界面張力對海上油田采收率影響機(jī)理研究

矯 龍，張 博，常 振

(中海油田服務(wù)股份有限公司，天津 300450)

海上油田原油黏度密度大，膠質(zhì)瀝青質(zhì)含量高，容易黏附在油藏表層，常規(guī)水驅(qū)很難進(jìn)行開采，必須使用驅(qū)油劑來提升采收率。驅(qū)油劑一般為表面活性劑，而表面活性劑一個(gè)重要的物理指標(biāo)就是降低油水兩相間的界面張力，所以界面張力機(jī)理是提高采收率機(jī)理中重要的組成部分。本文利用不同的表面活性劑作為驅(qū)油劑，對海上油田不同區(qū)塊原油進(jìn)行界面張力和一維驅(qū)替模擬實(shí)驗(yàn)，明確其中的對應(yīng)關(guān)系及規(guī)律。

1 界面張力機(jī)理的研究現(xiàn)狀

1.1 平衡界面張力與提高采收率的關(guān)系

平衡界面張力是油水接觸一段時(shí)間后達(dá)到平衡不再變化時(shí)的界面張力，是一個(gè)靜態(tài)的概念。廖廣志[1]提出，平衡界面張力達(dá)到10-3mN/m超低界面張力時(shí)，采收率可以提高20%以上；李華斌等[2]提出要達(dá)到油水的平衡界面張力10-3mN/m數(shù)量級，采收率提高20%的目標(biāo)，會(huì)在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)表面活性劑的種類和來源受到嚴(yán)格的限制；陳中華等[3]也提出由毛管數(shù)推導(dǎo)計(jì)算出的10-3mN/m超低數(shù)量級界面張力值，可以作為活化殘余油的結(jié)論，但是這只考慮了油水界面張力、驅(qū)油體系的黏度以及驅(qū)替速度等三個(gè)參數(shù)，而沒有考慮其他的影響因素。

1.2 動(dòng)態(tài)界面張力與提高采收率的關(guān)系

動(dòng)態(tài)界面張力是油水間界面張力隨時(shí)間變化的瞬時(shí)界面張力。李華斌和陳中華[2，3]利用大慶原油進(jìn)行動(dòng)態(tài)界面張力對驅(qū)油效率影響實(shí)驗(yàn)。研究結(jié)果表明，隨著時(shí)間的變化，油水動(dòng)態(tài)界面張力的變化隨著時(shí)間變化，界面張力先是逐漸降低到10-3mN/m的超低值，然后又逐漸上升到10-2mN/m或10-1mN/m，甚至更高，盧祥國等[4]認(rèn)為體系界面張力值越小，采收率越高，說明影響驅(qū)油效果的主要因素是油水瞬時(shí)界面張力的最低值，最低值越小，驅(qū)油效果越好。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

對海上油田兩個(gè)區(qū)塊的原油分別進(jìn)行界面張力和一維驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以直觀的得出界面張力對采收率的影響機(jī)理。

2.1 界面張力測定實(shí)驗(yàn)

界面張力測試有很多方法，主要為：懸滴法、毛細(xì)管上升法、吊片法、最大氣泡法，本文選取懸滴法測試驅(qū)油劑的界面張力。

2.1.1 實(shí)驗(yàn)儀器及用品

2.1.1.1 實(shí)驗(yàn)儀器 實(shí)驗(yàn)儀器(見表1、圖1)。

表1 實(shí)驗(yàn)儀器Tab.1 Experimental apparatus

圖1 TX-500界面張力儀Fig.1 TX-500 interfacial tensiometer

2.1.1.2 實(shí)驗(yàn)用品

實(shí)驗(yàn)用油：A-1區(qū)塊原油、B-1區(qū)塊原油。

實(shí)驗(yàn)藥品：石油醚、無水乙醇、丙酮、去離子水，驅(qū)油劑的規(guī)格(見表2)。

表2 實(shí)驗(yàn)所用驅(qū)油劑規(guī)格及用途Tab.2 The specifications and function of the displacement agents

2.1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

(1)儀器清洗：先用石油醚清洗，再用無水乙醇和丙酮繼續(xù)清洗，晾干備用。

(2)裝樣：將樣品注射器分別用去離子水和驅(qū)油劑潤洗，抽取樣品注滿樣品管，挑小米粒大小的特定區(qū)塊原油放入驅(qū)油劑中，蓋上封堵蓋。

(3)恒溫：把在控制面板上調(diào)至50℃，恒溫30 min。

(4)測試：在控制面板上打開控制按鈕，將轉(zhuǎn)速設(shè)置為5 000 r/min，測定該條件下界面張力。

2.2 驅(qū)替實(shí)驗(yàn)

針對不同驅(qū)油劑對同一區(qū)塊原油降低界面張力的差異、不同濃度的同一種驅(qū)油劑對同一區(qū)塊原油降低界面張力的差異以及相同濃度同一種驅(qū)油劑對不同區(qū)塊原油降低界面張力的差異，采用一維模擬驅(qū)替模型進(jìn)行驅(qū)替模擬實(shí)驗(yàn)，直觀的看出界面張力對提高采收率的影響。

2.2.1 實(shí)驗(yàn)儀器及用品 采用一維模擬驅(qū)替模型，模型裝置圖(見圖2)。

實(shí)驗(yàn)用品：去離子水、十二烷基苯磺酸鈉、烷基酚聚氧乙烯醚、石油醚、無水乙醇、丙酮等。

實(shí)驗(yàn)?zāi)M巖心砂比：180 目：120 目：70 目=1：2：4。實(shí)驗(yàn)用油：A-1油田原油、B-1油田原油。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)步驟 將目標(biāo)原油注入到模擬巖心中，在50℃的實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行水驅(qū)和驅(qū)油劑驅(qū)，并且計(jì)算出最后的采收率，得出界面張力和采收率之間的關(guān)系。

圖2 一維模擬驅(qū)替模型示意圖Fig.2 One-dimensional simulation dislacement model

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 界面張力測定實(shí)驗(yàn)

對A-1油田的原油進(jìn)行了油水界面張力測試，測試溫度統(tǒng)一定在了50℃。藥劑濃度從100 mg/L起始逐漸增大，直到測量指標(biāo)趨向平衡。從結(jié)果可以看出十二烷基苯磺酸鈉降低界面張力的能力較弱，在濃度達(dá)到5 000 mg/L時(shí)，油水界面張力達(dá)到平衡，界面張力降至10-2mN/m級別；而烷基酚聚氧乙烯醚降低界面張力的能力較強(qiáng)，在濃度達(dá)到2 000 mg/L時(shí)，油水界面張力基本平衡，界面張力降至10-3mN/m級別(見圖3)。

對B-1油田原油進(jìn)行界面張力測試，測試溫度統(tǒng)一設(shè)定為50℃。藥劑濃度從100 mg/L開始逐漸提升。十二烷基苯磺酸鈉降低界面張力的能力還是比較弱，當(dāng)濃度到3 000 mg/L時(shí)基本穩(wěn)定，界面張力僅僅降至10-1mN/m級別；而烷基酚聚氧乙烯醚在濃度3 000 mg/L時(shí)也基本穩(wěn)定，界面張力降至10-2mN/m級別，也低于對A-1油田原油降低界面張力的幅度(見圖4)。

3.2 驅(qū)替實(shí)驗(yàn)

圖3 不同驅(qū)油劑對A-1油田界面張力實(shí)驗(yàn)結(jié)果示意圖(50℃)Fig.3 The interfacial tension test results schematic diagram by different oil displacement agent on A-1 oilfield crude oil(50℃)

3.2.1 十二烷基苯磺酸鈉對不同區(qū)塊原油的驅(qū)替實(shí)驗(yàn)十二烷基苯磺酸鈉對A-1油田原油的驅(qū)替實(shí)驗(yàn)結(jié)果(見圖5)可以看出：隨著十二烷基苯磺酸鈉的濃度提高，油水界面越來越低。由于十二烷基苯磺酸鈉降低界面張力的能力較弱，所以對采收率的提高并沒有多大貢獻(xiàn)。當(dāng)濃度為0.03%，油水界面張力為10-1mN/m級別時(shí)，采收率僅僅提高了1.1%；當(dāng)濃度為0.5%，界面張力降至10-2mN/m級別時(shí)，采收率也只提高了5.95%。但是，采收率的總體趨勢還是隨著界面張力的降低而升高。

圖4 不同驅(qū)油劑對B-1油田原油界面張力實(shí)驗(yàn)結(jié)果示意圖(50℃)Fig.4 The interfacial tension test results schematic diagram by different oil displacement agent on B-1 oilfield crude oil(50℃)

圖5 不同濃度十二烷基苯磺酸鈉對A-1油田原油驅(qū)替實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖Fig.5 The experiment results schematic diagram by different concentrations of SDBS displace on the A-1 oilfield

十二烷基苯磺酸鈉對B-1油田原油的驅(qū)替實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出：隨著十二烷基苯磺酸鈉濃度的提高，油水界面越來越低，采收率也有小幅度的提升。當(dāng)濃度為0.03%時(shí)，油水的界面張力降至1 mN/m級別時(shí)，采收率提高了0.75%，當(dāng)濃度達(dá)到平衡濃度0.5%時(shí)，油水的界面張力降至10-1mN/m級別時(shí)，采收率提高了5.5%。但是提高采收率的幅度都小于同濃度十二烷基苯磺酸鈉對A-1油田原油驅(qū)替時(shí)提高采收率的幅度，這是因?yàn)槭榛交撬徕c對B-1油田原油降低界面張力的能力要弱于其對A-1油田原油降低界面張力的能力。

3.2.2 烷基酚聚氧乙烯醚對不同區(qū)塊原油的驅(qū)替實(shí)驗(yàn)烷基酚聚氧乙烯醚對A-1油田原油驅(qū)替實(shí)驗(yàn)結(jié)果(見圖6)可以看出：隨著烷基酚聚氧乙烯醚濃度的提高，界面張力降低幅度很大，采收率的總體趨勢也是提升。在濃度為0.03%時(shí)，界面張力降至10-1mN/m級別時(shí)，采收率提高了12.38%，雖然降低界面的程度和同濃度十二烷基苯磺酸鈉基本一致，但是采收率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于十二烷基苯磺酸鈉在同一濃度時(shí)對A-1油田原油的驅(qū)替采收率；在濃度為0.1%時(shí)，界面張力降至10-2mN/m級別，采收率提高的幅度進(jìn)一步加大，最后提高了18.40%，也是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于同濃度的十二烷基苯磺酸鈉對本區(qū)塊原油的驅(qū)替采收率；在濃度為0.5%時(shí)，雖然界面張力降低的更多，基本達(dá)到了超低界面張力的10-3mN/m級別，但是對原油的驅(qū)替采收率和0.1%時(shí)基本持平甚至到了驅(qū)替末期會(huì)比濃度為0.1%時(shí)驅(qū)替采收率低，最后采收率提升了18.17%。

圖6 不同濃度的烷基酚聚氧乙烯醚對A-1油田驅(qū)替實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.6 The experiment results schematic diagram by different concentrations of polyoxyethylene alkylphenol ether displace on the A-1 oilfield

烷基酚聚氧乙烯醚對B-1油田原油驅(qū)替實(shí)驗(yàn)結(jié)果(見圖7)可以看出：隨著濃度的升高，界面張力降低，采收率也有提升的趨勢。當(dāng)濃度為0.03%時(shí)，界面張力為1 mN/m級別，提升采收率為1.64%，和同濃度十二烷基苯磺酸鈉對B-1油田原油驅(qū)替提升采收率基本持平。當(dāng)濃度為0.5%時(shí)，界面張力降至10-1mN/m級別，降低的界面張力和十二烷基苯磺酸鈉降低的幅度持平，但是提升采收率的幅度要比十二烷基苯磺酸鈉要大，最后提升了9.26%；由于在濃度為0.5%時(shí)界面張力為0.213 mN/m，接近10-2mN/m級別，所以比濃度為0.1%時(shí)，提升采收率的幅度要大。

4 結(jié)論

本章運(yùn)用TX-500旋轉(zhuǎn)界面張力儀和一維線性驅(qū)替模型分別測試兩種驅(qū)油劑對特定區(qū)塊的原油的油水界面張力以及這種界面張力的差異性和提高采收率之間的關(guān)系：

(1)對于不同濃度的同一驅(qū)油劑對特定區(qū)塊原油驅(qū)替，隨著濃度的提升，界面張力降低，當(dāng)油水界面在10-2mN/m級別以上時(shí)，隨著油水界面的降低，采收率有提升的趨勢，在達(dá)到10-2mN/m級別時(shí)，有一個(gè)較大程度的升高。此時(shí)是因?yàn)榻缑鎻埩Φ慕档停档土擞偷魏蛶r石間的粘附功，使得稠油從巖石中剝離效率提高，另外一個(gè)方面是增大了啟動(dòng)毛管數(shù)，使得稠油易于被運(yùn)移啟動(dòng)。

(2)對于同一濃度的不同驅(qū)油劑對特定區(qū)塊原油驅(qū)替，雖然在降低界面張力的能力持平，采收率還是有很大的差別。

圖7 不同濃度的烷基酚聚氧乙烯醚對B-1油田驅(qū)替實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.7 The experiment results schematic diagram by different concentrations of polyoxyethylene alkylphenol ether displace on the B-1 oilfield

(3)根據(jù)毛管效應(yīng)公式，計(jì)算出油水臨界超低界面應(yīng)為10-3mN/m級別，即10-3mN/m級別時(shí)，采收率應(yīng)該有一個(gè)很大幅度的升高，但是實(shí)驗(yàn)中卻表現(xiàn)出了反常現(xiàn)象，可能的原因是，過低的界面張力會(huì)影響乳狀液的界面膜穩(wěn)定性從而影響乳狀液的穩(wěn)定性，不利于采收率的提升。

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