烷基甜菜堿表面活性劑疏水基碳鏈長(zhǎng)度對(duì)低滲巖心自發(fā)滲吸的影響

朱維耀，趙成圓，馬啟鵬，李 華，宋智勇

(北京科技大學(xué)，北京 100083)

0 引 言

烷基甜菜堿表面活性劑在三次采油中應(yīng)用廣泛[1-2]。前人研究成果證實(shí)了親水基結(jié)構(gòu)相同、疏水基碳鏈長(zhǎng)度不同的甜菜堿表面活性劑，其基本化學(xué)性能、油水乳狀液穩(wěn)定性及界面張力會(huì)有差異。碳數(shù)在10～16的系列甜菜堿，隨著碳數(shù)增加溶液的疏水性[3-4]、油水乳狀液穩(wěn)定性[5-6]和起泡能力[7]均有所增強(qiáng)；臨界膠束濃度、油水界面張力和最低表面張力均明顯降低[8-12]，其中，碳數(shù)為12、16的烷基甜菜堿較為常用[13-14]。但前人研究中，尚未分析親水基結(jié)構(gòu)相同、疏水基碳鏈長(zhǎng)度不同的甜菜堿對(duì)低滲巖心自發(fā)滲吸的影響[15-16]。因此，文中主要研究不同碳數(shù)(12、14、16、18)的烷基二甲基磺丙基甜菜堿在滲透率小于10.00 mD油藏中的滲吸規(guī)律，并分析了4種烷基甜菜堿的疏水基碳鏈長(zhǎng)度對(duì)界面性質(zhì)、滲吸采油性能的影響，以期為烷基甜菜堿表面活性劑在低滲透油藏原油開(kāi)采方面的篩選提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)用的兩性表面活性劑分別為：3-磺丙基十二烷基二甲基甜菜堿C17H37NOS(簡(jiǎn)稱SDDAB)、3-磺丙基十四烷基二甲基甜菜堿C19H41NOS(簡(jiǎn)稱STDAB)、3-磺丙基十六烷基二甲基甜菜堿C21H45NOS(簡(jiǎn)稱SHDAB)、3-磺丙基十八烷基二甲基甜菜堿C23H49NOS(簡(jiǎn)稱SODAB)；實(shí)驗(yàn)用油為某區(qū)塊DY-35原油，85 ℃時(shí)的密度和黏度分別為0.789 2 g/cm3和1.34 mPa·s；實(shí)驗(yàn)巖心為采自該區(qū)塊的天然露頭巖心，孔隙度為14.88%～16.40%，滲透率為2.22～3.36 mD。巖心物性參數(shù)及表面活性劑分配見(jiàn)表1。

表1 滲吸實(shí)驗(yàn)巖心參數(shù)及表面活性劑分配

飽和巖心用水(FW)由Na2SO4(質(zhì)量濃度為0.436 mg/L)、CaCl2(質(zhì)量濃度為48.390 mg/L)、MgCl2(質(zhì)量濃度為20.997 mg/L)、NaCl(質(zhì)量濃度為147.379 mg/L)、NaHCO(質(zhì)量濃度為0.127 mg/L)組成，飽和巖心用水的總礦化度為210 000 g/L；表面活性劑配制水為模擬地層水，由CaCl2(質(zhì)量濃度為0.142 mg/L)、MgCl2(質(zhì)量濃度為1.320 mg/L)、NaCl(質(zhì)量濃度為2.882 mg/L)、KCl(質(zhì)量濃度為0.089 mg/L)、NaHCO(質(zhì)量濃度為0.021 mg/L)、Na2SO4(質(zhì)量濃度為0.511 mg/L)組成，總礦化度為5 000 g/L。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 接觸角

用地層水配制4種表面活性劑稀溶液，質(zhì)量濃度為1.000 g/L。進(jìn)樣器注射表面活性劑稀溶液樣品，液滴體積為0.002 mL，并與操作臺(tái)上原油老化過(guò)的礦片表面接觸，記錄礦片與液滴的界面接觸角變化，測(cè)試時(shí)間為30、60 s。

1.2.2 界面張力

將樣品溶液充滿離心管，用微量注射器吸取油相DY-35原油注入離心管形成合適的油滴。然后啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀，記錄界面張力。測(cè)試條件：溫度為85 ℃，轉(zhuǎn)速為5 000 r/min，測(cè)試時(shí)間為75 min。

1.2.3 自發(fā)滲吸

實(shí)驗(yàn)步驟如下：①在恒溫箱中(105 ℃)烘干天然露頭巖心稱量干重，抽真空飽和FW水；②以DY-35原油驅(qū)替造束縛水，在溫度為85 ℃恒溫箱內(nèi)老化巖心20 d；③將老化巖心放入滲吸瓶，裝入質(zhì)量濃度為1.000 g/L的樣品溶液浸沒(méi)巖心；④滲吸瓶放進(jìn)溫度為85 ℃恒溫箱，記錄各時(shí)段巖心出油量。

2 結(jié)果與討論

2.1 碳鏈長(zhǎng)度對(duì)潤(rùn)濕性的影響

表2為4種烷基甜菜堿在DY-35原油老化過(guò)的礦片表面接觸角變化情況。由表2可知：隨著烷基甜菜堿疏水基碳數(shù)的增加，接觸角不斷減小，且接觸時(shí)間越長(zhǎng)潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)能力越強(qiáng)，60 s時(shí)SODAB的接觸角比SDDAB減小42.2 °，主要是由于烷基甜菜堿型表面活性劑依靠靜電引力和范德華力吸附在油濕礦物表面，形成單層定向吸附膜，碳鏈越長(zhǎng)吸附膜越寬且吸引力越大[17]。此外，60 s時(shí)SDDAB的接觸角比地層水可降低15.5 °。主要是由于表面活性劑的加入與原油在礦物表面形成競(jìng)爭(zhēng)吸附，剝離礦物表面原油使?jié)櫇裥云疂馵18]。

表2 烷基甜菜堿在礦片表面的接觸角

2.2 碳鏈長(zhǎng)度對(duì)界面張力的影響

圖1為實(shí)驗(yàn)測(cè)得碳數(shù)不同的烷基甜菜堿與原油界面張力變化情況。由圖1可知：4種烷基甜菜堿表面活性劑溶液均能較大幅度減小界面張力；隨著疏水基碳數(shù)的增加，界面張力逐漸減小，SODAB最終界面張力比SDDAB減小1.29 mN/m，比地層水減小5.01 mN/m。主要是因?yàn)槭杷兼溤介L(zhǎng)，增加了烷基甜菜堿在油相中的溶解度，改變了其在油相中的分配系數(shù)，界面排布更緊密[19]。

圖1 烷基甜菜堿與DY-35原油界面張力變化

2.3 不同碳鏈長(zhǎng)度烷基甜菜堿的滲吸效果

在滲透率小于10.00 mD的低滲透儲(chǔ)層，應(yīng)用甜菜堿表面活性劑滲吸采油可取得較好效果。為了探究4種不同碳數(shù)的烷基甜菜堿對(duì)滲吸采油的影響規(guī)律，開(kāi)展了巖心滲吸實(shí)驗(yàn)，并通過(guò)記錄出油量計(jì)算滲吸采收程度(圖2)。由圖2可以看出，油滴在巖心的表面和四周均有析出，即滲吸方式屬于逆向滲吸。

圖2 巖心滲吸實(shí)驗(yàn)照片

圖3為地層水和4種烷基甜菜堿滲吸采出程度隨時(shí)間變化的曲線。由圖3可知：實(shí)驗(yàn)開(kāi)始的前500 min內(nèi)滲吸采出程度增加速度較快，主要是由于初期甜菜堿可大幅降低界面張力，減小界面約束力、黏附功，有利于油滴的變形運(yùn)移[20-21]；實(shí)驗(yàn)后期SHDAB和SODAB滲吸逐漸趨于穩(wěn)定，幾乎不出油，主要是由于巖心含水飽和度增加，油相密度小于水相，水置換出同體積的油時(shí)自身重力增大，重力與滲吸動(dòng)力毛管力逐漸抵消，削弱了滲吸效果[22-23]。從最終采出程度來(lái)看，由大到小依次為SODAB、SHDAB、STDAB、SDDAB，4種烷基甜菜堿疏水基碳數(shù)增加，滲吸采出程度逐漸增大，其中SODAB采出程度為42.05%，比SDDAB增加4.30個(gè)百分點(diǎn)。

圖3 烷基甜菜堿滲吸采出程度隨時(shí)間的變化

圖4為4種烷基甜菜堿的巖心滲吸速度與時(shí)間關(guān)系曲線。由圖4可知：滲吸速度隨時(shí)間增加而快速增大，隨后逐漸趨于零；在實(shí)驗(yàn)初期，SODAB和SHDAB的出油速度明顯快于SDDAB和STDAB，且最高滲吸速度隨烷基甜菜堿疏水基碳鏈長(zhǎng)度增加而增大。SODAB最高滲吸速度比SDDAB高0.038 g/min，主要是由于界面張力的降低使油滴變形能力增強(qiáng)，接觸角的減小增加了滲吸動(dòng)力毛細(xì)力，親水性的巖心表面加速了油滴的剝離[24]。滲吸過(guò)程中，巖心頂部和四周表面均有小油滴不斷滲出，水的吸入方向和油的流出方向相反，屬于逆向滲吸方式[25]。

圖4 烷基甜菜堿滲吸速度與時(shí)間關(guān)系

表3 烷基甜菜堿的相關(guān)界面參數(shù)

2.4 滲吸采出程度無(wú)因次擬合及油田現(xiàn)場(chǎng)意義

Mattax等[27]、Rapoport等[28]利用無(wú)因次理論將實(shí)驗(yàn)測(cè)得的采出程度作無(wú)因次擬合，式(1)為無(wú)因次時(shí)間tD，式(2)為特征長(zhǎng)度LS。Aronofsky等[29]進(jìn)一步利用無(wú)因次時(shí)間tD、特征長(zhǎng)度LS得出歸一化滲吸采出程度模型，如式(3)所示。該模型可將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)應(yīng)用到采油現(xiàn)場(chǎng)，從而建立了室內(nèi)實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用之間的聯(lián)系。

(1)

(2)

η=1-e-λtD

(3)

式中：σ為油水界面張力，mN/m；φ為多孔介質(zhì)的孔隙度，%；K為多孔介質(zhì)的滲透率，mD；μW為水相黏度，mPa·s；μo為油相黏度，mPa·s；η為歸一化采出程度；t為滲吸時(shí)間，s；LS為無(wú)因次長(zhǎng)度；L為巖心長(zhǎng)度，cm；r為巖心半徑，cm；tD為無(wú)因次時(shí)間；λ為無(wú)因次擬合參數(shù)。

圖5為4種烷基甜菜堿滲吸采出程度無(wú)因次化和等比例關(guān)系處理后，擬合的歸一化采出程度曲線。由圖5可知，4種烷基甜菜堿的采出程度增長(zhǎng)趨勢(shì)符合指數(shù)函數(shù)關(guān)系式且線性歸一性良好，滿足式(2)的歸一化采出程度模型。該擬合結(jié)果可用于指導(dǎo)烷基甜菜堿在低滲油田滲吸采油的生產(chǎn)實(shí)踐，特別是在高溫、高礦化度、低滲透滲吸采油方面有很大的應(yīng)用潛力，并為甜菜堿作為滲吸劑的篩選提供了理論依據(jù)。

圖5 歸一化滲吸采出程度擬合曲線

3 結(jié) 論

(1) 4種烷基甜菜堿的自發(fā)滲吸方式均為逆向滲吸；隨著疏水基碳數(shù)由12增至18，滲吸采出程度依次為37.8%、39.4%、41.0%和42.1%，即SODAB滲吸效果較好。

(2) 烷基甜菜堿的潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)能力隨碳數(shù)增加而增強(qiáng)。其中，SODAB比SDDAB接觸角減小了42.2 °，使得巖心表面更親水，有利于原油剝離巖心；界面張力隨疏水基碳數(shù)的增加而降低，使油水界面黏附功減小，增強(qiáng)了油滴變形能力，可通過(guò)更細(xì)小的孔道，促進(jìn)滲吸效果。

(3) 4種烷基甜菜堿滲吸采出程度均符合指數(shù)函數(shù)公式，滿足歸一化采出程度模型，為今后滲吸劑在高溫、高礦化度、低滲透油田應(yīng)用提供了理論依據(jù)。