自乳化表面活性剂体系的制备和驱油效果研究

元福卿

(中国石油化工有限公司 胜利油田分公司勘探开发研究院，山东 东营 257000)

随着油田开发的深入，高温高盐中低渗油藏逐渐成为开发重点[1-4]。常规聚合物驱在该类油藏中增黏能力大幅下降[5-7]，注入性差，因而无法取得较好的开发效果。表面活性剂驱具有良好的耐温抗盐及注入性，但易发生窜流，提高采收率效果差。为提高该类油藏的采收率，曹绪龙等[8-9]提出了一种增黏型乳液表面活性剂驱油体系，自发形成O/W乳状液，由于表面活性剂具有黏度，因而还可以通过乳化增黏达到提高波及系数的效果[10-15]。

本文通过两性表面活性剂GA-13与不同类型表面活性剂复配，研发出自乳化表面活性剂体系，并评价了该体系的提高采收率效果。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

表1 驱替实验岩心基本参数Table 1 Basic parameters of displacement experimental core

XSJ-2型显微镜；MCR301型流变仪；BSA224S-CW型电子天平；IKA EUROSTAR 400 digital型搅拌机；岩心驱油装置、微观可视化驱油装置均为海安石油科研仪器有限公司制造。

1.2 自乳化表面活性剂体系的制备

1.2.1 十三醇聚氧乙烯醚磺酸钠C13GA(EO)5SO3Na(GA-13)合成[16]在三口烧瓶中加入8 g异构十三醇聚氧乙烯醚E1304、12 g KOH和80 mL环己烷，在100 ℃下回流反应2 h，常压蒸除环己烷。加入80 mL正癸烷、22 g羟乙基磺酸钠，在200 ℃下回流反应4 h。减压蒸馏，除去正癸烷后，溶于300 mL的体积比为1∶1的乙醇和水混合溶剂中，用100 mL乙酸乙酯萃取5次。萃取后的水相旋转蒸发除去溶剂后，再加入200 mL无水乙醇，过滤，除掉不溶物，然后减压蒸馏除去乙醇，即得到十三醇聚氧乙烯醚磺酸钠GA-13。

1.2.2 自乳化表面活性剂制备 用电子天平称取所需量的GA-13和KD-200、S-12、S-16，加入一定量的地层采出水，用搅拌机在150 r/min下搅拌 30 min，混合均匀，即可配制含有所需浓度的 GA-13、GA-13/KD-200混合物、GA-13/S-12混合物、GA-13/S-16混合物的自乳化表面活性剂体系。

1.3 性能测试

1.3.1 乳化能力测试 乳化效果测试方法为旋转试管法。配制不同质量分数的自乳化体系表面活性剂溶液，按照油/水体积比3∶7，将自乳化表面活性剂溶液与油放入10 mL具塞试管中，放入80 ℃恒温箱静置30 min。取出，旋转具塞试管180°，反复旋转5次。使用显微镜观察玻璃瓶摇动后水相的微观形态。观察油滴在水相中的分散情况，同时记录不同时间乳液的分水率(fw)，表征乳液稳定性。

(1)

式中fw——分水率，%；

V1——不同时间下水相体积，mL；

V0——油水总加入量，mL。

1.3.2 乳化增黏率测试 使用流变仪测定油水乳状液的黏度，计算乳化增黏率(Xv)[5]。

(2)

式中Xv——乳化增黏率，%；

μ1——油水乳状液黏度，mPa·s；

μ2——油相黏度，mPa·s。

1.4 实验方法

1.4.1 岩心驱油实验 驱油实验在80 ℃下进行，驱油实验中液体注入速度均为0.2 mL/min。首先，通过计算饱和地层水前后质量差计算岩心孔隙度；然后，注入地层水测量渗透率，再注入原油至岩心出口端不再出水，通过排出水体积计算初始含油饱和度；注入地层水驱替至采出液含水98%后，注入 0.5 PV 自乳化表面活性剂驱油体系，然后继续水驱至产出液含水98%时结束实验。

1.4.2 微观驱替实验 在80 ℃下向微观驱替模型中注入一定量的自乳化表面活性剂溶液，注入速度为0.01 mL/min，设置照相机每2 min拍1张照片，观察微观驱替模型中原油的状态变化。

2 结果与讨论

2.1 自乳化驱油体系的乳化效果

自乳化驱油体系的乳化能力决定了该体系提高洗油效率的能力。通过旋转试管法测试GA-13的乳化能力，结果表明，只有当表面活性剂GA-13浓度高于1%后，才可以实现原油自乳化。但在浓度较低时，表面活性剂GA-13的乳化原油能力较弱，形成的乳状液易在短时间内发生破乳。因此，向GA-13溶液中添加其它表面活性剂，通过协同作用，促进油相自乳化，同时提高乳液的稳定性。将GA-13与表面活性剂KD-200、S-12、S-16复配，通过旋转试管法筛选与GA-13具有较好协同乳化作用的表面活性剂，实验结果见图1。

由图1可知，少量GA-13与S-12溶液混合后可引发原油自乳化，具塞试管轻微摇动2次后，水相明显变暗，轻微摇动5次后，形成了较稳定的O/W型乳状液，乳状液的油、水相完全分开大约需要 30 min；GA-13与S-16以及KD-200复配时也可引发原油自乳化，但相比GA-13与S-12复配体系，形成的乳液稳定性较差，完全破乳大约需要20 min。这可能是由于两性离子表面活性剂与非离子型表面活性剂形成混合胶团，使得临界胶束浓度下降，增强了表面活性。当向地层中注入自乳化表面活性剂驱油时，流体在流动过程中会受到多孔介质的剪切作用，这将会使得原油在多孔介质中与表面活性剂溶液发生自乳化。

图1 不同复配体系的分水率曲线Fig.1 Water separation rate curve of different composite systems

利用显微镜观察自乳化形成的油滴微观形态见图2。

图2 不同表面活性剂复配体系中的油滴微观形态Fig.2 Microscopic morphology of oil droplets in different surfactant compounding systems

由图2可知，不同乳化体系形成的乳状液均为O/W型乳液。0.5%GA-13与0.2%S-12混合体系与原油形成的乳状液粒径明显低于0.5%GA-13与0.2%KD-200或0.2%S-16混合体系与原油形成的乳状液粒径。而且，0.5%GA-13与0.2%S-12混合体系与原油形成的乳状液中小液滴的数量大幅度增加，粒径为10～15 μm的小液滴占70%以上，因而0.5%GA-13与0.2% S-12混合体系形成的表面活性剂混合体系表现出更好的自乳化效果，自乳化后形成的乳状液更稳定。

2.2 自乳化驱油体系的乳化增黏率

自乳化驱油体系的乳化增黏能力决定了该体系提高波及系数的能力。考察不同类型自乳化表面活性剂体系形成乳液的增黏效果，不同乳化体系与原油形成的乳液黏度见表2。

表2 不同复配自乳化体系乳化增黏率Table 2 Emulsion viscosity increasing rate of different composite self emulsifying systems

由表2可知，不同类型乳化表面活性剂体系均表现出了一定的乳化增黏效果，而且 0.5%GA-13 与0.2%S-12复配表面活性剂体系形成的乳液黏度最高，这可能是由于两性离子表面活性剂与非离子型表面活性剂形成混合胶团进一步提高了外相的黏度，同时，两性离子表面活性剂与非离子型表面活性剂在油水界面上的协同作用增强了界面摩阻，宏观表现为乳液黏度上升。

2.3 自乳化驱油体系的提高采收率效果

采用不同渗透率的岩心，利用岩心驱油装置评价自乳化表面活性剂体系GA-13与S-12的驱油效果。图3为0.5%GA-13+0.2%S-12自乳化表面活性剂体系驱油过程中驱替压力、含水率、采收率随注入体积变化。

由图3可知，开始水驱时，驱替压力和采收率均迅速升高并达到峰值；当水流突破之后，由于水流通道的形成，注入水沿着阻力较小的路径流动，导致注入压力和采收率趋于稳定；转注 0.5 PV 的0.5%GA-13+0.2%S-12段塞后，注入压力和采收率再次升高，同时伴随着含水率的降低。这是由于化学剂与油滴在多孔介质的剪切作用下发生反应，形成乳状液，乳状液液滴在流动过程中，一部分会封堵早期形成的水流通道，一部分会聚并形成油带[17]。由于液滴捕集作用产生的贾敏效应，使得驱替压力升高，阶段含水率显著降低，后续流体进入水驱时未波及的区域，提高了波及系数，同时粒径较小的液滴侧向挤油、刮油，改善洗油效率，降低边缘残余油饱和度，因而提高了原油采收率。

图3 不同渗透率岩心中自乳化体系驱替过程中 压力、含水和采收率随注入体积变化Fig.3 Changes of pressure，water cut and recovery with injection volume during displacement of self-emulsifying system in rock cores with different permeability a.160 mD；b.520 mD；c.990 mD

由图3可知，随着渗透率的降低，自乳化表面活性剂体系提高采收率的效果逐渐增加，这是由于低渗层中化学剂与油滴在多孔介质的剪切作用更强，更易形成乳状液，封堵以及聚并形成油带的效果更好，因而提高了原油采收率，当渗透率为160 mD，该自乳化表面活性剂体系可提高原油采收率20%，表现出良好的提高采收率效果。

2.4 自乳化驱油体系的微观驱油机制

乳状液是一种多分散体系，其运移规律相对于表面活性剂运移会更加复杂，因而利用微观可视化模型对乳液表面活性剂驱的驱油机理进行了研究，通过观察乳状液滴在特殊孔道中的运移以及乳状液滴之间的相互作用，研究自乳化驱油体系的微观驱油机理，实验结果见图4和图5。

图4 乳状液流动过程的封堵作用Fig.4 Blocking effect of emulsion flow process

图5 乳状液流动过程的洗油作用Fig.5 Oil washing effect of emulsion flow process

由图4可知，在乳状液的流动过程中，A侧通道水相快速流动，突破了乳状液的封堵，而相邻的B侧通道，由于乳状液的存在，流动缓慢，这是由于乳状液的形成增加了流体的黏度，降低了驱替相的流速。随着A侧通道中乳状液的进入，流速下降，形成了一定的封堵，而后续进入的水相段塞则进入了B侧的通道，说明乳状液通过调剖作用，改变驱替相的流动方向，从而扩大了波及体积。此外，由图5可知，乳状液在通道中流动时，一方面沿着孔道中心向前移动，另一方面又会挤压孔道内壁的残余油，起到乳化原油提高洗油效率的作用。因此，该自乳化表面活性剂驱油体系不仅可以通过乳化作用提高洗油效率，还由于乳化增黏作用降低了驱替相的流速，起到了调剖的作用，扩大了波及体积，因而所制备的自乳化表面活性剂体系具有较好的驱油效果。

3 结论

(1)通过两性表面活性剂GA-13与非离子型表面活性剂S-12复配，研制出适合于高温高盐油藏的自乳化表面活性剂体系。0.5%GA-13+0.2%S-12混合体系在80 ℃及矿化度44 592 mg/L条件下，施加轻微界面扰动即可实现自乳化，形成的乳液粒径分布为10～15 μm，乳化增黏率为361.29%。

(2)0.5%GA-13+0.2%S-12自乳化表面活性剂体系驱油过程中可以明显提高驱替压力以及原油采收率。当岩心渗透率为160 mD时，该驱油体系可以在水驱基础上提高原油采收率20%。

(3)自乳化表面活性剂驱油体系不仅可以通过乳化作用提高洗油效率，还由于乳化增黏作用降低了驱替相的流速，起到了调剖的作用，扩大了波及体积，因而具有较好的驱油效果。