新型抗高鹽泡沫體系研發(fā)及性能評價

趙 琳， 李愛芬， 陳 凱， 唐健健

( 中國石油大學(華東) 石油工程學院，山東 青島 266555 )

0 引言

泡沫驅(qū)既能顯著提高波及系數(shù)，又能提高洗油效率[1-2]，從而大幅度提高原油采收率[3]，已成為最具發(fā)展前景的三次采油技術(shù).長慶、中原、江漢、河南等油田地層水礦化度達到幾十萬毫克每升[4].目前，抗鹽起泡劑一般抗礦化度在幾千或幾萬的(低于30 g/L)，大于50 g/L的泡沫體系報道甚少.因此，研發(fā)抗高鹽泡沫體系，具有實際應(yīng)用價值和社會效益.

常用的起泡劑主要有陰離子型、非離子型及兩性型等[5].陰離子型起泡劑來源廣、起泡性能好、成本低，但抗鹽性差.非離子型起泡劑抗鹽性強[6]，但起泡及穩(wěn)泡性能較差，且易受濁點影響.兩性型起泡劑起泡性及抗鹽性均較好，但穩(wěn)泡性能較差，且成本較高，一般復(fù)配使用[7].

針對高鹽油藏，筆者選用較為常見的羥磺基甜菜堿、十二醇及十二烷基二甲基芐基氯化銨(1227)，通過復(fù)配及正交實驗，研發(fā)抗高鹽泡沫體系，評價泡沫體系的耐溫、耐鹽及遇油穩(wěn)定性，測定泡沫體系的阻力因子，評價泡沫體系在非均質(zhì)模型中的驅(qū)油效果.

1 實驗

1.1 儀器與試劑

儀器：羅氏泡沫儀、水浴鍋、分析天平、填砂管(φ2.5 cm×100 cm)、中間容器、D-250L恒速恒壓泵、ISCO泵、回壓閥、泡沫發(fā)生器、六通閥、常規(guī)玻璃儀器等.

試劑：羥磺基甜菜堿、十二醇、十二烷基二甲基芐基氯化銨(1227).實驗用水為某油田地層水(礦化度為79.312 g/L)，水質(zhì)分析數(shù)據(jù)見表1；實驗用油為某油田原油與煤油以體積比6∶4混合，地層溫度50 ℃時模擬油黏度為2.2 mPa·s.

表1 某油田地層水水樣分析 mg/L

1.2 方法及步驟

1.2.1 復(fù)配體系的研發(fā)及耐溫耐鹽性評價

用Ross-miles法[8]測定不同質(zhì)量分數(shù)的甜菜堿溶液、甜菜堿與十二醇、1227復(fù)配溶液的起泡性能和穩(wěn)泡性能，復(fù)配研發(fā)性能優(yōu)良的泡沫體系；通過正交實驗優(yōu)化最佳質(zhì)量分數(shù)，評價最佳配方的耐溫、耐鹽性以及遇油后的穩(wěn)定性.

1.2.2 阻力因子測定

圖1 泡沫體系阻力因子實驗流程

泡沫阻力因子[9-10]是泡沫在巖心運移達到平衡時，巖心兩端所建立的壓差與單純注水時的壓差的比值，是泡沫封堵能力的重要指標.溫度為50 ℃、氣液體積比為1∶1時，測定注入泡沫后的壓差變化及阻力因子，其實驗流程見圖1.

步驟：(1)將填砂管洗凈，填砂，抽空飽和水；(2)以2 mL/min注入速度水驅(qū)至壓力穩(wěn)定，記錄壓力，計算水相滲透率；(3)設(shè)定回壓2 MPa，按氣液體積比為1∶1向泡沫發(fā)生器同時注入N2和泡沫體系，產(chǎn)生泡沫后通過六通閥混合注入填砂管，待壓力穩(wěn)定后，記錄填砂管兩端壓差，計算阻力因子.

1.2.3 驅(qū)油效果評價

充填2根滲透率相差較大的填砂管，并聯(lián)接入實驗流程，一次水驅(qū)地層水從高滲突破，形成水流通道；低滲填砂管波及面積較小，采收率很低.注入泡沫后，評價泡沫體系的調(diào)驅(qū)效果.

步驟：(1)同阻力因子實驗(1)～(2)；(2)分別對2根填砂管飽和油，老化24 h，記錄飽和油體積；(3)將2根填砂管并聯(lián)接入實驗流程，以恒定速度2 mL/min水驅(qū)，分別記錄2根填砂管的累計出油量，計算一次水驅(qū)總采收率；(4)向模型注入0.6 PV(PV為注入孔隙體積倍數(shù))泡沫.(5)以恒定速度水驅(qū)至出口端含水率98%以上，記錄2根填砂管的累計出油量，計算二次水驅(qū)總采收率.

2 結(jié)果與討論

2.1 泡沫體系

圖2 不同質(zhì)量分數(shù)下甜菜堿的起泡高度及半衰期變化

溫度為50 ℃時，不同質(zhì)量分數(shù)的羥磺基甜菜堿的起泡高度及半衰期見圖2.

由圖2可知，不同質(zhì)量分數(shù)時甜菜堿的起泡性能基本相當，溶解性較好.與穩(wěn)泡性對比，質(zhì)量分數(shù)為0.40%時的半衰期最長，即泡沫穩(wěn)定性最好.隨著甜菜堿質(zhì)量分數(shù)的增加，氣液界面吸附的分子逐漸變多，界面張力迅速下降，產(chǎn)生的泡沫其穩(wěn)定性逐漸增強；當甜菜堿分子在界面吸附達到飽和時，疏水作用將導(dǎo)致甜菜堿分子以膠束形式均勻分布在溶液中，界面張力不再降低，泡沫穩(wěn)定性不再增加.

質(zhì)量分數(shù)為0.40%的羥磺基甜菜堿與不同質(zhì)量分數(shù)的十二醇進行復(fù)配，其實驗結(jié)果見圖3.

由圖3可知，當十二醇質(zhì)量分數(shù)為0.04%時，起泡性能與穩(wěn)泡性能最佳，半衰期超過4.0 h，較純甜菜堿溶液的半衰期(1.1 h)有較大升高，原因是十二醇與甜菜堿分子之間存在強烈的締合作用.十二醇的疏水鏈與甜菜堿分子疏水鏈之間存在一定的相互吸引作用，十二醇的羥基與甜菜堿分子極性頭基之間能產(chǎn)生氫鍵，因而十二醇能插入到甜菜堿分子吸附層之間，產(chǎn)生更為緊密的表面吸附層.同時，飽和吸附量的增加，增大溶液的表面黏度，從而增加泡沫的穩(wěn)定性.

質(zhì)量分數(shù)為0.40%甜菜堿與0.04%十二醇復(fù)配，半衰期較純的甜菜堿有較大上升，但穩(wěn)定時間還不理想.選用十二烷基二甲基芐基氯化銨(1227)，固定甜菜堿、十二醇質(zhì)量分數(shù)，改變1227的質(zhì)量分數(shù)進行復(fù)配實驗，其結(jié)果見圖4.

圖3 質(zhì)量分數(shù)為0.40%甜菜堿與不同質(zhì)量分數(shù)十二醇復(fù)配的起泡高度及半衰期變化

圖4 固定質(zhì)量分數(shù)甜菜堿、十二醇與不同質(zhì)量分數(shù)1227復(fù)配的起泡高度及半衰期變化

由圖4可知，1227的質(zhì)量分數(shù)為0.10%時，半衰期約為16 h，穩(wěn)泡性能明顯增強.隨質(zhì)量分數(shù)繼續(xù)增加，起泡高度與半衰期變化較小.說明1227與甜菜堿及十二醇具有良好的相容性，起到很好的協(xié)同作用.

2.2 正交試驗

在甜菜堿溶液中加入十二醇與1227，起泡高度略有增加，半衰期明顯改善.為優(yōu)化最佳質(zhì)量分數(shù)，以3種物質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)為因素，通過評價半衰期進行三因素三水平正交試驗.正交試驗的因素與水平見表2，試驗結(jié)果見表3.

表2 正交試驗的因素與水平

表3 正交試驗結(jié)果

由表3可知，除第1組實驗，其余8組半衰期大于10 h，表明3種物質(zhì)具有極好的協(xié)同作用.其中1227是影響泡沫穩(wěn)定性的最重要因素.抗高鹽泡沫體系最佳質(zhì)量分數(shù)配方為0.40%羥磺基甜菜堿、0.04%十二醇與0.10%1227.

2.3 耐溫耐鹽性

不同溫度時，泡沫體系的起泡高度及半衰期見圖5.

由圖5可知，泡沫體系的起泡高度隨溫度的升高，先增大后減?。环€(wěn)泡性能隨溫度的升高不斷降低.在溫度為45～65 ℃時泡沫體系性能較好.在一定溫度范圍內(nèi)，溫度升高時溶液膨脹，起泡劑分子間距離增大，動能增加，分子容易擺脫水的束縛而逃逸到水面，導(dǎo)致表面吸附的起泡劑分子增多，表面張力下降，即表現(xiàn)為起泡體積增加.隨溫度升高，液膜的水分蒸發(fā)加劇，使液膜變薄，排液速度加快，泡沫容易破滅，穩(wěn)定性變差.

不同礦化度下，泡沫體系的起泡高度及半衰期見圖6.

由圖6可知，隨礦化度不斷升高，起泡高度略有下降，穩(wěn)泡性能略有上升.在礦化度為10～160 g/L時，泡沫體系起泡高度高于12.8 cm，半衰期大于12.5 h，說明鹽對泡沫液膜具有增強作用，泡沫體系可在高鹽油藏中使用并推廣.

圖5 不同溫度時泡沫體系的耐溫性

圖6 不同礦化度時泡沫體系的耐鹽性

2.4 遇油穩(wěn)定性

在溫度為50 ℃時，將最佳質(zhì)量分數(shù)配方溶液在羅氏泡沫儀中起泡后，加入一定量的模擬油，測定遇油后泡沫體系的半衰期，實驗結(jié)果見圖7.

由圖7可知，少量原油對泡沫穩(wěn)定性影響不大，但隨著原油質(zhì)量分數(shù)的增加，泡沫穩(wěn)定性下降.這是因為油對泡沫有抑制和破壞作用，無論何種起泡劑配制的泡沫，接觸油后穩(wěn)定性都將下降.當原油質(zhì)量分數(shù)較少時，油與泡沫接觸不充分，對穩(wěn)定性的影響不大；當原油質(zhì)量分數(shù)增大，油與泡沫充分接觸，油對泡沫的影響會明顯增強.結(jié)果表明，該泡沫體系所起泡沫在含油質(zhì)量分數(shù)為20.00%的靜態(tài)條件下仍有較強的穩(wěn)定性.

2.5 阻力因子測定

在溫度為50 ℃、氣液體積比為1∶1時，阻力因子實驗數(shù)據(jù)見表4，泡沫驅(qū)產(chǎn)生的壓差與注入孔隙體積倍數(shù)的關(guān)系見圖8.

表4 溫度為50 ℃時阻力因子實驗數(shù)據(jù)

圖7 溫度為50 ℃時模擬油對泡沫穩(wěn)定性的影響

圖8 阻力因子隨注入孔隙體積倍數(shù)的變化曲線

由表4與圖8可知，氣液體積比為1∶1時，注入約0.6 PV泡沫，填砂管兩端壓差趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定壓差是水驅(qū)穩(wěn)定壓差的409倍.研發(fā)的抗高鹽泡沫體系具有很好的封堵能力.

2.6 驅(qū)替效果

將滲透率相差較大的2根填砂管并聯(lián)接入流程圖1.其中，高滲填砂管水測滲透率為3 657×10-3μm2，孔隙體積為235 mL；低滲填砂管水測滲透率為477×10-3μm2，孔隙體積為210 mL.滲透率級差為7.7.非均質(zhì)模型驅(qū)替實驗數(shù)據(jù)見表5.

由表5可知，注入泡沫體系后，高滲填砂管采收率提高13.9%，低滲填砂管采收率提高25.4%，模型總采收率提高18.6%.泡沫體系改善高滲管中的洗油效率，對高滲管起到很好的封堵效果，解放低滲區(qū)，改善模型的非均質(zhì)性，起到良好的調(diào)剖增油效果.

表5 非均質(zhì)模型驅(qū)油實驗數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

(1)針對高鹽油藏，通過復(fù)配及正交試驗研發(fā)性能優(yōu)良的抗高鹽泡沫體系，最佳質(zhì)量分數(shù)配方為0.40%羥磺基甜菜堿、0.04%十二醇與0.10%十二烷基二甲基芐基氯化銨，明顯改善泡沫性能，為后續(xù)泡沫體系的研發(fā)提供思路.

(2)泡沫體系在溫度45～65 ℃時性能良好，起泡高度大于12.0 cm，半衰期大于12.0 h；在礦化度10～160 g/L時，起泡高度高于12.8 cm，半衰期大于12.5 h；所起泡沫在含油質(zhì)量分數(shù)為20%的靜態(tài)條件下仍有較強的穩(wěn)定性.

(3)氣液體積比為1∶1時，注入泡沫0.6 PV左右，壓差接近穩(wěn)定，阻力因子為409.表明泡沫體系起到了較強的封堵效果.

(4)非均質(zhì)模型驅(qū)油實驗中，注入泡沫體系0.6 PV后，總采收率提高18.6%，具有良好的調(diào)剖增油效果.