耐溫耐鹽乳狀液驅(qū)替體系性能研究

李 實(shí)， 端祥剛， 侯吉瑞， 程婷婷， 俞宏偉， 徐海霞

（1.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京100083；2.中國(guó)石油大學(xué)（北京）提高采收率研究院，北京102249；3.教育部油田開(kāi)發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102249；4.中國(guó)石油塔里木油田油氣工程研究院，新疆庫(kù)爾勒，841000）

如何進(jìn)一步提高水驅(qū)后采收率，發(fā)展水驅(qū)后提高采收率的接替技術(shù)，已經(jīng)成為提高采收率研究的重要課題。雖然聚合物驅(qū)油技術(shù)和泡沫驅(qū)油技術(shù)都已取得較多的研究成果，但是對(duì)于滲透率及溫度、礦化度較高的油層，泡沫和聚合物受到自身強(qiáng)度及耐溫耐鹽性能的限制，體系控制流度的能力都具有一定程度的局限性。在這種情況下，采用合適的乳化劑將地下原油或成本較低的渣油乳化，形成具有耐溫耐鹽性能的乳狀液驅(qū)油體系，成為一條可行性非常高的提高采收率技術(shù)［1］。

用乳狀液對(duì)地層流體進(jìn)行驅(qū)替，因乳化體系具有更高的黏度，同時(shí)乳狀液會(huì)優(yōu)先進(jìn)入含水飽和度高的高滲層，可降低含水飽和度及高滲層水的流度，并可通過(guò)不同階段不同距離的乳狀液的黏度和相滲變化，實(shí)現(xiàn)流度控制和阻力調(diào)節(jié)，擴(kuò)大波及面積，降低地層中的殘余油含量，進(jìn)而大幅提高原油的采收率［2－3］。匡佩瓊［4］、康萬(wàn)利［5］、孫春柳等［6］對(duì)乳狀液驅(qū)油效果都進(jìn)行了深入的機(jī)理研究。但對(duì)于高溫、高鹽的油層，關(guān)于耐溫耐鹽乳狀液驅(qū)油劑的研究卻 不多。本文根據(jù)乳狀液形成機(jī)理［7－9］，選取適當(dāng)HLB值的乳化劑，使油水易于形成穩(wěn)定的乳狀液［10－12］，系統(tǒng)地評(píng)價(jià)乳狀液穩(wěn)定性和驅(qū)替效果，從而得到具有耐溫、耐鹽性能的乳狀液驅(qū)油體系。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器和試劑

Waring Blender攪拌器；Brookfield DV－II型黏度計(jì)（美國(guó)Brookfield公司）；納米粒度及Zeta電位分析儀（美國(guó)Beckman Coulter公司）；恒速恒壓泵、恒溫箱、填砂管（江蘇海安石油設(shè)備有限公司）；壓力采集系統(tǒng)（昆侖海岸公司）。

河南稠油（90℃時(shí)黏度11mPa·s，密度0.88 g／cm3）；模擬地層水，礦化度為5 000mg／L；乳化劑7種（合成）（其中6－1－1、6－1－2、6－1－3為SPAN 系列，6－1－4為甘油單硬脂酸酯，6－1－5、6－1－6、6－1－7為脂肪酸多元醇酯）；四氯化碳等。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

研究表明，配制乳狀液時(shí)，油水比例、配制溫差以及轉(zhuǎn)速都影響著乳狀液的性能［9］。轉(zhuǎn)速越高，形成的乳狀液越穩(wěn)定，乳化劑穩(wěn)定效果顯著提高。采用分段加入法和變轉(zhuǎn)速攪拌法更有利于乳狀液的穩(wěn)定性。配制的過(guò)程中，溫度對(duì)于乳化劑的乳化效果有一定的影響，尤其是油水混合時(shí)，如果水和油的溫度差異太大，對(duì)乳狀液的形成及穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的影響。所以在現(xiàn)場(chǎng)施工中要盡量降低溫度差。

配制方法：在稠油中加少量煤油攪拌2min，以稀釋稠油增加流動(dòng)性，靜置后加入預(yù)先放在恒溫箱中的樣品，倒入攪拌器中，以油水體積比為3∶7加入水，以6 000r／min攪拌5min，靜置2min，再以4 000r／min攪拌3min；放入90℃恒溫箱中觀察試驗(yàn)現(xiàn)象；并檢驗(yàn)乳狀液類(lèi)型。

1.3 實(shí)驗(yàn)分析方法

乳狀液的穩(wěn)定性一般用析水率（FV）和穩(wěn)定性評(píng)分（SV）來(lái)衡量，SV值越大，乳狀液的穩(wěn)定性越好。計(jì)算公式如下：

式中：V1為定時(shí)間內(nèi)析出水的體積，mL；V2為制備乳狀液所加入的水體積，mL。Ki為加權(quán)系數(shù)，對(duì)應(yīng)靜置時(shí)間為10、20、30、40、50、60min，Ki分別取1～6，0＜SV＜21。

2 結(jié)果與討論

2.1 乳化劑的選擇

HLB法選取乳化劑適用于各類(lèi)的表面活性劑，其原則是乳化系統(tǒng)所需要的HLB值盡可能與乳化劑的HLB值一致。HLB值越小，乳化劑的親油能力越強(qiáng)，本研究篩選并合成了7種乳化劑。各乳化劑的HLB值在3.6～6.7，結(jié)果如表1所示。

表1 不同乳化劑的HLB值Table1 The HLB of emulsifier

實(shí)驗(yàn)先用單劑制備乳狀液，測(cè)量不同時(shí)間的析水率，計(jì)算其穩(wěn)定性評(píng)分，并對(duì)評(píng)分較高的體系測(cè)量表觀黏度，初步篩選較好的乳化劑。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2、3所示。

表2 不同乳狀液的穩(wěn)定性分析Table2 Analysis of emulsion stability

續(xù)表2

從表2中可以看出，不同的體系的乳狀液的析水率基本上都隨著乳化劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而降低，這是因?yàn)椋S著乳化劑的增多，乳化劑分子在油水界面上的吸附量增多，排列整齊，形成的乳化液滴的油水界面膜厚度增大，強(qiáng)度變大，乳狀液的穩(wěn)定性增加，穩(wěn)定性評(píng)分增加。當(dāng)乳化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到一定值（0.4%）時(shí)，乳化劑分子油水界面上吸附達(dá)到飽和，界面膜強(qiáng)度最大，析水率為0，乳狀液最穩(wěn)定。各乳狀液最后都有少量浮油，是由于乳化不完全和部分破乳造成的，浮油量越少，說(shuō)明乳化體系的穩(wěn)定性越好。

由表3可知，對(duì)比優(yōu)選的7組乳狀液體系，乳化劑6－1－5、6－1－6、6－1－7在此溫度下黏度較高，可以達(dá)到5 200～7 600mPa·s，在乳化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%時(shí)，6－1－1、6－1－3、6－1－7基本上不析水，穩(wěn)定性評(píng)分較高，穩(wěn)定性能好，而且浮油量少，破乳現(xiàn)象不明顯。綜合考慮黏度和穩(wěn)定性，初步篩選乳化劑6－1－7進(jìn)行進(jìn)一步的性能評(píng)價(jià)。

表3 不同乳狀液90℃、6s－1下的黏度Table3 The viscosity of the emulsion at 90℃，6 s－1

2.2 油水乳化體系穩(wěn)定性影響因素研究

2.2.1 溫度 溫度對(duì)原油乳狀液的影響表現(xiàn)在隨著溫度的升高，乳狀液的脫水率增加，黏度和穩(wěn)定性降低。本實(shí)驗(yàn)在靜態(tài)評(píng)價(jià)乳化劑體系時(shí)，就是篩選高溫下（90℃）析水量少的乳化劑體系，優(yōu)選的復(fù)配體系在高溫恒溫箱中測(cè)量的析水率為0，SV值接近21，具有較好的耐溫穩(wěn)定性能。實(shí)驗(yàn)使用zeta電位儀測(cè)量了不同溫度下（45℃和65℃）的乳狀液的粒度大小及分布，如圖1所示。

圖1 乳狀液體系的粒度分布Fig.1 The particle size distribution of emulsion system

如圖1所示，45℃時(shí)，形成的油包水乳狀液粒度分布均勻，粒度直徑在10～200μm，平均粒度直徑為29μm。而隨著溫度的升高，乳狀液的粒度分布變的不均勻，一部分乳液液滴發(fā)生聚并，顆粒直徑增大，平均粒徑為36μm。這是因?yàn)闇囟壬咭环矫嬖黾恿擞拖嘀腥榛瘎┑娜芙舛?，降低了界面膜?qiáng)度；另一方面降低了乳狀液的分子內(nèi)聚力，使得分散水滴的熱運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，降低油水界面黏度，從而降低穩(wěn)定性。

2.2.2 礦化度 礦化度影響著乳化水的相對(duì)密度和乳化劑的作用效果，礦化度越高，對(duì)乳化劑的作用效果的抑制作用就越大，對(duì)乳狀液的穩(wěn)定性能產(chǎn)生影響。實(shí)驗(yàn)研究了乳化劑體系配制的乳狀液體系在高溫（90℃）下和不同礦化度（5 000～50 000mg／L）條件下的穩(wěn)定性能實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，隨著礦化度的增加，該乳狀液的析水量有所增加，但增幅不大，在50 000mg／L的礦化度時(shí)，析水量為8%。穩(wěn)定性評(píng)分只是略微有所降低，說(shuō)明該乳狀液具有良好的抗鹽性能，在高礦化度下能保持較好的穩(wěn)定性。

圖2 礦化度對(duì)乳狀液穩(wěn)定性的影響Fig.2 The influence of salinity on the stability of the emulsion

2.2.3 剪切速率 多種因素影響著乳狀液的流變性，其中剪切速率對(duì)乳狀液的表觀黏度和乳狀液流變行為具有較大影響。實(shí)驗(yàn)測(cè)量了90℃條件下，乳狀液的黏度－剪切速率曲線，結(jié)果如圖3所示。

圖3 乳狀液體系黏度隨剪切速率的變化Fig.3 The relationship of emulsion viscosity and shear rate

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，乳狀液表現(xiàn)出了較顯著的剪切變稀的非牛頓流體特性。該乳狀液在高溫下表現(xiàn)出了較高的黏度，當(dāng)剪切速率較低時(shí)，黏度甚至大于10 000mPa·s，隨著剪切速率的增加，體系的黏度降低，在6s－1時(shí)，黏度在8 000mPa·s左右。因此，在注入乳狀液體系時(shí)，宜采取較低的注入速度，減少剪切作用造成的黏度損失，以保持較高的滲流阻力，取得較好的驅(qū)油效果。

2.3 乳化體系在地層中的阻力特性評(píng)價(jià)

為考察乳狀液體系在多孔介質(zhì)中的運(yùn)移特性和封堵能力，實(shí)驗(yàn)采用多點(diǎn)測(cè)壓的填砂管模型，模型長(zhǎng)度為1m，直徑為2.5cm，限于實(shí)驗(yàn)室條件的限制，實(shí)驗(yàn)溫度為80℃。在模型全部飽和模擬地層水之后測(cè)量水相滲透率，然后注入乳狀液體系，測(cè)量相同流速下的驅(qū)替壓差，以滲流阻力因子表征乳狀液降低巖心滲透率的能力。阻力因子R計(jì)算公式如下：

式中，Δp1為給定流量下水驅(qū)的平穩(wěn)壓差，kPa；Δp2為同樣流量下乳狀液驅(qū)的平穩(wěn)壓差，kPa。

如圖4所示，注入黏度較高的乳狀液體系，能夠在較高滲透率的巖心中獲得較大的驅(qū)替壓差，相對(duì)于水驅(qū)壓差而言，乳狀液作為驅(qū)替相能夠提高阻力因子幾十到上百倍。在滲透率為6.5μm2的實(shí)驗(yàn)中，壓力起伏變化較大，這是因?yàn)橛桶闋钜旱囊旱卧趲r心中運(yùn)移的過(guò)程中，在孔喉處產(chǎn)生堆積，對(duì)后續(xù)注入液體產(chǎn)生封堵作用，表現(xiàn)為壓力升高。隨著壓力升高，當(dāng)后續(xù)流體對(duì)顆粒形成的堵塞形成突破時(shí)，注入壓力隨之降低。這種顆粒不斷堆積與被突破的過(guò)程，使得注入壓力起伏不定。

圖4 乳狀液滲流阻力倍數(shù)Fig.4 Emulsion flow resistance ratio

其次，乳狀液的顆粒大小對(duì)乳狀液的滲流阻力有較大影響。當(dāng)液滴的尺寸小于巖心的孔喉半徑時(shí)，乳狀液的液滴很容易通過(guò)巖心的孔喉，形成卡堵的幾率較小，表現(xiàn)為無(wú)法形成較大的滲流阻力。但是，當(dāng)液滴的顆粒遠(yuǎn)大于孔喉半徑時(shí)，也同樣無(wú)法取得較好的效果，這是因?yàn)槿闋钜菏欠桥ｎD流體，對(duì)于剪切作用相當(dāng)敏感，從上述的剪切速率與黏度曲線也可以看出這一點(diǎn)。乳狀液的不穩(wěn)定性使得液滴在通過(guò)小的孔喉時(shí)破碎通過(guò)，無(wú)法在巖心深部再形成有效的壓力梯度［10］。圖4中，滲透率高的巖心的阻力因子反而高的原因也正是如此。該乳狀液平均粒徑較大，在滲透率偏低的巖心注入時(shí)，剪切嚴(yán)重，大部分壓力損失都在巖心的注入端附近，后續(xù)注入對(duì)壓力升幅效果不太明顯，而滲透率高的巖心則隨著注入量的增加壓力持續(xù)增加。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在高溫、高鹽、高滲的實(shí)驗(yàn)條件下，乳狀液體系能夠保持較高的滲流阻力，因此在驅(qū)替的過(guò)程中，乳狀液能夠優(yōu)先進(jìn)入含水飽和度高的高滲層，可降低含水飽和度及高滲層水的流度，降低地層中的殘余油含量，進(jìn)而大幅提高原油的采收率。

3 結(jié)論

（1）為研究具有耐溫耐鹽性能的驅(qū)替體系，實(shí)驗(yàn)選取HLB值在3.6～4.3的乳化劑，制備出符合耐溫耐鹽要求的W／O型乳狀液。

（2）靜態(tài)測(cè)試結(jié)果表明，乳狀液能夠在高溫和高鹽的條件下能夠保持較高的表觀黏度和較好的穩(wěn)定性。隨著礦化度增加到50 000mg／L，乳狀液的穩(wěn)定性評(píng)分只是略微有所降低，剪切速率對(duì)乳狀液黏度影響較大。

（3）乳化體系在地層中的阻力因子較水驅(qū)能夠提高上百倍，使得該乳狀液在較高的滲透率條件下能夠保持較好的驅(qū)替效果。而且乳狀液滴與孔喉的匹配性以及注入速度等因素在很大程度上決定了乳狀液的驅(qū)油效果。

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