带走，一部分继续滞留在左端与簇状残余油发生相互作用，随着乳状液对残余油的侧向挤压作用和新的乳状液的生成，左端的残余油逐渐变少，原本充满残余油的左端被大量产成的乳状液颗粒占据，乳状液向着簇状残余油的中部推进，不断向右挤压残余油，并与残余油发生相互作用，最终导致簇状残余油从左往右逐渐都被“刮”下来然后被乳化，当右端的残余油被乳化后，大部分簇状残余油被启动，最终只残留下少部分乳状液颗粒。在乳状液的作用下，簇状残余油被启动，洗油效率得以提高。

图4 乳化作用对洗油效率的影响Fig.4 Effect of emulsifying on oil displacement efficiency

3 结 论

(3)界面张力非超低，但乳化性能优良的配方1提高采收率幅度比常规超低界面张力体系配方2高，且渗透率越高，提高采收率幅度相差越大，最大可达5%左右，在筛选表面活性剂和体系配方时，复合体系的综合乳化性能也应被充分考虑，这不失为一个新的思路。

(4)配方1的残余阻力系数高于配方2，且渗透率越低，配方1的残余阻力系数越高，配方1与配方2的残余阻力系数相差越大。

(5)复合体系对原油的乳化作用对提高采收率具有积极意义，三元复合体系配方1能够通过乳化作用有效地启动盲端残余油和簇状残余油，发挥乳化携带作用，提高洗油效率。

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