低界面张力泡沫驱油剂的制备及其性能

余 婷，杨 旭，董雅杰，吴小玲，郭 丽，闫 秀

（1. 西南石油大学 化学化工学院，四川 成都 610500；2. 西南石油大学 国家重点实验室，四川 成都 610500；3. 页岩气开采技术服务公司，湖北 武汉 430223）

低界面张力泡沫驱油剂的制备及其性能

余 婷1，杨 旭1，董雅杰1，吴小玲2，郭 丽1，闫 秀3

（1. 西南石油大学 化学化工学院，四川 成都 610500；2. 西南石油大学 国家重点实验室，四川 成都 610500；3. 页岩气开采技术服务公司，湖北 武汉 430223）

采用Ross-Miles法，以脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠、十二烷基二甲基甜菜碱和阳离子聚丙烯酰胺为原料得到泡沫体系CX35，再将CX35与表面活性剂复配得到了泡沫驱油剂ZX35。利用泡沫仪、界面张力仪和岩心驱替装置考察了ZX35的性能。实验结果表明，当m（CX35）∶m（石油磺酸盐）∶m（甘油）=1.0∶0. 7∶0. 3时，ZX35具有良好的起泡性能和低界面张力，起泡高度可达95 mm以上，稳泡能力达到0.946。ZX35具有较好的耐温、耐盐、耐油性能，当溶液矿化度为8×104mg/L时，ZX35的泡沫高度为103.3 mm，稳泡性能仍大于0.950。在15 d内，ZX35具有较强的界面活性。当ZX35含量为0.3%（w）时，驱油效果最突出，比水驱提高采收率17.52百分点。

泡沫驱油剂；低界面张力；起泡性能；Ross-Miles法；三次采油

泡沫驱油是在三元复合驱基础上发展起来的一种驱油方法，是目前应用较广泛的三采技术。我国多数油田已进入开发后期，各种矛盾日益凸显。泡沫有良好的封堵性和对油水的选择性，可提高波及效率，选择性降低油藏中的气体渗透率，调节流度比，提高驱油效率［1］。泡沫还有很好的洗油能力，因为起泡剂的强表面活性可显著降低油水界面张力，改善岩石润湿性，将束缚油通过油水乳化、液膜置换等方式与水互溶为一相。但对传统泡沫驱油剂的研究只单方面关注了其起泡性能，而忽视了油水界面张力对泡沫驱油剂的影响，且泡沫驱油剂的耐温耐盐能力较差。与常规驱油剂相比，低界面张力驱油剂有更强的乳化能力，能将残余油有效驱出；低界面张力泡沫体系能在孔道中维持较高的渗透阻力，也能更有效地抑制气窜［2］。与超低界面张力驱油剂相比，低界面张力泡沫驱油剂的界面张力对采出液的分离更有利，可节约分离成本。因此，低界面张力泡沫驱是扩大波及体积和提高洗油效率的可行方法，也是泡沫驱发展的主要趋势。单一表面活性剂难以达到多种性能要求，因此可将多种表面活性剂复配以提高驱油剂的起泡性能和驱油效率［3-4］。

本工作采用Ross-Miles法，以脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠（AES）、十二烷基二甲基甜菜碱和阳离子聚丙烯酰胺（CPAM）为原料得到泡沫体系CX35，再将CX35与表面活性剂复配得到了具有高起泡性能和低界面张力的泡沫驱油剂ZX35。利用泡沫仪、界面张力仪和岩心驱替装置考察了ZX35的乳化性、耐油、耐温、耐盐、老化稳定能及驱油性能。

1 实验部分

1.1 主要试剂

石油磺酸盐：化学纯，济南弗兰德化工有限公司；AES、十二烷基二甲基甜菜碱、α-烯烃磺酸盐（AOS）、石油磺酸盐、甘油：分析纯，成都科龙化工试剂厂；CPAM：相对分子质量1.5×107、阳离子度10%，台前县恒大化工有限公司。长庆油田模拟地层水组成为CaCl2，NaCl，MgCl2，含量分别为0.82×104，7.07×104，0.35×104mg/L，总矿化度为8.24 ×104mg/L。

1.2 仪器

2151型罗氏泡沫仪、SYG-512Y型罗氏泡沫仪专用水浴锅：上海隆拓仪器设备有限公司； XEDSPJ型旋转滴界面张力仪：上海梭伦信息科技有限公司；DYQ-2型多功能岩心驱替装置：成都岩心科技有限公司。

1.3 泡沫体系的筛选

采用Ross-Miles法［5］筛选出起泡性能突出的起泡剂进行复配，再与稳泡剂复配，以起泡能力和泡沫稳定性为筛选指标，最终确定了泡沫体系为：35%（w）AES+2%（w）十二烷基二甲基甜菜碱+0.5%（w）CPAM，此时泡高为103.7 mm，稳泡性能为0.967，该体系记为CX35。

1.4 泡沫驱油剂的制备

将表面活性剂与CX35复配，在室温下用旋转滴界面张力仪测定各复配体系与长庆油田脱水脱气原油的界面张力。以起泡性能和油水界面张力为筛选指标，最终确定了具有良好起泡性能、低界面张力的泡沫驱油剂，记为ZX35。

1.5 性能评价

向10 mL有塞刻度试管加入5 mL不同浓度的ZX35，再加入长庆油田脱水原油5 mL，密封后放在90 ℃水浴中恒温20 min，随后将试管上下振荡200次后垂直放入90 ℃恒温水浴中，开始计时，每隔一段时间记录试管中分出的水的体积，考察乳液稳定性［6］。

向0.3%（w）的ZX35溶液中加入不同浓度的原油，用Ross-Miles法在常温下测定泡沫性能，考察其抗油性能。用罗氏泡沫仪专用水浴锅将0.3%（w）的ZX35放在不同温度下恒温20 min后，用Ross-Miles法测泡沫性能，考察耐温性能。用Ross-Miles法，在常温下测定0.3%（w）的ZX35在不同矿化度下的泡沫性能，考察耐盐性能。

用模拟水配置200 mL 0.3%（w）的ZX35，放在烘箱中于90 ℃下老化，用Ross-Miles法测定不同老化时间下驱油剂的泡沫性能，判定老化时间对驱油剂的影响。

1.6 室内物理模拟驱油实验

选用参数相近的岩心，在油藏条件（90 ℃，13 MPa）下，采用气液共注法（气液比1∶1）注入，用模拟水和空气进行实验，评价不同浓度的ZX35的驱油效果。先用模拟地层水饱和岩心，测出岩心渗透率；再饱和长庆油田原油，以1 mL/min的速率进行水驱，当含水率达到98%，注入驱油体系后，后续水驱到含水率达98%，计算采收率。

2 结果与讨论

2.1 表面活性剂的界面张力

分子链短、支化度低的表面活性剂在气液界面形成的泡沫更稳定；而分子链较长、支化度较高、和油有一定相似度的表面活性剂在油水界面形成的泡沫张力则较低。单一表面活性剂很难同时满足上述两种界面对表面活性剂的要求［7］。表面活性剂改性或互配是解决上述问题的主要研究方向。考虑到表面活性剂改性耗时巨大且工作繁琐，本工作采用表面活性剂复配的方法降低界面张力。

CX35虽具有降低油水界面张力的能力，但加入CX35后，油水界面张力仍大于10-1mN/m数量级。离子型表面活性剂与醇混合可降低油水界面张力［8］，但醇会影响驱油剂的起泡性能。不同复配体系的油水界面张力见表1。由表1可看出，石油磺酸盐降低界面张力的效果尤为突出。这是因为，石油磺酸盐含苯环及类苯结构，且苯环上有疏水碳链，与原油中的沥青质和芳烃等物质结构相似，故石油磺酸盐易吸附在油水界面上从而降低油水界面张力。同时，石油磺酸盐还可提高驱油剂在空隙中的洗油效率，也可通过乳液产生的阻力提高驱油剂的波及效率［9］。在m（CX35）∶m（石油磺酸盐）∶m（甘油）=1∶0. 7∶0. 3的条件下得到的ZX35的起泡高度可达到95 mm以上，稳泡能力达到0.946。

表1 不同复配体系的油水界面张力Table 1 Oil-water interfacial tensions of diferent compound systems

2.2 性能评价

2.2.1 乳化能力

表面活性剂与原油发生乳化，然后通过乳化捕集与乳化携带将原油驱出。但过低的油水界面张力和过强的乳化能力会导致采出液分离较难，处理成本高；乳化能力太差则不能有效驱出残余油。ZX35与原油形成乳液后，ZX35含量对乳液析水率的影响见图1。从图1可看出，当ZX35含量（w）为0.30%～0.50%时，乳液稳定，在60 min内未出现破乳，但6 d后析水率可近99%，基本完全破乳；当ZX35含量（w）为0.05%，0.10%，0.20%，0.60%时乳液稳定性差，20 min左右开始破乳。这是因为乳液的稳定性与界面膜强度有关：当驱油剂含量偏低时，吸附在界面上的分子少，膜强度低，乳液稳定性差；当驱油剂含量过高时，胶束会对界面膜产生负面影响［10］。因此ZX35含量（w）为0.30%～0.50%时原油的乳化效果最佳。

图1 ZX35含量对乳液析水率的影响Fig.1 Efects of ZX35 content on the segregation rate of emulsions.Test conditions：90 ℃，vibrating 200 times.ZX35 content(w)/%：■ 0.05；● 0.10；▲ 0.20；▼ 0.30；◆ 0.40；○ 0.50；□ 0.60

2.2.2 耐油性能

泡沫遇水稳定，遇油消泡。因为水气界面张力远大于油水界面张力，故泡沫遇水后，水气界面张力下降、油水界面张力增大，泡沫最终消泡。原油含量对ZX35起泡性能的影响见表2。从表2可看出，随原油含量的增大，ZX35的泡沫高度和稳定性呈先下降后趋于稳定的趋势。这是由于ZX35为泡沫体系，原油含量达到一定浓度后，原油在泡沫表面不发生分散，使泡沫保持稳定［11］。因此，与传统驱油剂相比，ZX35有较好的耐油性能。

表2 原油含量对ZX35起泡性能的影响Table 2 Efects of oil content on the foaming properties of ZX35

2.2.3 耐温性能

温度对ZX35起泡性能的影响见表3。从表3可看出，随温度的升高，ZX35的泡沫高度急剧上升。因为在一定温度范围内，随温度的升高，溶液膨胀，起泡剂分子间距增大，同时动能增加，分子易摆脱水的束缚上升到液面，即溶液表面的起泡剂分子数目增多，表面张力下降，起泡体积增大［12］。但泡沫的稳定性随温度的上升逐渐下降，当温度达90 ℃时，泡沫稳定系数小于0.8。这是由于温度升高使液膜水分蒸发加剧，排液速率加快，最终液膜变薄至破裂。但ZX35的起泡体积和稳定性总体上满足长庆油田对驱油剂耐温性的要求。

表3 温度对ZX35起泡性能的影响Table 3 Efects of temperature on the foaming properties of ZX35

2.2.4 耐盐性能

矿化度对ZX35起泡性能的影响见表4。从表4可看出，随矿化度的增大，ZX35的起泡高度逐渐下降，说明盐有消泡功能。这是因为，虽然非离子表面活性剂耐硬水性强，不受酸、碱、盐的影响，但ZX35的溶解度随溶液中盐含量的增大而下降，故起泡性能有所下降。但当溶液矿化度为8×104mg/L时，ZX35的泡沫高度为103.3 mm，稳泡性能仍大于0.950，说明ZX35有较好的耐盐性能。因为ZX35中存在电解质，电荷间的相互排斥作用可防止液膜变薄，从而增强了液膜强度，使泡沫具有较强的稳定性。

表4 矿化度对ZX35起泡性能的影响Table 4 Efects of salinity on the foaming property of ZX35

2.2.5 老化性能评价

老化时间越长、温度越高，体系的熵增越大，混乱度越大，表面活性剂在油水界面排布的无序度增加，从而影响泡沫性能和油水界面张力［13］。模拟长庆油田地层温度90 ℃、矿化度8×104mg/L的条件，对0.3%（w）的ZX35进行了15 d的抗老化实验，实验结果见图2。从图2可看出，随老化时间的延长，ZX35的泡沫体积呈先增大后稳定的趋势。因为在高温下随时间延长，ZX35的溶解度增大，有效浓度增大，故起泡能力增强。高温会破坏泡沫的稳定性，但在老化后期，高温对CPAM稳泡性能的破坏逐渐达到稳定。由于ZX35具有良好的耐热耐盐稳定性，因此在15 d内，ZX35的界面活性也较强，有助于残余油进一步减少［14］。

图2 老化时间对ZX35泡沫性能的影响Fig.2 Efects of ageing time on the foaming properties of ZX35.Test conditions：ZX35 content 0.3%(w)，90 ℃，salintiy 8×104mg/L.

2.3 驱油实验

将ZX35溶液在非均质岩心上进行驱油实验，岩心参数见表5，实验结果见表6。从表6可看出，当ZX35含量为0.3%（w）时，驱油效果最突出，比水驱提高采收率17.52百分点。因为在该浓度下，表面活性剂的乳化能力较强，能与原油形成稳定的乳液，使残余油从岩石表面脱离，从而提高洗油效率［15］；此外，由于泡沫先进入流动阻力小的高渗透孔道，随着不同大小的泡沫占据大孔道后，产生叠加的Jamin效应，流动阻力增加，泡沫逐渐进入中低渗透孔道，扩大波及系数，进而提高采收率。

表5 岩心参数Table 5 Parameters of rock cores

表6 驱油实验结果Table 6 Results of displacement experiments

3 结论

1）35%（w）AES+2%（w）十二烷基二甲基甜菜碱+0.5%（w）CPAM配制的CX35为适宜的泡沫体系。将CX35与石油磺酸盐表面活性剂复配，当m（CX35）∶m（石油磺酸盐）∶m（甘油）= 1∶0.7∶0.3时，可得到具有良好起泡性能、低界面张力的驱油剂ZX35，起泡高度可达95 mm以上，稳泡能力达到0.946。

2） ZX35含量（w）为0.30%～0.50%时原油的乳化效果最佳。ZX35具有较好的耐温、耐盐、耐油能力，当溶液矿化度为8×104mg/L时，ZX35的泡沫高度为103.3 mm，稳泡性能仍大于0.950。在15 d内，ZX35具有较强的界面活性，有助于残余油进一步减少。

3）当ZX35含量为0.3%（w）时，驱油效果最突出，比水驱提高采收率17.52百分点。

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（编辑 邓晓音）

Preparation and evaluation of a foam displacement agent with low interfacial tension

Yu Ting1，Yang Xu1，Dong Yajie1，Wu Xiaoling2，Guo Li1，Yan Xiu3
（1.College of Chemistry and Chemical Engineer，Southwest Petroleum University，Chengdu Sichuan 610500，China；2. State Key Laboratory，Southwest Petroleum University，Chengdu Sichuan 610500，China；3. Shale Gas Exploitation Technology Services Company，Wuhan Hubei 430223，China）

A foam system，CX35，was prepared from fatty alcohol polyoxyethylene ether sodium sulfate，dodecyl dimethyl betaine and cationic polyacrylamide by the Ross-Miles method，and then a foam displacement agent，ZX35，was got through compounding CX35 with surfactants. The performances of ZX35 were studied by means of bubble meter，interfacial tensiometer and rock core displacement device. The results indicated that，ZX35 had good foaming ability and low interfacial tension with the foaming height of more than 95 mm and the foam stability of 0.946 whenm(CX35)∶m(petroleum sulfonate)∶m(glycerin) was 1.0∶0.7∶0.3. ZX35 had good heat resistance，salt resistance and oil resistance. Its foam height was 103.3 mm and the foam stability was greater than 0.950 when the solution salinity was 8×104mg/L. ZX35 had good interfacial activity within 15 d. When the content of ZX35 was 0.3%(w)，the oil displacement efect was the most prominent，with enhanced oil recovery 17.52% compared to water fooding.

foam displacement agent；low interfacial tension；foaming ability；Ross-Miles method；tertiary oil recovery

1000 - 8144（2016）10 - 1243 - 05

TQ 423.94

A

10.3969/j.issn.1000-8144.2016.10.015

2016 - 05 - 19；［修改稿日期］ 2016 - 08 - 02。

余婷（1992—），女，四川省自贡市人，硕士生，电话 18782972837， 电邮 1527646084@qq.com。联系人：杨旭，电邮13880551887@163.com。