基于苯乙烯焦油的水包油乳状液驱油体系的研制与性能评价*

刘冬鑫，张贵才，裴海华，葛际江，蒋 平

（1.中国石油大学（华东）石油工程学院，山东青岛 266580；2.中国石油大庆油田有限责任公司采油工程研究院，黑龙江大庆 163453）

近年来，化学驱油技术已经成为中高渗油藏提高原油采收率的重要方法［1-2］。其中，乳状液驱油是将乳化剂与原油在高速搅拌下形成的水包油型乳状液注入地层，驱替水驱后的残余油［3］。在乳化捕集和乳化携带作用下，乳状液驱油比普通水驱能获得更好的洗油效率和波及系数，有效减少残余油数量，提高原油采收率［4-5］。在高含水油田水驱开发与提高采收率中，乳状液驱已成为一个新的研究方向［6］。

已有许多学者开展了乳状液驱油的研究。Demikhova 等［7］研究表明在高含水油层中，注入含有疏水化合物的乳状液段塞后，累积水油比下降，产油量增加。Karambeigi等［8］在对乳状液驱油效率的研究中表明矿化度、表面活性剂浓度是影响驱油效率的主要因素，乳状液的非牛顿性和界面电势是增大毛细管数和采收率的原因。葛际江等［9］采用纳米SiO2和表面活性剂TA-13 所制备的乳状液驱油，发现乳状液不仅可以降低岩心的渗透率，还对低渗透岩心有着更好的封堵能力，低的乳状液注入速度则更有利于提高原油采收率。周亚洲等［10］发现三管并联岩心驱替中乳状液驱同比水驱可提高采收率16.98%，由于贾敏效应的存在，乳状液在多孔介质中能产生较好的封堵作用，具有较好的流度控制能力，有效防止了高渗透层中的窜流现象。Wei等［11］的岩心驱替实验结果表明，由于分散相油相产生的贾敏效应，乳状液驱的注入压力比水驱高，提高采收率的效果与高匹配系数和乳状液稳定性有关。

苯乙烯焦油作为苯乙烯工业生产的废料，产量多、价格低廉，但利用率不高，多用于燃料燃烧［12-13］。国内对苯乙烯焦油的研究较少，仅作为防水油膏及道路沥青的添加剂材料使用［14］。因此，为了探寻苯乙烯焦油的新用途，提升苯乙烯焦油的经济附加值，同时为油田开发提供一种低成本的原材料，本文进行了苯乙烯焦油制备的水包油型乳状液驱油研究，包括乳状液的配方筛选、乳状液稳定性及流变性评价和乳状液驱油效果评价，为苯乙烯焦油乳状液驱油在高含水后期的现场应用提供理论和实验依据。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

表面活性剂吐温20（Tween-20）、吐温40（Tween-40）、吐温60（Tween-60）、吐温80（Tween-80）、十二烷基磺酸钠（SLS），化学纯，国药集团化学试剂有限公司；月桂醇醚硫酸钠（SLES），含量为70%，江苏省海安石油化工厂；聚氧乙烯醚MOE-20、聚氧乙烯醚MOE-30，含量均为98%，东营同琨石油技术有限责任公司；醇醚硫酸钠（AES），含量70%，自制；聚氧乙烯聚氧丙烯烷基醇醚丙撑磺酸盐（9AS-4-4），含量92.4%，自制；质量浓度为20 g/L的NaCl溶液，自制；燕山石化苯乙烯焦油，50 ℃、7.34 s-1下的黏度为22.7 mPa·s；胜利孤东东一联原油，60 ℃、7.34 s-1下的黏度为184.55 mPa·s；人造柱状均质岩心，直径26 mm，长80 mm，气测渗透率2 μm2。

HH-J2 型数显搅拌水浴锅，常州申光仪器有限公司；DV-Ⅱ+Pro 型旋转黏度计，美国Brookfield 公司；岩心驱油装置，江苏海安石油科研仪器有限公司；ME802 电子天平，瑞士Mettler Toledo 公司；XS-2100型生物显微镜，南京Novel公司。

1.2 实验方法

（1）乳化剂的筛选。采用乳化不稳定系数（IUS）为乳化剂的筛选指标。IUS越小，乳状液越稳定，乳化剂的乳化效果越好。IUS的定义式为：

式中，V（t）—乳化体系分出水相体积与时间变化的函数；t—乳化体系静止时水相分离的时间，h。

（2）乳状液的制备及性能评价。在室温下，将表面活性剂水溶液以500 r/min的速度搅拌，缓慢将苯乙烯焦油加入搅拌器中，再以900 r/min的速度搅拌4 h得到水包油型乳状液。乳状液的性能评价包括粒度分布、稳定性和流变性评价。采用电子显微镜和粒径采集软件测量乳状液的粒度分布情况；在室温下观察乳状液的油水分离情况，计算USI；采用旋转黏度计测量乳状液表观黏度随剪切速率的变化。

（3）岩心驱油实验。将岩心抽真空，饱和水、饱和油；进行一次水驱直至含水率达到98%以上时停止，计算一次水驱采收率；向岩心中注入0.5 PV 的乳状液；再进行二次水驱直至含水率为98%以上时停止，计算二次水驱采收率。

2 结果与讨论

2.1 乳状液驱用表面活性剂的筛选

为了提高乳状液的耐温性及耐盐性，选用了阴、非离子型表面活性剂进行乳化剂的筛选实验。当表面活性剂质量分数为0.3%、水油体积比为5∶5、乳化温度为50 ℃时，其筛选结果如图1 和图2 所示。结果表明：非离子型表面活性剂MOE-20、MOE-30和阴离子型表面活性剂AES、9AS-4-4的乳化效果相对较好，形成的乳状液随时间变化分出的水相体积较少，乳化不稳定系数分别为2.2300、2.3782 和3.9242、1.9017。采用稀释法判断乳状液类型，发现9AS-4-4 形成的乳状液为W/O 型乳状液。因此，选用AES 和MOE-20 及MOE-30 进行表面活性剂的复配实验，乳化剂的筛选结果见表1。当MOE-20和AES按质量比1∶1复配时，二者的正协同效果最好，USI 最小（1.1729）。综上，选用非离子型表面活性剂MOE-20和阴离子型表面活性剂AES作为苯乙烯焦油水包油型乳状液的复合乳化剂。

表1 复配表面活性剂的乳化效果

图1 非离子型表面活性剂的乳化效果

图2 阴离子型表面活性剂的乳化效果

2.2 苯乙烯焦油制备的水包油型乳状液基本性能

2.2.1 乳状液的粒径分布

采用放大倍数为10 倍的生物显微镜观察苯乙烯焦油制备的水包油型乳状液，结果如图3 所示。苯乙烯焦油制备的水包油型乳状液呈乳黄色。由于界面张力的原因，油滴在水中以球形的形式存在，乳化剂在分散相液滴周围形成了一定强度的油水界面膜。由粒径测定软件测得乳状液液滴的粒径为1～82 μm。

图3 苯乙烯焦油制备的水包油型乳状液微观图像

2.2.2 乳状液的稳定性

在MOE-20 与AES 质量比为1∶1、水油体积比为5∶5、乳化强度为900 r/min 的条件下常温乳化。复合乳化剂加量（0.1%～0.5%）对乳状液稳定性的影响如图4 所示。当乳化剂质量分数为0.1%～0.3%时，随着乳化剂质量分数的增加，USI 减小，乳状液稳定性增加。这是由于乳状液的稳定性与油水界面性质有关，特别是界面扩张黏弹性。界面扩张黏弹性反映了界面膜强度大小，界面扩张黏弹性越大，界面膜产生抵抗并恢复形变的能力越强［15］。随着乳化剂质量分数的增加，油水界面上的乳化剂含量增加，油水界面分子的相互作用增强，界面张力梯度及界面扩张模量增加，界面扩张黏弹性随之增强，油水界面膜强度增大，有利于阻碍两相液滴的聚并，同时油水界面张力下降，促使乳化体系破碎，液滴的直径变小、数目增多，使得所形成的乳状液的分散体系更加均匀，宏观表现为乳状液稳定性增加［16-17］。

图4 乳化剂加量对乳状液稳定性的影响

当乳化剂的质量分数达到0.3%时，USI最小，乳状液的稳定性最高。继续增大乳化剂加量，USI 增大。这是由于随着乳化剂质量分数的增加，阴离子型表面活性剂AES 电离出的负离子对带正电荷的油滴双电层起到了压缩作用，促进小液滴聚并变成大液滴，引起乳状液分出的水相体积增多［18］。同时，在乳化剂加量较大时，随着其质量分数的增加，体相和界面之间的分子交换加快，表面活性剂分子会降低界面张力梯度，使得界面扩散模量随之下降，乳状液稳定性降低［19-20］。

2.2.3 乳状液的流变性

乳化条件为：乳化剂质量分数为0.3%，MOE-20与AES 质量比为1∶1，水油体积比为5∶5，乳化强度为900 r/min。在40～70 ℃条件下，乳状液的流变性如图5 所示。随着温度的升高，乳状液的黏度降低。一方面是由于温度升高，粒子间的运动加剧，液滴间碰撞、合并的几率增大，同时吸附在油水界面上的表面活性剂分子逐渐分离出来，导致油水界面膜强度降低；另一方面由于油水界面电荷数的减少，液滴之间的静电排斥力减弱，也会使得液滴的聚并速率加快，导致了析出水相体积的增大，乳状液稳定性下降，表观黏度降低［21-22］。

图5 不同温度下乳状液的表观黏度随剪切速率的变化

2.3 苯乙烯焦油制备的水包油型乳状液驱油性能

在60 ℃下，用苯乙烯焦油制备的水包油型乳状液在渗透率为2.0 μm2的岩心中进行驱油实验。驱替的原油黏度为185 mPa·s，复合表面活性剂质量分数为0.3%，水油体积比为5∶5，结果如图6 所示。在初始水驱时，注入压力迅速上升达到一个小峰值，当注入水到达岩心出口端时，即水驱发生突破后，注入压力迅速下降至最小值，说明在岩心中形成了水驱通道，此时产出液含水率达到98%以上，结束初始水驱，此时水驱采出程度仅为35.7%。然后转注0.5 PV 的水包油乳状液段塞，在注入0.2 PV乳状液后，注入压力开始上升，此时压力也达到一个峰值，这是由于水包油型乳状液可以通过贾敏效应封堵水流大通道［23］，增加流动阻力，将后续注入乳状液转向未波及的区域，从而增大波及系数。当注入0.5 PV乳状液后，乳状液完全有效封堵了初始水驱形成的水流通道，使得后面的注入水进入未波及的区域，同时制备乳状液的苯乙烯焦油与前沿稠油相接触后，可溶解在稠油中，从而降低稠油黏度，提高稠油流度，使其他部分原油流动起来并被采出。由图可见，采出程度迅速提高且含水率出现下降。最终乳状液驱采出程度可在水驱的基础上提高16.7百分点，总采出程度可达52.4%。

图6 乳状液驱岩心驱替曲线

其他实验条件不变，改变水油体积比进行乳状液驱油效果评价，结果如表2 所示。随着水油体积比的增大，乳状液驱采出程度降低。这是由于注入乳状液时，乳状液首先在水流通道中流动，当流动受阻时，乳状液转向进入未波及区域。但乳状液的水相含量较多时，乳状液堵塞作用受到影响，乳状液驱替绕流能力下降，减小了波及系数，从而影响驱油效果。从经济因素考虑，随着水油体积比的增大，乳状液的制备材料成本降低。在综合考虑成本和乳状液驱油效果后，用苯乙烯焦油制备的水包油乳状液驱油的最优水油体积比为9∶1。

表2 水油体积比对乳状液驱油效果的影响

3 结论

为了提高化工副产物苯乙烯焦油的经济效益，将苯乙烯焦油应用于油田开发中，制成水包油型乳状液驱油剂。当非离子型表面活性剂MOE-20和阴离子型表面活性剂AES 的质量分数为0.3%、MOE-20 和AES 复配质量比为1∶1 时，所制得的乳状液最稳定。苯乙烯焦油制备的水包油型乳状液的驱油效果较好。针对黏度为185 mPa·s的普通稠油，在高含水后期的岩心驱油实验中，二次水驱后采出程度增值可达16.7百分点，为苯乙烯焦油乳状液驱油在现场的实际应用提供理论和实验支持。