稠油泡沫驅(qū)起泡劑體系的研究

馬 迪，潘 一，張金輝，Rassadkina Regina，廖松澤，張 然

（1.遼寧石油化工大學(xué)石油天然氣工程學(xué)院，遼寧撫順113001；2.遼寧石油化工大學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院，遼寧撫順113001）

稠油具有不易開發(fā)、采收成本高等特點，一般稠油油藏在蒸汽驅(qū)開采后（采收率超過50%），儲層中仍有大量的石油資源難以采出[1]。針對這一情況，大慶油田、勝利油田、中原油田等開始采用泡沫驅(qū)油技術(shù)，而影響該技術(shù)性能的關(guān)鍵指標(biāo)是起泡劑的性能[2-3]。相比于起泡單劑，復(fù)配起泡劑體系具備更加優(yōu)異的耐溫抗鹽性能、抗遇油消泡性等特點[4-5]，由于其特殊的協(xié)同增效作用而被國內(nèi)外學(xué)者廣泛研究[6-7]。Y.Bian等[8]研制了一種超臨界CO2泡沫驅(qū)起泡劑體系，該體系由α-烯基磺酸鈉(AOS)與甜菜堿兩性表面活性劑以質(zhì)量比4∶1復(fù)配組成，耐溫65.6℃，耐鹽20×104mg/L，在高溫高鹽條件下穩(wěn)定存在48 h以上。F.AttarHamed等[9]的研究表明，AOS和TX-100以質(zhì)量比4∶1復(fù)配的混合物，比單獨表面活性劑或其他質(zhì)量比混合物擁有更優(yōu)異的泡沫性和穩(wěn)定性。趙江玉等[10]以吉林油田為例進行了泡沫體系的篩選與考察，結(jié)果表明，起泡劑LW與非離子起泡劑NO以質(zhì)量比3∶7進行復(fù)配后，泡沫綜合指數(shù)Fy達到1 900 min·mL，泡沫性能得到大幅度提高。張浩[11]將AG與FC-30以質(zhì)量比1∶1復(fù)配，以耐溫抗鹽性能和耐油性能為評價指標(biāo)，對復(fù)合體系進行評價，結(jié)果表明，該體系驅(qū)油效率提升15.13%，可以耐油6%，耐鹽172×103mg/L，具有一定的應(yīng)用價值。

本文針對多種常用起泡劑進行初步篩選，得到甜菜堿、CTAB、SDBS和SDS四種起泡劑，優(yōu)選兩種起泡單劑進行配比，研制了一種新型復(fù)配起泡劑體系，并對該體系進行洗油能力測試和填砂管模擬實驗，考察了此復(fù)配起泡劑的洗油效果和最佳驅(qū)替方式下的原油采收率，以期為實際生產(chǎn)提供參考數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

試劑：甜菜堿、十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）、十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）、十二烷基硫酸鈉（SDS）、部分水解聚丙烯酰胺（HPAM），揚州科技有限公司；氯化鈉，分析純，國藥集團化學(xué)試劑有限公司；石英砂，上海源葉生物科技有限公司。

儀器：BSA223S型電子天平，江蘇興化儀器有限公司；ZNN-D6B型數(shù)顯六速旋轉(zhuǎn)黏度儀，青島宏祥石油機械制造有限公司；DK-98-IIA型電熱恒溫水浴鍋、AW3-Y恒速攪拌器，江蘇珂地石油儀器設(shè)備有限公司。

1.2 稠油μ-T關(guān)系評價方法

稠油之所以不易流動，是由于油中大量膠質(zhì)、瀝青質(zhì)的存在，使其黏度高，密度大，不易流動[12]。稠油對溫度非常敏感，溫度升高，分子間的作用力減弱，稠油的黏度明顯下降，易流動，有利于稠油的開采[13]。實驗稠油選用某油田地區(qū)稠油，35℃時密度為996 kg/m3，蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)為29.45%。在不同剪切速率條件下，利用RV2型旋轉(zhuǎn)黏度計，測量40～70℃時原油的黏度，并通過稠油μ-T曲線對μ-T關(guān)系進行評價。

1.3 單一起泡劑性能測試方法

起泡劑的性能是通過表面活性劑產(chǎn)生泡沫的快慢和所形成的泡沫量的大小進行評價的，能否形成長期穩(wěn)定的泡沫，關(guān)鍵在于起泡劑[14]。選擇多種表面活性劑作為起泡劑進行初步篩選，在室內(nèi)溫度和壓力條件下，通過考察泡沫的發(fā)泡性能、半衰期和制作起泡劑的原料來源、價格等因素進行篩選，最終決定使用甜菜堿、CTAB、SDBS和SDS表面活性劑進行優(yōu)選實驗的試劑。穩(wěn)定劑部分水解聚丙烯酰胺耐溫性好、產(chǎn)品繁多、性能穩(wěn)定、增黏能力強，可用于中高溫油藏，因此為了更好地比較起泡劑的作用效果，在測試實驗中均添加了質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.05%的HPAM作為體系的穩(wěn)定劑。

1.3.1 室溫條件下起泡能力測試 室溫下，選擇甜菜堿、CTAB、SDBS和SDS 4種試劑，分別測定發(fā)泡率，將4種試劑按不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)（0.05%、0.10%、0.15%、0.20%）各配置100 mL，利用AW3-Y恒速攪拌器攪拌1 min，使表面活性劑溶液發(fā)泡，將產(chǎn)生的泡沫快速移至大量筒內(nèi)，測量并記錄4種試劑各自生成的泡沫體積。

起泡劑所生成泡沫的穩(wěn)定性同樣是考察泡沫性能的主要因素，將4種起泡劑各配置100 mL，試劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為0.20%，在室溫狀態(tài)下，使用AW3-Y恒速攪拌器攪拌1 min，將產(chǎn)生的泡沫迅速倒入量筒內(nèi)，測量并記錄四種試劑各自生成的泡沫的半衰期。

1.3.2 高溫鹽水條件下起泡能力測試 趙國璽[15]經(jīng)研究認(rèn)為泡沫綜合指數(shù)可作為綜合評價泡沫性能的參數(shù)之一。根據(jù)量筒內(nèi)生成的泡沫高度隨時間的改變來考察泡沫的壽命，起泡高度與時間關(guān)系圖見圖1[10]，泡沫綜合指數(shù)的表達式見式（1）-（2）。

圖1 起泡高度與時間關(guān)系圖

式中，F(xiàn)q為泡沫綜合指數(shù)，min·mL；S為陰影部分面積，與Fq數(shù)值相等；f(t)為起泡體積曲線；t0為量筒內(nèi)達到最大發(fā)泡高度所用時間，min；為泡沫析液半衰期，min。

式中，hmax為發(fā)泡高度最大時泡沫體積，mL。梯形面積S近似等于Fq，通過此公式可計算泡沫綜合指數(shù)。

測試高溫鹽水條件下起泡能力，地層水根據(jù)SYT 5358―2010配置標(biāo)準(zhǔn)鹽水，選擇試劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.20%。該油田油藏溫度為65℃，設(shè)置5個實驗溫度分別為 40、50、60、70、80 ℃。使用 Waring-Blender法來評價泡沫性能，考察4種試劑在不同溫度鹽水中的發(fā)泡率和生成泡沫的穩(wěn)定性。

1.4 復(fù)配起泡劑性能測試方法

1.4.1 洗油能力測試 洗油能力是指化學(xué)劑從地層中剝離油膜，降低不可動油的比例的能力。起泡劑屬于表面活性劑的一種，它能夠降低油水界面張力和提高驅(qū)替液的洗油效率，體系泡沫流體是否具有較好的洗油性能同樣是考察和判斷起泡劑性能的重要根據(jù)。

1.4.2 填砂管模擬實驗

（1）實驗使用填砂管模型進行填砂。將填砂管置于上下兩層擋板之間，通過位于下層擋板下方的千斤頂和上層擋板與置入填砂管中的壓實桿對填砂管中的石英砂進行加壓，對填砂管中油砂進行壓實操作。

（2）將實驗裝置進行正確連接，操作時可握至手持部，將連接部從護罩兩端開口處伸入護罩內(nèi)部并與護罩連接，待裝置連接完成，以恒定速度向填砂管模型內(nèi)注入70℃熱水，在填砂管模型兩端建立壓差。

（3）待實驗進行時，使用量筒讀取并記錄出口端的產(chǎn)液體積及油水分界面高度。

此次實驗油砂選用400 g石英砂+40 mL稠油進行配置，實驗方式：①先注蒸汽驅(qū)達到最大采收率，再注入起泡劑進行泡沫驅(qū)；②蒸汽+注入起泡劑泡沫驅(qū)交替注入（2 h間隔交替注入）[16]。

2 結(jié)果與討論

2.1 稠油黏溫曲線

稠油黏溫曲線如圖2所示。

圖2 稠油黏溫曲線

從圖2可以看出，稠油黏度受溫度的影響較大，隨著溫度不斷升高，稠油黏度明顯減小，當(dāng)溫度增加至70℃時，稠油黏度由最初的3 500 mPa·s降低至600 mPa·s，稠油黏度越小，稠油流動性越好，因此也更有利于稠油的開采。

2.2 單一起泡劑性能

2.2.1 室溫條件下起泡能力 使用Waring-Blender法測得4種試劑各自生成的泡沫體積，結(jié)果見表1。

表1 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)起泡劑泡沫體積

由表1可知，隨著試劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)不斷增加，4種起泡劑的泡沫體積也在逐漸增大。這是因為試劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小時，還沒達到其CMC，隨著試劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，更多的試劑分子參與泡沫的形成，使起泡效果越來越好。但是，在泡沫的表面吸附達到飽和值以后，“馬拉高尼效應(yīng)”隨之減弱[17]，所以當(dāng)起泡劑用量增大到一定程度后，其對應(yīng)的發(fā)泡率就會開始降低。

在試劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為0.20%時，使用Waring-Blender法測得試劑生成泡沫的半衰期，結(jié)果見表2。

表2 試劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.20%時的泡沫半衰期

由表1和表2可知，試劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小時，CTAB的發(fā)泡率較差，但半衰期長，泡沫穩(wěn)定。SDBS的發(fā)泡率較高且穩(wěn)定，而SDS和甜菜堿雖有較好的發(fā)泡率，但半衰期相對較短。

2.2.2 高溫鹽水條件下起泡能力 表3和表4分別為不同溫度鹽水中的泡沫體積和泡沫半衰期。根據(jù)式（2）計算泡沫綜合指數(shù)，結(jié)果見圖3。

表3 不同溫度鹽水下泡沫體積

表4 不同溫度鹽水下泡沫半衰期

圖3 不同溫度鹽水中泡沫綜合指數(shù)

由表3、表4和圖3可知，甜菜堿不僅發(fā)泡能力強，而且耐高溫性能優(yōu)異，其泡沫體系受溫度影響不大，高溫下仍能保持很強的穩(wěn)定性，可作為復(fù)配體系的一種起泡單劑。SDBS和SDS的發(fā)泡能力雖然較強，但其抗高溫性能較差，高溫下不穩(wěn)定，隨著溫度的增加，半衰期明顯減小，泡沫綜合指數(shù)顯著下滑，不適用于三次采油時地層內(nèi)的復(fù)雜情況。CTAB的發(fā)泡性雖然較弱，但相對SDS來說，具有很強的耐高溫能力，高溫下其半衰期較長，穩(wěn)定性好，溫度為80℃時，半衰期可達65 min，泡沫綜合指數(shù)較高，且其具有極好的耐熱、耐壓、耐強酸強堿性，與甜菜堿有很好的配伍性[18]，具備優(yōu)良的滲透性、生物降解性及殺菌等特點，所以將CTAB作為復(fù)配體系的另一起泡單劑。

由于單一的試劑都有自身缺陷，加上試劑來源和成本的限制，使其很難滿足復(fù)雜油氣藏的條件。針對某油田稠油開采現(xiàn)狀，綜合考慮起泡劑性能，在此基礎(chǔ)上選定CTAB和甜菜堿兩種起泡劑進行復(fù)配，作為油藏新型泡沫驅(qū)復(fù)配體系。

2.3 復(fù)配起泡劑性能

以甜菜堿和CTAB兩種試劑為基礎(chǔ)進行復(fù)配。表面活性劑中，甜菜堿為兩性型，CTAB為陽離子型，該分子的碳?xì)滏溳^長，其與甜菜堿相互間既有疏水作用，也存在靜電作用，可產(chǎn)生混合膠束和吸附層，使分子之間聯(lián)結(jié)得愈加緊湊。實驗結(jié)果表明，隨著兩種起泡單劑含量的變化，復(fù)配起泡劑的性能也表現(xiàn)出較復(fù)雜的情況。

經(jīng)過對實驗結(jié)果的比較篩選，選擇CTAB與甜菜堿質(zhì)量比2∶1進行此次測試，并對該復(fù)配起泡劑一些性能進行考察，以期為實際生產(chǎn)提供參考數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。

2.3.1 洗油能力 將CTAB與甜菜堿以質(zhì)量比2∶1進行復(fù)配，取500 mL復(fù)配后質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.20%的泡沫溶液與遼河油田稠油進行泡沫耐油性測試。將200 g石英砂與稠油充分混合攪拌均勻，與500 mL CTAB與甜菜堿復(fù)配得到的起泡劑在室內(nèi)溫度條件下混合震蕩一定時間，振動轉(zhuǎn)速為60 r/min；將混合后的溶液靜置1 h。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，石英砂上的油幾乎全部被洗掉，表明該復(fù)配試劑洗油效果較好，是一種綜合性能較好的起泡劑。

2.3.2 填砂管模擬實驗 填砂管模擬實驗結(jié)果見圖4。

圖4 不同驅(qū)替方式下采收率

從圖4可以看出，方案①中蒸汽驅(qū)在8 h左右采收率達到32.0%，隨后換成泡沫驅(qū)進行后續(xù)采油，最終采收率達到56.7%；方案②中，蒸汽驅(qū)和泡沫驅(qū)交替使用，最終采收率可達到60.7%，這說明新型起泡劑體系能夠有效地提高遼河油田區(qū)塊內(nèi)稠油的采出量。該稠油對溫度十分敏感，在注入泡沫流體驅(qū)油前先注入蒸汽進行蒸汽驅(qū)可以使稠油降黏，增大稠油流動性，通過先注入蒸汽方式提高填砂管內(nèi)溫度，方便泡沫驅(qū)能更好地采出稠油。因此，建議采用方案②蒸汽驅(qū)泡沫驅(qū)交替進行。

3 結(jié) 論

（1）通過實驗初步選擇一種適用于該稠油油藏開采的泡沫體系：CTAB與甜菜堿質(zhì)量比為2∶1，該體系耐高溫，洗油效果好，在填砂管模擬實驗中，采用蒸汽和泡沫交替注入的驅(qū)替方式，最終采收率可達60.7%，具有一定的參考價值。

（2）起泡劑優(yōu)選實驗是在一定礦化度條件下進行的，但鹽度并未導(dǎo)致耐溫性測試時起泡劑性能差異的變化，可見它具有一定的耐鹽能力，在耐溫接近的情況下，它的耐鹽能力是今后研究的方向。

（3）復(fù)合泡沫驅(qū)是一種三次采油新方法，對稠油油藏水驅(qū)開采及處于高含水時期油藏的開采有重大意義。該方法成本低，可通過對不同起泡劑進行復(fù)配或?qū)π滦推鹋輨┖铣杉夹g(shù)進行深入研究，使其得以推廣和應(yīng)用。