甜菜碱类低界面张力泡沫驱油体系性能研究

2014-04-23孙建峰郭东红崔晓东辛浩川

石油钻采工艺 2014年3期

孙建峰郭东红崔晓东辛浩川

（中国石油勘探开发研究院油田化学研究所，北京 100083）

提高采收率的方法包括以下两个方面：一是通过改善流度比提高波及系数，二是通过降低界面张力提高驱油效率。为提高采收率， Fried和Holbrook［1-2］首次提出了采用泡沫剂作为采油助剂：泡沫剂能改善流度比，增大高渗层流动阻力，发挥低渗层作用；具有油水选择性，堵水不堵油；同时，泡沫剂作为优良的活性剂，能降低油水界面张力，提高洗油效率［3］。之后，人们对泡沫剂开展了大量研究，泡沫剂在高温泡沫驱油、调剖堵水、压裂及钻井作业中得到广泛应用［4-5］。目前，泡沫驱油技术已经逐步发展为复合泡沫驱油技术，如三元复合驱加氮气先导矿场试验等［6］。针对中低渗油藏的剩余油呈非均质化分布、高渗透油藏的剩余油分布较复杂这两种情况，现有泡沫驱油技术能发挥泡沫剂体系的调剖作用，但不能与原油形成较低界面张力，洗油效果较差，或者即使洗油效果较好但未充分发挥泡沫的调剖作用［7-8］，因此，研制新的低界面张力泡沫驱油体系，使之起到较好的调剖封堵作用和洗油作用［9-10］，对于高含水老油田提高采收率具有十分重要的意义。

甜菜碱类表面活性剂属于两性表面活性剂，既含有阴离子基团又含有阳离子基团，不仅具有较好的发泡性能［11］，同时在较宽的pH值范围内具有良好的界面活性，其界面张力对碱依赖性较小；此外甜菜碱类表面活性剂具有优良的复配性能［12］。为此，以合成甜菜碱类表面活性剂为主剂，复配以阴离子表面活性剂，开展了低界面张力泡沫驱油体系研究，并以大港原油配制模拟油对其泡沫性能、界面活性以及驱油效率进行了测试。

1 实验物品和实验方法

1.1 实验物品准备

1.1.1 试剂与仪器实验室自制系列烷基酰胺丙基羟丙基磺基甜菜碱；十二烷基硫酸钠（SDS），化学纯，国药集团化学试剂有限公司提供；十二烷基二甲基甜菜碱（BS12）、十二烷基羟磺基甜菜碱（LHS）、双酯基磺丙基甜菜碱（LH2），上海德俊化工有限公司提供；C16α-烯烃磺酸钠（AOS16），西安南风化工集团提供；椰子油脂肪酸二乙醇酰胺（6501），江苏海安石油化工厂提供；大港油田马西脱水脱气原油，原油密度0.887 8 g/cm3，大港油田采油院提供；大港油田马西地层水，大港油田采油院提供。

TX-500C型旋转滴界面张力仪，美国CNG公司提供；WARING 34BL99型搅拌器，美国WARING公司提供；化学剂泡沫驱替实验装置，江苏海安石油仪器有限公司提供。

1.1.2 模拟地层水的配制分别称取3.000 g、5.000 g、8.000 g氯化钠和总量为0.600 g的氯化钙和氯化镁，加适量蒸馏水溶解并移至1 L的容量瓶中，加蒸馏水至容量瓶刻度线，配成3.000 g/L、5.000 g/L、8.000 g/L矿化度的模拟地层水备用。

1.1.3 系列烷基酰胺丙基羟丙基磺基甜菜碱的合成将同摩尔比例的亚硫酸氢钠加入到环氧氯丙烷中制备3-氯-2-羟基丙磺酸钠，在250 m L三口烧瓶中，加入0.13 mol烷基酰胺二甲基叔胺和50 m L无水乙醇，搅拌，升温至回流，然后滴加30 m L 含有0.10 mol的3-氯-2-羟基丙磺酸钠水溶液，反应的pH值维持在8～9，用铬酸钾指示剂监测反应终点。反应结束后，脱除溶剂，得到产品。根据烷基碳链的长度，得到系列产品十二烷基酰胺丙基羟丙基磺基甜菜碱（N12）、十四烷基酰胺丙基羟丙基磺基甜菜碱（N14）和十六烷基酰胺丙基羟丙基磺基甜菜碱（N16）。

1.2 实验方法

1.2.1 油水界面张力测试方法用TX-500C型旋转滴界面张力仪测定低张力泡沫驱油体系的油水界面张力性能，油水界面张力值随时间变化，每个试样的测定时间为2 h，记录平衡界面张力值。根据油水地层温度，体系界面张力的测试温度选取65 ℃。

1.2.2 泡沫性能测试方法配制100 m L系列质量分数的待测水溶液，利用WARING 34BL99搅拌器搅拌1 m in，转速5 000 r/m in，将泡沫倒入1 000 m L量筒计量体积，作为体系的发泡体积，同时开始计时，当液体析出50 m L时所耗费时间为析液半衰期。

1.2.3 驱替实验步骤低界面张力泡沫驱油体系驱替物理模拟实验采用单管岩心驱替模型，岩心为人造岩心，平均直径2.5 cm，平均长度10 cm。实验用水为大港油田马西地层水，实验用油为大港油田马西原油和煤油的复配模拟油（原油 ∶ 煤油=1∶4 （体积比））。实验温度为65 ℃，注入速度为 0.5 m L/min。具体实验步骤如下：（1）抽空岩心24 h，用模拟地层水饱和岩心，测定岩心的孔隙体积和孔隙度；（2）65 ℃下，模拟油饱和岩心，注入量为2.0 PV，计算原油饱和度；（3）地层水驱至含水 98%，计算水驱采收率；（4）低界面张力泡沫驱，注入0.5 PV，至含水98%，计算采收率。

2 低界面张力泡沫驱油体系的制备与性能评价

低界面张力泡沫驱油体系的泡沫性能和界面张力值必须满足一定的要求，才能兼具调剖和洗油效果。笔者认为起始发泡体积要达到溶液体积的4～5倍（搅拌法），界面张力值达到10–2mN/m数量级的较低水平情况下，低界面张力泡沫驱油体系才可能具有较好的提高采收率效果。

2.1 低界面张力泡沫驱油体系主剂筛选

将合成的表面活性剂用模拟矿化水配制成0.5%的溶液，常温下考查其起泡性能、稳泡性能和油水界面张力性能，以便筛选低界面张力泡沫驱油体系的主剂，结果见表1。

表1 系列甜菜碱的界面张力和泡沫性能

从表1看出，对于系列甜菜碱表面活性剂，随着碳链的增长，其泡沫性能越来越差。其中，N12的发泡性能最好，稳泡时间最长；N14 和N16的泡沫性能较差，析液半衰期较短。在矿化度3 000 mg/L到8 000 mg/L的范围内，N12、N14和N16起始发泡体积和界面张力值变化不大，说明系列泡沫剂具有一定的抗盐性能。

从表1还可以看出，N16的油水界面张力性能最好，能达到10–2mN/m的较低水平；N14的油水界面张力也能达到10–2mN/m水平，N12的油水界面张力较高。随着碳链的增长，表面活性剂的界面活性越来越好，泡沫性能越来越差，综合界面张力性能和泡沫性能，N14适宜作为低张力泡沫驱油体系的主剂。

2.2 低界面张力泡沫驱油体系制备

首先用矿化度3 000 mg/L到8 000 mg/L的模拟水配制0.5%的N14溶液，添加质量分数为0.2%的不同类型表面活性剂 BS12、LHS、LH2、AOS16、6501、SDS，针对大港油田马西地层原油，考察不同配方体系的界面张力性能和泡沫性能，结果如表2所示。

从表2中可以看出，添加LH2时，配方体系的泡沫体积最高，达到370 m L，但析液半衰期时间较短。添加SDS时，配方体系的泡沫体积达到350 m L，析液半衰期时间最长，达到406 s，界面张力值达到10–2mN/m的较低水平，基本接近对低张力泡沫驱油体系性能的要求，因此确定低界面张力泡沫驱油体系的配方体系为：十四烷基酰胺丙基羟丙基磺基甜菜碱（N14）与十二烷基硫酸钠（SDS）的复配体系。

表2 0.5%N14与不同表面活性剂复配体系的泡沫性能和界面张力性能

2.3 低界面张力泡沫驱油体系的发泡性能

把上述低张力泡沫驱油配方体系应用于大港油田马西地层原油和污水，考察了0.5%的N14主剂加入不同浓度的SDS的情况下体系的泡沫性能和界面张力性能，结果如表3所示。

表3 0.5%N14与SDS复配体系的泡沫性能和界面张力性能

从表3可以看出，随着SDS含量的增加，体系的发泡量逐渐增大，析液半衰期也逐渐增大，但体系的界面张力逐渐升高即界面活性逐步下降，因此，体系的泡沫性能和界面活性呈负相关性。其中，当SDS含量在0.22%～0.25%范围内，体系的发泡量能达到4～5倍，体系的平衡界面张力值达到10–2mN/m的较低水平，能够满足低张力泡沫驱油体系的性能要求。

2.4 室内岩心驱替实验

选择具有如下3种特征的驱油体系开展室内岩心驱替实验：（1）界面张力数值较低，发泡性能较差的体系，即近似于单纯的低界面张力驱油体系（0.5%N14+0.15%SDS）；（2）界面张力数值较高，发泡性能较好的体系，即近似于单纯的泡沫驱油体系（0.5%N14+0.27%SDS）；（3）界面张力较低、发泡性能较好的体系，即近似于低界面张力泡沫驱油体系（0.5%N14+0.23%SDS）。驱替实验结果如表4所示。

从表4可以看出，界面张力较低、发泡性能较好的体系3的驱油效率达到12.6%，明显好于单纯的低界面张力驱油体系1和单纯的泡沫驱油体系2的驱油效率，表明低张力泡沫驱油体系3是通过提高波及系数和洗油效率的双重作用，达到提高驱油效率的效果。