二元復(fù)合體系乳化性能及其對(duì)普通稠油的驅(qū)替效果

王業(yè)飛 ，仲 東 ，徐 睿 ，張朝良 ，于 群 ，曹緒龍

（1.非常規(guī)油氣開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中國(guó)石油大學(xué)（華東），山東青島266580；2.山東省油田化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島266580；3.中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東青島266580；4.中國(guó)石油新疆油田分公司采油二廠，新疆克拉瑪依834000；5.中國(guó)石油新疆油田分公司勘探開發(fā)研究院，新疆克拉瑪依834000；6.中國(guó)石化勝利油田分公司，山東東營(yíng)257001）

熱力法采油是當(dāng)前稠油油藏開發(fā)應(yīng)用最廣的方法，但存在熱效率低、成本高、耗能大、熱損失嚴(yán)重的問(wèn)題［1］。因此，水驅(qū)和化學(xué)驅(qū)等冷采方法逐漸受到重視。注水開發(fā)稠油油藏，由于水油流度比不合理，易導(dǎo)致波及系數(shù)低，原油采收率通常為5%～10%［2］。

復(fù)合驅(qū)是一種高效的化學(xué)驅(qū)油方法，可通過(guò)控制流度和降低油水界面張力，擴(kuò)大波及體積，提高驅(qū)油效率［3-4］。含堿二元或三元復(fù)合體系開采稠油可獲得較高采收率［5-6］，但該類體系中由于堿的加入，易造成嚴(yán)重結(jié)垢等問(wèn)題，因此無(wú)堿復(fù)合體系受到重視。關(guān)于稠油復(fù)合驅(qū)體系性能，通常延續(xù)稀油復(fù)合驅(qū)研究思路，注重體系黏度和超低界面張力［7］。但近年來(lái)，中外針對(duì)稠油復(fù)合驅(qū)的研究發(fā)現(xiàn)，除超低界面張力外，體系乳化性能愈發(fā)受到重視，成為化學(xué)驅(qū)提高稠油采收率的研究熱點(diǎn)［8］。BRYAN等研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)合驅(qū)過(guò)程中形成的乳液，能夠通過(guò)賈敏效應(yīng)擴(kuò)大波及體積，提高采收率［9］。葛際江等指出，對(duì)于水驅(qū)稠油而言，受注入水指進(jìn)影響形成大量殘余油，提高水驅(qū)后稠油油藏的采收率，應(yīng)強(qiáng)化驅(qū)油劑的乳化能力［10］。為此，針對(duì)乳化性能良好，但油水界面張力未達(dá)到超低數(shù)量級(jí)（10-1mN/m數(shù)量級(jí)）的1#二元復(fù)合體系，開展界面張力、乳化難易程度、乳液穩(wěn)定性、乳化降黏能力和驅(qū)油效果評(píng)價(jià)，以確定該體系驅(qū)替稠油效果。與超低界面張力型二元復(fù)合體系進(jìn)行對(duì)比，以期為稠油復(fù)合驅(qū)油體系性能的選擇提供借鑒。

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：TX500c型界面張力儀、IKA KS4000型恒溫?fù)u床、Olympus BX51型顯微鏡和巖心驅(qū)替裝置等。

實(shí)驗(yàn)材料主要包括：1#，2#和3#共3種不同性能的二元復(fù)合體系。其中，配制1#，2#二元復(fù)合體系的表面活性劑為2種陰非離子型表面活性劑，配制3#二元復(fù)合體系的表面活性劑為聚醚磺酸鹽型表面活性劑，質(zhì)量濃度為3 000 mg/L；聚合物為部分水解聚丙烯酰胺，相對(duì)分子質(zhì)量為20×106，質(zhì)量濃度為1 800 mg/L。實(shí)驗(yàn)用模擬水礦化度為9 754 mg/L，其中Ca2+和Mg2+的質(zhì)量濃度分別為193和68 mg/L。普通稠油為勝利油田某區(qū)塊地面脫氣原油，黏度為657 mPa·s（70 ℃），密度為0.973 g/cm3。滲流及驅(qū)油實(shí)驗(yàn)用巖心與填砂模型，長(zhǎng)度分別為10和30 cm，直徑為2.5 cm，水測(cè)滲透率為1.3×103～1.4×103mD。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

乳化難易程度評(píng)價(jià) 將7 mL二元復(fù)合體系與7 mL稠油加入試管中，在恒溫?fù)u床上固定，加熱至70℃后，在不同速率（200～400 r/min）條件下振蕩2 min；根據(jù)二元復(fù)合體系與稠油發(fā)生明顯乳化時(shí)所達(dá)到的最低振蕩速率來(lái)評(píng)價(jià)其乳化難易程度，最低振蕩速率越小，體系越容易乳化。

乳液穩(wěn)定性測(cè)試 采用瓶試法進(jìn)行乳液穩(wěn)定性測(cè)試，具體步驟為：①分別將體積為5 mL的稠油和5 mL的二元復(fù)合體系加入試管中，將其靜置于70℃恒溫箱中30 min。②將每支試管均勻震蕩200次。③立即將其垂直放在試管架上并再次置于70℃恒溫箱中。④每隔一段時(shí)間記錄試管中分離出的水相體積，并計(jì)算其析水率。此外，對(duì)不同時(shí)刻二元復(fù)合體系與稠油形成乳液的微觀形態(tài)進(jìn)行顯微觀察。

乳化降黏能力評(píng)價(jià) 巖心抽真空飽和水，在70℃下，將稠油、二元復(fù)合體系分別按油水比為2∶8（油相、水相注入速度分別為0.1和0.4 mL/min）和5∶5（油相、水相注入速度均為0.25 mL/min）同時(shí)注入巖心中，記錄巖心入口端壓力，取壓力穩(wěn)定段平均值，根據(jù)達(dá)西公式計(jì)算油水混合物在巖心中流動(dòng)時(shí)的等效黏度，評(píng)價(jià)不同性能二元復(fù)合體系對(duì)稠油的降黏能力。除3種二元復(fù)合體系外，還開展了同質(zhì)量濃度聚合物溶液（4#）與稠油的同注實(shí)驗(yàn)及單一稠油流動(dòng)實(shí)驗(yàn)，用以對(duì)比。其中，單一稠油在巖心中注入速度為0.5 mL/min時(shí)，巖心入口端穩(wěn)定注入壓力為0.85 MPa，等效黏度為651 mPa·s。

2 結(jié)果與分析

2.1 界面張力評(píng)價(jià)

使用界面張力儀，測(cè)試3種不同性能二元復(fù)合體系與稠油的動(dòng)態(tài)界面張力（圖1）。隨時(shí)間的延長(zhǎng)，1#二元復(fù)合體系與稠油的界面張力較高，維持在10-1mN/m數(shù)量級(jí)，40 min穩(wěn)定界面張力為0.45 mN/m。2#和3#二元復(fù)合體系與稠油的界面張力從初始的10-1mN/m數(shù)量級(jí)逐漸降低到10-3mN/m數(shù)量級(jí)，40 min穩(wěn)定界面張力分別為1.2×10-3和1.0×10-3mN/m，達(dá)到超低。

圖1 3種二元復(fù)合體系與稠油的動(dòng)態(tài)界面張力Fig.1 Dynamic interfacial tensions between three composite systems and heavy oil

2.2 乳化性能評(píng)價(jià)

2.2.1 乳化難易程度

二元復(fù)合體系在流動(dòng)過(guò)程中對(duì)接觸稠油的剪切作用是其乳化稠油的主要?jiǎng)恿χ唬?1］，以此為基礎(chǔ)，采用恒溫振蕩法測(cè)試二元復(fù)合體系的乳化難易程度。由于油、水黏度以及其與瓶壁黏附性的差異，能夠在油水界面處形成相對(duì)流動(dòng)，產(chǎn)生不同強(qiáng)度的剪切作用以乳化稠油；此外，振蕩能夠在油水界面產(chǎn)生擾動(dòng)，有利于稠油的乳化。

不同振蕩速率下3種不同性能二元復(fù)合體系乳化稠油的效果（圖2）不同。振蕩速率為200 r/min時(shí)，僅2#二元復(fù)合體系試瓶中有輕微乳化現(xiàn)象，3個(gè)試瓶中油水界面清晰，油相幾乎沒有分散進(jìn)入水相。振蕩速率為250 r/min時(shí)，2#和3#二元復(fù)合體系試瓶中稠油明顯向水相分散，形成O/W型乳液，水相由清澈、透明變?yōu)樯钌?、不透明，說(shuō)明2#和3#二元復(fù)合體系乳化稠油所需的最低振蕩速率為250 r/min，而1#二元復(fù)合體系未發(fā)生乳化。振蕩速率達(dá)到400 r/min時(shí)，1#二元復(fù)合體系才觀察到乳化現(xiàn)象。超低界面張力的2#和3#二元復(fù)合體系乳化稠油所需的乳化強(qiáng)度均低于1#二元復(fù)合體系，說(shuō)明超低界面張力是乳化發(fā)生的有利條件。從能量的角度，稠油在水中的乳化是一個(gè)油水界面擴(kuò)展的過(guò)程，伴隨著體系界面能的升高。而油水界面張力是單位油水界面上能量高低的度量，界面張力越小，單位面積上界面能越低。在相同能量輸入下，界面張力越低，油水界面越容易擴(kuò)展，表現(xiàn)為稠油越容易在水相中乳化。

2.2.2 乳液穩(wěn)定性

圖2 不同振蕩速率下3種二元復(fù)合體系乳化稠油效果對(duì)比Fig.2 Emulsified heavy oil efficiency in three composite systems at different oscillation rates

析水率是評(píng)價(jià)二元復(fù)合體系形成乳液穩(wěn)定性的主要指標(biāo)之一。一定時(shí)間內(nèi)，析水率越小，乳液越穩(wěn)定；相反，乳液穩(wěn)定性越差［12］。

圖3 不同體系形成乳液的析水率隨時(shí)間的變化Fig.3 Variation of water separating rate with time of emulsions formed by various systems

隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，各二元復(fù)合體系形成乳液的析水率不斷增加（圖3）。其中，1#二元復(fù)合體系形成乳液的析水率增加較緩慢，560 min時(shí)，仍然保持低于50%；2#二元復(fù)合體系與稠油形成的乳液析水率迅速增加，210 min時(shí)即達(dá)到88%，560 min時(shí)達(dá)到96%；3#二元復(fù)合體系與稠油形成乳液的析水率在起始階段較2#二元復(fù)合體系增加緩慢，210 min時(shí)析水率為45%，560 min時(shí)析水率達(dá)到93%；4#聚合物溶液與稠油未能形成乳液，靜置后油水迅速分層，10 min時(shí)析水率即達(dá)到98%。利用顯微鏡觀察靜置0與90 min時(shí)試管中1#，2#和3#二元復(fù)合體系乳化油滴的形態(tài)（圖4）。1#二元復(fù)合體系靜置90 min后，僅有少部分油滴發(fā)生聚并，乳液穩(wěn)定性好；2#及3#二元復(fù)合體系0 min時(shí)乳液粒徑較均勻，靜置90 min后乳液發(fā)生顯著聚并，2#二元復(fù)合體系中幾乎無(wú)小油滴存在，但3#二元復(fù)合體系乳化形成的油滴間仍能保持較穩(wěn)定的油水界面，證明3#二元復(fù)合體系乳液穩(wěn)定性略強(qiáng)于2#二元復(fù)合體系。由此可見，1#二元復(fù)合體系界面張力高，乳化較難發(fā)生（圖2），但其形成的乳液最穩(wěn)定；界面張力達(dá)到超低數(shù)量級(jí)的2#和3#二元復(fù)合體系，形成乳液的穩(wěn)定性較差。這說(shuō)明超低界面張力與乳液穩(wěn)定性呈非正相關(guān)性，甚至不利于乳液穩(wěn)定［13-14］。這是因?yàn)椋孩儆退缑鎻埩υ降?，油水界面越易擴(kuò)展，導(dǎo)致界面上吸附層內(nèi)表面活性劑分子的密度瞬時(shí)降低，減小了乳液間表面活性劑吸附層間的靜電斥力，使乳液容易聚并。②油水界面擴(kuò)展導(dǎo)致界面膜強(qiáng)度變小，不利于乳液穩(wěn)定。③超低界面張力使油滴容易發(fā)生變形，增加了油滴的碰撞幾率。

圖4 3種二元復(fù)合體系乳化稠油在0和90 min時(shí)微觀圖像Fig.4 Microscopic image of emulsified heavy oil in various composite systems at 0 and 90 minutes

2.2.3 乳化降黏能力

通過(guò)O/W型乳液的形成，降低稠油黏度、改善其流動(dòng)性是稠油復(fù)合驅(qū)的機(jī)理之一［15-16］。為確定界面張力、乳化難易程度和乳化穩(wěn)定性不同的3種二元復(fù)合體系在多孔介質(zhì)中的乳化降黏能力，開展巖心中油水比分別為2∶8和5∶5的油水同注實(shí)驗(yàn)。

圖5 不同體系注入量與注入壓力的關(guān)系Fig.5 Relationship between injection rate and injection pressure in various systems

隨著注入量的增加，注入壓力先上升后趨于平穩(wěn)，油水比由2∶8提高至5∶5后，注入壓力明顯上升（圖5）。在不同油水比條件下，1#二元復(fù)合體系與稠油在多孔介質(zhì)中的注入壓力以及等效黏度均低于4#聚合物溶液，2#和3#二元復(fù)合體系均高于4#聚合物溶液，其中2#二元復(fù)合體系注入壓力較1#，3#二元復(fù)合體系有明顯上升。這說(shuō)明一方面，盡管在振蕩實(shí)驗(yàn)中1#二元復(fù)合體系最難乳化稠油（圖2），但在實(shí)際多孔介質(zhì)的剪切作用下，仍能較好地乳化稠油，1#二元復(fù)合體系驅(qū)替采出液中觀察到大量O/W型乳液；另一方面，由于1#二元復(fù)合體系形成乳液穩(wěn)定性更強(qiáng)，能夠顯著降低稠油黏度，改善其流動(dòng)性，而2#和3#二元復(fù)合體系未能降低稠油黏度（表1），但乳化穩(wěn)定性相對(duì)較好的3#二元復(fù)合體系注入壓力略低于2#二元復(fù)合體系。綜上所述，認(rèn)為2#和3#體系形成乳液穩(wěn)定性差，導(dǎo)致乳化油滴快速聚并、消失，是影響其降黏效果的主要原因之一。由于各二元復(fù)合體系界面張力、乳化難易程度以及形成乳液穩(wěn)定性的差異，發(fā)現(xiàn)乳液穩(wěn)定性是二元復(fù)合體系在多孔介質(zhì)中降低稠油黏度的關(guān)鍵，而非超低界面張力或乳化難易程度。

表1 不同體系與稠油流動(dòng)過(guò)程中的等效黏度Table1 Equivalent viscosity of oil-water mixtures in various systems

2.3 驅(qū)油效果評(píng)價(jià)

為落實(shí)各二元復(fù)合體系性能差異對(duì)其驅(qū)油效果的影響，開展填砂管模型驅(qū)油實(shí)驗(yàn)，注入速度為0.25 mL/min，其實(shí)驗(yàn)條件及結(jié)果見表2。此外，注入二元復(fù)合體系0.3 PV時(shí)，在填砂模型出口端取樣，觀察稠油在水相中的乳化情況。

表2 填砂管模型驅(qū)油實(shí)驗(yàn)條件及結(jié)果Table2 Experimental conditions and results of oil displacement with sandpack model

由圖6可見，開始水驅(qū)后，稠油采收率不斷增加，注入壓力持續(xù)上升。由于油水黏度差異大，水驅(qū)0.2 PV后填砂管出口端見水，注入水沿著填砂管滲流阻力較小的大孔道竄流，并逐漸形成水相竄流通道，注入壓力迅速降低，出口端含水率增加，采收率增幅變緩。當(dāng)填砂管中高滲透大孔道大部分被水相占據(jù)后，注入壓力曲線趨于低位平穩(wěn)，無(wú)法啟動(dòng)剩余稠油，填砂管出口端幾乎沒有稠油產(chǎn)出，水驅(qū)采收率約為39%。

開始轉(zhuǎn)注化學(xué)劑段塞時(shí)，由于驅(qū)替相黏度增加，注入壓力顯著升高。注入二元復(fù)合體系0.15 PV后，1#二元復(fù)合體系注入壓力開始下降；注入0.3 PV時(shí)，1#二元復(fù)合體系驅(qū)替采出液中觀察到大量的O/W型乳液（圖7）。這再次證明1#二元復(fù)合體系能夠通過(guò)對(duì)稠油的乳化，形成穩(wěn)定的O/W型乳液，降低注入壓力，改善稠油流動(dòng)性，與油水同注實(shí)驗(yàn)認(rèn)識(shí)一致（圖6）。而2#，3#二元復(fù)合體系和4#聚合物溶液注入過(guò)程中，注入壓力仍持續(xù)上升；注入0.3 PV時(shí)，2#二元復(fù)合體系和4#聚合物溶液驅(qū)替采出液水相中幾乎無(wú)乳化油滴，3#二元復(fù)合體系采出液水相中觀察到少量乳化油滴。對(duì)比最終采收率結(jié)果發(fā)現(xiàn)，1#二元復(fù)合體系能夠提高稠油采收率15.6%，顯著高于2#和3#二元復(fù)合體系（分別為10.5%和10.0%），4#單一聚合物驅(qū)采收率增幅最低，僅為6.0%，說(shuō)明非超低界面張力、乳液穩(wěn)定性強(qiáng)的1#二元復(fù)合體系，較常規(guī)超低界面張力型二元復(fù)合體系2#，3#及單一聚合物驅(qū)4#，具有更強(qiáng)的驅(qū)油能力。

圖6 不同體系注入量與采收率、含水率及注入壓力的關(guān)系Fig.6 Relationship among oil recovery，water cut and injection pressure in various systems

圖7 不同體系采出液微觀圖像Fig.7 Microscopic image of produced liquid in various systems

此外，值得注意的是，乳化穩(wěn)定性良好的驅(qū)油劑對(duì)普通稠油和稀油的驅(qū)替壓力特征存在明顯的差異。乳化穩(wěn)定性好的1#二元復(fù)合體系驅(qū)替普通稠油時(shí)，由于體系對(duì)稠油的乳化降黏作用，注入壓力先升高后降低，且低于乳化穩(wěn)定性較差的2#和3#二元復(fù)合體系。而前期研究發(fā)現(xiàn)［17-19］，乳化穩(wěn)定性良好的驅(qū)油劑驅(qū)替稀油時(shí)，乳化油滴產(chǎn)生的賈敏效應(yīng)往往導(dǎo)致注入壓力持續(xù)升高，且壓力高于乳化穩(wěn)定性較差的體系。

3 結(jié)論

2#和3#二元復(fù)合體系油水界面張力達(dá)到超低數(shù)量級(jí)（10-3mN/m），更容易乳化稠油，但超低界面張力與乳液的穩(wěn)定性無(wú)明顯相關(guān)性。界面張力相對(duì)較高的1#二元復(fù)合體系較難乳化稠油，但其形成的乳液穩(wěn)定性好，在多孔介質(zhì)中表現(xiàn)出最好的乳化降黏效果；分析1#，2#和3#二元復(fù)合體系界面張力及乳化性能的差異，認(rèn)為乳液穩(wěn)定性是影響稠油乳化降黏的關(guān)鍵，乳液穩(wěn)定性越好，降黏效果越顯著。對(duì)于普通稠油復(fù)合驅(qū)，不應(yīng)僅注重超低界面張力，更應(yīng)注重乳化降低稠油黏度的影響。