大庆稠油耐高温起泡复配体系室内评价研究

徐庆，李达，张德龙，李景伟

大庆头台油田开发有限责任公司，黑龙江 大庆 163000

目前世界上超过80%的稠油是通过注蒸汽技术开发，但由于稠油与蒸汽密度和黏度的差异，蒸汽在注入过程中易形成井间汽窜[1-3]。但是三次采油中普遍使用的高分子聚合物在高温条件下容易降解。而CO2或N2泡沫的贾敏效应可以封堵高渗孔道，提高蒸汽波及体积，同时气体和起泡性表面活性剂具备乳化降黏及降低油水界面张力的作用，在各大油田稠油开采中广泛应用[4-7]。

大庆稠油经过近30年的热采开发，汽窜井数逐年增加，年汽窜井占比在20%左右，其中重复汽窜井占比达到68.2%，成为制约吞吐开发的主要矛盾之一。为了寻找适合大庆稠油的耐高温高效起泡剂，对6种国内常见表面活性剂进行起泡性能以及乳化性能室内实验评价，从中挑选出起泡性能佳和乳化性能好的表面活性剂，按一定比例复配得到了2种乳化性能好、耐温耐盐抗油的高效起泡体系，体系配方为0.08%APG0810+0.32%AOS和0.1%APG0810+0.4%甜菜碱(配方中的百分数为质量分数，下同)。其中APG0810+AOS起泡性能优于APG0810+甜菜碱，APG0810+甜菜碱驱油能力优于APG0810+AOS，可以根据现场汽窜程度进行暂堵调剖体系的选择。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

1)试剂。大庆葡南地层稠油，模拟地层水(NaHCO3型)；甜菜碱两性表活剂、石油磺酸盐阴离子表活剂，大庆油田；烷醇酰胺非离子表活剂、脂肪醇聚氧乙烯醚羧酸(AEC-9H)阴非离子表活剂、α-烯基磺酸钠(AOS)阴离子表活剂和烷基糖苷(APG0810)非离子表活剂，成都市科龙化工试剂厂。

2)仪器。旋转黏度计，Brookfield DV-Ⅲ + Pro，美国Brookfield公司；徕卡显微镜，DM LB2，德国徕卡公司；旋转滴界面张力仪，SDT，德国KRUSS公司；润湿角测定仪，HARKE-SPCA，北京哈科试验仪器厂；紫外/可见分光光度计，UV-1800，日本岛津公司；电动搅拌机，JJ-1B，海安石油科研仪器有限公司；水浴锅，DFD-700，海安石油科研仪器有限公司；电子天平，ESJ110-4A，沈阳龙腾电子有限公司；搅拌器，Waring Blender，上海爱泽工业设备有限公司。

1.2 评价方法

参照标准SY/T 6955—2013《注蒸汽泡沫提高石油采收率室内评价方法》、SY/T 0601—2009《水中乳化油、溶解油的测定》、SYT 5370—1999《表面及界面张力测定方法》、SY/T 5153—2017《油藏岩石润湿性测定方法》、GB/T 7494—1987《水质阴离子表面活性剂的测定》对单剂和复配体系进行起泡性能、乳化性能、界面张力和静态吸附性能室内实验评价。

1)泡沫制备及表征。将100 mL的某种表面活性剂溶液倒入Waring Blender搅拌机中，常温下以6 000 r/min转速搅拌1 min，制备好的泡沫倒入1 L量筒中，常温下量取起泡体积，测定泡沫析液半衰期判断泡沫稳定性，并用金相显微镜观察泡沫的微观结构。

2)乳液制备及表征。将30 mL的某种表面活性剂溶液与30 mL油样在烧杯中混合，在50 ℃下采用电动搅拌机500 r/min搅拌5 min。采用滴定法判断乳液类型；采用Brookfield DV-Ⅲ+Pro旋转黏度计在50 ℃条件下测定乳液黏度。

3)界面张力测定。采用旋转滴界面张力仪测定油样与不同表面活性剂溶液的界面张力。

4)润湿角测定。将制备的亲油载玻片浸于表面活性剂体系中，放置48 h后采用HARKE-SPCA接触角测定仪测定载玻片/原油/注入水的三相接触角。

5)静态吸附测定。将40～80目的石英砂与表面活性剂体系溶液按照固液质量比1∶10混合均匀后放入50 ℃恒温烘箱。静置7 d后取上层溶液离心，取上层清液采用UV-1800紫外分光仪测量吸光度，并根据标准曲线计算此时溶液的浓度。

2 起泡剂体系的优选

2.1 单剂起泡性能和乳化性能评价

将6种表面活性剂按照0.5%的质量分数配制溶液150 mL，其中100 mL用于起泡实验，50 mL用于乳化实验。实验结果(见表1)表明，APG0810和AOS常温未老化起泡体积分别为680 mL和710 mL，析液半衰期为426 s和372 s，120 ℃老化后起泡体积分别为720 mL和520 mL，析液半衰期为196 s和147 s，起泡性和稳定性较好，且乳化后均能形成低黏的O/W型乳液。甜菜碱起泡体积和半衰期高温下有所增加，耐温性较好，形成低黏的O/W型乳液。而石油磺酸盐起泡性差，烷醇酰胺、AEC-9H形成高黏的W/O型乳液。因此优选AOS、APG0810和甜菜碱进行高效起泡剂体系复配。

表1 单剂评价结果

2.2 高效起泡剂体系复配

利用AOS、APG0810和甜菜碱在不同质量比条件下进行复配。由图1(a)可以看出，APG0810+AOS在不同质量比条件下起泡体积稳定，介于620～690 mL之间；随着质量比变化，泡沫半衰期呈上升趋势，质量比为1∶4泡沫半衰期最长，半衰期为484 s。因此优选1∶4作为该体系最佳复配质量比。

图1 复配体系在不同质量比下起泡性能

由图1(b)可以看出，APG0810+甜菜碱随着质量比的变化，起泡体积逐渐降低，质量比为4∶1～1∶1时泡沫较稳定，质量比为4∶1时泡沫半衰期最长，半衰期为396 s。因此优选4∶1作为该体系最佳复配质量比。

3 复配体系评价

3.1 起泡性能评价及泡沫稳定机理

在两种复配体系最佳质量比的条件下，系统评价了质量分数、温度、含油量和矿化度对起泡性能的影响，并用不同条件下的泡沫微观分布图揭示其耐温耐盐抗油机理。

1)稳定性。由图2可以看出，随着体系质量分数的增加，两种复配起泡体系的起泡体积及析液半衰期呈上升趋势，但低质量分数条件下APG0810+AOS的起泡性和泡沫稳定性优于APG0810+甜菜碱。这是因为随着质量分数增加，两种复配体系泡沫粒径减小，分布变得更加均匀紧密，宏观上就表现为泡沫析液半衰期增加，泡沫稳定性增强[8]。而在质量分数为0.2%时，APG0810+AOS泡沫的微观分布较APG0810+甜菜碱均匀，因此APG0810+AOS低质量分数时的起泡性和泡沫稳定性较好(见图3)。

图2 复配体系在不同质量分数下起泡性能

图3 复配体系在不同质量分数条件下的泡沫微观分布图

2)抗温性。由图4可以看出，随着温度的增加，两种体系起泡体积和析液半衰期先增加后下降。APG0810+AOS的拐点温度为120 ℃，起泡体积和析液半衰期为700 mL和456 s，温度为140 ℃时，起泡体积仍达到550 mL；APG0810+甜菜碱起泡体积变化不大，介于520～590 mL，析液半衰期介于320～438 mL，说明两种体系均具备良好的抗温性，但APG0810+AOS的抗温性略优于APG0810+甜菜碱。这是因为随着温度的增加，两种体系的泡沫微观粒径先减小后增大，泡沫分布非均质性先减弱后增强，导致在一定范围内升高温度可以增加了泡沫稳定性。而温度从60 ℃到120 ℃，泡沫微观粒径规则排列，表明两种体系泡沫在不同温度下均较为稳定(见图5)。

图4 复配体系在不同温度老化后起泡性能

图5 复配体系在不同温度老化后的泡沫微观分布图

3)耐油性。由图6可以看出，随着含油量的增加，两种体系的起泡体积和析液半衰期均下降。当含油量为5%时，两种起泡体系起泡体积分别从700 mL和580 mL下降为430 mL和360 mL，析液半衰期分别由455 s和399 s下降为182 s和157 s；当含油量为20%时，起泡体积分别为225 mL和210 mL。说明两种起泡体系均有一定的抗油能力，但APG0810+AOS的抗油能力略强于APG0810+甜菜碱体系。这是因为随着含油量的增加，附着在泡沫液膜上的原油越多，从而加速了泡沫的聚并和破裂，使稳定性变差。体现为“遇水起泡，遇油消泡”[9-10]，可以针对地下含水的分布，自动调整泡沫强度，从而调整蒸汽的波及方向(见图7)。

图6 复配体系在不同含油量条件下起泡性能

图7 复配体系在不同含油量条件下的泡沫微观分布图

4)抗盐性。从图8可以看出，随着矿化度的增加，两种体系起泡体积和析液半衰期整体变化不大。APG0810+AOS体系起泡体积有所下降，起泡体积介于550～660 mL，析液半衰期介于335～456 s；APG0810+甜菜碱体系起泡体积有所增加，起泡体积介于560～590 mL，析液半衰期介于349～456 s。两种体系均具备较好的抗盐性，APG0810+甜菜碱的抗盐性优于APG0810+AOS。这是因为随着矿化度的增加，APG0810+AOS泡沫粒径增加，非均质性有所增强，泡沫稳定性有所下降。而APG0810+甜菜碱不同矿化度条件下泡沫微观粒径分布均匀，因此析液半衰期较长，泡沫稳定性较好(见图9)。

图8 复配体系在不同矿化度条件下起泡性能

图9 复配体系在不同矿化度条件下的泡沫微观分布图

3.2 乳化降黏能力评价及机理

3.2.1 质量分数

从图10(a)可以看出，与未加体系相比，加入APG0810+AOS和APG0810+甜菜碱体系后形成乳液黏度显著降低，并且乳液黏度随着起泡体系质量分数的提高而降低。当起泡体系质量分数为0.7%时，APG0810+AOS和APG0810+甜菜碱的乳液黏度分别为30 mPa·s和31 mPa·s，降黏率分别为55.9%和54.4%，相差不大。这是因为地层原油均形成高黏的W/O型乳液，而加入0.2%～0.7%的起泡体系后均形成低黏的O/W型乳液(见图11)，使得乳液黏度降低，可以提高地层原油的流动性，提高驱油效率[11-12]。

图10 复配体系在不同条件下乳液黏度的变化

图11 复配体系在不同浓度体系下乳液类型实验结果

3.2.2 温度

从图10(b)可以看出，随着温度增加，两体系形成的乳液黏度均增加。在高温条件下，APG0810+甜菜碱体系的降黏效果远好于APG0810+AOS体系。这是因为温度增加会影响表面活性剂的活性[13-14]，APG0810+AOS体系在60～120 ℃条件下均形成O/W型乳液，而140 ℃时形成W/O型乳液，温度高于120 ℃会对其乳化性能产生一定影响；APG0810+甜菜碱体系在60～140 ℃条件下均形成O/W型乳液，因此该体系在不同温度条件下均能保持良好的乳化性(见图12)。

图12 复配体系在不同温度老化后乳液类型实验结果

3.3 降低界面张力能力评价

由图13可以看出，两体系均可以达到较低的界面张力，这有利于油水的乳化[15]，降低原油黏度。地层原油和模拟地层水的界面张力为22 mN/m，较大的界面张力不利于油水乳化和驱油效率的提高[16]。加入不同质量分数的APG0810+AOS体系后，界面张力介于1.36～1.68 mN/m，为100数量级，降低1个数量级；加入不同质量分数的APG0810+甜菜碱体系后，界面张力介于0.22～0.57 mN/m，为10-1数量级，降低2个数量级，降低界面张力能力优于APG0810+AOS。

图13 复配体系在不同起泡体系质量分数下的油水界面张力变化

3.4 改善润湿性能力评价

由图14可以看出，随着两种起泡体系质量分数的增加，接触角逐渐增加。APG0810+AOS体系质量分数达到0.3%后，润湿角开始大于90°；APG0810+甜菜碱的润湿性改善能力略强，体系质量分数达到0.2%后，润湿角就开始大于90°。岩石润湿性由油湿转变为水湿，有利于提高驱油效率[17]。

图14 复配体系在不同起泡体系质量分数下润湿性改善情况实验结果

3.5 静态吸附性能评价

从图15可以看出，随着起泡体系质量分数的增加，APG0810+AOS以及APG0810+甜菜碱的吸附量均逐渐增加。当起泡体系质量分数高于0.4%时，APG0810+AOS的静态吸附量趋于平稳，稳定在1.3 mg/g左右。当起泡体系质量分数高于0.5%时，APG0810+甜菜碱的静态吸附量稳定在1.22 mg/g左右。两种耐高温泡沫体系的静态吸附量均低于标准的1.5 mg/L。

图15 复配体系在不同起泡体系质量分数下的静态吸附量

综合考虑两种耐高温起泡剂复配体系的起泡性能、乳化性能和吸附性能，优选APG0810+AOS(1∶4)最佳质量分数为0.4%，起泡体积为700 mL，体系配方为0.08%APG0810+0.32%AOS；优选APG0810+甜菜碱(4∶1)最佳质量分数为0.5%，起泡体积为580 mL，体系配方为0.1%APG0810+0.4%甜菜碱。

4 结论

1)用于起泡体系优选的单剂中，APG0810、AOS起泡性较好，AEC-9H起泡性一般，石油磺酸盐、烷醇酰胺、甜菜碱起泡性较差；此外，APG0810、AOS、石油磺酸盐、甜菜碱乳化形成低黏的O/W型乳液，AEC-9H、烷醇酰胺乳化形成高黏W/O型乳液。

2)两种体系发泡体积均可超过500 mL，耐温性较好(120～140 ℃)，耐盐性好(4 000～20 000 mg/L)。具备一定的抗油性，含油量为5%时起泡体积分别为430 mL和360 mL；含油量为20%时，起泡体积分别为225 mL和210 mL。

3)两种复配体系均具备较好的降低界面张力、改善岩石润湿性的能力。APG0810+AOS可将界面张力降到100数量级，APG0810+甜菜碱可将界面张力降到10-1数量级；质量分数高于0.2%的条件下均能将润湿性由油湿转变为水湿。同时在地层中的吸附量均低于平均的1.5 mg/g。

4)优化得到了两种耐温抗油的高效起泡体系，体系配方为0.08%APG0810+0.32%AOS和0.1%APG0810+0.4%甜菜碱。APG0810+AOS起泡性能优于APG0810+甜菜碱，APG0810+甜菜碱降黏和降低界面张力能力优于APG0810+AOS，可以根据实际情况进行调剖体系选择。