乳化和界面張力特征對二元驅(qū)體系驅(qū)油效果的影響*

王 雨，吳永花，王華鵬，張珍珠，張玉敏

（1.新疆礫巖油藏實(shí)驗(yàn)室，新疆克拉瑪依834000；2.新疆油田實(shí)驗(yàn)檢測研究院，新疆克拉瑪依834000）

無堿表面活性劑/聚合物二元復(fù)合驅(qū)（以下簡稱二元驅(qū)）技術(shù)是在解決堿/表面活性劑/聚合物三元驅(qū)（以下簡稱三元驅(qū)）對地層傷害大、產(chǎn)出液難處理等弊端的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是高含水油田有效開發(fā)的重要接替技術(shù)。礦場試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，無論三元驅(qū)還是二元驅(qū)，在地層中均存在著不同程度的乳化現(xiàn)象［1-2］。目前普遍認(rèn)為，油水界面張力越低的體系，越有利于降低毛管阻力，驅(qū)油效果也越好［3-5］；乳化能力強(qiáng)的體系，能夠起到擴(kuò)大波及體積的作用，對提高采收率有積極作用［6-9］。然而，關(guān)于二元驅(qū)中乳化液的形成和作用機(jī)制，目前還存在著爭議［10-12］，如何篩選性能優(yōu)異的驅(qū)油體系也沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)［13］。由于無堿二元驅(qū)礦場試驗(yàn)開展的相對較少，對二元驅(qū)中乳化與界面張力對采收率交織作用的研究報(bào)道甚少，加之二元驅(qū)技術(shù)還需從理論和實(shí)踐上不斷完善，筆者篩選了有典型乳化特性和界面張力特征的驅(qū)油體系，研究了不同驅(qū)油體系驅(qū)油結(jié)果存在差異的內(nèi)在原因，為二元驅(qū)篩選性能優(yōu)良的驅(qū)油體系配方提供指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

環(huán)烷基石油磺酸鹽KPS，有效物含量40%，工業(yè)品，新疆克拉瑪依金塔公司；石蠟基石油磺酸鹽SP：有效物含量＞50%，中國石油勘探開發(fā)研究院；渣油石油磺酸鹽HPS：有效物含量大于45%，大慶華子龍公司提供；磺基甜菜堿ZS，有效物含量＞50%，鄭州核力科技公司；雙子洗油劑YC：工業(yè)品，分子結(jié)構(gòu)式見圖1，陜西海安公司；乳化劑司盤60、吐溫60，化學(xué)純，上海化學(xué)試劑廠；部分水解聚丙烯酰胺HPAM，相對分子質(zhì)量2.5×107，固含量92.3%，水解度23.5%，北京恒聚化工集團(tuán)有限公司。實(shí)驗(yàn)用原油：試驗(yàn)區(qū)井口脫水原油，含飽和烴67.2%、芳烴13.5%、膠質(zhì)12.8%、瀝青質(zhì)5.2%，黏度13.0 mPa·s（40℃），酸值0.03 mg KOH/g油。配液用水：礦化度2708 mg/L，離子質(zhì)量濃度（單位mg/L）：19.30，Na++K+1023.27，pH 為 7.80；地層水：礦化度7566 mg/L，離子質(zhì)量濃度（單位 mg/L）：39.07，Na++K+2918.66，pH為7.37。人造砂巖方形巖心：長度30 cm、橫截面20 cm2，東北石油大學(xué)提供。

圖1 雙子驅(qū)油劑YC的分子結(jié)構(gòu)

TX500C型界面張力儀，美國盛維公司；驅(qū)油裝置，江蘇海安石油儀器設(shè)備公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 驅(qū)油體系乳化指數(shù)和瞬時(shí)分水速率測定

參照文獻(xiàn)［14］，將驅(qū)油體系和原油按油水體積比1∶1混合，預(yù)熱10 min后上下振搖100次，然后置于40℃的恒溫水浴中，記錄不同時(shí)刻油層厚度和分水體積，然后對分水體積-分水時(shí)間曲線求導(dǎo)，得到瞬時(shí)分水速率。當(dāng)6 h后油水體系基本達(dá)到平衡狀態(tài)，由初始油相體積與6 h 后的油相體積之差與初始油相體積之比計(jì)算乳化指數(shù)。

1.2.2 室內(nèi)巖心驅(qū)油實(shí)驗(yàn)

具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：將人造巖心模型抽真空，飽和地層水；飽和油；水驅(qū)至指定含水率；注入驅(qū)油劑體系；后續(xù)水驅(qū)到含水率98%。注入驅(qū)油體系前進(jìn)行機(jī)械剪切，使其黏度與原油的黏度（40℃、地面條件下為13 mPa·s）相當(dāng)。實(shí)驗(yàn)溫度為40℃，注入速度為0.5 mL/min，主段塞注入量設(shè)計(jì)為0.5 PV，壓力記錄間隔為30 min，滲流速度和毛管數(shù)計(jì)算參照文獻(xiàn)［15-16］。

2 結(jié)果與討論

2.1 驅(qū)油體系的乳化能力

將 10 mL 的驅(qū)油體系（a：0.3% KPS + 0.1%HPAM；b：0.5%司盤/0.5%吐溫+0.1% HPAM；c：0.3% ZS + 0.1% HPAM；d：0.3%YC；e：0.3% HPS +0.1%HPAM；f：0.3%SP+0.1%HPAM；g：0.3%ZS+0.1%HPAM+0.4%Na2CO3）分別與 10 mL 的原油混合乳化后，分水體積隨分水時(shí)間變化見圖2（a），對分水體積-分水時(shí)間曲線求導(dǎo)得到瞬時(shí)分水速率，具體見圖2（b），不同驅(qū)油體系的乳化指數(shù)見表1。

圖2 不同驅(qū)油體系的分水實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表1 不同驅(qū)油體系的乳液穩(wěn)定性

根據(jù)表1和圖2，7種驅(qū)油體系可分為五類乳化特性：不乳化、乳化反轉(zhuǎn)、前程乳化、后程乳化、全程乳化。三種石油磺酸鹽體系，由于生產(chǎn)石油磺酸鹽的原料來源和添加的助劑不同，其乳化特性也不同。體系a（0.3% KPS + 0.1% HPAM）為前程乳化型，在油水混合前期乳化強(qiáng)度較高而后期的乳化強(qiáng)度降低。體系e（0.3%HPS + 0.1%HPAM）為乳化反轉(zhuǎn)型，瞬時(shí)分水速率曲線出現(xiàn)最大值；體系f（0.3%SP+0.1%HPAM）為不乳化型，瞬時(shí)分水速率曲線為一條平直線。SP是由石蠟基原料油合成而得，HPS是由渣油磺化而來，其中添加了烷醇酰胺類助劑，而KPS是由本地原料油合成，取之于油用之于油，其疏水鏈長度和試驗(yàn)區(qū)原油碳鏈長度最為匹配，因此其乳化能力要明顯好于另外兩種石油磺酸鹽。

體系d（0.3%YC）最有特點(diǎn)，在30 min 前，水相快速析出；在30 min后，水相體積保持不變。體系d的乳化指數(shù)為0.38，顯示了其后程乳化的特點(diǎn)，這與雙子表面活性劑YC分子內(nèi)含有環(huán)狀結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)對稱有關(guān)。在合適的油水比下，其增溶乳化能力比常規(guī)的表面活性劑分子能力更強(qiáng)。

體系b（0.5%司盤/0.5%吐溫+0.1% HPAM）、c（0.3% ZS + 0.1% HPAM）和 g（0.3%ZS + 0.1%HPAM+0.4%Na2CO3）為全程乳化型，乳化作用體現(xiàn)在整個(gè)過程。以乳化劑構(gòu)成的體系b，其乳化能力在預(yù)料之中。體系c和g體現(xiàn)了堿對甜菜堿體系乳化的影響：加入弱堿Na2CO3后，驅(qū)油體系的乳化指數(shù)從0.35 降到0.28，原因在于兩性甜菜堿存在最佳的pH 值范圍，弱堿Na2CO3的加入會(huì)導(dǎo)致分子內(nèi)鹽的構(gòu)型不同，最終表現(xiàn)為不同的乳化能力。

2.2 驅(qū)油體系的界面活性

7 種驅(qū)油體系與原油間的界面張力見圖3。體系a（0.3%KPS+0.1%HPAM）與原油間的初始界面張力較高，后快速下降至接近超低，屬于“L”型；體系b（0.5%司盤/0.5%吐溫+0.1%HPAM）與原油間的初始界面張力和平衡界面張力均較高，屬于“—”型；體系c（0.3%ZS+0.1%HPAM）與原油間的初始界面張力較低、平衡界面張力也低，屬于“淺碟”型；體系d（0.3%YC）與原油間的界面張力，瞬間達(dá)到超低然后又快速反彈并保持在一較高平臺(tái)值，屬于“G”型；體系e（0.3%HPS+0.1%HPAM）與原油間的初始界面張力較高，隨后快速下降而后又逐漸升高，屬于“V”型；體系f（0.3%SP+0.1%HPAM）與原油間的初始界面張力較高，而后緩慢下降，屬于“＼”型；體系 g（0.3%ZS + 0.1%HPAM +0.4%Na2CO3）與原油間的初始界面張力較低，隨后快速下降至超低然后又逐漸升高，屬于“深碗”型。

圖3 不同驅(qū)油體系與原油間的界面張力隨測試時(shí)間的變化

通常認(rèn)為，驅(qū)油體系與原油間的界面張力越低越容易形成乳狀液，但將上述研究的7 種驅(qū)油體系的乳化特性和油水動(dòng)態(tài)界面張力關(guān)聯(lián)后發(fā)現(xiàn)，驅(qū)油劑的乳化特性與油水動(dòng)態(tài)界面張力沒有一致性。驅(qū)油體系的乳化能力大小主要與界面膜強(qiáng)度有關(guān)，界面張力越低的體系對應(yīng)著表面活性劑分子在界面富集的程度較高，但不能和界面膜強(qiáng)度相對應(yīng)。

2.3 驅(qū)油實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.3.1 驅(qū)油效果與界面張力和乳化的關(guān)聯(lián)

分別采用上述7種驅(qū)油體系和一個(gè)聚合物對比體系h（0.09% HPAM）進(jìn)行驅(qū)油實(shí)驗(yàn)，體系d（0.3%YC）和體系e（0.3%HPS+0.1%HPAM）采用聚合物前置段塞（0.1 PV，0.1% HPAM）、表面活性劑段塞（0.5 PV）和聚合物后置段塞（0.1 PV，0.1% HPAM）的方式，其他6類體系則采用單段塞方式注入，注入量0.5 PV。驅(qū)油實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。由表2可以看出，乳化程度高的體系，其總采收率一般比較高，驅(qū)油效果與初始界面張力和平衡界面張力之間也沒有規(guī)律可循，因此不難理解關(guān)于界面張力對驅(qū)油效果影響問題存在著不同的觀點(diǎn)［5，6］。一般認(rèn)為，毛細(xì)管數(shù)越大，提高采收率幅度越大。但從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，毛細(xì)管數(shù)較低的體系b（0.5%司盤/0.5%吐溫+0.1%HPAM），其采收率幅度并不低，說明對于與原油間具有高界面張力的驅(qū)油體系，按傳統(tǒng)方法計(jì)算的毛管數(shù)不能真實(shí)反映其滲流特征，需要從乳化特性和流度控制等方面進(jìn)一步去研究完善。

表2 不同特征驅(qū)油體系的驅(qū)油結(jié)果

2.3.2 全程乳化對二次水驅(qū)采收率的影響

全程乳化、高界面張力型的體系b（0.5%司盤/0.5%吐溫+0.1%HPAM）與原油間的界面張力高達(dá)3 mN/m，由于高乳化特性，注劑后二次水驅(qū)還能提高采收率3.87%，采收率提高總值為12.04%。全程乳化、低界面張力型的體系c（0.3%ZS+0.1%HPAM）、g（0.3%ZS+0.1%HPAM+0.4%Na2CO3）的驅(qū)油效果同樣較高。為提高甜菜堿體系c 的乳化效果，將注入速度加倍（1.0 mL/min），故其注劑采收率為9.05%，二次水驅(qū)后采收率又提高了4.25%，揭示了驅(qū)油體系全程乳化能力對采收率的巨大貢獻(xiàn)。由于堿的存在降低了體系g 的乳化能力，故二次水驅(qū)后其提高采收率幅度僅有2.22%。作為對比，注入不乳化、超低界面張力型的體系f（0.3% SP+ 0.1%HPAM）后二次水驅(qū)采收率僅提高了0.36%。

2.3.3 后程乳化對二次水驅(qū)采收率的影響

為考察流度控制的作用，對后程乳化型體系d（0.3%YC）和乳化反轉(zhuǎn)型體系e（0.3%HPS + 0.1%HPAM），先注0.1 PV 的聚合物前置段塞（0.1%HPAM），再注0.5 PV 的表面活性劑段塞，最后注入0.1 PV 的聚合物保護(hù)段塞（0.1%HPAM），聚合物段塞的黏度和原油黏度相同。驅(qū)替過程中采收率、含水率和注入壓力隨注入體積變化情況見圖4。雖然兩個(gè)體系的界面張力差別較大，但兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的總采收率提高幅度都很小（4.30%和3.76%）。這表明單一的表面活性劑段塞流度控制力很差，驅(qū)油體系沿著阻力最小的主流線突破，這種情況下也不可能與原油充分接觸而乳化，因此系統(tǒng)壓力快速降低；二次水驅(qū)時(shí)，由于乳化作用使壓降速率減緩，體系d的后程乳化使壓降減緩更明顯，但已錯(cuò)過增油的高峰期。這充分說明在二元驅(qū)中流度控制的重要性，從某種程度上說，為達(dá)到一定的采收率，采用流度控制的方法比降低界面張力來得更直接些。

圖4 體系d、e三段塞驅(qū)油過程的采收率、含水率和注入壓力隨注入體積的變化

2.3.4 前程乳化和流度控制對動(dòng)態(tài)驅(qū)油效果的影響

前程乳化體系a（0.3%KPS+0.1%HPAM）和不乳化體系h（0.09%HPAM）與原油間的界面張力分別為8×10-3mN/m 和10 mN/m，前者的乳化能力遠(yuǎn)大于后者。驅(qū)油實(shí)驗(yàn)中，這兩種驅(qū)油體系注入體積均為0.5 PV，無前置聚合物段塞和后續(xù)聚合物保護(hù)段塞，驅(qū)油過程中的采收率、含水率和注入壓力隨注入體積的變化見圖5。從圖5看出，注二元驅(qū)體系的初始階段，在降低界面張力和前程乳化的共同作用下，壓力快速上升，但由于缺少聚合物保護(hù)段塞，因此在注主段塞的中間時(shí)段，壓力出現(xiàn)峰值，說明此時(shí)驅(qū)油體系已經(jīng)開始突破，形成高滲主流線。在高滲通道內(nèi)含油太少，二元復(fù)合驅(qū)體系的乳化作用得不到體現(xiàn)，乳化對壓力的貢獻(xiàn)不明顯。在聚合物驅(qū)過程中，雖然界面張力較高，乳化能力較弱，但段塞均勻推進(jìn)，流度控制較好，壓力持續(xù)增加直至二次水驅(qū)開始。

圖5 二元驅(qū)（體系a）和聚合物驅(qū)（體系h）的驅(qū)油過程中采收率、含水率和注入壓力隨注入體積的變化

流度控制影響剩余油分布，孔吼處的油滴要么未被有效啟動(dòng)，要么啟動(dòng)運(yùn)移后在巖心某處再次滯留，形成新的油斑。將二元驅(qū)體系和聚合物驅(qū)油體系驅(qū)替后的巖心縱切和橫切，觀察剩余油的分布情況。二元驅(qū)由于表面活性劑的清洗作用，使得巖心剖面局部呈“白斑”狀，接近巖心出口端可看到明顯的指進(jìn)現(xiàn)象，而在距巖心入口2/3段，可觀察到顏色較深的油斑，推測為驅(qū)油體系將油滴運(yùn)移至此后又滯留所致。由于聚合物驅(qū)合理的流度控制，剩余油分布比較均勻，未觀察到明顯的指進(jìn)和“白斑”現(xiàn)象。二元驅(qū)驅(qū)油過程出現(xiàn)上述現(xiàn)象，歸因于表面活性劑通過降低界面張力和乳化作用啟動(dòng)油滴，表面活性劑波及到的地方清洗較干凈，形成“白斑”。由于體系a 是前程乳化體系，隨著驅(qū)油體系在巖心中推進(jìn)，其乳化能力降低，有可能使啟動(dòng)的油滴再次滯留。此外，一旦巖心中存在高滲通道時(shí)，驅(qū)油體系將沿著高滲通道快速突破，此時(shí)壓力快速回落，界面張力和乳化作用不足以抵消整個(gè)體系的流度失控，造成采收率升幅不大。

3 結(jié)論

七種不同乳狀液體系的乳化強(qiáng)度和界面張力之間沒有直接的相關(guān)性，二元驅(qū)油體系的驅(qū)油效率是多因素綜合作用的結(jié)果。不同乳化特性和界面張力特征的驅(qū)油體系，其驅(qū)油效果與體系特征有內(nèi)在的關(guān)聯(lián)：界面張力低、全程乳化強(qiáng)度高的甜菜堿驅(qū)油體系能顯著提高水驅(qū)后的采收率；初始張力低、后程乳化強(qiáng)的雙子驅(qū)油劑體系，缺少保護(hù)段塞的黏度保護(hù)，乳化作用不能體現(xiàn)。建議在二元驅(qū)中要重視驅(qū)油體系的乳化作用和整體流度控制，增加聚合物保護(hù)段塞，并篩選超低界面張力、全程乳化的驅(qū)油體系，將界面張力、乳化性和段塞合理配置，突破傳統(tǒng)的超低界面張力限值的單一篩選指標(biāo)。