納米微球調驅采出液油水乳狀液穩定性和破乳劑研究

中海石油（中國）有限公司天津分公司

隨著油田的開發，產液含水量不斷上升，儲層非均質性增強，注水大孔道或高滲透條帶的存在使得井間注水波及系數小，對水驅和化學驅驅替液波及系數的影響日益嚴重，從而影響了油田采收率[1]。深部調驅能經濟高效地調整吸水剖面并降低油藏的非均質性，從而提高原油采收率。目前研究和運用較多的是弱凝膠調驅、氮氣泡沫驅和可動凝膠調驅技術，但這些調驅材料具有強度低、選擇性差、無法進入儲層深部等缺點[2-5]。良好的深部調驅材料應具備“進得去，堵得住，能移動”的特性。基于此框架，設計了一種可進入地層深處的初始尺寸為納米級的聚合物微球。聚合物納米微球體系作為一種預交聯體系，能夠克服地下成膠效果差的缺點，且地面注入的納米微球具有很好的耐溫、耐鹽特性，應用前景廣闊[6-7]。目前國內各大油田已經開展聚合物納米調驅的先導性試驗，并取得了較好的效果[8-10]。微球調驅采出液中可能會含有納米微球，勢必會對傳統采出液處理方案產生影響，因此研究納米微球調驅采出液的基本性質和處理方案對實際生產具有一定指導意義。

1 實驗

1.1 實驗材料

納米微球、脫水原油由中海油能源發展有限公司提供。破乳劑D1、D2、D3、D4 和D5 自制，分別對應以烷基醇為起始劑的線型聚醚、烷基醇起始劑的支化聚醚、烷基胺為起始劑的線型聚醚、烷基胺為起始劑的支化聚醚和樹脂為起始劑的支化嵌段聚醚。無機絮凝劑聚鋁（F1）、有機陽離子絮凝劑（F2）、有機兩性離子絮凝劑（F3）購自SNF 公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 納米微球基本性質的測定

以蒸餾水為溶劑，配制納米微球水溶液，采用美國Brookhaven 公司90plus 型高分辨Zeta 電位儀及激光粒徑分析儀測定納米微球粒徑；以模擬地層水為溶劑，配制納米微球水溶液，60 ℃下采用德國KRUSS 公司DSA30 型界面參數一體測量系統測定溶液的表面張力、界面張力以及界面擴張模量，其中測定界面擴張模量的條件為：正弦震蕩頻率10 Hz，振幅0.4 mm3。

1.2.2 模擬W/O 型乳液的配制、穩定性評價及破乳劑評價

（1）稱取一定量脫水原油放置于60 ℃水浴中預熱15 min，機械攪拌下（轉速為350 r/min）緩慢滴加一定量納米微球水溶液（模擬地層水配制），油水比1∶1；滴加完畢后繼續攪拌30 min，從而得到W/O 型乳液。

（2）將乳液在60 ℃靜置，間隔10 min 記錄一次乳液脫水體積，根據相同時間內乳液脫水體積判斷乳液穩定性；脫水率越高，乳液穩定性越差。

（3）60 ℃下，向剛配制好的W/O 乳液中加入一定量的破乳劑，手搖200 下后記錄不同時間下乳液的脫水體積，計算脫水率。

1.2.3 模擬采出水的配制、O/W 型乳液穩定性評價及絮凝劑評價

（1）稱取一定量納米微球水溶液（模擬地層水配制）放置于60 ℃水浴中預熱15 min，高速剪切乳化下（SG-500，上海尚貴流體設備有限公司，轉速為7 000 r/min）緩慢滴加一定量脫水原油。滴加完畢后繼續剪切乳化30 min，從而得到模擬采出水。

（2）將模擬采出水在攪拌轉速為5 000 r/min 下離心30 min 后，利用OilTech121A 手持式測油儀（Environ Lab&Tech Inc USA）測定下層水樣的含油量。含油量越高，則表明模擬采出水中O/W 型乳液穩定性越差。

（3）向剛配制好的模擬采出水中加入一定量的絮凝劑，手搖50 次后靜置10 min，取下層水樣，采用濁度儀（美國哈希2100P 濁度儀）測定濁度。

2 實驗結果與討論

2.1 納米微球基本性質

圖1 顯示了納米微球的基本性質。由圖1a 可以看出，微球粒徑分布在120～550 nm 范圍內，粒徑中值為278 nm。這種納米微球具有高比表面積，容易吸附到油水界面從而對采出液中油水乳狀液的穩定性帶來影響。由圖1b 可知，隨著納米微球濃度的不斷增加，溶液表面張力不斷降低，在大于400 mg/L 后趨于穩定。這可能是因為在合成納米微球的過程中，加入了表面活性劑，使納米微球體系具有降低表面張力的功能。界面張力的測定結果（圖1c）同樣顯示納米微球體系具有降低界面張力的性能。表面張力和界面張力的降低會導致乳液體系自由能的降低，從而增強乳液穩定性。另外，圖1d 顯示納米微球體系還會增強油水界面膜的擴張模量。綜合這些基本性質，可以判定當采出液中有了納米微球后，其穩定性必然會受到影響，而且是增強采出液的穩定性。

2.2 納米微球對W/O 乳液的影響

改變水溶液中納米微球的濃度來評價W/O 乳液的穩定性，結果見圖2。由圖2 可知，隨著水溶液中納米微球濃度的增大，相同時間內W/O 型乳液的脫水率逐漸下降，即乳液穩定性逐漸增強，這和前文中由納米微球基本性質推測的結果一致。

固定水溶液中納米微球的濃度為200 mg/L，破乳劑加量為100 mg/L，在60 ℃下評價不同類型破乳劑對含納米微球W/O 乳液的破乳性能，結果見表1。由表1 可知，相同條件下5 種破乳劑中D5 的破乳性能最佳，即以樹脂為起始劑的支化嵌段聚醚此時有最佳破乳效果。保持水溶液中納米微球的濃度為200 mg/L，分別考察破乳劑加量和破乳溫度對D5 破乳劑破乳性能的影響（表2、表3）。結果表明：當D5 加量為125 mg/L、溫度為70 ℃、破乳時間為100 min 時，破乳脫水率最高（98.4%）。

表1 破乳劑類型對含納米微球W/O乳液破乳實驗結果的影響Tab.1 Effect of demulsifier type on the demulsification experiment results of W/O emulsion containing nano-sphere

圖1 納米微球基本性質測定結果Fig.1 Measurement results of nano-sphere basic properties

圖2 水溶液中納米微球濃度增大時W/O乳液穩定性評價結果Fig.2 Stability evaluation results of W/O emulsion with the increase of nano-sphere concentration in water solution

表2 破乳劑加量對含納米微球W/O乳液破乳實驗結果的影響Tab.2 Effect of demulsifier dosage on the demulsification experiment results of W/O emulsion containing nano-sphere

表3 破乳劑溫度對含納米微球W/O 乳液破乳實驗結果的影響Tab.3 Effect of demulsifier temperature on the demulsification experiment results of W/O emulsion containing nano-sphere

2.3 納米微球對模擬采出水的影響

改變水溶液中納米微球的濃度評價模擬采出水中O/W 型乳狀液的穩定性，結果見圖3。由圖3 可知，隨著水溶液中納米微球濃度的增大，離心處理后模擬采出水的含油量逐漸上升，即模擬采出水中O/W 型乳狀液穩定性增強。這其中的原因與納米微球體系具有良好界面活性性質有關，可能還與納米微球體系會改變水中油滴帶電量有關。

圖3 水溶液中納米微球濃度增大時模擬采出水穩定性評價結果Fig.3 Stability evaluation results of simulated produced water with the increase of nano-sphere concentration in water solution

固定水溶液中納米微球的濃度為200 mg/L，絮凝劑加量為250 mg/L，在60 ℃下評價不同類型絮凝劑對含納米微球模擬污水的絮凝性能。結果表明，絮凝劑中F1 的絮凝性能最佳，即無機聚鋁有最佳絮凝效果，污水濁度可降低至15 NTU，而F2、F3 處理后污水濁度分別為876 NTU、1 459 NTU。保持水溶液中納米微球的濃度為200 mg/L，優化F1絮凝劑的加量（圖4），結果表明，當F1 加量為250 mg/L，溫度在20～70 ℃范圍內，絮凝性能均良好，處理后水樣的濁度為15 NTU，即絮凝劑絮凝性能不受溫度影響。

圖4 絮凝劑F1 加量對處理結果的影響Fig.4 Effect of flocculant F1 dosage on treatment results

3 結論

（1）聚合物納米微球溶液具有良好的表面和界面活性，能夠降低表面和界面張力，增強油水界面擴張模量，從而導致采出液中W/O 乳液和含油污水的穩定性隨納米微球濃度的增大而增強。

（2）處理含有納米微球W/O 乳液的最佳破乳劑為以樹脂為起始劑的支化嵌段聚醚，最佳處理條件為破乳劑加量125 mg/L、破乳溫度70 ℃、破乳時間100 min。

（3）處理含有納米微球含油污水的最佳絮凝劑為聚鋁，最佳處理條件為絮凝劑加量250 mg/L、溫度在30～70 ℃均可。