三元復(fù)合體系界面張力的影響規(guī)律研究

趙建波 周志軍 劉勝星

摘 要： 以河南雙河油田為研究對象，以吸附理論和擴散理論為基礎(chǔ)，利用物理模擬實驗通過分析堿和表活劑對界面張力的影響，進一步探究了三元復(fù)合體系中協(xié)同效應(yīng)對油水界面張力的影響，最后通過數(shù)值模擬技術(shù)驗證了不同堿濃度對三元復(fù)合體系降低油水界面張力的影響，提高了實驗研究成果在實際礦場應(yīng)用中的可靠性和準確性。結(jié)果表明，三元復(fù)合體系的協(xié)同效應(yīng)能有效降低油水界面張力，其中聚合物主要延長起到超低界面張力時間的作用，但不影響平衡界面張力值，表面活性劑和堿主要起到降低平衡界面張力最低值的作用。

關(guān) 鍵 詞：堿/表面活性劑/聚合物三元復(fù)合驅(qū)油體系； 界面張力； 協(xié)同效應(yīng)； 數(shù)值模擬

中圖分類號：TE 357 文獻標識碼： A 文章編號： 1671-0460（2016）08-1719-04

Abstract： Taking Henan Shuanghe oilfield as the research object， based on adsorption theory and diffusion theory， using the method of physical simulation experiment， synergistic effect of ASP-flooding system on oil/water interfacial tension was investigated by analyzing the influence of alkali and surfactants on the interfacial tension. Finally， effect of ASP-flooding system with different alkali concentration on reducing oil-water interfacial tension was verified by the numerical simulation technology， so the reliability and accuracy of experimental results in real field application were improved. The results show that the synergistic effect of ASP-flooding systems can reduce oil-water interfacial tension effectively； the polymer mainly plays a role in prolonging the time of ultra-low interfacial tension and has no effect on the value of the equilibrium interfacial tension， both surfactant and alkali can reduce oil-water interfacial tension effectively.

Key word： alkaline/surfactant/polymer flooding system； interfacial tension； synergistic effect； numerical simulation

雙河油田IV5-11層系屬于古近系核桃園組三段，是典型的湖盆陡坡型扇三角洲沉積[1-3]，該油田經(jīng)過近四十的年開采，含水率不斷上升，剩余油分布復(fù)雜，亟需一種能夠接替聚驅(qū)之后提高采收率的新技術(shù)。截止目前，人們普遍認為堿/表面活性劑/聚合物三元復(fù)合驅(qū)（ASP三元復(fù)合驅(qū)）具有極大發(fā)展?jié)摿?，雖然國內(nèi)外許多學(xué)者對三元復(fù)合驅(qū)技術(shù)進行了大量的研究[4-14]，但對于三元復(fù)合體系協(xié)同效應(yīng)對油水界面張力的影響規(guī)律研究仍然存在著一定的不足。為此，針對河南雙河油田礦場實際，開展了三元復(fù)合體系驅(qū)油實驗研究，通過物理模擬和數(shù)值模擬方法，對驅(qū)油體系和油相間界面張力的協(xié)同效應(yīng)影響進行了深入的研究，為雙河油田三元復(fù)合驅(qū)先導(dǎo)試驗提供理論依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

堿：NaOH；表面活性劑：PSD-2、B-100和SAS；聚合物：3330S；實驗用水：模擬配制的雙河油田地層水（礦化度4 600 mg/L）；實驗用油：雙河油田脫水原油和煤油按一定比例配制而成的模擬油；實驗設(shè)備主要為TX - 500型旋轉(zhuǎn)液滴界面張力儀（65±1）℃。

1.2 實驗方案

采用TX - 500型旋轉(zhuǎn)液滴界面張力儀測定油水界面的動態(tài)界面張力值，其中油相為由雙河油田脫水原油配制的模擬油，水相為加入不同化學(xué)劑的模擬驅(qū)油體系，并分析不同體系對界面張力的影響規(guī)律。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 不同分子量表活劑對油水界面張力的影響

表面活性劑是能夠有效降低油水界面張力的物質(zhì)，不同分子量的表活劑在體系中的擴散速率不同，親油性也不同，因此對降低油水界面張力的影響也不盡相同（如圖1所示）。

圖1給出了河南雙河油田條件下，三種不同平均相對分子質(zhì)量表面活性劑體系的動態(tài)界面張力特征。可以看出，平均相對分子質(zhì)量最小的表面活性劑水溶液與原油間的界面張力在0.1 s的時間內(nèi)，很快地就由36 mN/m降低到1 mN/m。之后，隨著時間延長，界面張力有所上升，但幅度非常小。平均相對分子質(zhì)量400的表面活性劑水溶液與原油的動態(tài)界面張力特征則明顯不同。在油水接觸1 min后，界面張力才明顯降低到10-1 mN/m數(shù)量級并基本保持穩(wěn)定。而對于相對分子質(zhì)量為513的體系來說，當界面張力達到10-2 mN/m數(shù)量級的最低值后，隨著時間的增加，又逐漸上升到100 mN/m數(shù)量級并保持穩(wěn)定。比較三種不同分子量的表活劑可以得出在瞬時超低界面張力的形成過程中，分子量相對較高的表面活性劑更占優(yōu)勢。

分析可知，由于表面活性劑分子在體系中的擴散速率與其分子量有很大關(guān)系，因此在其它條件相同的情況下，低分子量的表活劑更容易擴散到油水界面上，動態(tài)界面張力很快達到平衡，但由于平均相對分子質(zhì)量過低，因而油水界面張力的降低幅度并不大；對于平均相對分子質(zhì)量為513的體系來說，其相對分子質(zhì)量最高，因此該表面活性劑分子的擴散速率最慢，延長了降低界面張力的作用時間，與此同時，由于其具有更強的親油性，在油水界面的飽和吸附量更大，能夠大幅降低油水界面張力，當表活劑分子在油水界面上吸附和脫附的速率達到平衡時，出現(xiàn)最低界面張力，此后，界面上的表活劑因脫附速率相對較高而減少，因此隨著時間的推移，界面張力又開始逐漸上升，最后在較高數(shù)量級的條件下達到穩(wěn)定和平衡。

2.2 不同堿濃度對油水界面張力的影響

圖2給出了NaOH在體系礦化度4 600 mg/L條件下配制的不同濃度的堿水溶液與雙河油田原油動態(tài)界面張力的實驗結(jié)果。從圖中可以看出，堿濃度對油水動態(tài)界面張力的影響非常復(fù)雜，但是都存在一個最低值。一般情況下，各個堿溶液體系都存在一個動態(tài)特征最為明顯的堿濃度，在這個點上瞬時動態(tài)界面張力值最低。對于不同堿濃度體系，平衡界面張力值也不盡相同。

這主要是因為堿濃度過低時，堿劑與原油中的有機酸反應(yīng)生成的具有表面活性的石油皂酸不足，不能有效降低油水界面張力；隨著堿濃度的增大，油水界面的pH值也隨之增大，化學(xué)平衡向生成石油皂酸的方向移動，使得油水界面的表面活性物質(zhì)增多，到一定程度時也就出現(xiàn)了動態(tài)界面張力最低值；但當堿濃度過大，生成的表面活性物質(zhì)過多，使得吸附在油水界面處的表面活性物質(zhì)的脫附速率增大，當兩者的速率相等時達到平衡界面張力。

2.3 三元復(fù)合體系協(xié)同效應(yīng)對界面張力的影響

2.3.1 堿對表面活性劑體系的油水界面張力的影響

由上述實驗可以看出，能滿足礦場大幅提高采收率所需的10-2 mN/m或10-3 mN/m數(shù)量級的超低界面張力，通過單純的堿水或是表活劑體系都很難實現(xiàn)。而堿與表面活性劑按一定的比例復(fù)配時能達到低界面張力的理想效果（如圖3所示）。

圖3給出了NaOH濃度對表面活性劑PSD-2、B-100和SAS（有效濃度0.2 %）體系與原油界面張力的影響。

可以看出，由于協(xié)同效應(yīng)的影響，表活劑PSD-2和B-100與堿復(fù)配使用時能夠達到明顯降低油水界面張力的效果，并且在堿-表活劑體系在降低油水界面張力的過程中，堿濃度存在一個最佳范圍，并非堿濃度越高越好，這也正是現(xiàn)場應(yīng)用希望看到的，即形成最低界面張力的最佳堿濃度越低且范圍越寬越好。這主要是考慮到驅(qū)油過程中堿與地層巖石礦物的化學(xué)反應(yīng)和在地層中的吸附滯留影響所產(chǎn)生的堿耗之余，仍能保證其最佳濃度使之產(chǎn)生降低油水界面的作用。

2.3.2 加入聚合物對堿和表面活性劑復(fù)合體系的油水界面張力的影響

圖4給出了河南雙河油田條件下3330S對平衡界面張力影響的實驗結(jié)果。可以看出，聚合物的加入，對油水平衡界面張力值影響非常小，但有增寬形成超低界面張力范圍的趨勢和作用，而對動態(tài)界面張力的影響卻非常大。

這是由于聚合物的加入，溶液粘度大幅度增加，延長了表面活性劑分子由本體溶液向油水界面運移的時間以及由吸附緊密層向界面的擴散速度。因此，聚合物加入后，動態(tài)界面張力的特征主要是延長了達到最低界面張力的時間，但不影響平衡界面張力值。

表面活性劑能夠明顯降低油水界面張力，當加入一定濃度的堿時，由于石油皂酸的生成等復(fù)雜作用，使吸附在油水界面的表面活性物質(zhì)增多，增強了表面活性劑降低油水界面張力的作用，與此同時，再向體系中加入的聚合物能有效增加體系粘度，使得油水界面的表面活性物質(zhì)的吸附速率和脫附速率都大大降低，從而也在一定程度上延長了超低界面張力的作用時間。

3 三元復(fù)合驅(qū)協(xié)同效應(yīng)對界面張力影響的礦場試驗

3.1 模型的建立

本文利用petrel軟件完成對IV5-11區(qū)塊進行地質(zhì)模型的建立，利用CMG軟件中的stars模塊截取IV5-11區(qū)塊一個典型的子模型進行數(shù)值模擬，子模型中囊括了所有實施復(fù)合驅(qū)的層系，網(wǎng)格節(jié)點數(shù)為37 950個，采油井20口，注水井16口，區(qū)塊地質(zhì)儲量為2.29×106 t。

3.2 段塞組合及結(jié)果分析

鑒于上文中提到堿對三元復(fù)合體系降低界面張力起到的重要作用，為此，在數(shù)值模擬過程中重點研究堿濃度對界面張力的影響。為研究三元體系中不同濃度的堿對界面張力的影響，結(jié)合河南雙河油田油藏實際情況，采取在協(xié)同效應(yīng)模型中改變主段塞堿濃度（0.5%～2.0%）的方案進行模擬。具體段塞設(shè)置如下：

2010.01-2012.12：注水開發(fā)，注入量0.1 PV/a；

2013.01-2015.06：聚合物1 800 mg/L，表面活性劑0.1 %，堿濃度0.5%～2.0 %，注入量0.1 PV/a。

圖5反映了不同堿濃度對界面張力的影響。

場圖單位為mN/m，色標量程為（0.000 1～0.001）。從圖中變化可以看出，由于此前主段塞注入的影響，當副段塞中堿濃度在0.5%～2.0%的范圍變化時，界面張力均達到了超低界面張力的要求。在堿濃度由0.5%增至1.0%的過程中，油水界面張力逐漸降低，而在此后增加的過程中，油水界面張力卻逐漸上升，當堿濃度從1.0%～1.5%含量變化時，在注入井的有效作用半徑范圍內(nèi)均能達到滿足大幅提高采收率所需的10-2 mN/m或10-3 mN/m數(shù)量級超低油水界面張力值，這與室內(nèi)試驗結(jié)果相一致。即表明堿濃度存在一個最佳的變化范圍（1.0%～1.5%），而不是越大越好。

4 結(jié) 論

（1）平均相對分子質(zhì)量較大的表面活性劑水溶液容易形成瞬時超低界面張力；

（2）對于不同堿濃度體系，平衡界面張力不盡相同，堿濃度對油水動態(tài)界面張力的影響明顯，且都存在一個最低值；

（3）堿-表面活性劑體系，能夠?qū)⒔缑鎻埩τ行У亟档偷?0-3 mN/m數(shù)量級的超低值，且堿濃度存在一個最佳的范圍（1.0%～1.5%），表活劑濃度僅為0.1%，另外在體系中加入聚合物能有效增寬形成超低界面張力范圍，而不影響平衡界面張力值。

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