乳状液提高聚表二元复合驱采收率机制

张黎明，王丽影，王 帅，朱述敏，陈 跃

(延安大学 石油工程与环境工程学院，陕西 延安 716000)

原油乳化是指原油与表面活性物质接触时，由于界面张力降低，使原油形成较小油滴并分散在另一种与之不互溶的溶剂中的现象。在三次采油中，尤其是化学驱油过程中，乳化是一种很常见的现象[1]。聚表二元复合驱属于化学驱的一种，通过将表面活性剂溶液加入聚合物溶液，一方面利用表面活性剂降低界面张力，提高洗油效率，另一方面利用聚合物溶液调节驱油剂黏度，改善油水流度比，扩大波及体积，从而达到提高采收率的目的。聚表二元体系流经孔喉时，将岩石表面的部分残余油剥落并促进其乳化，乳状液在聚表二元驱中对采收率有一定的贡献。乳状液主要有O/W型、W/O型两种，另外还有油包水包油型(O/W/O)和水包油包水型(W/O/W)型。其类型取决于表面活性剂类型，也受油水比、溶液中电解质种类和浓度、温度等因素制约。当油滴是分散相，水是分散介质时，亲水性表面活性剂有利于形成水包油型(O/W)乳状液，反之，亲油性表面活性剂有利于形成水滴分散在连续油相中的油包水型(W/O)乳状液[2]。国内外的学者对乳状液的研究主要集中在以下几方面：乳状液的稳定性机理及影响乳化的因素、乳化剂相互作用对乳化的影响、乳状液与界面张力的关系、乳状液在多孔介质中的渗流规律等[3]。以上研究使我们对乳状液有了进一步认识，但由于室内实验不能真实模拟地层条件，且乳状液在地层中渗流规律复杂，因此，界面张力对驱油采收率的贡献程度还未有统一标准，乳状液乳化能力及乳状液对采收率的影响也很难进行量化表征。乳状液具有较高的粘度，且其与原油之间的界面张力比油水之间的界面张力小，从而使乳状液不仅在多孔介质中起到调节流度比、扩大波及体积、提高波及效率的作用，而且还能增大洗油效率，使地层中的残余油从岩石表面脱落随驱油剂流入主流通道，进而提高原油采收率[4-5]。因此，乳状液在驱油过程的作用是不可忽略的，分析乳状液特征及其对采收率的影响对石油的开发与应用意义重大[6-7]。本研究通过开展聚表二元驱物理模拟实验，分析油水界面张力与乳状液稳定性、采收率之间的关系，并探明驱替过程中乳状液类型及乳状液稳定性对采收率的影响机制，为二元复合驱提高采收率方面的研究提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 原料与试剂

部分水解聚丙烯酰胺(HPAM)，固含量为88%，相对分子质量为1 750×104；表面活性剂，有效质量分数为40%，HPAM和表面活性剂均由吉林油田提供。实验用油为脱水原油与煤油配制而成的模拟油，在油藏温度为55 ℃时，黏度为12.9 mPa·s。实验用水为模拟现场清水。

1.2 仪器与设备

TX-500C型界面张力仪(外接恒温槽的环流保温平台并配置图像数据处理软件)，中国上海中晨数字技术设备有限公司；Turbiscan Lab稳定性分析仪(expert型装有温度调节装置及Turbisoft软件安装程序)，法国Formulaction公司；Delsa Nano激光纳米粒度仪，美国贝克曼库尔特公司。

1.3 二元复合体系制备

先用现场清水配制聚合物母液和表面活性剂母液，室温静置12 h使其充分老化；再用现场清水稀释到目的浓度，以一定的比例复合后放置在恒温箱内，55 ℃恒温2 h备用。实验用二元复合体系溶液的聚合物浓度均为1 800 mg/L，表面活性剂浓度分别为1 000 mg/L、2 000 mg/L、3 000 mg/L。

1.4 界面张力测定

采用界面张力仪，在样品管中加入形成界面的两液相，再使样品管以一定角速度自转。当达到设定温度55 ℃时，将转速加至5 000 r/min，隔一定时间读取液滴的尺寸，测定时间为2 h。

1.5 乳状液类型及稳定性测试

将三层非均质岩心装入岩心夹持器，对其打还压后进行抽真空操作，使岩心饱和水、饱和油，再老化8 h后进行水驱至含水率为96%；然后将二元复合体系分别注入岩心中进行驱油实验，并记录驱替过程中的压力动态及出油量；再进行后续水驱至含水率达98%并计算最终采收率；从岩心出口端接取少量采出液进行稀释，并在1 000倍显微镜下观察，确定乳状液类型；最后再取适量乳状液，利用激光纳米粒度仪测定乳状液粒径分布和平均粒径，并用稳定性分析仪测定稳定性动力学指数(Turbsicanstability index，TSI)。

2 结果与分析

2.1 界面张力与采收率关系

在聚表二元复合驱油过程中，当驱油剂黏度及驱替速率一定时，界面张力是影响驱油效率的因素之一[8-9]。图1是聚表二元复合体系中表面活性剂浓度分别与界面张力和最终采收率的关系曲线。如图1所示，界面张力在一定范围内取决于表面活性剂浓度，随着表面活性剂浓度的增加，界面张力逐渐降低，在浓度大于2 000 mg/L时，界面张力能达到超低值(10-3mN/m数量级)，即毛管数增加，岩心孔喉中剩余油有更多的油流通道，有利于驱油效率及采收率的提高。实际上，采收率随表面活性剂浓度增加没有单调增加，而是先增加后降低。当表面活性剂浓度为2 000 mg/L时，采收率达到最高。即使表面活性剂浓度大于2 000 mg/L时，界面张力继续降低，但采收率也降低。即并非界面张力越低，采收率越高。

图1 表面活性剂浓度与界面张力和采收率的关系曲线

因为聚表二元复合体系流经岩心孔喉时，在剪切作用下，残余油与驱油剂发生乳化现象，较低的界面张力使地层孔喉中的油膜或较大油滴更易被乳化成小油滴而携带出地层[10]。而且，乳滴不断聚集也会造成大孔喉堵塞，使吸水厚度发生改变，驱油剂发生绕流使洗油效率增加，从而使原油采收率提高[11]。但若乳状液稳定差，在后续驱油剂的冲刷下，乳状液滴封堵调剖能力变弱，其提高采收率的能力下降。接下来分析不同二元复合体系采出液中乳状液稳定性对采收率的影响规律及其机理。

2.2 乳状液微观特征及其稳定性

通过将不同表面活性剂浓度(分别为1 000 mg/L、2 000 mg/L、3 000 mg/L)的聚表二元复合体系进行驱替实验，接取采出液进行稀释，乳滴可在水中铺展，说明复合体系驱油过程中产生了O/W型乳状液。再取适量样品，在显微镜下观察(1 000倍放大倍数)，初始时刻(0 h)的乳状液微观形态如图2所示。

图2 不同二元体系驱替后采出液中乳状液的微观形态

由图2可得，3种复合体系的O/W型乳状液乳滴形态不一。此时，图2A、2B、2C中乳化效果依次变好：图2A中乳滴最大且分布不均匀，图2B和图2C中乳滴大小相近，分布较均匀，尤其是图2C中乳滴非常细密，分散性很好。说明界面张力越小，油水乳状液越容易被乳化成较小尺寸的乳滴。但从理论上说，乳滴越小，分布越均匀，对应的乳状液越稳定，更有利于采收率的提高。再将乳状液放置1 h，观察并分析其微观形态和粒径分布状况，如图3、图4所示。

图3表明，1 h之后，3种体系乳状液的乳滴分布及尺寸均发生明显变化。图3A中乳滴发生聚并，乳滴大小相差更大，图3C的乳滴由原来的细密均匀变得大小不一，大部分也出现了聚并。而图3B则与0 h时差别较小，乳滴尺寸变化不大，只有少量乳滴聚集，乳状液分散性依旧较好。说明虽然0 h在表面活性剂浓度的影响下，3 000 mg/L的复合体系最容易将油滴乳化，得到的乳状液效果最好，但在1 h后，该体系乳状液稳定性变差。而2 000 mg/L的体系乳状液却有很好的稳定性，乳滴聚并缓慢。这一现象可用油水界面膜强度来解释，因为乳状液的稳定性不只是受界面张力的影响，还受界面膜强度的影响[12-13]。当油水界面表面活性剂分子排列饱和，若再增加表面活性剂浓度，水相中过多的分子会与界面分子竞争，使界面膜强度降低，界面膜破裂导致油滴聚并，稳定性变差。

图3 不同二元体系驱替1 h后采出液中乳状液的微观形态

图4是各二元复合体系乳状液在放置1 h后的粒径分布情况，3种体系对应的乳状液平均粒径分别是10.17 μm、3.29 μm、6.77 μm。其中，图4A中乳滴平均粒径最大，粒径分布范围很宽，说明其液滴分散性较差，乳状液稳定性也差。图4B中乳滴平均粒径最小，粒径分布范围窄，峰较高，峰值靠近较小值，该体系的乳状液此时有很好的稳定性。图4C中乳滴粒径分布出现两峰，即处于这两峰所对应的粒径值的乳滴较多，表明该体系乳状液分散性较差。该结果与图3所述一致，即图4B乳状液稳定性最好。

图4 不同二元体系驱替1 h后采出液中乳状液粒径分布图

利用Turbiscan Lab稳定性分析仪测量各二元复合体系乳状液的TSI值，它是利用静态多重光散射理论并计算不同位置光强度的变化而得，也是用来表征分散体系稳定性的量度，可定量表征乳状液稳定性。TSI值越大，乳状液稳定性越差，相反亦然。图5为各二元复合体系乳状液TSI值与测试时间的关系曲线，选取1 h时，TSI值分别为3.1、1.1、2.0。综上分析，当聚合物浓度一定，表面活性剂浓度为2 000 mg/L的二元复合体系乳状液稳定性最好。

图5 各二元复合体系乳状液TSI值与测试时间的关系曲线

2.3 乳状液稳定性对采收率的影响

上述乳状液稳定性分析表明，虽然油水界面张力能影响乳状液形成的难易程度，但对乳状液稳定性的影响并不单调。因此，不能简单的通过界面张力对乳状液稳定性的影响来判断乳状液稳定性对采收率的影响，乳状液的稳定性与采收率之间也存在一定的关系[14]。

图6 不同二元复合体系乳状液TSI值与采收率的拟合关系曲线

图6是乳状液TSI值与采收率的拟合关系图，用于分析乳状液稳定性与采收率的关系。由图6可知，随着TSI值增加，O/W型乳状液稳定性变差，采收率降低。即表面活性剂浓度为1 000 mg/L时，TSI值最大，二元体系乳状液稳定性最差，最终采收率最低；表面活性剂浓度为2 000 mg/L时，TSI值最小，二元体系乳状液稳定性最好，形成的乳滴以架桥的形式堵住较大孔喉，促进驱替剂进入较小孔喉，增加了驱替剂的波及体积，从而启动更多的残余油，采收率最高。此外，随着越来越多稳定的乳滴封堵孔喉，后续注入体积增加，使注入压力不断上升，故注入压力的变化也能间接地反映乳状液是否形成以及乳状液稳定性程度。

图7是驱替过程中注入压力与累积注入体积变化曲线，对于表面活性剂浓度为1 000 mg/L的二元体系来说，整个过程中压力都缓慢降低，当表面活性剂浓度为2 000 mg/L、3 000 mg/L时，注入压力变化趋势都是先降低后增加，但是后者在注入2.3 PV后注入压力才开始上升，最后趋于平缓。前者的注入压力是在注入1.2 PV时就开始上升，并且上升明显，幅度大。因为表面活性剂浓度为1 000 mg/L的体系中产生的乳状液不稳定，在岩心中流动时破乳严重，受到外力冲击时很快又分散成油和水[15]，使注入压力降低，波及体积较小，采收率较低；表面活性剂浓度为2 000 mg/L的体系在驱油过程中产生的乳状液稳定性很好，随着乳状液的产生，较大乳滴堵塞部分孔道，较小乳滴不断在大孔道处积聚造成大孔喉被堵塞，使注入压力不断上升，后续驱油剂则流入较小孔喉，不仅扩大波及系数，还使吸水厚度和洗油效率增加，从而提高最终采收率，该乳状液在岩心孔喉中起到了封堵调剖作用。而表面活性剂浓度为3 000 mg/L的二元体系乳状液由于稳定性较差，起到的封堵作用较弱，低界面张力使其具有较好的变形能力，当进行后续水驱时，乳状液通过孔喉进入主流通道而排出，因此，其对应的注入压力高但对采收率的贡献比2 000 mg/L的体系小。

图7 不同二元复合体系驱油过程中注入压力 与累积注入体积的关系曲线

3 结论

聚表二元复合体系降低油水界面张力的能力取决于表面活性剂浓度，且聚合物浓度一定时，界面张力越低，原油越易被乳化成乳状液，但影响乳状液的稳定性的因素众多，单纯的降低界面张力并不能决定其稳定性。界面张力即使达到超低值，原油采收率并不一定随其降低而增加。原油采收率与O/W型乳状液的稳定性之间存在一定的关系，乳状液越稳定，在封堵大孔道时越不易分散成油和水，乳状液起到的调剖作用越强，采收率越高。