低界面張力小分子驅油劑提高低滲透油藏采收率技術*

孟文玉，唐善法，2，王思瑤，董沅武，王 睿，高 潔，陳澤群

（1.長江大學石油工程學院，湖北武漢 430100；2.油氣鉆采工程湖北省重點實驗室，湖北武漢 430100）

0 前言

隨著石油資源的不斷開采和利用，我國的大部分中高滲油藏已經進入高含水期，低滲、特低滲油藏逐漸成為我國提高石油產量的重要方向［1］。因此，為保證我國油氣資源的產量和石油工業的發展，改善低滲透油藏的開采效果、提高采收率已成為必須解決的重要問題。

由于我國低滲透油藏孔隙度小、非質性強、賈敏效應明顯，注水過程中啟動壓力及壓力梯度大，致使低滲透油藏在驅替過程中壓力過高，易發生注入水突進現象，難以形成有效驅替［2-4］。現有的常規表面活性劑驅雖能降低油水界面張力，但對非均質性油藏的適應性較差，難以達到良好的流度控制要求。傳統的含聚合物化學驅中，聚合物屬大分子或高分子物質，雖增黏性好但難以注入低滲透小孔隙中，如果強行注入則會因過強的剪切作用導致不可逆的黏度損失，甚至滯留孔隙中造成儲層傷害［5-8］。因此，在低滲透油藏中，急需尋找一種注入性好且能有效改善驅替相流度并提高采收率的方法，以滿足良好的注入性、油藏環境適應性等需求。

本文提出了一種低界面張力小分子驅油劑（LST溶液）提高低滲透油藏采收率新技術。系統考察了LST 溶液的界面活性、增黏性、乳化性能及潤濕性，并研究了LST 溶液靜態吸附、配制水礦化度對其界面活性、增黏性的影響，最后模擬油藏均質/非均質性，評價了LST溶液驅油提高水驅采收率效果。本研究旨在為低滲透油藏化學驅提高采收率技術的選用提供新的思路及實驗依據。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

原油，47.2 ℃下的黏度為3.4 mPa·s，取自某低滲透油藏，脫水后備用；低界面張力小分子驅油劑LST溶液，屬低聚型（聚合度n=3～5）小分子活性有機物，相對分子質量＜2000，含羥基、羧酸、磺酸基及鏈烴等基團，由長江大學石油工程學院提供；人造巖心，石英砂（120～150 mm），滲透率為0.01～0.15 μm2；含油巖心粉，取自前述低滲透油藏；模擬地層水礦化度與注入水一致，皆為6788.23 mg/L，離子組成（單位mg/L）為：Na+1684.33、K+10.67、Ca2+349.74、Mg2+75.01、Cl-1033.48、SO42-3470.9、HCO3-164.1。

MCR301 型界面流變儀，奧地利Anton Par 公司；TEXAS-500 型旋轉滴界面張力儀，美國科諾工業有限公司；Brookfield DV3T 型黏度計，美國Brookfield公司；OCA50型全自動接觸角測量儀，德國Dataphysics 公司；FA2004 型電子天平，上海舜宇恒平科技儀器有限公司；多功能巖心驅替裝置，海安石油科研儀器有限公司等。

1.2 實驗方法

（1）溶液配制

模擬地層水的配制：根據離子組成，配制2000 mL 20 g/L的模擬地層水，機械攪拌0.5 h后移入2000 mL容量瓶定容，制得高礦化度地層水母液。實驗所需礦化度皆由該母液稀釋而成。

LST 溶液的配制：準確稱取18 g LST 溶液置于裝有模擬地層水的燒杯中，機械攪拌4 h，待完全溶解后移入500 mL容量瓶定容，制得高濃度的LST母液。實驗所需LST溶液皆由該母液稀釋得到。

（2）界面活性、黏度及乳化性測試

油水界面張力：在溫度47.2 ℃、轉速5000 r/min的條件下，采用旋轉滴界面張力儀測定LST溶液與原油間的界面張力。

黏度：在溫度47.2 ℃、剪切速率7 s-1的條件下，使用黏度計測定LST溶液的黏度。

乳化性能：在溫度47.2 ℃、油水比1∶1 的條件下，在50 mL具塞量筒中加入10 mL 0.4%LST溶液與10 mL 原油，使用玻璃棒攪拌均勻后，放入47.2 ℃的恒溫箱中靜置，觀察并記錄量筒開始油水分離的時間，然后每隔一定時間，記錄一次析出水的體積，直至析出水體積不再變化。按式（1）計算乳狀液的析水率（E），以此來判斷驅油體系的乳化性能。

式中：V1—析出水的體積，mL；V2—制備乳狀液時LST溶液體系的體積，mL。

（3）潤濕性能測試

將巖心洗油烘干后，切割成尺寸一致的巖心切片，將其表面打磨光滑；在47.2 ℃下，用0.4% LST溶液浸泡7 h，取出風干；使用全自動接觸角測量儀測定水相、油相接觸角，根據接觸角大小判定其潤濕性。

（4）礦物靜態吸附對LST溶液性能的影響

取適量目標油藏天然含油巖心粉，將巖心粉與0.4% LST 溶液按質量比1∶50 置于250 mL 錐形瓶中，使其充分混合均勻后密封；將密封后的錐形瓶放入47.2 ℃恒溫水浴搖床中振蕩24 h；取出靜置一段時間，待固液呈分離狀態時取上層清液，測試其油水界面張力、黏度及乳狀液析水率。重復以上操作3 次，測定不同吸附次數下LST 殘液的油水界面張力、黏度和乳化析水率。

（5）LST溶液耐鹽性測試

配制不同礦化度（0～16 570 mg/L）的0.4%LST溶液，評價礦化度對LST溶液油水界面活性、黏度、乳化性能的影響。

（6）驅油效果測試

均質巖心驅油實驗。①選取均質人造巖心（0.05 μm2），烘干、稱量后充分飽和地層水，稱巖心濕重，計算巖心的孔隙體積和孔隙度。②將巖心放入多功能巖心驅替實驗裝置中，加環壓，再實施油驅水，建立束縛水飽和度；封閉夾持器兩端，使其在47.2 ℃下靜置老化24 h。③以流速0.1 mL/min進行水驅油，直至出口端無油產出為止，計算水驅采收率。④轉注0.4%LST溶液共0.4 PV，然后水驅至采出液含水率100%，計算LST驅提高水驅采收率。

非均質巖心驅油實驗。①選取滲透率級差為3、5、10的巖心，烘干、稱重后充分飽和地層水；②重復均質巖心驅油實驗中的②③④操作。

2 結果與討論

2.1 LST溶液性能評價

2.1.1 界面活性

在47.2 ℃下，不同質量分數（0.2%～1.0%）LST溶液與原油間的界面張力如圖1所示。隨LST溶液加量的增大，LST 溶液與原油間的界面張力呈先降低后緩慢上升之勢；LST溶液加量為0.4%時的油水界面張力最低。這與LST 溶液中具有的特殊官能團及液相中的LST溶液擴散移動有關。LST溶液屬低聚型小分子活性有機物，具有類似于雙子表面活性劑的多親水基團（羧基、羥基、磺酸基）及疏水基團（鏈烴），且聚合度相對更高（n=3～5）。LST 溶液與水、原油間分別通過氫鍵［7-9］及疏水締合作用，可更快更好地吸附在油水界面，有效降低油水界面張力。當LST 溶液濃度較低時，油水界面吸附的LST溶液較少，降低油水界面張力效果不明顯；隨著LST溶液濃度增加，有更多的LST溶液可吸附于油水界面，使得油水界面張力降低；當體系濃度增大到臨界值（0.4%）時，LST溶液分子在界面上的排列趨于飽和，即LST溶液分子繼續吸附于油水界面的機遇受限，此時界面張力達到最小值；水中LST 溶液濃度繼續增大，則LST溶液活性分子開始在溶液中形成疏水締合，液相黏度呈增大之勢，影響LST 溶液快速擴散到油水界面，繼而導致界面張力小幅升高，界面活性變弱［10-11］。但在實驗濃度范圍內，油水界面張力均處于2×10-2mN/m 數量級，說明LST 溶液具有較好的降低油水界面張力的能力，可以作為提高洗油效率的驅油劑。

圖1 不同質量分數LST溶液對油水動態界面張力的影響

2.1.2 增黏性

在47.2 ℃、剪切速率7 s-1的條件下，0.2%～1.4%LST溶液的黏度如圖2所示。LST溶液的黏度隨著LST 溶液加量的增大而增大。在質量分數為0.4%時，便可達到與地層原油相近的黏度，滿足注入流體流度調節的需求。這主要與分子間的疏水締合作用有關。隨著LST溶液濃度的增加，溶液中LST分子間疏水締合作用增強，分子大量聚集，形成一種較大的物理搭疊動態網狀結構［12-13］，使得LST溶液黏度急劇增加。

圖2 LST溶液黏度隨其加量的變化曲線

綜上所述，0.4%LST溶液既有與地層原油相近的黏度，又具備低的油水界面張力，可以有效擴大波及體積和提高洗油效率。考慮到現場驅油的效果和經濟性，選用質量分數為0.4%的LST溶液作為最佳驅油劑。

2.1.3 乳化性能

在47.2 ℃、油水比為1∶1 的條件下，0.4% LST乳狀液的乳化性能如圖3所示。乳狀液開始破乳的時間為5 min，在40 min 內油水迅速分離，40 min 以后油水分離的速度逐漸變緩，直至100 min 時析水率曲線才逐漸平穩，此時的析水率為70%。這說明0.4%LST乳狀液的破乳和析水時間較長，析水率較低，乳化穩定性較強。在40 min 以前，受乳狀液液滴間的相互作用及自身重力的影響，油和水在開始破乳之后油水分離速度很快［10，14］；經油水分離一段時間后，乳狀液中的油滴在連續水相中的占比增大，增大了乳狀液液滴之間的相互作用，使液滴之間排列的更加緊密，從而增強了油水界面膜的強度，有利于乳狀液的穩定。

圖3 在47.2 ℃下LST溶液乳狀液的析水率隨時間的變化

2.1.4 潤濕性

將巖心置于0.4%LST溶液中浸泡后，測定巖心在水相和油相中接觸角的變化。未經處理的巖心水相接觸角為57.0°（＜90°），說明巖心的親水性較好；經LST溶液處理后，巖心的潤濕角降至12.5°，由此可知LST溶液可增強巖心的水潤濕性，使其更加親水。LST 溶液處理后，巖心與油相的接觸角從24.3°增至38.6°，也說明了LST 溶液使巖心變得更加疏油親水。因此，LST溶液注入低滲透油藏后，可以減小孔隙表面對原油的附著力，將孔隙壁面的殘余油剝離產出；同時可提高驅替相注入性，具有降壓增注的效果［15］。

2.2 礦物靜態吸附和礦化度對LST溶液性能的影響

2.2.1 礦物靜態吸附的影響

0.4%LST溶液經重復多次吸附后，其殘液與原油間的界面張力、黏度和乳化性能如表1 所示。隨著吸附次數的增加，LST 殘液與原油間的界面張力和乳狀液的析水率均增大，黏度則減小。當吸附次數達到3 次時，LST 殘液與原油間的界面張力仍能達到10-2mN/m 數量級，乳狀液靜置10、120 min 的析水率為38.6%、73.4%，說明LST 溶液具有良好的靜態抗吸附性能。地層巖石對LST 分子的吸附量較小，極大地減小了現場對LST溶液的使用量。這是由于目標油藏孔隙巖石礦物表面主要帶負電荷，驅油劑LST溶液并不會電離出陽離子，且與儲層巖石間的靜電引力作用較弱［16-17］，因此導致體系與巖石礦物表面的吸附量較小。

表1 LST溶液吸附殘液的油水界面張力、黏度和乳化性能

2.2.2 礦化度的影響

礦化度（0～16 570 mg/L）對0.4% LST 溶液油水界面張力、黏度及乳化性能的影響如圖4、圖5所示。由圖4 可見，隨著礦化度的增加，LST 溶液的油水界面張力呈先降后升的趨勢。礦化度較低時，LST 溶液中的親水基團大多存在于水相，少量分布于油相；隨著礦化度增大，其與鹽溶液中的反離子發生靜電相互作用，壓縮極性頭水化層和膠束雙電層［18］，使得親水基團更易吸附于油水界面，因此油水界面張力降低。隨著礦化度的繼續增加，界面的吸附平衡被破壞，油水界面張力增高［18］。這種高礦化度也會破壞LST 溶液中的特殊網狀結構，使得LST溶液黏度降低。當礦化度由6788 mg/L增至16 570 mg/L時，油水界面張力均在7×10-2mN/m以下［19-20］，且黏度僅下降了0.34 mPa·s。

圖4 礦化度對LST溶液油水界面張力和黏度的影響

圖5 礦化度對LST溶液乳化性能的影響

由圖5可見，隨著礦化度的增大，乳狀液出現破乳分層的時間逐漸縮短，最終析水率也越來越大。這是因為礦化度的增大增強了乳狀液的絮凝和聚結作用，從而使乳化穩定性降低。礦化度增大，鹽析作用增強，界面膜強度下降，乳狀液的聚并阻力減小，穩定性降低［13］。

綜上所述，LST 溶液在高礦化度下的油水界面張力依然小于7×10-2mN/m，且黏度僅下降了0.34 mPa·s，說明LST 溶液在高礦化度下具有較好的界面活性、增黏穩定性和耐鹽性。

2.3 LST溶液的驅油效果

2.3.1 均質巖心驅油效果

在注入速度為0.1 mL/min、注入量為0.4 PV、巖心滲透率為0.05 μm2的條件下，0.4%LST 溶液的驅油效果如圖6所示。水驅階段含水率達到98%時的注入壓力為1.20 MPa，驅油效率為59.78%；當轉至LST溶液驅后，含水率略有下降，且注入壓力呈現先下降后上升的趨勢；在LST 溶液驅結束時，注入壓力上升至1.43 MPa，驅油效率比水驅時提高了1.31百分點；在后續水驅階段，驅替至含水率100%時的注入壓力呈現穩步下降趨勢，最終降至0.68 MPa，驅油效率明顯提高，最終總采收率提高11.21 百分點。從LST溶液驅油過程中注入壓力的變化看，壓力呈現先下降后上升的趨勢，驅油效率則穩步提高。這主要是由于LST 溶液在大孔道中產生封堵作用，注入壓力隨著體系注入量的增加而增大，進而使得驅替液向小孔道流動，推動小孔道中的油水混合液向前流動，因此LST溶液驅可起到提高采收率的目的。轉至后續水驅階段時，LST 溶液也會隨著注入水前進，直至封堵屏障被突破，這時注入壓力明顯下降，最終壓力穩定階段明顯低于初始水驅。這是由于LST溶液不僅可以增強界面活性，還具有良好的抗吸附性能、乳化性能，使得后續水驅注入壓力降低，達到提高采收率的目的。

圖6 LST溶液在均質巖心中的驅油效果

2.3.2 非均質巖心驅油效果

在不同級差的并聯高、低滲透巖心進行LST溶液驅油實驗，考察地層的非均質性對LST溶液驅油效果的影響，結果如表2 所示。水驅采收率受滲透率和滲透率級差的影響較明顯。水驅高滲透管采收率主要取決于巖心滲透率的大小，滲透率越大水驅采收率越高，說明水驅過程中存在高滲透通道優先滲流或驅替原油的特征。相應低滲透管水驅采收率大小則受滲透率極差的影響極大，滲透率極差越大，水驅采收率越低。由于滲流極差的存在，使得驅替液更易從高滲透通道通過，低滲透通道水驅油的困難性或低滲透層動用難度明顯加重。因此，水驅后有必要對高滲透通道進行封堵，以加速低滲透層的啟動和提高低滲透層的水驅采收率。

表2 不同級差雙管巖心實施LST溶液驅提高采收率效果對比

當注入0.4 PV 0.4%LST溶液后，高滲透管的最終采收率變化較小，與注入前相比僅提高了0.41%～4.50%；而低滲透管的采收率則明顯增加，與水驅相比提高了13.38%～48.37%。由此可見，注入LST溶液可以有效封堵高滲透管通道，并可分流后續水至低滲透管。LST 溶液的油水界面張力低，增黏效果好，較高黏度的LST溶液可對大孔道進行有效封堵，并啟動小孔道，利用其自身對孔隙壁的強親水潤濕性和較好的乳化性能［21-23］，實現對殘余油的剝離和乳化分散產出，提高洗油效率和波及體積，達到提高采收率的目的。

3 結論

提出了一種低界面張力小分子驅油劑（LST 溶液）提高低滲透油藏采收率新技術。該驅油劑在較低的加量（0.4%）下可使油水界面張力達到10-2mN/m數量級，其黏度接近油藏原油黏度（3.4 mPa·s）。LST 溶液具有較好的乳化性能和親水潤濕性能，有利于驅替相注入及殘余油的剝離、乳化產出。LST溶液具有較好的油藏環境適應性和耐鹽性能，靜態吸附損耗低。在礦化度為16 570 mg/L的環境下，其油水界面張力低于7×10-2mN/m、黏度為3.06 mPa·s。LST溶液的驅油效果較好，可有效封堵高滲透孔道，啟動低滲透孔道殘余油。