無堿與含堿化學體系驅替稠油特征比較

韓玉貴，丁名臣，劉義剛，鄒劍，趙鵬，王業飛

（1.中海石油（中國）有限公司天津分公司渤海石油研究院，天津 300452；2.中國石油大學（華東）石油工程學院，山東 青島 266580）

0 引言

稠油黏度高，不利的水油流度比導致水驅采收率極低（5%～10%）[1-2]。 傳統熱采的方法能顯著降低稠油黏度和流動阻力，但是受注入熱損失、熱流體制備的經濟性和環保等因素限制。近年來，稠油冷采提高采收率逐漸引起關注，堿驅或含堿體系復合驅是冷采提高稠油采收率的重要研究方向之一，人們在稠油堿驅機理、堿液類型優化和驅油效果等方面開展了大量的研究工作[3-5]，發現堿驅能夠顯著提高稠油采收率。但由于存在結垢、采出液破乳困難等問題，含堿體系驅替稠油的礦場應用受到限制[6-7]。為了彌補這一不足，發展了無堿化學驅油體系，尤其是無堿復合驅體系（表面活性劑-聚合物（SP））。

含堿和無堿體系均可通過降低油水界面張力（IFT）、乳化和潤濕反轉等機理提高稠油采收率，但前者對稠油的驅替能力往往明顯強于后者[8-10]。盡管針對2類體系各自的驅油機理已有較多的研究和報道，但是尚缺乏直接的對比，關于其驅油性能差異的原因，有待進一步深化研究。為此，本文通過含堿和無堿體系與稠油界面張力、乳化性能和驅油特性的比較，明確2種體系驅替稠油能力的差異，揭示驅油效果差異的原因，同時探索了氣泡輔助無堿復合體系改善驅油效果的可行性，以期作為含堿體系的接替體系，解決其應用過程中的結垢等問題。

1 實驗

1.1 材料與儀器

材料：陰非復配型表面活性劑，來源于勝利油田，質量濃度為3 000mg/L；復合堿，由NaOH和Na2CO3按質量比1∶1復配而成，質量濃度為8 000 mg/L；二元復合體系制備用聚合物為部分水解聚丙烯酰胺（HPAM），相對分子質量為 2000×104，質量濃度為 1800 mg/L；模擬地層水，礦化度為6 666.0 mg/L，離子組成（質量濃度）為 Na+（2 456.5 mg/L），Mg2++Ca2+（128.5 mg/L），Cl-（4 034.0 mg/L），SO42-（47.0 mg/L）；實驗用油為脫氣稠油，黏度為 220mPa·s（60℃），密度為 0.96 g/cm3。

儀器：TX-500C型界面張力儀；Phenix鳳凰顯微鏡。填砂模型尺寸為直徑2.5cm，長30 cm。其他參數見表1。

表1 驅油實驗參數及采收率結果

1.2 實驗方法

界面張力。按照設定的質量濃度分別配制SP，AP，P溶液，在60℃下使用界面張力儀測試其與目標稠油的界面張力。

乳化性能。將SP，AP，P溶液和原油分別加熱到60℃，各取5 mL的稠油和化學劑溶液分別加入試管中，搖勻后觀測油水混合物的析水狀態，判斷體系形成稠油乳液的穩定性。在不同時刻，對形成的乳狀液進行顯微觀察，判斷乳狀液形態及類型。

驅油能力。首先，分別利用S，A，P單一組分體系開展驅油實驗，確定單一組分體系驅替稠油效果；然后，開展SP和AP體系驅油實驗，對比兩者驅替稠油能力；最后，開展無堿體系泡沫驅油（交替注入0.3 PV的SP和0.3 PV的空氣，單個水或空氣段塞尺寸為0.1 PV），判斷泡沫的引入能否顯著改善無堿SP體系，使之驅油效果接近或者優于AP體系。驅油實驗的流體注入速度均為0.25 mL/min，實驗溫度60℃。

2 結果與討論

2.1 界面張力

超低IFT能夠減小原油流動的毛細管阻力，降低原油在巖石上的黏附功，有利于提高洗油效率，是化學驅油體系設計的關鍵指標之一。對SP，AP，P體系與稠油的界面張力進行了測試，結果見圖1。

圖1 不同類型化學體系與稠油的界面張力

由圖1可見：SP能夠將油水IFT顯著減小至2.6×10-4mN/m。AP中堿的加入，通過與石油酸反應，就地形成表面活性劑，將油水界面張力從11.4×100mN/m降低至1.2×10-1mN/m，但是沒有達到超低水平。

超低IFT有利于原油采收率的提高，如果將超低IFT作為化學體系設計與選擇的主要指標，那么SP是重要的潛力體系。但是對于稠油化學驅，研究認為，擴大波及體積極為關鍵，稠油的乳化（包括油在水中乳化（O/W）和水在油中乳化（W/O）），能通過乳化油滴或水滴的賈敏效應擴大波及體積[8-13]，又可以實現乳化降低稠油黏度[14-16]，是影響稠油采收率的另一個關鍵因素。為此，除界面張力外，有必要對SP，AP，P體系乳化能力進行考察。

2.2 乳化性能

瓶試法觀測的SP，AP，P形成稠油乳狀液的析水率及微觀形態圖像見圖2和圖3。由圖2可見：單一聚合物很難形成穩定稠油乳狀液，初始晃動摻混僅20 min后，稠油-聚合物體系的析水率即達到100%，油水完全分離，而SP-稠油、AP-稠油體系析水率為0。80 min后，SP-稠油、AP-稠油體系開始析水，前者析水率上升速度較后者明顯緩慢，例如，120 min時，SP-稠油體系析水率僅為32%，AP-稠油析水率達90%。以上現象說明，SP比AP更能穩定O/W型稠油乳狀液。

圖2 不同類型化學體系與稠油乳狀液的析水率

圖3 不同類型化學體系與稠油乳狀液的形態

由圖3顯微圖像可知：初始混合時（0 min），其形成的乳化油滴粒徑相對SP體系更大，且不均勻，這是由于AP，P與稠油的IFT相對較高（見圖1）。80 min時，P-稠油體系中原油呈現連續分布狀態，無明顯的稠油乳化油滴；AP-稠油體系發生了極為有趣的變化，乳狀液類型從初始（0 min）的O/W型，轉化為不規則的W/O型，說明AP-稠油體系更傾向于形成W/O型乳狀液而非初始的O/W型乳狀液；SP-稠油體系仍以O/W型乳狀液的形式存在，但是發生了明顯的油滴聚并，乳化油滴粒徑明顯增大。

結合IFT和乳化性能結果發現：除流度控制機理（聚合物組分實現）相同外，SP和AP體系表現出一些顯著不同的驅油機理：SP通過實現超低IFT和形成O/W型乳狀液驅油，而AP很難將油水IFT減小到超低，主要是形成W/O型乳狀液來驅油；P主要通過流度控制機理驅替稠油，很難降低油水IFT，也不能形成穩定的稠油乳狀液。

2.3 采收率特征

2.3.1 單一組分體系驅

單一組分體系S，A，P驅替稠油采收率及壓力動態見圖4和圖5。

圖4 單一組分體系驅替稠油采收率

圖5 單一組分體系驅替稠油壓力

盡管SP體系中表面活性劑的加入能夠將油水IFT減小至超低水平（見圖1），形成相對更穩定的O/W型乳狀液（見圖2、圖3），但是填砂模型中單一S驅效果較差，采收率增幅僅為8.0百分點。A驅較表面活性劑驅表現出更高的注入壓力（見圖5），說明W/O型乳狀液的形成增大了堿-稠油流動阻力，一定程度上起到了擴大波及體積的作用，導致堿驅采收率增幅遠大于表面活性劑驅，達到15.7百分點。盡管如此，P驅表現出最高的注入壓力，通過最強的流度控制擴大波及體積能力，聚合物驅采收率增幅達到25.5百分點。

對比S，A，P驅發現，單一組分體系驅替稠油能力由強到弱依次為P，A，S。結合各體系驅油機理的差異認為，對于稠油化學驅，加入P，擴大波及體積，才能充分發揮S和A的超低IFT和乳化機理驅油。

2.3.2 二元復合驅

單一組分驅油結果表明，S，A，P的結合是提高稠油采收率的關鍵。為此開展了SP和AP二元復合體系驅油實驗，得到的壓力動態和采收率見圖6和圖7。

圖6 復合體系驅替稠油壓力

圖7 復合體系驅替稠油采收率

由圖6可見：AP驅替稠油壓力明顯高于SP，說明W/O型乳狀液的形成起到了增大滲流阻力和擴大波及體積效果。而SP驅過程中，O/W型乳狀液的形成，一方面能夠降低稠油流動阻力，另一方面乳化油滴的賈敏效應又會增加油水的流動阻力，但整體上表現為相對AP更低的注入壓力，其擴大波及體積能力較前者差。

采收率結果表明（見圖7）：AP驅能夠在水驅基礎上顯著提高稠油采收率，增幅達40.2百分點，而SP驅采收率增幅僅為25.6百分點，與單一聚合物相近。Zhou等研究的稠油P和SP驅結果中，SP驅效果甚至較聚合物驅差[8]。分析認為：O/W型乳狀液的形成，以及超低IFT洗油引起的殘余油飽和度降低，共同導致水驅波及區域內流動阻力的減小和擴大波及體積能力的降低，是SP與P驅替稠油效果接近，甚至較后者差的潛在原因。為了從側面驗證這一推斷，同時找到一種改善SP驅效果的方法，進一步開展了氣泡輔助（擴大波及體積）的SP驅油實驗（泡沫驅）。

2.3.3 氣泡輔助SP驅-泡沫驅

泡沫驅采收率及注入壓力動態見圖8。注入壓力結果表明，泡沫體系注入壓力最高為0.16 MPa，明顯高于SP驅的0.11 MPa，說明在氣泡的輔助下，體系的擴大波及體積能力明顯增強。在相同化學劑注入體積為0.3 PV下，泡沫驅稠油采收率增幅達38.3百分點，顯著高于單一SP驅的25.6百分點，接近于AP驅的40.3百分點。這說明：一方面，泡沫驅是無堿復合體系驅替稠油的較好注入方式，單一SP驅存在對化學藥劑的潛在浪費；另一方面，泡沫驅能夠作為AP驅的重要接替技術，解決后者應用過程中存在的結垢問題。

圖8 泡沫體系驅油動態

3 結論

1）SP和AP體系具有顯著不同的驅油機理。SP主要通過形成超低IFT和O/W型乳狀液驅油；AP沒有將IFT降低到超低水平，形成的乳狀液類型為W/O型，起到了增大滲流阻力和擴大波及體積的效果。

2）化學體系驅替稠油能力由強到弱依次為AP、泡沫、SP、P、A、S，說明對于稠油化學驅，擴大波及體積是提高采收率的前提，然后超低IFT和乳化機理才能充分發揮潛在作用。

3）泡沫驅是當前無堿復合體系驅替稠油較好的注入方式，是接替AP驅的重要技術，單一SP驅由于擴大波及體積能力弱，存在潛在的化學藥劑浪費。