界面張力及乳化效果對提高采收率的貢獻

郭宏亮，張立萍，安繼彬，鄭家朋，周洪濤

（1. 中國石油大學(xué)（華東） 石油工程學(xué)院，山東 青島 266580；2. 中國石化 勝利油田孤島采油廠，山東 東營 257231；3. 中國石油 冀東油田鉆采工藝研究院，河北 唐山 063200）

傳統(tǒng)毛細(xì)管數(shù)理論認(rèn)為，油水界面張力達到超低（10-3mN/m），毛細(xì)管數(shù)量級將增加至10-2，剩余油飽和度趨于零。因此，一般將油水界面張力是否達到超低作為化學(xué)驅(qū)油劑篩選的決定性標(biāo)準(zhǔn)［1-3］。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)界面張力值低于0.07 mN/m時，可以觀察到原油采收率的提高。但驅(qū)油劑在地層運移過程中會發(fā)生吸附、沉淀、降解等損失，致使油水界面張力作用距離有限，限制了超低界面張力在驅(qū)油過程中發(fā)揮作用的范圍。僅僅界面張力的降低不足以有效地提高原油的采收率，驅(qū)油劑對原油的乳化作用同樣是重要因素［4-5］。

界面張力越低越容易形成乳狀液，界面張力越高越難形成乳狀液［6-8］。國外學(xué)者發(fā)現(xiàn)能使油水界面張力降低到相近值的幾種表面活性劑不一定具有相同的乳化能力［9］，界面活性不是乳化能力的決定因素，還與表面活性劑的分子結(jié)構(gòu)有關(guān)。

有關(guān)界面張力提高原油采收率的研究較多［10-12］。近年來，有研究發(fā)現(xiàn)，乳化作用是提高采收率的關(guān)鍵因素［13］。但驅(qū)油劑乳化作用對提高原油采收率的影響卻少有研究［10］。徐曉麗等［14］指出在不同滲透率條件下，乳化效果好的表面活性劑提高采收率的效果更明顯。

本工作以中國石油冀東油田原油為研究對象，篩選并評價了具有不同界面張力和乳化效果的驅(qū)油劑體系，研究了界面張力和乳化效果對提高采收率的貢獻。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

表面活性劑JS-33為兩性表面活性劑，有效含量為35%（w）。實驗用原油：冀東油田脫水原油，65 ℃時，原油黏度為650 mPa·s，原油酸值（以KOH計）為3.265 mg/g，密度為0.956 2 g/cm3。實驗用水為冀東油田現(xiàn)場注入水，礦化度為1 600 mg/L。實驗所用巖心為填砂巖心，直徑和長度分別為50 mm和600 mm，實驗用砂為80～100目石英砂，水測填砂巖心滲透率約為1 μm2。

TX-500C型旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀：美國彪維工業(yè)公司；DV-3T型旋轉(zhuǎn)黏度計：美國博勒飛公司；高溫高壓流動實驗儀：江蘇海安石油科研儀器有限公司。

1.2 實驗方法

油水界面張力評價：在65 ℃下，用旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀測定不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)驅(qū)油劑體系（JS-33表面活性劑體系、碳酸鈉體系及JS-33表面活性劑與碳酸鈉二元復(fù)配體系）與冀東脫水原油之間的界面張力。

乳化能力評價：取20 mL具塞尖底刻度離心管，按油水體積比為7∶3加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的驅(qū)油劑溶液和冀東脫水原油，密封試管，并將其置于65 ℃恒溫箱中恒溫30 min后取出，將每支試管均勻震蕩200次，隨后立即垂直放在試管架上，并再次置于65 ℃恒溫箱中，開始計時，每隔一段時間讀取離心管底部析出的水的體積，計算析水率，計算公式見式（1）。

式中，Ed為析水率，%；Vw為析水量，mL；V為制備乳狀液時水相的體積，mL。

提高采收率效果評價：以石英砂裝填長巖心填砂管為模型，實驗溫度65 ℃，泵速為2 mL/min，飽和地層水，計算巖心滲透率；飽和冀東脫水原油，計算含油飽和度，并老化24 h；水驅(qū)至采出液含水率98%時，注入0.5 PV的驅(qū)油劑溶液，繼續(xù)水驅(qū)至出口端含水達到95%（w）以上，并計算最終水驅(qū)采收率。

2 結(jié)果與討論

2.1 油水界面張力評價結(jié)果

分別以碳酸鈉溶液、表面活性劑溶液及堿與表面活性劑的復(fù)配體系為研究對象，考察了不同體系與原油之間的油水界面張力，實驗結(jié)果見圖1～3。

圖1 不同含量Na2CO3復(fù)配體系的油水界面張力Fig.1 Oil/water interfacial tension(IFT) in different concentration of Na2CO3 compound system.

冀東原油酸值為3.265 mg/g，屬高酸值原油。原油中的酸主要為羧酸，它可以與碳酸鈉反應(yīng)生成具有表面活性的羧酸鈉，從而降體系的油水界面張力。由圖1可知，最佳的碳酸鈉含量為0.1%（w），此時油水界面張力在20 min內(nèi)即可降低至10-3數(shù)量級，碳酸鈉含量過高或過低都不能達到超低界面張力［1］。

表面活性劑吸附在油水界面，可以降低油水界面張力，從而降低黏附功，使原油從地層表面清洗下來，提高洗油效率。由圖2可知，表面活性劑JS-33與原油之間的界面張力先降低后上升，表面活性劑JS-33降低油水界面張力的能力有限。

圖2 不同含量JS-33表面活性劑溶液的油水界面張力Fig.2 Oil/water IFT in different concentration of JS-33 surfactant solution.

碳酸鈉與原油中的酸性物質(zhì)反應(yīng)生成具有表面活性劑的物質(zhì)，此表面活性物質(zhì)與表面活性劑JS-33有一定的協(xié)同作用，可以使復(fù)配體系與原油之間的油水界面張力在20 min內(nèi)達到10-3數(shù)量級的超低界面張力。實驗結(jié)果見圖3。

圖3 0.5%（w）Na2CO3與不同含量JS-33表面活性劑的復(fù)配體系Fig.3 Compound system of 0.5%(w) Na2CO3 and JS-33 of different concentrations.

2.2 乳化能力評價結(jié)果

析水率可以反映表面活性劑的乳化能力，即析水率越小，待測體系的乳化能力越強；相反，則乳化能力越弱。碳酸鈉與表面活性劑體系均可以與原油形成乳狀液，乳狀液的析水率如圖4～6所示。

從圖4可看出，在碳酸鈉含量為0.05%～1.0%（w）時，隨著時間的延長，所形成乳狀液的析水率不斷增加。碳酸鈉含量越大，60 min乳狀液的析水率越小，即碳酸鈉含量越大，所形成的乳狀液越穩(wěn)定，乳化效果越好。

圖4 不同含量Na2CO3體系所形成乳狀液的析水率曲線Fig.4 Curves of water drainage rate of emulsion formed with Na2CO3 system of different concentration.

由圖5可知，隨著JS-33表面活性劑含量的增加，體系的析水率逐漸減小。這表明表面活性劑的含量越大，乳狀液的穩(wěn)定性越好，乳化效果越好。

圖5 不同含量JS-33體系所形成乳狀液的析水率曲線Fig.5 Curves of drainage rate of emulsion formed with JS-33 system of different concentration.

由圖6可知，當(dāng)復(fù)配體系中JS-33的含量為0.5%（w）時，乳狀液的析水率最大，乳狀液最不穩(wěn)定，此時的乳化效果最差。

圖6 不同含量JS-33和0.5%（w）Na2CO3復(fù)配體系所形成乳狀液的析水率曲線Fig.6 Curves of drainage rate of JS-33 and 0.50%(w) Na2CO3 system emulsions.

2.3 界面張力大小與乳化能力的關(guān)系

界面張力大小與形成乳狀液的難易程度有關(guān)，界面張力越低，體系的界面能越低，越容易形成乳狀液，利于增加乳狀液的穩(wěn)定性，且界面活性物質(zhì)吸附在油水界面上形成界面膜，對乳狀液的穩(wěn)定性起關(guān)鍵作用。但同時，體系的界面張力越低，界面膜的強度也隨之減弱，乳狀液的穩(wěn)定性下降［15-16］。

將界面張力數(shù)據(jù)與乳化能力數(shù)據(jù)進行對比發(fā)現(xiàn)，界面張力大小與體系的乳化能力并不具有一致性。碳酸鈉含量為0.1%（w）時可以得到超低界面張力，但乳化效果并不好。相反，雖然碳酸鈉含量為0.5%（w）和1.0%（w）時界面張力僅為10-2數(shù)量級，但乳化效果好，乳狀液析水率小。

表面活性劑JS-33與原油之間的界面張力值均在10-2數(shù)量級，當(dāng)JS-33含量為0.3%（w）和0.5%（w）時，體系的界面張力明顯上升，且大于含量為0.1%（w） JS-33體系，但是對乳化的影響不大，乳狀液的穩(wěn)定性隨著表面活性劑含量的增大而增強。

由碳酸鈉與JS-33的二元復(fù)配體系的界面張力數(shù)據(jù)可知，三種復(fù)配體系的界面張力均能在短時間內(nèi)降低至超低界面張力值，但是對原油的乳化效果不同，乳狀液60 min內(nèi)的析水率不同。

綜上所述，油水界面張力大小與乳化能力之間沒有明顯的關(guān)系。這與魏小林等［13］的研究結(jié)果一致，能使油水界面張力降低到相近值的表面活性劑不一定具有相同的乳化能力。同時，有研究發(fā)現(xiàn)油水界面張力有利于乳狀液的穩(wěn)定，但是界面張力降低的同時，界面膜強度也隨之減弱，故乳狀液體系的穩(wěn)定性也會下降［6，14］。因此，油水界面張力與乳化效果之間沒有明顯的一致性，需要進一步研究。

2.4 提高采收率效果評價

針對上述不同的油水界面張力及不同乳化效果的體系進行驅(qū)油實驗，考察油水界面張力及乳化作用對提高采收率的貢獻，實驗結(jié)果見表1。

表1 不同驅(qū)油體系提高采收率效果Table 1 Effect of different oil displacement system for enhanced oil recovery(EOR)

由表1可知，1）第一組和第三組兩組體系的界面張力均能達到10-3數(shù)量級的超低界面張力值，但乳化效果均較差，1 h析水率達到83.3%和91.7%以上。兩個體系的采收率提高值分別為8.9%和12.4%。2）第二組和第四組兩組體系的界面張力分別為10-2和10-3數(shù)量級，兩組體系的乳化效果均較好，乳狀液的析水率分別為1.7%和0，析水率很低。但兩個體系采收率提高值為27.5%和24.4%，效果明顯。3）第一組和第四組兩組體系的界面張力值均達到10-3數(shù)量級的超低界面張力，但乳化效果明顯不同，乳狀液的析水率分別為91.7%和0。而采收率的結(jié)果表明，乳化效果好的第四組體系具有更高的提高采收率的能力，采收率提高值達24.4%；乳化效果較差的第一組體系采收率提高值僅為8.9%。因此，乳化效果相比界面張力而言對提高采收率的貢獻占主要作用。

3 結(jié)論

1）油水界面張力大小與乳化效果之間沒有明顯的相關(guān)性，當(dāng)油水界面張力達到10-3mN/m超低時，乳化效果好，析水率低的體系采收率提高值可達24.4%。

2）乳化效果好，析水率低的體系，雖然油水界面張力未達到超低，為10-2數(shù)量級，但提高采收率的能力可達27.5%。界面張力達10-3數(shù)量級，但乳化效果差，析水率高的體系，采收率提高值低于12.4%。

3）乳化效果相比界面張力而言對提高采收率的貢獻占主要作用。