強(qiáng)化泡沫驅(qū)采出液破乳影響因素分析

劉小軍

中國(guó)石油吐哈油田分公司工程技術(shù)研究院，新疆 哈密 839000

泡沫流體在地層中“遇水封堵、遇油消泡”，可以對(duì)氣竄、水竄起到良好封堵作用，在擴(kuò)大波及體積的同時(shí)提高了洗油效率，因此泡沫驅(qū)已成為油氣田提高采收率的一項(xiàng)重要的三次采油技術(shù)，被應(yīng)用于低滲、稠油等油藏的開發(fā)［1］。但是，由于受地層中溫度、礦化度、非均質(zhì)程度等因素影響，泡沫穩(wěn)定性下降，封堵能力變差，目前改善泡沫驅(qū)效果的主要方法是采用強(qiáng)化泡沫體系或復(fù)合泡沫體系［2-3］。強(qiáng)化泡沫體系主要是通過向泡沫體系中加入穩(wěn)泡劑，如納米顆粒［4］、納米微球［5］和聚合物［6］等，通過提高泡沫的液膜強(qiáng)度、液膜黏度等減緩泡沫的排液速度，提高泡沫的穩(wěn)定性，其中，聚合物型穩(wěn)泡劑材料易得、成本低、工藝簡(jiǎn)便從而備受關(guān)注。與二元復(fù)合驅(qū)、三元復(fù)合驅(qū)類似，聚合物型強(qiáng)化泡沫驅(qū)同樣面臨采出液破乳問題的挑戰(zhàn)，由于注入工藝、封堵及驅(qū)油機(jī)制、運(yùn)移過程等更為復(fù)雜，導(dǎo)致其破乳問題比前兩者更為困難。目前的研究多集中于強(qiáng)化泡沫驅(qū)體系優(yōu)化、機(jī)制研究等方面，而對(duì)于稠油油藏強(qiáng)化泡沫驅(qū)采出液破乳問題報(bào)道很少。本文針對(duì)西部某稠油油藏強(qiáng)化泡沫驅(qū)采出液導(dǎo)致聯(lián)合站內(nèi)的破乳脫水時(shí)間長(zhǎng)、脫水效率低等問題，對(duì)不同因素影響破乳脫水效果進(jìn)行分析和探討，為聯(lián)合站破乳工藝的改進(jìn)以及泡沫體系配方優(yōu)化提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)藥劑及儀器

破乳劑XHY-THB（工業(yè)級(jí)）、泡沫劑XHYTHF（工業(yè)級(jí)），成都華陽(yáng)興華化工有限公司；穩(wěn)泡劑（改性聚合物、工業(yè)級(jí)），天津博弘石油化工有限公司；強(qiáng)化泡沫驅(qū)采出液原油（含水率＜0.5%）、模擬地層水，現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)合站，其礦物組成如表1所示。

表1 模擬地層水礦物組成 mg/L

HH-S4 型數(shù)顯恒溫水浴鍋，愛來寶醫(yī)療科技有限公司；800 G Waring 攪拌器，北京泰亞賽?？萍及l(fā)展有限責(zé)任公司；BS423S 型電子天平，德國(guó)賽多利斯集團(tuán)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 模擬乳狀液制備

參照石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5281—2000 及相關(guān)文獻(xiàn)［7-8］，采用高速攪拌法配制模擬乳狀液。首先，配制含有一定濃度泡沫劑和聚合物的混合溶液，混合液和原油分別在50 ℃下預(yù)熱10 min。然后，將預(yù)熱好的原油迅速轉(zhuǎn)移至預(yù)熱好的攪拌杯中，按體積比6∶4，在3 500 r/min 轉(zhuǎn)速下緩慢加入預(yù)熱好的混合液，繼續(xù)攪拌乳化10 min，得到含水率為40%的原油乳狀液。經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)：該乳狀液穩(wěn)定，在50 ℃下放置一段時(shí)間無(wú)游離水析出。

1.2.2 破乳脫水實(shí)驗(yàn)

參照石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5281—2000 的瓶試法，向100 mL 的具塞試管中加入60 mL 模擬乳狀液，將具塞試管放在50 ℃恒溫水浴中恒溫10 min，用加樣器注入一定濃度的破乳劑溶液繼續(xù)恒溫5 min，然后水平勻速同幅度振蕩200 次后放入50 ℃恒溫水浴中靜置觀察。每隔一段時(shí)間記錄脫出水體積，計(jì)算脫水率，并記錄脫出水清潔度、油水界面整齊度。

2 結(jié)果與討論

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)化泡沫驅(qū)采出液檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，其泡沫劑用量約為400 mg/L，穩(wěn)泡劑聚合物用量約為400 mg/L。為保證現(xiàn)有處理工藝流程經(jīng)濟(jì)、高效運(yùn)行，聯(lián)合站要求50 ℃下、破乳劑為200 mg/L 時(shí)1 h的脫水率達(dá)到80%。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行參數(shù)要求，以泡沫劑用量（質(zhì)量濃度，下同）400 mg/L、聚合物用量400 mg/L、破乳劑用量200 mg/L 為基本實(shí)驗(yàn)條件，分別調(diào)節(jié)破乳劑用量、泡沫劑用量、聚合物用量，考察1 h時(shí)各因素對(duì)破乳脫水效果的影響。

2.1 破乳劑用量對(duì)破乳效果的影響

固定泡沫劑用量為400 mg/L，聚合物用量為400 mg/L，考察不同破乳劑用量對(duì)破乳效果的影響，結(jié)果如表2和圖1所示。

表2 不同破乳劑用量1 h時(shí)破乳效果

圖1 破乳劑用量對(duì)脫水率的影響

由表2和圖1可知：隨著破乳劑用量的增加，1 h 時(shí)的脫水率逐漸增加。當(dāng)破乳劑用量為200 mg/L 時(shí)，1 h 時(shí)的脫水率僅63.3%，遠(yuǎn)低于80%；當(dāng)破乳劑用量超過500 mg/L 時(shí)，脫水程度明顯增加，接近80%，且脫出水均清澈透明，然而油水界面則隨著脫水程度的增加而逐漸趨向不整齊。這是因?yàn)楫?dāng)破乳劑用量較低時(shí)，破乳劑分子在乳液油水界面處吸附量較少，隨著濃度逐漸增加并接近臨界膠束濃度（CMC）時(shí)，其在界面處吸附達(dá)到飽和，對(duì)泡沫劑、聚合物等乳化成分的頂替、競(jìng)爭(zhēng)作用明顯增強(qiáng)，從而顯著提高破乳效果。

2.2 泡沫劑用量對(duì)破乳效果的影響

固定破乳劑用量為200 mg/L，聚合物用量為400 mg/L，考察不同泡沫劑用量對(duì)破乳效果的影響，結(jié)果如圖2和表3所示。

圖2 泡沫劑用量對(duì)脫水率的影響

表3 不同泡沫劑用量1 h時(shí)破乳效果

由圖2和表3可知：隨著泡沫劑用量的增加，1 h 時(shí)的脫水率急劇降低。當(dāng)泡沫劑用量為300～400 mg/L 時(shí)，1 h 時(shí)的脫水率為63.3%～65.1%，遠(yuǎn)低于80%。破乳劑用量為200 mg/L時(shí)要求泡沫劑含量不得大于300 mg/L。這是因?yàn)殡S著泡沫劑用量的增加，泡沫劑在油水界面層的數(shù)量增多，分子排列更加緊密，在降低界面張力的同時(shí)使界面膜強(qiáng)度增加，從而使乳狀液更加穩(wěn)定，同時(shí)，聚合物與起泡劑具有協(xié)同作用，進(jìn)一步提高了乳液界面膜的強(qiáng)度［9］，增加了破乳難度。最終發(fā)現(xiàn)，脫出水均透明清澈，油水界面整齊，基本不受泡沫劑濃度影響。

2.3 穩(wěn)泡劑聚合物用量對(duì)破乳效果的影響

固定破乳劑用量為200 mg/L，泡沫劑用量為400 mg/L，考察不同聚合物用量對(duì)乳液脫水率影響，結(jié)果如圖3和表4所示。

圖3 聚合物用量對(duì)脫水率的影響

由圖3和表4可知：隨著聚合物用量增加，破乳后的脫水率顯著下降。當(dāng)聚合物用量為300～400 mg/L 時(shí)，1 h 時(shí)的脫水率僅為63.3%～66.9%，由此可見，聚合物用量的多少同樣會(huì)嚴(yán)重影響破乳后的脫水率。破乳劑用量為200 mg/L 時(shí)，要求聚合物的用量低于300 mg/L。這是因?yàn)樗苄跃酆衔镆环矫婵梢栽谟退缑孢M(jìn)行吸附和沉積，導(dǎo)致界面膜的厚度和強(qiáng)度增加，從而降低了界面自由能，阻止乳液聚并；另一方面增加聚合物用量會(huì)增加乳液黏度，使乳液液滴粒徑減小，進(jìn)而增加乳液穩(wěn)定性［10-11］。最終發(fā)現(xiàn)，脫出水均清澈透明、油水界面整齊，不受聚合物濃度影響。

在泡沫劑和聚合物對(duì)脫水效果影響評(píng)價(jià)分析基礎(chǔ)上，采用數(shù)據(jù)擬合方法，以脫水速率常數(shù)為參考，進(jìn)一步分析泡沫劑、聚合物對(duì)脫水速率的影響。參照文獻(xiàn)［12］，乳狀液的脫水速率方程表達(dá)為式（1），以Xf1-n-（Xf-X）1-n為縱坐標(biāo)、（t-td）為橫坐標(biāo)，擬合得到一條經(jīng)過原點(diǎn)的直線，將直線的斜率與1-n的比值定義為脫水速率常數(shù)kh，見式（2）。

式中：X為某一時(shí)刻脫水率，t為脫水時(shí)間，kd為直線的斜率，Xf為最大脫水率，n為反應(yīng)級(jí)數(shù)（取0.4），td為脫水延遲時(shí)間。

以破乳劑用量200 mg/L、泡沫劑用量400 mg/L、聚合物不同用量時(shí)脫水速率常數(shù)的擬合計(jì)算為例進(jìn)行說明，將圖3數(shù)據(jù)代入式（1）進(jìn)行擬合，擬合直線如圖4所示，參數(shù)取值、擬合結(jié)果及脫水速率常數(shù)如表5所示。

圖4 聚合物不同用量時(shí)脫水速率擬合直線

表5 曲線擬合參數(shù)、擬合結(jié)果及脫水速率常數(shù)

2.4 泡沫劑用量和破乳劑用量對(duì)脫水速率的影響

泡沫劑用量和破乳劑用量對(duì)脫水速率常數(shù)的影響曲線如圖5所示。由圖5可知：泡沫劑用量相同時(shí)，破乳劑用量越高，其脫水速率常數(shù)越大。隨著泡沫劑用量增加，添加不同用量的破乳劑時(shí)，其脫水速率常數(shù)均呈減小趨勢(shì)。泡沫劑在降低破乳程度的同時(shí)降低了破乳速度，泡沫劑用量為400 mg/L 時(shí)的脫水速率常數(shù)比300 mg/L 時(shí)的下降6%～11%，但是當(dāng)泡沫劑用量超過400 mg/L 后脫水速率常數(shù)急劇下降。

圖5 泡沫劑用量和破乳劑用量對(duì)脫水速率常數(shù)的影響

2.5 穩(wěn)泡劑聚合物用量和破乳劑用量對(duì)脫水速率的影響

穩(wěn)泡劑聚合物用量對(duì)脫水速率常數(shù)的影響曲線如圖6所示。由圖6可知：聚合物用量相同時(shí)，破乳劑用量越高，其脫水速率常數(shù)越大；隨著聚合物用量增加，添加不同用量的破乳劑時(shí)，其脫水速率常數(shù)均減小，因?yàn)榫酆衔镌诮档推迫槌潭葧r(shí)也降低了破乳速度，與泡沫劑用量對(duì)脫水速率常數(shù)的規(guī)律相同；穩(wěn)泡劑聚合物用量為400 mg/L 時(shí)脫水速率常數(shù)比300 mg/L 時(shí)下降8%～14%，而穩(wěn)泡劑聚合物用量大于400 mg/L后脫水速率常數(shù)下降趨勢(shì)更加明顯。

圖6 穩(wěn)泡劑聚合物用量對(duì)脫水速率常數(shù)的影響

3 結(jié)論

1）隨著破乳劑用量增加，脫水率和脫水速率常數(shù)逐漸提高，有利于改善脫水效果；而隨著聚合物、泡沫劑濃度增加，脫水率和脫水速率常數(shù)均呈下降趨勢(shì)，破乳效果變差。

2）當(dāng)破乳劑用量200 mg/L 時(shí)，泡沫劑和聚合物適宜用量應(yīng)低于300 mg/L。當(dāng)兩者的用量達(dá)到400 mg/L 時(shí)，200 mg/L 破乳劑的脫水率僅有63.3%，且脫水速率常數(shù)下降6%～14%，此時(shí)破乳劑加量需500 mg/L 才能滿足現(xiàn)場(chǎng)脫水要求。

3）為提高現(xiàn)場(chǎng)脫水程度和脫水效率，同時(shí)降低成本，一方面需要針對(duì)特定油藏條件下的強(qiáng)化泡沫驅(qū)采出液開展乳化及穩(wěn)定機(jī)制的分析研究，設(shè)計(jì)研發(fā)更加經(jīng)濟(jì)高效、有針對(duì)性的破乳劑體系；另一方面需進(jìn)一步優(yōu)化注入端強(qiáng)化泡沫配方，將采出液泡沫劑和穩(wěn)泡劑聚合物用量控制在300 mg/L以內(nèi)，降低采出液乳化程度及乳液穩(wěn)定性。