弱碱三元复合体系的乳化作用及其对驱油效果的影响

孙 哲，卢祥国，郭 琦，王春丽

(1.东北石油大学 提高油气采收率教育部重点实验室，黑龙江 大庆，163318； 2.中国石油大庆油田公司 第五采油厂，黑龙江 大庆 163000)



弱碱三元复合体系的乳化作用及其对驱油效果的影响

孙 哲1，卢祥国1，郭 琦1，王春丽2

(1.东北石油大学 提高油气采收率教育部重点实验室，黑龙江 大庆，163318； 2.中国石油大庆油田公司 第五采油厂，黑龙江 大庆 163000)

通过岩心驱油实验研究了弱碱三元复合体系的乳化作用及其对驱油效果的影响。结果表明：与原油接触后，三元复合体系中部分表面活性剂和碱会转移进入到油相中去，但聚合物却难以进入；随油水体积比和接触时间的增加，表面活性剂和碱在油相中分配系数增大，但二者作用机理不同；原油组分、乳化、碱和聚合物对表面活性剂在油水相中的分配均有影响；与聚驱相比，弱碱三元复合驱的注入压力较高，含水率较低，采出程度的增幅较大。

弱碱三元复合体系;分配系数;原油组分;物理模拟;乳化作用;采出程度;机理分析

孙哲，卢祥国，郭琦，等.弱碱三元复合体系乳化作用及其对驱油效果影响研究[J].西安石油大学学报(自然科学版)，2016，31(4):82-87,114.

SUN Zhe,LU Xiangguo,GUO Qi,et al.Research on emulsification of weak-alkali ternary compound system and its effect on oil displacement efficiency [J].Journal of Xi'an Shiyou University (Natural Science Edition),2016,31(4):82-87,114.

引　言

三元复合驱油技术以其采出程度增幅较大、技术比较简单和油藏适应性比较强而受到广泛重视。目前国内大庆油田等进行了三元复合驱矿场试验，取得了明显增油降水效果[1-3]。在大庆油田，前期三元复合驱主要采用强碱三元复合体系(碱为NaOH，表面活性剂为重烷基苯石油磺酸盐，聚合物为部分水解聚丙烯酰胺)。由于强碱可以与储层岩石骨架和胶结物作用，其反应产物在较高pH值条件下为溶解状态。当反应产物随采出液运移到油井采出系统时，由于碱耗造成采出液pH值降低，原先处于溶解状态的钙镁等离子就会以碳酸盐或硅酸盐沉淀在油管、抽油泵和地面输油管线表面，造成管线直径减小，流动阻力增加，泵筒磨损增大或卡泵，最终造成采出系统难以正常工作[4-6]。因此，结垢问题是困扰强碱三元复合体系大规模推广应用的技术难题之一。近年来，石油科技工作者开发出了弱碱三元复合体系(碱为Na2CO3，表面活性剂为石油磺酸盐，聚合物为部分水解聚丙烯酰胺)，矿场试验取得了明显增油降水效果[7]。

本文以油藏工程和物理化学为理论指导，化学分析和物理模拟为技术手段，驱油剂浓度和采出程度等为评价指标，开展了弱碱三元复合体系与原油乳化作用后驱油剂的质量浓度(以下简称“浓度”)分布规律及对驱油效果影响实验研究，这对大庆油田弱碱三元复合驱的推广应用和改善增油效果具有重要意义。

1　实验条件

1.1实验材料

聚合物为大庆炼化公司生产的部分水解聚丙烯酰胺干粉(HPAM)，有效含量为90%，相对分子质量为2 500×104；表面活性剂为石油磺酸盐，有效含量39%；碱为Na2CO3。实验用油分别为大庆喇嘛甸油田、杏树岗油田和萨尔图油田脱水脱气原油。实验用水为大庆油田注入污水，水质分析见表1。

表1　水质分析Tab.1　Water quality analysis

岩心为石英砂环氧树脂胶结的层内非均质岩心，包括2个渗透层，20 ℃时水测渗透率K=200×10-3m2和500×10-3m2。岩心外观几何尺寸：高×宽×长=4.5 cm×4.5 cm×30 cm，各小层厚度为2.25 cm。

1.2实验仪器

Warning搅拌机，转速为2 500 r/min，伊莱克斯电器有限公司；LU-418H高速旋转离心机，天美科学仪器有限公司；722型光栅分光光度计，北京卓立汉光仪器有限公司；UX-300能量色散X荧光光谱仪，德国斯派克分析仪器公司；GCMS-QD2010SE气相色谱-质谱联用仪，日本岛津公司；岩心驱替实验装置。

1.3实验方案设计和实验原理

(1)驱油剂在油水相中分配规律及其影响因素

采用注入污水配制弱碱三元复合体系(聚合物质量分数为0.2%，碱质量分数为1.2%，表面活性剂质量分数为0.3%)，与原油按体积比4∶6、5∶5、6∶4、7∶3、8∶2和9∶1混合，将混合液加热到45 ℃，然后进行乳化实验。乳化液在65 ℃条件下静置24 h，经重力分离后再进行离心分离，然后采用两相滴定法检测水相中表面活性剂浓度、酸碱滴定法检测碱浓度和淀粉碘化镉检测聚合物浓度。驱油剂在油水相中的分配系数λ=Co/Cw=(C-Cw)/Cw，其中C为水相中驱油剂的初始浓度，Co为油相中驱油剂的浓度，Cw为水相中驱油剂的浓度。

(2)乳化作用对提高采出程度的影响

方案2-1：水驱98%+0.7PV聚合物驱(聚合物质量分数为0.2%)+后续水驱98%。

方案2-2：水驱98%+0.7PV弱碱三元复合驱(聚合物质量分数为0.2%，碱质量分数为1.2%，表面活性剂质量分数为0.3%)+后续水驱98%。

实验过程注入速度为1 mL/min，压力记录间隔为30 min。

2　实验结果分析

2.1驱油剂在油水相中的分配规律及其影响因素

2.1.1驱油剂浓度分配规律弱碱三元复合体系与大庆喇嘛甸、杏树岗和萨尔图油田原油按体积比4∶6、5∶5、6∶4、7∶3、8∶2和9∶1混合，搅拌1 min、3 min和5 min后检测水相中表面活性剂和碱浓度，分别计算表面活性剂和碱在油相中的分配系数(因为聚合物具有良好的水溶性，几乎全部存在于水相中，吸附滞留在油水界面上的数量较少，也难以向油相中迁移，所以聚合物在油相中的分配系数非常低)如表2所示。

从表2中可以看出，表面活性剂和碱在油相中的分配系数随原油物性不同而变化。表面活性剂和碱在喇嘛甸油田的分配系数最大，萨尔图油田次之，杏树岗油田最小。表面活性剂与原油发生乳化作用后，由于表面活性剂分子链上存在亲油基团，表面活性剂分子会以物理混合方式进入到油相中去。随原油与三元体系体积比例的增大，表面活性剂分子从水相迁移分散至油相的趋势逐渐增强，从而导致分配系数增大。

表2　表面活性剂和碱在油相中的分配系数Tab.2　Distribution coefficient of surfactant and alkali in oil phase

碱与原油中的胶质、沥青质组分和许多具有极性的氧、硫、氮及其他有机化合物发生皂化反应，生成表面活性物质如环烷酸、脂肪酸等，这些生成物有利于乳状液的形成和稳定[8]。随三元体系与原油体积比例的减小，碱与原油接触范围扩大，碱与原油反应更充分，它在油相中消耗量增加，碱的分配系数增大。

2.1.2驱油剂与各区块原油作用差异机理探讨喇嘛甸、萨尔图和杏树岗油田萃余油正构烷烃组分分析见表3。

表3　不同油田萃余油正构烷烃组分的相对含量Tab.3　Relative content of n-alkane components in raffinate

注：“∑C21后/∑C21前”为正构烷烃(C21—C40)的相对含量

与(C10—C20)的相对含量之比

从表3中可以看出，萨尔图油田和杏树岗油田∑C21后/∑C21前为1.15和1.36，而喇嘛甸油田∑C21后/∑C21前为2.21，原油主峰碳为nC23。说明喇嘛甸油田萃余油正构烷烃中重质组分含量较高，而且碳链分布范围较广。由相似相溶原理可知，表面活性剂更容易进入油相中。因此，表面活性剂在喇嘛甸原油中的分配系数较大。

2.1.3影响表面活性剂在油水相中分配规律的因素

(1)搅拌时间

弱碱三元复合体系与大庆杏树岗油田原油按体积比5∶5混合，搅拌1 min、3 min、5 min、7 min、9 min和11 min后检测水相中表面活性剂浓度，搅拌时间对表面活性剂在油相中分配系数的影响结果见图1。

从图1中可以看出，在三元与原油体积比例相同条件下，随搅拌时间增加，三元复合体系中表面活性剂与原油接触更加充分，表面活性剂分子从水相迁移分散至油相的趋势增强，表面活性剂在水相中的含量降低，在油相中分配系数增加。

图1　搅拌时间对表面活性剂在油相中分配系数的影响Fig.1　Effect of stirring time on the distribution coefficient of surfactant in oil phase

(2)乳化作用

弱碱三元复合体系与大庆杏树岗油田原油按体积比4∶6、5∶5、6∶4、7∶3、8∶2和9∶1混合搅拌一定时间后，检测水相中表面活性剂浓度(考虑未乳化对表面活性剂分配系数的影响时，将样品倒入具塞量筒中，在45 ℃恒温箱中放置一定时间后，检测水相中表面活性剂浓度)。乳化对表面活性剂在油相中分配系数的影响结果见图2。

图2　乳化对表面活性剂在油相中分配系数的影响Fig.2　Effect of emulsification on the distribution coefficient of surfactant in oil phase

从图2中可以看出，未乳化时与乳化后的表面活性剂在油相中分配系数的变化趋势相同。在三元与原油体积比例相同的条件下，未乳化时的表面活性剂分配系数小于乳化后的分配系数。因为在乳化过程中，增大了表面活性剂溶液与原油的接触面积，在油水界面上表面活性剂的吸附滞留量增大，达到了新的平衡，从而使表面活性剂在油相中的分配系数增加[9]。

(3)碱的强弱

采用注入污水配制强碱三元复合体系(碱为NaOH)和弱碱三元复合体系(碱为Na2CO3)，其中聚合物质量分数为0.2%，碱质量分数为1.2%，表面活性剂质量分数为0.3%。将强碱和弱碱三元复合体系均与大庆杏树岗油田原油按体积比4∶6、5∶5、6∶4、7∶3、8∶2和9∶1混合，搅拌一定时间后检测水相中表面活性剂浓度。强碱、弱碱对表面活性剂在油相中分配系数的影响结果见图3。

图3　强碱、弱碱对表面活性剂在油相中分配系数的影响Fig.3　Effect of strong base and weak base on the distribution coefficient of surfactant in oil phase

从图3中可以看出，随三元与原油体积比例的增加，强碱、弱碱三元复合体系表面活性剂的分配系数均不断减小。在三元与原油体积比例相同的条件下，强碱三元复合体系中表面活性剂在油相的分配系数大于弱碱三元复合体系的分配系数。

(4)碱和聚合物共同作用

采用注入污水配制“A/S”二元复合体系(碱质量分数为1.2%，表面活性剂质量分数为0.3%)、“A/S/P”三元复合体系(聚合物质量分数为0.2%，碱质量分数为1.2%，表面活性剂质量分数为0.3%)与表面活性剂溶液(表面活性剂质量分数为0.3%)，分别将其与大庆杏树岗油田原油按体积比5∶5和9∶1混合，搅拌1 min、3 min、5 min、7 min、9 min和11 min后，检测水相中表面活性剂浓度。碱和聚合物对表面活性剂在油相中分配系数的影响结果见图4。

从图4中可以看出，在三元与原油体积比例、搅拌时间相同的条件下，表面活性剂在油相中的分配系数从小到大依次为：“A/S/P”三元复合体系、表面活性剂溶液、“A/S”二元复合体系。碱和聚合物共同影响表面活性剂在油水中的分配系数：一方面，碱使水相中的离子强度增加，导致表面活性剂在水相中受到的排斥力增强，从而迫使表面活性剂溶解到油相中。另一方面，聚合物使体系的视黏度增加，大幅度减缓了表面活性剂扩散速度，而聚合物分子在油水界面的吸附使界面膜强度增大，阻碍了表面活性剂分子向油相中的扩散。同时，表面活性剂非极性部分能与聚合物的大分子链结合在一起，形成了缔合物，降低了表面活性剂在油相中的分配能力[10-12]。对于三元复合体系，聚合物的影响大于碱的影响，造成三元复合体系中表面活性剂在油相中的分配系数小于表面活性剂溶液的值。

图4　表面活性剂在油相中的分配系数Fig.4　Distribution coefficient of surfactant in oil phase

2.2乳化作用对提高采出程度的影响

(1)采出程度实验结果

在二维纵向非均质岩心上进行弱碱三元复合驱油实验，采出程度实验结果见表4。

从表4可以看出，“方案2-1”与方案“2-2”相比较，前者采出程度增幅为21.7%，后者为28.3%，二者相差6.6%。由此可见，弱碱三元复合驱采出程度增幅较大，这在后续动态特征分析中将作进一步阐述。

(2)实验动态特征

方案2-1和方案2-2实验过程中注入压力、含水率和采出程度与PV数关系见图5。

表4　采出程度实验数据Tab.4　Experimental data of recovery percent

图5　注入压力、含水率和采出程度与PV数关系Fig.5　Relationship between injection pressure,water cut,recovery percent and injection pore volume

从图5可以看出，与聚驱相比，弱碱三元复合驱的注入压力较高，含水率较低，采出程度有明显的提高。乳化对驱油最主要的作用是乳化携带及乳化液调剖。乳化携带是因为弱碱三元复合体系内的石油磺酸盐和Na2CO3在地层孔隙内产生超低界面张力，使被剥蚀下来的油形成易于流动的O/W型乳状液，从而提高了洗油效率。乳状液调剖机理主要是驱替过程中产生的高黏乳状液，在驱替过程中优先进入高渗透层。乳状液在高渗透层中运移时，由于封堵聚集、吸附等作用，降低了高渗透层的渗透率，对这些层位产生一定的封堵作用，流入低渗透层的乳状液增多，从而使低渗透层位启动，可以在一定程度上改善非均质性，也就是说驱油过程中发生乳化有利于扩大驱油剂的波及效率[3]。同时，在弱碱三元体系和聚合物体系等浓等黏的情况下，二者体系内因聚合物吸附滞留而扩大波及体积的作用可以认为相同，而因为超低界面张力形成的油水乳状液，在渗流过程中油滴通过细小的孔喉会产生贾敏效应，从而导致渗流阻力增加，注入液流转向，扩大波及体积，提高采收率。

采用显微观测的方法分析采出液的乳化类型，形成的乳状液为水包油型乳状液(图6(a))，乳状液液滴尺寸较小，大小分布较均匀。当岩心的剪切作用较强时，还会形成W/O/W二重型乳状液(图6(b))。

图6　采出液乳化类型Fig.6　Emulsion types of produced liquid

3　结　论

(1)三元复合体系与原油接触后，部分表面活性剂和碱会转移进入到油相中，但聚合物却难以进入。随油水体积比和接触时间的增加，油相中碱和表面活性剂的分配系数增大，但二者作用机理不同。

(2)原油组分是影响表面活性剂在油水中分配比例的重要因素。喇嘛甸油田原油中重质组分含量较高，而且碳链分布范围较广，由相似相溶原理可知，表面活性剂更容易进入油相中。

(3)在油水体积比相同的条件下，未乳化时表面活性剂的油相分配系数小于乳化后的油相分配系数；强碱三元复合体系的油相分配系数大于弱碱三元复合体系的油相分配系数。碱和聚合物共同影响表面活性剂在油水中的分配。

(4)与聚驱相比，弱碱三元复合驱的注入压力较高，含水率较低，采出程度的增幅更大。

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责任编辑：贺元旦

Research on Emulsification of Weak-Alkali Ternary Compound System and Its Effect on Oil Displacement Efficiency

SUN Zhe1,LU Xiangguo1,GUO Qi1,WANG Chunli2

(1.Key Laboratory of MOE for Enhanced Oil Recovery,Northeast Petroleum University of CNPC,Daqing 163318,Heilongjiang,China;2.The Fifth Oil Production Plant,Daqing Oilfield Company of CNPC,Daqing 163000,Heilongjiang,China)

Using the concentration of oil displacement agent and the recovery percent of reserves as evaluation indexes,the emulsification of weak-alkali ternary compound system and its effect on oil displacement efficiency are studied by means of chemical analysis and physical simulation.The results show that,after the weak-alkali ternary compound system contacts with crude oil,a part of surfactant and alkali in it will enter the oil phase,but the polymer in it is difficult to enter the oil phase;with oil-to-water volume ratio and contact time increasing,the distribution coefficients of surfactant and alkali in oil phase increase,but their effect mechanism is different;crude oil components,emulsification,alkali and polymer all have impact on the distribution of surfactant in crude oil;compared with polymer flooding,the weak-alkali ternary compound system flooding has higher injection pressure,lower water-cut and the greater increase of recovery percent of reserves.

weak-alkali ternary compound system;distribution coefficient;crude oil component;physical simulation;emulsification;recovery percent of reserves;mechanism analysis

A

2016-03-03

国家自然科学基金项目“抗盐型聚合物油藏适应性及其改进方法基础研究”(编号：51574086)和东北石油大学研究生创新科研项目“大庆原油与化学剂乳化作用及其机理研究”(编号：YJSCX2015-010NEPU)资助

孙哲(1988-)，女，博士研究生，主要从事提高采收率技术方面的研究。E-mail: sunzhe1988dqyt@126.com

10.3969/j.issn.1673-064X.2016.04.014

TE357.46

1673-064X(2016)04-0082-06