二元復(fù)合體系界面活性與乳化性能協(xié)同提高采收率實(shí)驗(yàn)研究

于 群

（中國(guó)石化勝利油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，山東東營(yíng)257015）

二元復(fù)合驅(qū)能夠大幅度提高水驅(qū)后油藏的原油采收率［1-2］。FOSTER等通過(guò)物理模擬實(shí)驗(yàn)，建立了殘余油飽和度與毛管數(shù)之間的關(guān)系，形成了經(jīng)典毛管數(shù)理論［3］。該理論認(rèn)為，毛管數(shù)達(dá)到10-2以后，殘余油飽和度能夠降至可以忽略的程度。而大幅度降低油水界面張力是降低毛管數(shù)的重要途徑?；瘜W(xué)驅(qū)替過(guò)程中，如果將油水界面張力降至10-3mN/m數(shù)量級(jí)（即超低油水界面張力），相應(yīng)的毛管數(shù)將會(huì)降至10-2，可以較大幅度地提高原油采收率［4］，故可依據(jù)超低油水界面張力指標(biāo)，設(shè)計(jì)優(yōu)選驅(qū)油用表面活性劑。一般認(rèn)為，在化學(xué)驅(qū)油體系粘彈性一定的條件下，油水界面張力越低，復(fù)合體系性能越好。

近年研究發(fā)現(xiàn)，基于均質(zhì)油藏模型的毛管數(shù)理論不一定完全適用于非均質(zhì)油藏［5-6］。由于傳統(tǒng)的毛管數(shù)理論忽視了儲(chǔ)層非均質(zhì)性與驅(qū)油體系乳化性能對(duì)驅(qū)油效果的影響，其“油水界面張力越低驅(qū)油效果越好”的觀點(diǎn)受到越來(lái)越多的質(zhì)疑。首先，儲(chǔ)層非均質(zhì)性影響油水界面張力提高原油采收率幅度。在儲(chǔ)層非均質(zhì)條件下，物理模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果與毛管數(shù)理論產(chǎn)生背離［7-8］。其次，隨著研究不斷深入，人們發(fā)現(xiàn)除了超低油水界面張力外，驅(qū)油體系的乳化性能也能夠影響驅(qū)油效率，甚至在某些實(shí)驗(yàn)條件下可以得出驅(qū)油體系乳化性能比超低界面張力更重要的結(jié)論［9-12］。驅(qū)替過(guò)程中，復(fù)合體系界面活性與乳化性能并非孤立發(fā)揮作用，很可能存在內(nèi)在聯(lián)系。目前，關(guān)于界面張力或者乳化性能等單一因素對(duì)采收率影響方面研究較多［13］，但對(duì)于二者在驅(qū)替過(guò)程中的配伍關(guān)系研究較少。為此，筆者通過(guò)物理模擬實(shí)驗(yàn)及核磁共振實(shí)驗(yàn)，開(kāi)展二元復(fù)合體系油水界面活性與乳化性能協(xié)同提高油藏采收率規(guī)律研究，明確驅(qū)替過(guò)程中油水界面張力與乳化性能配伍關(guān)系，深化復(fù)合體系驅(qū)油機(jī)理認(rèn)識(shí)，以期為設(shè)計(jì)研發(fā)高效復(fù)合體系、大幅度提高油藏的原油采收率提供理論和技術(shù)支持。

1 實(shí)驗(yàn)器材與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)器材

實(shí)驗(yàn)儀器主要包括：Anton Paar流變儀、Texas-500界面張力儀、ISCO高壓高精度柱塞泵、激光粒度儀、Olympus體式顯微鏡、Turbiscan Tower多重光散射儀和核磁共振滲流分析儀。

實(shí)驗(yàn)用油為勝利油區(qū)陳家莊油田脫水原油，在70℃、剪切速率為7.34 s-1條件下，原油黏度為710 mPa·s。實(shí)驗(yàn)用水為陳家莊油田注入水，其礦化度為10 200 mg/L，鈣鎂離子質(zhì)量濃度為260 mg/L。實(shí)驗(yàn)用聚合物為部分水解聚丙烯酰胺，表面活性劑包括陰離子型表面活性劑、非離子型表面活性劑和陰非兩性型表面活性劑。實(shí)驗(yàn)采用兩巖心并聯(lián)模型，巖心直徑為2.5 cm，長(zhǎng)度為30 cm，水測(cè)滲透率分別為1 400和400 mD。實(shí)驗(yàn)試劑為氯化錳，分析純。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

油水界面張力與體系黏度測(cè)試方法 利用界面張力儀，測(cè)定70℃下不同復(fù)合體系與原油的界面張力。利用流變儀測(cè)定70℃下不同復(fù)合體系黏度。

復(fù)合體系乳化性能測(cè)試方法 將質(zhì)量濃度為1 500 mg/L的聚合物與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%的表面活性劑溶液復(fù)配成復(fù)合體系。將實(shí)驗(yàn)用油與復(fù)合體系按照一定比例置于樣品池，在70℃條件下靜置0.5 h后混合樣品。利用多重光散射儀掃描分析，形成透射光譜和背散射光譜。根據(jù)不同時(shí)間背散射光與透射光強(qiáng)度變化，確定穩(wěn)定性動(dòng)力學(xué)指數(shù)。該指數(shù)綜合了背散射光譜和透射光譜信息，可反映樣品不穩(wěn)定程度。一般其值越大，樣品越不穩(wěn)定，乳化性能越差。

物理模擬實(shí)驗(yàn)方法 分別將高低滲透率巖心抽真空飽和實(shí)驗(yàn)用水，驅(qū)替飽和實(shí)驗(yàn)用油，在油藏溫度下老化12 h。以0.3 mL/min速度注入模擬水，水驅(qū)至含水率為98%。以0.3 mL/min速度注入0.3 PV復(fù)合體系，后續(xù)水驅(qū)至含水率為98%，計(jì)算原油采收率。

微觀可視化驅(qū)替實(shí)驗(yàn)方法 將微觀可視模型抽真空飽和實(shí)驗(yàn)用水，驅(qū)替飽和實(shí)驗(yàn)用油。以0.01 mL/min速度注入模擬水，水驅(qū)3 PV后，以0.01 mL/min速度注入0.3 PV復(fù)合體系，后續(xù)水驅(qū)3 PV。記錄驅(qū)替過(guò)程，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

核磁共振實(shí)驗(yàn)方法 將巖心抽真空飽和實(shí)驗(yàn)用水后，驅(qū)替飽和實(shí)驗(yàn)用油，分別測(cè)試T2譜。以0.3 mL/min的注入速度水驅(qū)至含水率為98%，測(cè)試T2譜。以0.3 mL/min的注入速度注入0.3 PV復(fù)合體系，后續(xù)水驅(qū)至含水率為98%，測(cè)試T2譜。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 性能評(píng)價(jià)結(jié)果

在70℃條件下，利用聚合物與表面活性劑通過(guò)界面張力與多重光散射實(shí)驗(yàn)，分別開(kāi)展驅(qū)油體系界面張力及乳化性能研究，設(shè)計(jì)黏度相近、界面張力和乳化性能不同的復(fù)合體系。其中，超低張力復(fù)合體系具有低至10-3mN/m數(shù)量級(jí)油水界面張力，但乳化性能較差。Ⅰ—Ⅳ型乳化復(fù)合體系乳化性能較好，而界面張力差別較大，為10-4～10-1mN/m（表1）。

表1 不同驅(qū)油體系性能Table1 Performance of different flooding systems

2.2 復(fù)合體系采收率增值

利用不同性能驅(qū)油體系，開(kāi)展物理模擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)比分析不同驅(qū)油體系提高采收率幅度。

對(duì)比超低張力復(fù)合體系與Ⅲ型乳化復(fù)合體系實(shí)驗(yàn)結(jié)果（表2）可見(jiàn)，雖然兩者的油水界面張力均達(dá)到了超低值，但前者的驅(qū)油效果不如后者。分析認(rèn)為，超低張力復(fù)合體系和Ⅲ型乳化復(fù)合體系具有相似的黏度和界面張力，唯一不同因素就是乳化性能，說(shuō)明乳化性能對(duì)原油采收率存在重要影響。

表2 不同驅(qū)油體系的采收率增值Table2 Increase of EOR in different flooding systems

圖1 不同界面張力復(fù)合體系提高采收率實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.1 Experiment results of EOR in different compound systems with different interfacial tensions

4種乳化復(fù)合體系的乳化性能相近，但驅(qū)油效果相差較大（圖1）。Ⅰ—Ⅲ型乳化復(fù)合體系提高采收率幅度隨油水界面張力的降低而增加。該實(shí)驗(yàn)結(jié)論與傳統(tǒng)毛管數(shù)理論相符。但當(dāng)油水界面張力達(dá)到10-3mN/m數(shù)量級(jí)時(shí)，采收率增值達(dá)到最大，高于10-4mN/m數(shù)量級(jí)的Ⅳ型乳化復(fù)合體系，表明在乳化性能相近的條件下，并非界面張力越低采收率增值越高。驅(qū)油體系的界面張力與乳化性能存在配伍關(guān)系。當(dāng)乳化性能一定時(shí)，界面張力過(guò)高或者過(guò)低都不利于原油采收率的提高。

2.3 提高采收率機(jī)理

為深化復(fù)合體系提高采收率機(jī)理認(rèn)識(shí)，揭示界面活性與乳化性能啟動(dòng)殘余油作用機(jī)制，開(kāi)展?jié)B流過(guò)程中復(fù)合體系界面張力變化規(guī)律和微觀驅(qū)替特征研究。

2.3.1 界面張力變化規(guī)律

通過(guò)物理模擬實(shí)驗(yàn)及界面張力評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，開(kāi)展運(yùn)移過(guò)程中復(fù)合體系與原油界面張力變化規(guī)律研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果（圖2）表明，在滲流過(guò)程中，隨著運(yùn)移距離增加，油水界面張力逐漸增加。Ⅲ型乳化復(fù)合體系在前1/3運(yùn)移距離中能夠保持超低界面張力，但至2/3處時(shí)油水界面張力上升至10-2mN/m數(shù)量級(jí)。Ⅳ型乳化復(fù)合體系全程能夠維持超低界面張力?？梢?jiàn)驅(qū)替過(guò)程中，受稀釋和吸附損耗等因素影響，復(fù)合體系性能并非一直保持穩(wěn)定。初始設(shè)計(jì)具有超低界面張力的Ⅲ型乳化復(fù)合體系運(yùn)移至巖心中后部區(qū)域時(shí)，將以10-2mN/m數(shù)量級(jí)界面張力驅(qū)替殘余油。初始界面張力低于10-3mN/m的Ⅳ型乳化復(fù)合體系全程保持超低界面張力。

圖2 滲流過(guò)程中油水界面張力變化規(guī)律Fig.2 Variation of interfacial tension between oil and water during percolation

2.3.2 微觀驅(qū)替特征

針對(duì)Ⅰ—Ⅳ型乳化復(fù)合體系，開(kāi)展微觀可視化驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，對(duì)比分析不同乳化復(fù)合體系微觀驅(qū)替特征。

在多孔介質(zhì)滲流過(guò)程中，乳化復(fù)合體系降低界面張力有助于殘余油變形啟動(dòng)。不同界面張力下殘余油啟動(dòng)狀態(tài)不同。當(dāng)油水界面張力較高時(shí)，殘余油的聚集、形成突起以及脫離多孔介質(zhì)表面過(guò)程相對(duì)困難，并且被啟動(dòng)的殘余油粒徑較大。隨著油水界面張力的降低，被啟動(dòng)殘余油粒徑逐漸變小。由于乳化復(fù)合體系乳化性能較強(qiáng)，殘余油以穩(wěn)定油滴形式運(yùn)移。當(dāng)油水界面張力達(dá)到超低值后，殘余油不再形成明顯分散小油滴，而是以油絲狀啟動(dòng)，并沿著水流通道延伸（圖3）。

圖3 不同乳化復(fù)合體系啟動(dòng)殘余油特征Fig.3 Characteristics of residual oil started by different emulsified compound systems

圖4 不同乳化復(fù)合體系啟動(dòng)殘余油粒徑對(duì)比Fig.4 Size of residual oil started by different emulsified compound systems

圖5 Ⅱ—Ⅳ型乳化復(fù)合體系核磁共振實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Experimental results of NMR in typeⅡ-Ⅳemulsified compound system

為定量研究界面張力對(duì)殘余油啟動(dòng)的影響，利用激光粒度儀，分析Ⅰ—Ⅳ型乳化復(fù)合體系與原油形成的液滴平均粒徑。從圖4可以看出：當(dāng)油水界面張力由10-4mN/m增至10-3mN/m時(shí)，復(fù)合體系啟動(dòng)油滴的粒徑基本穩(wěn)定；當(dāng)油水界面張力由10-3mN/m增至10-2mN/m時(shí)，啟動(dòng)油滴的粒徑開(kāi)始增大；當(dāng)油水界面張力由10-2mN/m增至10-1mN/m時(shí)，啟動(dòng)油滴粒徑急劇變大。

根據(jù)Kozeny方程，高滲透率模擬巖心平均孔喉直徑為12.2 μm。4種乳化復(fù)合體系中，10-1mN/m數(shù)量級(jí)復(fù)合體系啟動(dòng)油滴粒徑過(guò)大，而超低界面張力體系啟動(dòng)油滴尺寸過(guò)小。10-2mN/m數(shù)量級(jí)復(fù)合體系啟動(dòng)油滴粒徑略大于孔喉直徑。因此，當(dāng)Ⅲ型乳化復(fù)合體系運(yùn)移至油藏深部后，油水界面張力升至10-2mN/m數(shù)量級(jí)，其啟動(dòng)的油滴很可能會(huì)通過(guò)卡堵或架橋方式封堵大孔道，降低深部油藏優(yōu)勢(shì)通道的水相滲流能力，有助于提高非優(yōu)勢(shì)通道的波及體積。

2.3.3 殘余油啟動(dòng)規(guī)律

為分析不同體系啟動(dòng)殘余油規(guī)律，利用具有不同界面性能的乳化復(fù)合體系開(kāi)展核磁共振實(shí)驗(yàn)。

核磁共振實(shí)驗(yàn)結(jié)果（圖5）表明，水驅(qū)后Ⅱ型乳化復(fù)合體系能夠啟動(dòng)大孔喉和小孔喉中的少量殘余油；Ⅳ型乳化復(fù)合體系只能有效啟動(dòng)大孔喉殘余油；Ⅲ型乳化復(fù)合體系能夠顯著降低大孔喉和小孔喉殘余油飽和度。

驅(qū)替過(guò)程中不同乳化復(fù)合體系存在著不同的驅(qū)替機(jī)制。

具有較高界面張力的Ⅰ型乳化復(fù)合體系由于啟動(dòng)殘余油難度較大，其提高洗油效率能力有限。

具有較低界面張力的Ⅱ型乳化復(fù)合體系能夠降低近注入?yún)^(qū)域的殘余油飽和度。但隨著體系運(yùn)移至巖心中后區(qū)域，油水界面張力升至10-1mN/m甚至更高，Ⅱ型乳化復(fù)合體系在該區(qū)域啟動(dòng)的殘余油粒徑過(guò)大，很難對(duì)優(yōu)勢(shì)孔道產(chǎn)生封堵作用，因此Ⅱ型乳化復(fù)合體系降低大孔喉和小孔喉殘余油飽和度幅度有限。

具有10-4mN/m的Ⅳ型乳化復(fù)合體系能夠在驅(qū)替全程保持超低界面張力，因此Ⅳ型乳化復(fù)合體系能夠有效降低波及區(qū)域的洗油效率。但由于體系啟動(dòng)殘余油粒徑遠(yuǎn)小于孔徑中值，被啟動(dòng)殘余油非常容易沿著優(yōu)勢(shì)通道運(yùn)移，對(duì)降低優(yōu)勢(shì)通道滲流阻力、擴(kuò)大波及體積貢獻(xiàn)很小。因此Ⅳ型乳化復(fù)合體系主要啟動(dòng)大孔喉中的殘余油。

具有10-3mN/m界面張力的Ⅲ型乳化復(fù)合體系能夠有效啟動(dòng)近注入?yún)^(qū)域殘余油，提高洗油效率。當(dāng)其運(yùn)移至巖心中后區(qū)域時(shí)，體系與原油界面張力上升至10-2mN/m，此時(shí)除了具有較低界面張力和一定洗油效率外，由于界面張力變化還會(huì)產(chǎn)生更多驅(qū)油機(jī)制。一方面由于界面張力增加，啟動(dòng)殘余油粒徑變大接近孔徑中值，有利于封堵大孔喉；另一方面界面張力的上升，增大了油滴界面變形需要克服的毛管壓差，增加了油滴變形通過(guò)孔喉難度。這兩方面共同作用有利于油滴在巖心中后部封堵已有大孔道，使較多注入體系進(jìn)入小孔喉，因此Ⅲ型復(fù)合體系能夠有效啟動(dòng)大孔喉和小孔喉中的殘余油。

此外，雖然超低張力復(fù)合體系具有超低界面張力，但因其乳化性能較差，被啟動(dòng)的殘余油在運(yùn)移過(guò)程中容易聚并、黏附回巖石表面，影響洗油效率。

綜上所述，雖然油水界面張力對(duì)原油采收率有著重要影響，但并非油水界面張力越低，采收率越高。乳化復(fù)合體系界面活性與乳化性能存在協(xié)同效應(yīng)，應(yīng)根據(jù)油藏條件及驅(qū)替過(guò)程體系性能變化規(guī)律設(shè)計(jì)驅(qū)油配方。

3 結(jié)論

除了黏度和油水界面張力外，乳化復(fù)合體系乳化性能對(duì)原油采收率有著重要影響。

油水界面張力并非越低越好。乳化復(fù)合體系界面活性與乳化性能產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)時(shí)，才能取得更高采收率增值。應(yīng)根據(jù)油藏條件及驅(qū)替過(guò)程中體系性能變化規(guī)律設(shè)計(jì)界面活性與乳化性能相配伍的驅(qū)油體系。

乳化復(fù)合體系啟動(dòng)殘余油粒徑與孔喉存在配伍關(guān)系。當(dāng)二者配伍關(guān)系良好時(shí)，乳化復(fù)合體系能夠進(jìn)一步啟動(dòng)非優(yōu)勢(shì)通道殘余油。