表面活性劑對低滲透油藏自發滲吸影響研究

王姍姍 馮奇 康曉東

摘 ? ? ?要：裂縫和基質中流體滲吸作用是低滲透裂縫性油藏開發的重要機理之一。在渤海B油田油藏條件下，評價了5種不同類型表面活性劑的滲吸效果，考察了表面活性劑質量濃度對滲吸采收率的影響，討論了滲吸過程中的滲吸速度變化規律。實驗結果表明：復合型表面活性劑AN-18具有最好的滲吸采油效果，其最佳使用質量濃度為2 000 mg·L-1。通過測定表面活性劑在不同質量濃度下的油水界面張力和接觸角，計算滲吸動力和黏附功，探討了AN-18具有高效滲吸性能的原因。結果表明，AN-18體系具有較大的毛管力、較好的剝離油滴能力、較小的油滴運移阻力，在上述因素的綜合作用下，其滲吸采油效果最好。通過滲吸過程中巖心的CT掃描實驗進一步證實，AN-18可以侵入巖心內部，促使油相的運移和排出，達到最好的驅油效果。

關 ?鍵 ?詞：表面活性劑;低滲透油藏;滲吸;采收率

中圖分類號：TE 348 ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? 文章編號： 1671-0460（2020）10-2175-06

Abstract： Imbibition is one of the important mechanisms for the exploitation of low-permeability reservoirs. Surfactants have a significant effect on the imbibition process. In this paper， the effect of surfactant type and concentration on the imbibition process was evaluated by the imbibition experiments for five surfactants under the reservoir condition of oilfield B， Bohai. And the imbibition rates of different systems were also discussed. The results indicated that the complex surfactant （AN-18） had the best imbibition property， and the optimal concentration was ? ?2 000 mg·L-1. The reasons for the excellent imbibition performance of AN-18 were discussed by measuring the oil-water interfacial tension and contact angle， and calculating the driving force of imbibition and work of adhesion for surfactants at different concentrations. The results indicated that the AN-18 system had great capillary force， good ability to peel off oil droplets from solid surface， and small resistance to the transport of oil droplets in porous media. CT scan experiments of the core during the imbibition process further confirmed that AN-18 could invade the core and cause the migration and discharge of the oil phase inside the core， and its oil displacement property was the best.

Key words： Surfactant; Low-permeability reservoir; Imbibition; Oil recovery

與常規油藏相比，低滲透油藏具有孔隙度和滲透率低、孔隙半徑小等特征，因此其毛細管力較 ? 大[1]。在毛細管力驅動下，潤濕相進入孔隙吼道，驅替非潤濕相，這種現象稱為滲吸，滲吸作用決定著低滲透油田原油的產量以及采出程度[2]。滲吸采油過程受到多種因素影響，包括采油方法（注采方式、注水速度、注水量等），油藏條件（油藏巖石類型、油藏物性特征、油藏潤濕性、油藏溫度、地層水礦化度、初始含油飽和度等）和化學藥劑的化學性質（界面張力、潤濕性改變能力、黏度等）等[3-10]。

表面活性劑驅油是低滲透油藏開發最重要的化學驅油方法之一，當前工業上常見的表面活性劑類型包括陰離子型、陽離子型、非離子型、復合型、兩性型。不同表面活性劑具有顯著不同的親水-親油、吸附等性能，因此它們降低界面張力、改變巖石潤濕性、調整油水黏度比的能力差異很大。本文選取了分子大小相近的5種代表性的表面活性劑，評價了它們在低滲透巖心中的滲吸采油效果，在此基礎上，通過界面張力、潤濕性測定，解釋了表面活性劑結構對于滲吸過程的影響。本研究可以為低滲透油藏表面活性劑驅油體系的篩選提供參考。

1 ?實驗部分

1.1 ?實驗材料

表面活性劑：陰離子型E2S，烷基苯磺酸鈉，南京卡尼爾科技有限公司;陽離子型CTAB，十六烷基三甲基溴化銨，國藥集團化學試劑有限公司;非離子型N10078，異構十醇聚氧乙烯醚，臨沂市綠森化工有限公司;復合型AN-18，異構十醇聚氧乙烯醚硫酸鈉，臨沂市綠森化工有限公司;兩性離子型B12S，十二烷基二甲基甜菜堿，臨沂市綠森化工有限公司。

實驗巖心：實驗室人造柱狀均質巖心，尺寸 ?Φ2.5 cm×5 cm，滲透率為30×10-3 μm2，孔隙度為18%，巖心頂、底及側表面不封閉。巖心飽和油樣后，在130 oC下老化3天，使其達到油濕（各巖心油水接觸角在115°以上）。

實驗用油：渤海B油田脫水原油，用煤油稀釋至黏度為2 mPa·s，密度為0.86 ?g·cm-3。

實驗用水：渤海B油田模擬地層水，礦化度分析見表1。

2 ?實驗方法

2.1 ?滲吸實驗

采用體積法測試各試劑的滲吸效果，實驗裝置如圖1。將裝置放于烘箱中，調節溫度至室溫，靜置。記錄刻度管中油的體積與時間的關系，每次測量前晃動瓶子，使得吸附在巖心上的油盡量脫離巖心。

2.2 ?界面張力測試（IFT）

按照標準《表面及界面張力測定方法》（SY/T 5370—1999）中的“旋轉滴法”測量各表面活性劑界面張力。

2.3 ?接觸角測量

接觸角實驗采用氣泡俘獲法，在高壓接觸角測量儀上進行測試[11]。將巖心切片拋光后，將切片與巖心相同老化方法進行老化，再將其浸入鹽水或表面活性劑溶液中，通過注射器從下方將油樣注入，待界面穩定后，測量三相接觸角。

2.4 ?CT成像

在CT掃描的過程中，由于水和油對X光吸收能力不同，當X光穿透巖心后，接收X光的儀器便能通過X的強弱來反映巖心中水和油的分布。通過對滲吸不同時間中的巖心進行CT掃描，來反映表面活性劑溶液侵入巖心后水相及油相的變化情況，進而掌握不同表面活性劑的滲吸能力。

3 ?實驗結果與分析

3.1 ?表面活性劑種類對于滲吸采收率的影響

考察了地層水、質量濃度均為1 500 mg·L-1的5種表面活性劑溶液的滲吸效果，結果如圖2所示（地層水滲吸采收率為0）。從圖中可以看出，5種表面活性劑均具有一定的滲吸驅油效果，但是不同表面活性劑對于滲吸采收率的影響也不同。復合型表面活性劑AN-18具有最佳的滲吸采收率，為49.2%;陽離子型表面活性劑滲吸采收率最低，為31.8%。在5種表面活性劑中，B12S和CTAB兩種具有陽離子官能團的表面活性劑滲吸采收率較低，這可能是由于陽離子與砂巖表面存在靜電吸引，陽離子型結構在砂巖表面的吸附作用強烈，從而液相中表面活性劑質量濃度下降，降低其滲吸采油效果[12]。非離子表面活性劑由于通過疏水基團與原油接觸，其作用強度小于離子型表面活性劑，從而使得其剝離原油能力較弱。而復合型與陰離子表面活性劑具有較高采收率的原因，可能是由于兩者皆帶有陰離子基團，而砂巖帶負電，原油中帶正電的堿性組分吸附在砂巖表面，因此帶負電的表面活性劑與吸附在巖石表面的油樣形成離子對，有助于原油的剝離[11]。而復合型表面活性劑中非離子部分可有助于剝離后原油的運移，從而具有了最好的采收率。

從圖3中可以看出，各樣品在前24 h具有較高的采出速度，隨著時間的增加，采出速度呈現不斷下降的趨勢。這可能是由于早期的滲吸發生在巖石表層，在局部的潤濕性改變與毛管力作用下，快速建立油水通道，從而具有較高的采出速度，但隨著滲吸的進行，表面活性劑不斷深入，巖心內部的滲吸類似于擴散，難以建立油水通道[13]。

3.2 ?表面活性劑質量濃度對于滲吸采收率的影響

選取采收效果較好的AN-18與E2S作為研究對象，考察表面活性劑質量濃度對滲吸采收率的影響，結果如圖4和圖5所示。從圖中可以看出，隨著質量濃度的增加，AN-18與E2S的采收率先上升后下降，兩者均在2 000 mg·L-1時達到最高。AN-18和E2S的最高采收率分別為58.1%和45.7%，由此可見，AN-18滲吸性能優于E2S。

從圖6可以看出，對于不同質量濃度的AN-18溶液，隨著滲吸時間的增加，采出速度持續下降。當AN-18質量濃度為2 000 mg·L-1（采收率最高質量濃度）時，雖然前期采出速度不高，但出油時間最長，所以樣品的滲吸采收率最高。

從圖7可看出，滲吸過程中E2S的采出速度出現先快速增長后不斷下降的趨勢。對比AN-18和E2S的滲吸過程可以發現，兩者在高質量濃度下的采出速度普遍高于低質量濃度，AN-18的采出速度高于E2S的采出速度，這可能是由于復合型表面活性劑更有益于原油在巖心中的運移。

3.3 ?表面活性劑滲吸機理分析

3.3.1 ?接觸角測試

測量不同表面活性劑在不同質量濃度下對巖心接觸角的改變情況，其結果如圖8。Anderson提出了巖石潤濕性與接觸角的關系，認為0°～75°為水濕，75°～105°為中性潤濕，105°～180°為油濕[14]。初始巖心潤濕角為115°，為油濕。

從圖8可以看出，隨著表面活性劑質量濃度的增加，接觸角不斷變小，巖心更加親水。與其他表面活性劑相比，AN-18與E2S能更好地降低接觸角，最低可降至37.7°，巖心親水性增強使得滲吸效果提升。這主要由于巖心為砂巖，易帶負電，在老化過程中，更易吸引帶有正電荷的油性組分，而油性組分的存在使巖石具有油濕特性[15]。而陰離子表面活性劑與油性組分通過靜電作用形成離子對，通過比范德華力更強的作用剝離原油，從而改變接觸角。

3.3.2 ?界面張力測試

測量各表面活性劑在不同質量濃度下的油水界面張力，其結果如圖9。地層水與油樣界面張力為19.2 mN·m-1，隨著表面活性劑的加入，界面張力快速下降，最低降至0.21 mN·m-1。CTAB、E2S和B12S均具有較好的降低界面張力的能力，界面張力的降低帶來兩方面的效果：第一，減弱賈敏效應，增強油水的流通能力，打開油水通道，提高采收率[16];第二，減弱毛細管力，滲吸作用變弱，降低采收率。以AN-18和B12S為例，兩者改變接觸角的能力相近，B12S的界面張力遠低于AN-18，所以B12S的毛細管力較弱，滲吸動力不足，采收率較低。由此可見，對于滲吸過程而言，界面張力需控制在一個合理的范圍。

各試劑在不同質量濃度時的NB-1如圖10。從圖10中可以看出，隨著表面活性劑質量濃度的增加，NB-1不斷增大，意味著毛細管力作用不斷增加，滲吸動力不斷增強;對AN-18和E2S而言，NB-1值普遍大于5，其主要為毛細管力作用（圖11 c），出油部位與出油量較為均勻，四周與頂部均有較多的油析出，但當它們的質量濃度超過2 000 mg·L-1時，NB-1值開始減小，說明表面活性劑質量濃度過高時，不利于滲吸的進行。不同表面活性劑之間對比發現，陽離子型與兩性型表面活性劑為重力與毛細管力的共同作用（圖11 b），出油主要集中在頂部，四周有少量出油，由于兩者的界面張力較低，毛管力較小，采收率不佳。對非離子表面活性劑N10078而言，低質量濃度下其接觸角為99.3°，因此 NB-1為負值，在5種表面活性劑中，它的界面張力最高，這使得它的毛細管力最強，但同時也使得油相在巖心中的運移最困難，采收率不佳。

從圖12中可以看出，各試劑的黏附功降低因子隨著質量濃度增加不斷變小。陽離子表面活性劑CTAB具有最低的黏附功降低因子，最低為0.002 6;非離子表面活性劑N10018的黏附功降低因子最高，最高為0.253 3;陰離子與復合型表面活性劑的黏附功降低因子處于較低范疇，說明它們具有較好的剝離油滴的能力。

3.3.4 ?表面活性劑在巖心中滲吸過程的CT成像

通過CT掃描分別研究巖心在CTAB、E2S和AN-18溶液中的滲吸過程，實驗中3種藥劑的質量濃度均為1 500 mg·L-1。在CT掃描成像圖中，巖心截面色標顯示在圖像右側，圖中顏色越趨向白色即CT值越大，代表水相的質量分數越高;越趨向于深藍/黑色，即CT值越小，代表油相質量分數越高。

從圖13中可以看出，在4 h時巖心邊緣出現了白色部分，可見CTAB在早期便能侵入巖心，這與滲透速度的變化規律相符。然而，隨著滲吸時間的延長，巖心中白色部分增加幅度較小，同時滲吸過程中，巖心內部深色區域變化較小。這說明在滲吸中后期，CTAB難以侵入巖心內部，巖心內部油相難以排出，導致CTAB的滲吸采收率較低。由上文的分析可以發現CTAB難以侵入巖心內部的原因為CTAB的毛細管力較弱，滲吸動力缺乏。

從圖14中可以看出，在4 h時巖心邊緣出現了大量白色部分，隨著滲吸的進行，白色部分不斷增加;滲吸過程中，巖心內部的深色區域形狀上出現變化，但整體顏色變化不大。這說明E2S在早期能快速、大幅度侵入巖心，這與滲透速度測試結果一致;但是E2S對于巖心深部油相作用較弱，滲吸中后期，采收率無法持續提升。

從圖15中可以看出，在4 h時巖心邊緣出現白色區域，表明AN-18在滲吸初期可以侵入巖心;當滲吸時間增加至8 h時，巖心白色區域變化不大，但其內部部分區域顏色加深，這說明AN-18憑借較強的毛細管力，快速推動油相，使得該區域的油相質量分數增多。隨著滲吸的進行，巖心內部的深色區域不斷變淺，這說明巖心內部的油相因被表面活性劑取代而不斷減少。由此可見，AN-18能很好地侵入巖心內部，促使油相的排出，獲得較高的滲吸采收率。

4 ?結 論

1）評價了5種不同類型表面活性劑的滲吸驅油效果，復合型表面活性劑AN-18具有最好的滲吸效果，其采收速度隨滲吸時間的增加，出現先增長后下降的趨勢。

2）隨著質量濃度的增加，AN-18的滲吸采收率先增加后降低，最佳使用質量濃度為2 000 mg·L-1。

3）NB-1對于滲吸過程有重要影響，當其值大于5時，滲吸以毛細管力為主，具有較強的滲吸動力;同時，若黏附功較小，剝離油滴的能力較強;界面張力不高，油滴在巖心中的運移阻力不大，從而使得體系具有較高的采收率。

4）通過滲吸過程中巖心的CT掃描實驗證實，AN-18憑借較強的毛細管力侵入巖心內部，促使油相的運移和排出，從而獲得較好的滲吸采收率。

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