中高礦化度聚表劑乳化性能及穩定乳狀液驅油機理

王貴江，張 杰，苑光宇，劉哲宇

(1.中國石油集團安全環保技術研究院有限公司，北京 102206；2.中國石油大港油田分公司，天津 300280；3.油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249；4.中國石油大學(北京)，北京 102249)

0 引 言

中國化學驅油技術經過多年的研究與應用，已較為成熟，取得了良好的開發效果，是“雙高期”中高滲油藏提高采收率的重要技術手段[1]。但目前中國多個油田的聚合物驅和復合驅實施完成后，仍有接近50%的原油殘留地下，聚合物驅、復合驅后如何進一步提高采收率，是目前行業關注的問題[2]。聚表劑驅技術近年來研究與應用較多，有望成為聚合物驅后一項潛力接替技術[3]。

聚表劑是一種新型單組分的化學驅油劑，是具有表面活性的功能型聚合物。研究表明，聚表劑分子中含有多種功能性單體，如酰胺基、硅氧烷和復合醚基等[4]，同時具有表面活性劑和聚合物的優勢，能克服聚合物、表面活性劑二元體系的色譜分離等缺點，已在礦場成功應用。

聚表劑性能評價，中國已開展了較多相關研究，包括聚表劑的增黏性[5]、流變性[6-7]、抗鹽性能[8]、流動特性[9-10]、熱穩定性[11]等，關于乳化性能，相關研究[12-13]不夠全面深入；聚表劑的驅油機理雖有報道[14]，但對于聚表劑乳化在驅油中的作用尚無文獻述及；穩定的乳狀液具有良好的驅油能力，其可在多孔介質內部依靠賈敏效應對大孔隙實施有效封堵，從而提高波及體積，但鮮有學者研究過穩定乳狀液的微觀驅油機理。因此，借助微流控系統，通過向微觀模型中注入穩定DG乳狀液，來研究其微觀驅油機理。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

實驗用水為大港某區塊模擬地層水，水質類型為CaCl2型，總礦化度為6 150 mg/L。實驗用油為大港某區塊現場脫水原油，50 ℃時地面脫氣原油黏度為52 mPa·s。實驗藥品包括HD-I、HD-II、HB-BI、DG聚表劑。其中，HD-I、HB-BI和DG均為調驅型聚表劑，HD-II為驅洗型聚表劑。實驗儀器包括體式顯微鏡、高速乳化設備、恒溫水浴箱、量筒以及燒杯。

1.2 實驗方法

1.2.1 乳狀液的制備

乳狀液制備的主要步驟：①用清水配制5 000 mg/L聚表劑母液，再用污水稀釋成1 000 mg/L的目的溶液；②將化學劑溶液及脫水原油置于50 ℃干燥箱保持2 h，燒杯和具塞量筒事先預熱，并恒溫50 ℃備用，再按一定油水比量取聚表劑溶液與脫水原油；③按照預先設定的比例將脫水原油與聚表劑溶液置于燒杯內，燒杯放置于恒溫水浴箱中，將高速乳化設備轉子置于燒杯內部，浸沒至液體2/3處，轉速為1 500 r/min，高速攪拌約5 min ，制得均勻乳狀液體系；④將上述制得的乳狀液體系放置于恒溫箱中，觀察不同時間節點時乳狀液的析液情況。

1.2.2 乳狀液類型判別

乳狀液的類型可用稀釋法(分散法)[17]、染色法[18]、電導法[19]和顯微鏡觀察等方法確定，實驗運用分散法和顯微鏡法進行分析。分散法即以“水”或“油”對乳狀液進行分散實驗，若乳狀液能被水分散，則為O/W型乳狀液；若乳狀液能被油分散，則為W/O型乳狀液。顯微鏡法是利用原油和水透光性的差別，確定乳狀液內相介質的類型，若內相為油，則為O/W型乳狀液，內相為水，則為W/O型乳狀液。

1.2.3 乳狀液粒徑測試

采用體式顯微鏡觀察乳狀液的微觀圖片，并用軟件統計分析液滴大小分布。

1.2.4 乳狀液微觀驅油實驗

微觀模型難以產生大量的穩定乳狀液，很難觀察到聚表劑乳狀液的驅油過程。通過將DG聚表劑注入到多孔介質中制得穩定乳狀液。微觀模型飽和油并水驅后，將穩定乳狀液注入到微觀模型中，觀察乳狀液的微觀驅油機理。

2 結果與討論

2.1 乳狀液穩定性影響因素分析

2.1.1 析水率變化

在聚表劑濃度為1 000 mg/L，油水比為4∶6、3∶7、6∶4、5∶5時，不同體系形成的乳狀液析水率隨時間變化規律見圖1。

由圖1可知：4種聚表劑隨時間的延長，析水率均逐漸增加，這是由于界面膜的穩定性隨時間的變化而減弱，當界面膜的穩定性不足以支撐包裹乳液內相時，乳狀液發生破乳，導致析水率逐漸增加；隨著油水比的增加，HD-Ⅰ型、HD-Ⅱ型、HB-BⅠ型聚表劑析水率逐漸減小，而DG聚表劑析水率逐漸增加；HD-Ⅱ型聚表劑析水率上升最快，10 d后穩定，析水率為4種聚表劑中最大，穩定性最差，而DG聚表劑和HD-Ⅰ型聚表劑在初期析水率為0，10 d后才緩慢上升，30 d析水率仍未超過10%，乳化性能及穩定性最好。乳化性能及穩定性由強到弱依次為：DG聚表劑、HD-Ⅰ型、HB-BⅠ型、HD-Ⅱ型。

圖1 4種聚表劑乳狀液的析水率隨時間變化

2.1.2 乳狀液類型

表1為乳狀液類型鑒別結果。由表1可知，HB-BI型、HD-I型、HD-II型與DG聚表劑在濃度為1 000 mg/L，油水比為3∶7、4∶6、5∶5、6∶4時，形成的乳狀液均為O/W型乳狀液。

表1 乳狀液類型鑒別結果

2.1.3 乳狀液粒徑

圖2為4種聚表劑乳狀液粒徑中值(聚表劑濃度為1 000 mg/L)。由圖2可知：4種聚表劑粒徑中值變化具有類似的規律，隨著油水比的增加乳狀液粒徑中值均逐漸減小。其中，HB-BⅠ型聚表劑乳狀液粒徑中值最小，且中值降低幅度最小，說明油水比對HB-BⅠ型聚表劑乳狀液顆粒影響較小；而HD-Ⅱ型聚表劑乳狀液粒徑中值最大，均在70 μm以上，結合文中乳狀液穩定性的分析結果，HD-Ⅱ型聚表劑乳狀液穩定性最差，說明乳狀液粒徑與穩定性有一定對應關系，乳狀液粒徑越小、分布越均勻，乳狀液越穩定[20]，反之則不穩定；而HB-BⅠ型聚表劑粒徑比HD-Ⅰ型和DG聚表劑都小，但穩定性卻比兩者差，說明粒徑對乳狀液穩定性有影響，但同時也受聚表劑類型和性能等其他因素制約。

圖2 4種聚表劑乳狀液粒徑中值

2.2 黏度對乳狀液穩定性的影響

為考察黏度對聚表劑乳狀液穩定性的影響，選取DG聚表劑剪切后制備乳狀液，測試析水率隨時間的變化(圖3)。對比圖3和圖1d可知，相同時間內剪切后形成乳狀液的析水情況明顯快于剪切前形成乳液的析水情況，剪切后從第2 d開始逐漸析水，30 d析水率為10%～20%，而剪切前在10 d以內時均未析水，之后逐漸析水，30 d析水率仍不到10%。說明聚表劑經剪切后黏度大幅下降，乳化穩定性隨之下降。分析原因：一是乳狀液均為O/W型乳狀液，聚表劑溶液為連續相，聚表劑溶液經剪切后黏度下降，導致懸浮油滴的能力降低，使油滴易運移碰撞，破裂或聚并的幾率增加；二是聚表劑黏度下降后，乳狀液界面膜的強度降低，使乳狀液滴易于破裂析水。剪切后聚表劑乳狀液30 d后析水率為10%～20%，但仍小于HB-BⅠ型聚表劑乳狀液和HD-Ⅱ型聚表劑乳狀液，說明黏度對聚表劑乳狀液的穩定性有較大影響，但影響最大的因素還是聚表劑本身的乳化性能。

圖3 剪切后聚表劑乳狀液析水曲線

2.3 濃度對乳狀液穩定性的影響

為了考察聚表劑濃度對乳狀液穩定性的影響，選取HB-BⅠ型聚表劑制備乳狀液，測試析水率隨時間變化規律(圖4)。由圖4可知，在相同油水比時，隨著濃度的升高析水率逐漸降低，乳狀液越穩定。因為濃度越高，聚表劑溶液內形成膠束的數量越多，從而導致乳狀液界面膜強度增加，乳液穩定性增強，2種油水比條件下均具有相似的規律。在相同濃度時，隨著油水比的增加，析水率逐漸減小。

進一步分析了相同聚表劑溶液用量的情況下(濃度與油水比均不同)乳狀液的穩定性(圖5)。由圖5可知，濃度為0.15%、油水比為6∶4條件下的乳狀液析水率遠低于濃度為0.10%、油水比為4∶6條件下的乳狀液析水率，說明乳狀液穩定性與聚表劑溶液的用量并無直接關系，而是與油水比和聚表劑濃度相關。分析可知，聚表劑濃度、油水比均與析水率呈負相關(與乳狀液穩定性呈正相關)，兩者均可提高乳狀液的穩定性，因為聚表劑油水比、濃度越大，界面活性物質越多，聚表劑對油滴的捕集能力越強，形成的乳狀液越穩定；反之，則會減弱乳狀液的穩定性。低油水比對乳狀液穩定性不利，較高的聚表劑濃度彌補了不足，使兩者析水率差別很小，穩定性接近，因此，對該類聚表劑，油水比越小，越應提高聚表劑濃度，才能保證乳化性能及穩定性。

圖4 不同濃度聚表劑乳狀液析水率隨時間變化

3 聚表劑乳狀液微觀驅油機理

3.1 對殘余油的乳化攜帶作用

穩定乳狀液通過巖心孔隙時，如果孔隙或喉道直徑與乳狀液粒徑相當或較小時，油滴在驅替力的作用下繼續沿著孔道向前移動或變形通過孔喉，當乳狀液滴在孔道中與殘余油接觸時，打破了原有的油水界面膜，內相與殘余油互溶，導致原來難以驅替的殘余油變得可流動。后續的乳狀液滴以同樣的作用，通過互溶攜帶將原來難以啟動的殘余油連續不斷的驅替出來。

3.2 封堵后液流轉向作用

穩定乳狀液在巖心中流動，在滲流速度較小時，遇到細小孔喉或在大孔隙的轉角處，由于吸附作用，前緣的乳狀液滴滲流速度會降低甚至停止，后續乳狀液捕捉聚集形成堵塞，起到封堵作用；驅替壓力不足以沖開聚集的乳狀液滴時，后續的乳狀液或者流體會進入到并行的另一孔隙或喉道中，將其中的殘余油驅替出來，即乳狀液的聚集產生了封堵作用，導致液流轉向驅替殘余油。

3.3 乳狀液渦流旋轉刮油作用

聚表劑乳狀液與原油界面張力較低時，大油滴接觸前緣在后續注入穩定聚表劑乳狀液剪切力的作用下，被剝離成小油滴，小油滴隨油膜運移。在渦流旋轉不斷剪切作用下，厚油團逐漸變薄變小，同時乳狀液滴渦流旋轉產生的推動力將變小的油團沿著孔隙推動，最終以膜狀流態運移而出。渦流旋轉切削作用一般出現在高分子聚合物驅油實驗中，與聚合物驅相比，聚表劑驅替過程中該作用更明顯。

4 實踐指導

聚表劑作為一種新型驅替劑，同時具有聚合物與表面活性劑的優點，但其乳化能力與表面活性劑又有所差異，導致現場應用聚表劑時很難借鑒表面活性劑的使用方法。通過對不同類型聚表劑的乳化規律及乳化驅油機理進行系統研究，明確了不同類型聚表劑的乳化特點與驅油機理，可為油田現場聚表劑的評價、篩選與應用提供一定的理論指導。

5 結 論

(1) 油水比、聚表劑黏度和濃度均會對聚表劑乳化性能產生影響，油水比越大，乳狀液粒徑越小，聚表劑黏度、濃度越大，乳狀液穩定性越強，4種聚表劑均易于形成O/W型乳狀液。

(2) 聚表劑形成的乳狀液可通過乳化攜帶作用、乳化封堵液流轉向作用及旋流刮削作用驅替殘余油，聚表劑的乳化性能對驅油效果有重要貢獻，是聚表劑驅油的重要機理之一。

(3) 該項研究明確了不同類型聚表劑的乳化特點與驅油機理，可為油田現場聚表劑的評價、篩選與應用提供一定的理論指導。