化學體系乳化性能和界面活性對滲流特征影響差異*

汪士凱，施雷庭，葉仲斌，袁晨陽，張 虎，譚 林

（1.油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室（西南石油大學），四川成都 610500；2.西南油氣田分公司重慶天然氣凈化總廠，重慶 401220）

0 前言

油田開發中，化學驅已成為大幅度提高采收率的重要手段。其中，化學體系的界面活性和乳化性能均對提高采收率具有重要作用［1］，而兩者的驅油機理存在一定差異［2—3］。岳湘安［4—9］等研究發現：油水界面張力與乳化效果之間沒有明顯的一致性，體系的界面張力越低則越容易形成乳狀液，但是界面膜的強度也隨之減弱，乳狀液的穩定性下降。同時，部分學者亦通過驅替實驗研究發現，并非界面張力越低驅替效果越好。因此，若能確定界面活性和乳化性能各自發揮優勢的最佳作用條件，則可有針對性地利用兩種作用達到更好的驅油效果。

本文著眼于基本的流動現象，測定了兩種具有不同界面活性和乳化性能的化學復合體系的相對滲透率曲線，開展了微觀驅替實驗，擬從滲流特征方面對比分析體系的界面活性與乳化性能在驅替過程中提高采收率所發揮的各自優勢作用。通過對比分析兩種體系的相對滲透率曲線差異以及微觀流動特征，分析界面活性和乳化性能對滲流特征影響差異，從而為最大化利用兩種性能優勢達到最佳驅油效果提供驅替劑優選方案。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

聚合物3640C，相對分子質量2800×104，固含量89.16%，水解度25%～30%，法國SNF 公司；復合型表面活性劑HDS，由α-烯烴磺酸鹽與APG等表面活性劑按比例復配而成，有效物含量30%，華鼎鴻基公司。實驗用油為模擬油，由JZ9-3 油田脫水脫氣原油與柴油混合而成，黏度17 mPa·s（常溫、7.34 s-1）。實驗用水為模擬JZ 油田注入水，礦化度2657.4 mg/L，主要離子質量濃度（單位mg/L）：K++Na+898.1、Mg2+6.46、Ca2+11.71、Cl-818.74、12.76、797.76、111.86。實驗用巖心為人造均質砂巖巖心，尺寸4.5 cm×4.5 cm×30 cm，滲透率約2.5 μm2。

物理模擬實驗裝置，江蘇海安石油科研廠；微觀驅替實驗裝置，實驗室自制。

1.2 實驗方法

1.2.1 驅油體系配制

按配方1200 mg/L 3640C+0.2% HDS+20 mg/L Al3+溶液配制乳化性能較強而界面活性較弱的復合體系，該體系的黏度為40.2 mPa·s（常溫、7.34 s-1），油水界面張力為3.1×10-2mN/m，按油水比1∶2配制的乳液經攪拌靜置1 h后的析水率為12%。

按配方1200 mg/L 3640C+0.2%HDS配制乳化性能較弱而界面活性較強的復合體系，體系黏度41.3 mPa·s（常溫、7.34 s-1），油水界面張力為5.7×10-3mN/m，按油水比1∶2 配制的乳液經攪拌靜置1 h 后的析水率為75%。

1.2.2 相對滲透率曲線測定

采用界面活性和乳化性能存在明顯差異的兩種化學復合體系，按照國家標準GB/T 28912—2012《巖石中兩相流體相對滲透率測定方法》，利用非穩態法測定相對滲透率曲線。具體實驗步驟如下：（1）巖心氣測滲透率，抽真空飽和水，測定孔隙度；（2）水測滲透率；（3）巖心飽和油，以漸變流速法分別以0.1、0.5、1 mL/min 的流速逐次飽和油，測定束縛水飽和度和束縛水飽和度條件下的油相滲透率；（4）以1 mL/min 的流速進行化學復合體系驅油，采用“J.B.N”方法進行相對滲透率曲線的計算。

1.2.3 微觀驅替實驗

利用刻蝕玻璃模型來模擬地層中的孔隙空間并進行驅替實驗。實驗過程中用圖像采集系統，通過自動拍照攝像將驅替過程保存，然后對圖像分析處理。

2 結果與討論

2.1 不同體系相對滲透率曲線特征對比

將乳化性能較弱而界面活性較強的體系定義為強界面體系，將乳化性能較強而界面活性較弱的體系定義為強乳化體系。兩種體系的相對滲透率曲線對比如圖1 所示。從圖1 可以看出，強界面體系的油相和水相的相對滲透率均大于強乳化體系。強界面體系等滲點對應的含水飽和度（Sw）稍大于強乳化體系的，同時強界面體系的殘余油飽和度比強乳化體系的低4.4%。分析認為強界面體系因其具有較強的界面活性，能夠降低油水界面張力，增大流體的流動能力，油滴在通過巖心微小喉道時更易于變形流動并匯聚形成油帶，從而更多地從孔隙中被驅替出。相對于乳化性能較強的體系，從相對滲透率曲線特征分析，界面活性的優勢作用更能增強油水相的流動能力。

圖1 兩種復合體系相對滲透率曲線對比

為了對比在長時間驅替后達到高含水飽和度時兩種體系所產生的作用效果，取部分高含水飽和度條件下的油相相對滲透率點作擬合曲線預測，分別得到兩種復合體系油相相對滲透率的預測趨勢（見圖2）。從圖2可知，當含水飽和度大于0.866時，強乳化體系的油相相對滲透率將超過強界面體系。分析認為強乳化體系在含水飽和度較低時，處于形成乳狀液的過程，其增大油水相流動能力的作用弱于超低界面張力所發揮的作用，因此在相對滲透率曲線上表現為油水相的流動能力要弱于強界面體系；而在含水飽和度較高時，強乳化體系形成穩定的混相乳狀液，相對于強界面體系而言，油相滲透率的下降速率變緩，在相對滲透率曲線上體現為高含水飽和度下油相相對滲透率下降程度較強界面體系小，從而在高含水后期，強乳化體系的油相相對滲透率將會大于強界面體系的，并使得最終的殘余油飽和度更低。這一現象同時也說明，充分發揮乳化作用需要一定的時間，因此強乳化體系需要的驅替時間比強界面體系的長。

圖2 高含水時油相相對滲透率擬合曲線

2.2 微觀驅替特征對比

采用微觀驅替實驗對復合體系的滲流規律進行更進一步地研究和驗證。水驅至出口端后進行復合體系驅替，兩種復合體系驅替結果見圖3、圖4。

圖3 強界面體系的微觀驅替實驗

強界面體系的界面活性較強，其降低界面張力和改變潤濕性能力更明顯，使得孔道壁上的原油不斷被剝離，流動過程中形成油絲、油帶狀不斷被拉長并向前流動。從驅替6 min 到40 min，可以明顯看出原油形成條帶狀向前流動，并且顏色不斷變淺。原油并未形成油膜附著于巖石顆粒表面，被強界面體系攜帶而出。強界面體系可以有效地降低殘余油飽和度，提高采收率。

圖4 強乳化體系的微觀驅替實驗

強乳化體系具有較強的乳化性能，在驅替過程中與原油發生乳化作用形成小油滴并被驅替至出口端［10］，隨著驅替的進行逐漸形成穩定的乳狀液，相對于油水兩相而言，降低了流動阻力，同時因為乳狀液的形成對部分孔道形成封堵［11—12］，從而改變了流動通道，擴大了波及體積。從驅替6 min 到40 min，明顯存在乳化形成的小油滴，同時小油滴聚集形成乳狀液并表現出一定的封堵作用。

對比強界面體系和強乳化體系的驅替過程：在驅替前期，油含量較高，此時為了增大油相流動能力，降低界面張力可以發揮明顯的優勢作用，此時界面活性的要求更加重要；隨著地層油含量的不斷減少，低界面張力所帶來的驅替效果有限。由乳化作用形成的小油滴不斷聚集并形成穩定的乳狀液，這一過程需要一定的時間。在驅替后期，不僅通過乳化作用可以攜帶出更多的油，還由于封堵作用擴大了波及體積，更進一步地增大了驅替效果。因此強乳化體系相對于強界面體系在驅替后期更具提高采收率優勢。對比強界面體系，長時間地驅替會使得乳化性能較強的強乳化體系充分發揮其優勢，具有更高的提高采收率潛力。

3 結論

滲流過程中，界面活性增大油水相流動能力的作用要強于乳化性能；而乳化性能在長時間的驅替后能夠持續發揮作用，增大油水相的流動能力。

乳化性能和界面活性在驅油過程中發揮著各自不同的優勢作用。在驅替前期，界面性能較強的體系作用效果明顯，而在驅替后期，乳化性能較強的體系具有更高的提高采收率潛力。

針對不同開發時長及條件的需求，為爭取早拿油、多拿油，可以根據界面活性和乳化性能各自發揮優勢作用的有利條件，有針對性地采用特定性能的復合體系或者組合體系進行驅油，從而達到最佳驅替效果。