耐温耐盐乳状液驱替体系性能研究

李 实， 端祥刚， 侯吉瑞， 程婷婷， 俞宏伟， 徐海霞

（1.中国石油勘探开发研究院，北京100083；2.中国石油大学（北京）提高采收率研究院，北京102249；3.教育部油田开发重点实验室，北京102249；4.中国石油塔里木油田油气工程研究院，新疆库尔勒，841000）

如何进一步提高水驱后采收率，发展水驱后提高采收率的接替技术，已经成为提高采收率研究的重要课题。虽然聚合物驱油技术和泡沫驱油技术都已取得较多的研究成果，但是对于渗透率及温度、矿化度较高的油层，泡沫和聚合物受到自身强度及耐温耐盐性能的限制，体系控制流度的能力都具有一定程度的局限性。在这种情况下，采用合适的乳化剂将地下原油或成本较低的渣油乳化，形成具有耐温耐盐性能的乳状液驱油体系，成为一条可行性非常高的提高采收率技术［1］。

用乳状液对地层流体进行驱替，因乳化体系具有更高的黏度，同时乳状液会优先进入含水饱和度高的高渗层，可降低含水饱和度及高渗层水的流度，并可通过不同阶段不同距离的乳状液的黏度和相渗变化，实现流度控制和阻力调节，扩大波及面积，降低地层中的残余油含量，进而大幅提高原油的采收率［2－3］。匡佩琼［4］、康万利［5］、孙春柳等［6］对乳状液驱油效果都进行了深入的机理研究。但对于高温、高盐的油层，关于耐温耐盐乳状液驱油剂的研究却 不多。本文根据乳状液形成机理［7－9］，选取适当HLB值的乳化剂，使油水易于形成稳定的乳状液［10－12］，系统地评价乳状液稳定性和驱替效果，从而得到具有耐温、耐盐性能的乳状液驱油体系。

1 实验部分

1.1 实验仪器和试剂

Waring Blender搅拌器；Brookfield DV－II型黏度计（美国Brookfield公司）；纳米粒度及Zeta电位分析仪（美国Beckman Coulter公司）；恒速恒压泵、恒温箱、填砂管（江苏海安石油设备有限公司）；压力采集系统（昆仑海岸公司）。

河南稠油（90℃时黏度11mPa·s，密度0.88 g／cm3）；模拟地层水，矿化度为5 000mg／L；乳化剂7种（合成）（其中6－1－1、6－1－2、6－1－3为SPAN 系列，6－1－4为甘油单硬脂酸酯，6－1－5、6－1－6、6－1－7为脂肪酸多元醇酯）；四氯化碳等。

1.2 实验方法

研究表明，配制乳状液时，油水比例、配制温差以及转速都影响着乳状液的性能［9］。转速越高，形成的乳状液越稳定，乳化剂稳定效果显著提高。采用分段加入法和变转速搅拌法更有利于乳状液的稳定性。配制的过程中，温度对于乳化剂的乳化效果有一定的影响，尤其是油水混合时，如果水和油的温度差异太大，对乳状液的形成及稳定性产生一定的影响。所以在现场施工中要尽量降低温度差。

配制方法：在稠油中加少量煤油搅拌2min，以稀释稠油增加流动性，静置后加入预先放在恒温箱中的样品，倒入搅拌器中，以油水体积比为3∶7加入水，以6 000r／min搅拌5min，静置2min，再以4 000r／min搅拌3min；放入90℃恒温箱中观察试验现象；并检验乳状液类型。

1.3 实验分析方法

乳状液的稳定性一般用析水率（FV）和稳定性评分（SV）来衡量，SV值越大，乳状液的稳定性越好。计算公式如下：

式中：V1为定时间内析出水的体积，mL；V2为制备乳状液所加入的水体积，mL。Ki为加权系数，对应静置时间为10、20、30、40、50、60min，Ki分别取1～6，0＜SV＜21。

2 结果与讨论

2.1 乳化剂的选择

HLB法选取乳化剂适用于各类的表面活性剂，其原则是乳化系统所需要的HLB值尽可能与乳化剂的HLB值一致。HLB值越小，乳化剂的亲油能力越强，本研究筛选并合成了7种乳化剂。各乳化剂的HLB值在3.6～6.7，结果如表1所示。

表1 不同乳化剂的HLB值Table1 The HLB of emulsifier

实验先用单剂制备乳状液，测量不同时间的析水率，计算其稳定性评分，并对评分较高的体系测量表观黏度，初步筛选较好的乳化剂。实验数据如表2、3所示。

表2 不同乳状液的稳定性分析Table2 Analysis of emulsion stability

续表2

从表2中可以看出，不同的体系的乳状液的析水率基本上都随着乳化剂的质量分数的增加而降低，这是因为，随着乳化剂的增多，乳化剂分子在油水界面上的吸附量增多，排列整齐，形成的乳化液滴的油水界面膜厚度增大，强度变大，乳状液的稳定性增加，稳定性评分增加。当乳化剂质量分数增加到一定值（0.4%）时，乳化剂分子油水界面上吸附达到饱和，界面膜强度最大，析水率为0，乳状液最稳定。各乳状液最后都有少量浮油，是由于乳化不完全和部分破乳造成的，浮油量越少，说明乳化体系的稳定性越好。

由表3可知，对比优选的7组乳状液体系，乳化剂6－1－5、6－1－6、6－1－7在此温度下黏度较高，可以达到5 200～7 600mPa·s，在乳化剂质量分数为0.4%时，6－1－1、6－1－3、6－1－7基本上不析水，稳定性评分较高，稳定性能好，而且浮油量少，破乳现象不明显。综合考虑黏度和稳定性，初步筛选乳化剂6－1－7进行进一步的性能评价。

表3 不同乳状液90℃、6s－1下的黏度Table3 The viscosity of the emulsion at 90℃，6 s－1

2.2 油水乳化体系稳定性影响因素研究

2.2.1 温度 温度对原油乳状液的影响表现在随着温度的升高，乳状液的脱水率增加，黏度和稳定性降低。本实验在静态评价乳化剂体系时，就是筛选高温下（90℃）析水量少的乳化剂体系，优选的复配体系在高温恒温箱中测量的析水率为0，SV值接近21，具有较好的耐温稳定性能。实验使用zeta电位仪测量了不同温度下（45℃和65℃）的乳状液的粒度大小及分布，如图1所示。

图1 乳状液体系的粒度分布Fig.1 The particle size distribution of emulsion system

如图1所示，45℃时，形成的油包水乳状液粒度分布均匀，粒度直径在10～200μm，平均粒度直径为29μm。而随着温度的升高，乳状液的粒度分布变的不均匀，一部分乳液液滴发生聚并，颗粒直径增大，平均粒径为36μm。这是因为温度升高一方面增加了油相中乳化剂的溶解度，降低了界面膜强度；另一方面降低了乳状液的分子内聚力，使得分散水滴的热运动加强，降低油水界面黏度，从而降低稳定性。

2.2.2 矿化度 矿化度影响着乳化水的相对密度和乳化剂的作用效果，矿化度越高，对乳化剂的作用效果的抑制作用就越大，对乳状液的稳定性能产生影响。实验研究了乳化剂体系配制的乳状液体系在高温（90℃）下和不同矿化度（5 000～50 000mg／L）条件下的稳定性能实验，结果如图2所示。

由图2可知，随着矿化度的增加，该乳状液的析水量有所增加，但增幅不大，在50 000mg／L的矿化度时，析水量为8%。稳定性评分只是略微有所降低，说明该乳状液具有良好的抗盐性能，在高矿化度下能保持较好的稳定性。

图2 矿化度对乳状液稳定性的影响Fig.2 The influence of salinity on the stability of the emulsion

2.2.3 剪切速率 多种因素影响着乳状液的流变性，其中剪切速率对乳状液的表观黏度和乳状液流变行为具有较大影响。实验测量了90℃条件下，乳状液的黏度－剪切速率曲线，结果如图3所示。

图3 乳状液体系黏度随剪切速率的变化Fig.3 The relationship of emulsion viscosity and shear rate

实验结果显示，乳状液表现出了较显著的剪切变稀的非牛顿流体特性。该乳状液在高温下表现出了较高的黏度，当剪切速率较低时，黏度甚至大于10 000mPa·s，随着剪切速率的增加，体系的黏度降低，在6s－1时，黏度在8 000mPa·s左右。因此，在注入乳状液体系时，宜采取较低的注入速度，减少剪切作用造成的黏度损失，以保持较高的渗流阻力，取得较好的驱油效果。

2.3 乳化体系在地层中的阻力特性评价

为考察乳状液体系在多孔介质中的运移特性和封堵能力，实验采用多点测压的填砂管模型，模型长度为1m，直径为2.5cm，限于实验室条件的限制，实验温度为80℃。在模型全部饱和模拟地层水之后测量水相渗透率，然后注入乳状液体系，测量相同流速下的驱替压差，以渗流阻力因子表征乳状液降低岩心渗透率的能力。阻力因子R计算公式如下：

式中，Δp1为给定流量下水驱的平稳压差，kPa；Δp2为同样流量下乳状液驱的平稳压差，kPa。

如图4所示，注入黏度较高的乳状液体系，能够在较高渗透率的岩心中获得较大的驱替压差，相对于水驱压差而言，乳状液作为驱替相能够提高阻力因子几十到上百倍。在渗透率为6.5μm2的实验中，压力起伏变化较大，这是因为油包水乳状液的液滴在岩心中运移的过程中，在孔喉处产生堆积，对后续注入液体产生封堵作用，表现为压力升高。随着压力升高，当后续流体对颗粒形成的堵塞形成突破时，注入压力随之降低。这种颗粒不断堆积与被突破的过程，使得注入压力起伏不定。

图4 乳状液渗流阻力倍数Fig.4 Emulsion flow resistance ratio

其次，乳状液的颗粒大小对乳状液的渗流阻力有较大影响。当液滴的尺寸小于岩心的孔喉半径时，乳状液的液滴很容易通过岩心的孔喉，形成卡堵的几率较小，表现为无法形成较大的渗流阻力。但是，当液滴的颗粒远大于孔喉半径时，也同样无法取得较好的效果，这是因为乳状液是非牛顿流体，对于剪切作用相当敏感，从上述的剪切速率与黏度曲线也可以看出这一点。乳状液的不稳定性使得液滴在通过小的孔喉时破碎通过，无法在岩心深部再形成有效的压力梯度［10］。图4中，渗透率高的岩心的阻力因子反而高的原因也正是如此。该乳状液平均粒径较大，在渗透率偏低的岩心注入时，剪切严重，大部分压力损失都在岩心的注入端附近，后续注入对压力升幅效果不太明显，而渗透率高的岩心则随着注入量的增加压力持续增加。

实验结果表明，在高温、高盐、高渗的实验条件下，乳状液体系能够保持较高的渗流阻力，因此在驱替的过程中，乳状液能够优先进入含水饱和度高的高渗层，可降低含水饱和度及高渗层水的流度，降低地层中的残余油含量，进而大幅提高原油的采收率。

3 结论

（1）为研究具有耐温耐盐性能的驱替体系，实验选取HLB值在3.6～4.3的乳化剂，制备出符合耐温耐盐要求的W／O型乳状液。

（2）静态测试结果表明，乳状液能够在高温和高盐的条件下能够保持较高的表观黏度和较好的稳定性。随着矿化度增加到50 000mg／L，乳状液的稳定性评分只是略微有所降低，剪切速率对乳状液黏度影响较大。

（3）乳化体系在地层中的阻力因子较水驱能够提高上百倍，使得该乳状液在较高的渗透率条件下能够保持较好的驱替效果。而且乳状液滴与孔喉的匹配性以及注入速度等因素在很大程度上决定了乳状液的驱油效果。

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