勝利油田普通稠油乳化驅油體系研制及性能評價*

戚俊領，張貴才，裴海華

（1.中國石油大學（華東）石油工程學院，山東青島 266580；2.非常規(guī)油氣開發(fā)教育部重點實驗室（中國石油大學（華東）），山東青島 266580）

0 前言

我國稠油儲量豐富，隨著稀油資源逐年減少，有效開發(fā)稠油資源對解決石油能源缺口具有重要意義。由于稠油的黏度高，流動阻力大，開采難度較大。目前我國稠油油藏開采方式主要包括注蒸汽熱采法和水驅冷采法。對于黏度大于10 000 mPa·s 的特超稠油油藏，注蒸汽熱采法是目前最有效開發(fā)方式［1］，其主要開采原理是依靠注入的熱蒸汽加熱原油［2］，大幅度降低稠油黏度，提高稠油流動能力。對于黏度為100～10 000 mPa·s 的普通稠油油藏，一次采油后一般采用水驅冷采開發(fā)，但是由于水油黏度比差異較大，水油流度比過高，水驅稠油出現(xiàn)嚴重的指進現(xiàn)象［3-4］，水驅波及系數(shù)較小，導致水驅采收率較低［5］。針對勝利油田普通稠油油藏存在水驅采收率低且不適合熱采的問題，乳化降黏驅是提高采收率的有效方法之一?，F(xiàn)有的乳化驅油體系一般是在強剪切條件下篩選形成的［6］，而在實際油藏驅動條件下，流體滲流速度低，因此需要構建可在弱剪切模擬條件下將原油乳化的乳化驅油體系。本文以勝利油田普通稠油為研究對象，利用微動力乳化實驗裝置構建了一種強乳化超低界面張力驅油體系，評價了該驅油體系的驅油效果，并分析了微觀驅油機理。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

實驗用原油為取自勝利油田孤島油田的脫水脫氣原油，60 ℃下的黏度為782 mPa·s，密度為0.967 g/mL。長鏈烷基羧基甜菜堿TB，有效含量60%，東營達維化工有限公司；非離子表面活性劑烷醇酰胺AC，有效含量98%，臨沂綠森化工有限公司；配液用水為根據(jù)勝利地區(qū)地層水離子組成配制的模擬地層水，礦化度為9513 mg/L，主要離子質量濃度（單位mg/L）為：Na++K+9152.16、Ca2+487.96、Cl-1465.40、SO42-17.81、HCO3-1000.06。

TEXAS-500A 型界面張力儀，美國CNG 公司；XS-2100 型生物顯微鏡，南京諾威爾光電系統(tǒng)有限公司；Turbiscan Lab Expert 型穩(wěn)定性分析儀，法國Formulaction公司；微動力乳化實驗裝置，見圖1，該裝置按順時針方向轉動，轉速為5 r/min，可以保證每次乳化實驗做功條件一致，排除手工搖動產生的誤差影響。

圖1 微動力乳化實驗裝置示意圖

1.2 實驗方法

1.2.1 驅油體系乳化能力評價方法

（1）乳狀液顏色測定

將待測驅油體系與原油按體積比7∶3 加入10 mL的試管中，再放入70 ℃的恒溫水浴中；20 min后利用微動力旋轉乳化裝置做功2 min，觀察乳化效果和顏色。輕度乳化時，體系顏色為黑色；隨乳化程度的升高，乳狀液顏色從黑色逐漸變淺為深褐色。乳化等級越高，乳化能力越好［7］。

將待測驅油體系與原油按體積比7∶3 加入10 mL的試管中，再放入70 ℃恒溫水浴中；20 min后利用微動力旋轉乳化裝置做功2 min；之后把乳狀液放入70 ℃的恒溫水浴中，同時開始計時，每隔一定時間借助于聚光燈記錄一次油水界面高度變化，共記錄2 h。

乳狀液不穩(wěn)定系數(shù)IUS由式（1）計算［8］：

式中，IUS－不穩(wěn)定系數(shù)，mL；V（t）－t時刻析出水的體積，mL；t－測試時間，min。

1.2.2 界面張力測定

利用TEXAS-500A 旋滴界面張力儀測定目標溶液與原油間界面張力，測試溫度為60 ℃。

1.2.3 穩(wěn)定性分析實驗

將20 mL不同乳化劑體系與稠油形成的乳狀液分別放于樣品瓶，并置于穩(wěn)定性分析儀中，分析乳狀液的穩(wěn)定性。穩(wěn)定性分析儀得到的乳狀液的穩(wěn)定性參數(shù)ITS（Turbiscan Stability Index）可用于評價體系穩(wěn)定性［9］，表達式為：

北京市委農工委書記、市農委主任孫文鍇也表示，通過舉辦此次活動，增強了首都人民對吉林的了解，豐富了北京的“米袋子 ”“ 菜 籃 子 ”“ 肉 鋪 子 ”“ 果 盤子”，促進了北京與吉林的貿易流通合作，實現(xiàn)供需互惠雙贏。兩地政府部門、農業(yè)企業(yè)、民間組織的全面交流也將推動兩地農業(yè)發(fā)展再上新臺階。

式中：Xi—每次測量的背散射光通量的平均值；XBS—Xi的平均值；n—實驗中掃描次數(shù)。

1.2.4 填砂管驅油實驗

填砂管驅油實驗具體步驟如下：在60 ℃下，以0.3 mL/min的注入速率將填砂管飽和水，飽和油，老化12 h 后以0.5 mL/min 的注入速率進行水驅至含水率98%，注入0.5 PV 表面活性劑驅油體系，后續(xù)水驅至采出端不再出油，記錄實時壓力數(shù)據(jù)和采出液量，繪制采收率、含水率曲線。

1.2.5 微觀驅油實驗

圖2為微觀可視化模型實驗裝置示意圖。微觀驅油實驗具體步驟如下：（1）對微觀模型抽真空處理，然后飽和水；（2）用微量泵以0.003 mL/min 注入速率飽和油，接著在流速0.05 mL/min 下進行水驅至模型不再出油為止，建立殘余油；（3）然后以0.05 mL/min的注入速率注入2 PV的復配目標乳化驅油體系，驅替過程中利用顯微鏡進行觀察和記錄驅替過程中剩余油的形態(tài)變化，并錄取動態(tài)圖像。

圖2 微觀可視化玻璃模型實驗裝置示意圖

2 結果與討論

2.1 乳化驅油體系的構建

針對勝利油田普通稠油，通過改變長鏈烷基羧基甜菜堿TB 和非離子表面活性劑烷醇酰胺AC 的復配比構建不同乳化體系，然后對不同乳化體系的乳化性能、界面張力和穩(wěn)定性進行研究，篩選出目標乳化驅油體系。

2.1.1 乳化性能評價

首先以乳化體系的乳狀液顏色、乳化不穩(wěn)定系數(shù)（IUS）和粒徑分布（D50）為評價指標，乳化實驗結果如表1 所示，粒徑分布如圖3 所示。通過綜合考慮各項性能，來篩選出最優(yōu)乳化驅油體系配方。由表1得出，復配體系中TB與AC復配比在4∶1～2∶3范圍時，所形成乳狀液的顏色均是深褐色的，IUS值均為0，特別是當TB與AC復配比為3∶2時，所形成乳狀液的油滴粒徑中值最小，表明該復配比下乳化體系的乳化性能相對較好。

表1 TB與AC不同復配比乳化實驗結果（表面活性劑總質量分數(shù)為0.3%，油水比3∶7）

2.1.2 界面張力評價

超低界面張力一般是設計和篩選化學驅油體系的重要指標，因為超低界面張力可以減小毛細管力和原油在巖石壁面的黏附功，降低原油流動阻力，有利于提高洗油效率。不同乳化體系與原油間的界面張力如圖4 所示。從圖4 可以看出，TB、AC復配比1∶0 的體系即單一TB 體系與原油間的界面張力降至10-3mN/m 所需時間最短，但是TB 體系與原油所形成的乳狀液呈現(xiàn)黑色狀態(tài)，IUS偏高；當TB、AC復配比為4∶1和3∶2時，乳化體系與原油間的界面張力在10 min 左右降至10-3mN/m 超低界面張力；其他配比體系不僅乳化性能極差，界面張力也很高。結合圖3和表1，TB、AC復配比為3∶2的乳化體系的乳化性能和穩(wěn)定性相對較好，且與原油間的界面張力能達到超低數(shù)量級，因此TB、AC最佳復配比為3∶2。

2.2 乳狀液的微觀穩(wěn)定性

Turbiscan Lab 穩(wěn)定性分析儀可從定性和定量等多角度分析稠油乳狀液內部水相的沉淀及油相的絮集上浮過程，從微觀角度對乳狀液各部分的變化速率、內部液滴的粒徑大小等進行定量分析，準確得出乳狀液的微觀穩(wěn)定性，據(jù)此判斷其乳化傾向，有助于深層次剖析體系不穩(wěn)定性發(fā)生的機理［10-11］。由于乳狀液是一種熱力學不穩(wěn)定性體系，當其多重自擴散乳化過程完成后，隨著時間的進一步推移，它會從相對有序狀態(tài)朝著無序方向發(fā)展，由于乳狀液滴之間相互碰撞而發(fā)生絮凝和聚并，乳狀液體系的破乳過程持續(xù)發(fā)生，體系的穩(wěn)定性隨著時間的延長而逐漸變弱，動力學穩(wěn)定性參數(shù)ITS能夠有效反應乳狀液的破乳過程。0.3%的TB與0.3%的TB+AC（復配比3∶2）乳化體系與原油所形成乳狀液（油水比3∶7）的ITS隨測試時間的變化如圖5所示。由圖5可知，單一表面活性劑TB 乳化體系與原油形成乳狀液的ITS明顯高于TB+AC復配體系與原油形成乳狀液的，表明TB+AC 復配體系與原油形成乳狀液的穩(wěn)定性明顯高于單一表面活性劑與原油形成乳狀液的。這是因為非離子表面活性劑AC 的加入，可使得油滴表面吸附更多的表面活性劑分子，致使油水界面張力有所降低，乳化油滴粒徑中值減小，乳化性能進一步增強，破乳過程被提升的界面膜強度所限制，使得TB+AC 復配體系與原油形成乳狀液的穩(wěn)定性強于單劑與原油形成乳狀液的。

2.3 乳化體系驅油效果

通過對不同體系的乳化性能和界面張力的研究發(fā)現(xiàn)，TB具有一定的乳化性能和降低界面張力的能力，而AC對勝利稠油不具有乳化性能，且降低界面能力較差。為了進一步確定TB 和TB+AC 復配體系驅替稠油的效果，開展了室內驅油實驗。TB和TB+AC復配體系各階段驅油效果如表2所示，驅替過程中的含水率、采收率和注入壓力如圖6所示，乳化體系注入量0.5 PV。由表2可知，TB驅油體系在水驅基礎上采收率能提高5.8%；TB+AC 復配驅油體系能在水驅基礎上提高采收率11.2%。對比壓力曲線可以看出，在注入0.5 PV 的TB+AC 復配體系過程中，由于水驅后的殘余油與復配體系中的表面活性劑在經過孔隙和喉道過程中受到一定的剪切作用進一步形成的乳狀液顆粒封堵原來相對高滲的通道［12］，使后續(xù)注入驅替劑在更高的注入壓力下流入阻力更高的滲透率相對較低的未波及區(qū)域，此區(qū)域的殘余油被后續(xù)水驅采出，發(fā)揮了一定的封堵和調剖作用，故注入壓力明顯地上升。另外注入壓力在后續(xù)水驅階段降低趨勢緩慢，主要是復配驅油體系中的部分表面活性劑被砂體吸附滯留，乳狀液滴自身較穩(wěn)定破乳速度緩慢，破乳完成后才被后續(xù)注入水突破帶走，含水率在此階段也出現(xiàn)一定程度的下降趨勢。

圖6 兩種乳化體系驅替過程中采收率、含水率、注入壓力隨注入體積的變化

表2 兩種乳化體系的驅油效果

2.4 乳化體系微觀驅油機理分析

為了進一步研究乳化體系提高采收率的作用機理，利用微觀模型進行TB+AC 復配驅油體系驅油實驗，各階段驅油動態(tài)如圖7—圖9所示。圖7（a）為水驅后殘余油模型示意圖，水驅后形成了優(yōu)勢通道，其中圓圈區(qū)域內表示水驅后在該位置處形成了殘余油；圖（b）為經過后續(xù)TB+AC 復配體系驅替后的模型示意圖。由圖（a）和圖（b）相比可以明顯看出，TB+AC 復配體系可在水驅基礎上把優(yōu)勢通道內的大部分殘余油驅替采出，優(yōu)勢通道右下角水驅未波及區(qū)域也有一部分原油被驅替采出，波及系數(shù)和洗油效率均有所提高［13-15］，增加采收率效果顯著。

圖7 不同驅替階段模型示意圖

圖7（a）水驅之后形成的殘余油經過局部放大后如圖8（a）所示。當注入的復配驅油體系流過此處的殘余油所在位置時，通過擠壓和剪切的外力作用，部分殘余油被乳化成細絲狀，后續(xù)注入的復配體系與之前被拉成細絲狀的殘余油繼續(xù)發(fā)生乳化作用，進一步把細絲狀殘余油拉斷分散成更細更小的油珠。水驅后殘余油所在位置處的原油由于持續(xù)受到上述發(fā)生的乳化作用被“拉”下來，剩余量不斷減少，使得剩余油的啟動壓力也逐漸降低，整體隨著泵入流體的水流方向運移至采出端，洗油效率得以提高。

圖8 乳化對局部殘余油作用示意圖

圖9 為復配體系驅油的后續(xù)階段，增大顯微鏡的放大倍數(shù)，進一步研究該驅油體系對勝利油田普通稠油的剝離效果。泵入的復配體系中的表面活性劑吸附在油-固界面上，使得油-固界面張力得以降低，表面活性劑溶液能從油膜邊緣進入油膜深處發(fā)生乳化作用，使得油膜擴張破裂后縮聚成小油滴隨注入流體向采出端運移。

圖9 復配體系對勝利油田普通稠油剝離效果

3 結論

基于微動力條件乳化評價方法，以乳化能力、界面張力和穩(wěn)定性為指標構建的勝利油田孤島稠油最優(yōu)乳化體系配方為TB、AC質量比為3∶2，總質量分數(shù)為0.3%，該體系的乳化性能良好，與原油間的界面張力在10-3mN/m，與原油形成乳狀液的穩(wěn)定性明顯高于單一表面活性劑TB與原油形成乳狀液的。

TB+AC 復配體系能在水驅基礎上提高稠油采收率11.2%；其主要驅油機理在于通過超低界面張力和強乳化性能“拉”殘余油，使其發(fā)生形變，降低流動阻力和殘余油含量；并可進入油膜深處進一步發(fā)生乳化作用使油膜擴張破裂來提高采收率。