界面张力及乳化效果对提高采收率的贡献

2019-04-29郭宏亮张立萍安继彬郑家朋周洪涛

石油化工 2019年4期

郭宏亮，张立萍，安继彬，郑家朋，周洪涛

（1. 中国石油大学（华东）石油工程学院，山东青岛 266580；2. 中国石化胜利油田孤岛采油厂，山东东营 257231；3. 中国石油冀东油田钻采工艺研究院，河北唐山 063200）

传统毛细管数理论认为，油水界面张力达到超低（10-3mN/m），毛细管数量级将增加至10-2，剩余油饱和度趋于零。因此，一般将油水界面张力是否达到超低作为化学驱油剂筛选的决定性标准［1-3］。研究发现当界面张力值低于0.07 mN/m时，可以观察到原油采收率的提高。但驱油剂在地层运移过程中会发生吸附、沉淀、降解等损失，致使油水界面张力作用距离有限，限制了超低界面张力在驱油过程中发挥作用的范围。仅仅界面张力的降低不足以有效地提高原油的采收率，驱油剂对原油的乳化作用同样是重要因素［4-5］。

界面张力越低越容易形成乳状液，界面张力越高越难形成乳状液［6-8］。国外学者发现能使油水界面张力降低到相近值的几种表面活性剂不一定具有相同的乳化能力［9］，界面活性不是乳化能力的决定因素，还与表面活性剂的分子结构有关。

有关界面张力提高原油采收率的研究较多［10-12］。近年来，有研究发现，乳化作用是提高采收率的关键因素［13］。但驱油剂乳化作用对提高原油采收率的影响却少有研究［10］。徐晓丽等［14］指出在不同渗透率条件下，乳化效果好的表面活性剂提高采收率的效果更明显。

本工作以中国石油冀东油田原油为研究对象，筛选并评价了具有不同界面张力和乳化效果的驱油剂体系，研究了界面张力和乳化效果对提高采收率的贡献。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

表面活性剂JS-33为两性表面活性剂，有效含量为35%（w）。实验用原油：冀东油田脱水原油，65 ℃时，原油黏度为650 mPa·s，原油酸值（以KOH计）为3.265 mg/g，密度为0.956 2 g/cm3。实验用水为冀东油田现场注入水，矿化度为1 600 mg/L。实验所用岩心为填砂岩心，直径和长度分别为50 mm和600 mm，实验用砂为80～100目石英砂，水测填砂岩心渗透率约为1 μm2。

TX-500C型旋转滴界面张力仪：美国彪维工业公司；DV-3T型旋转黏度计：美国博勒飞公司；高温高压流动实验仪：江苏海安石油科研仪器有限公司。

1.2 实验方法

油水界面张力评价：在65 ℃下，用旋转滴界面张力仪测定不同质量分数驱油剂体系（JS-33表面活性剂体系、碳酸钠体系及JS-33表面活性剂与碳酸钠二元复配体系）与冀东脱水原油之间的界面张力。

乳化能力评价：取20 mL具塞尖底刻度离心管，按油水体积比为7∶3加入不同质量分数的驱油剂溶液和冀东脱水原油，密封试管，并将其置于65 ℃恒温箱中恒温30 min后取出，将每支试管均匀震荡200次，随后立即垂直放在试管架上，并再次置于65 ℃恒温箱中，开始计时，每隔一段时间读取离心管底部析出的水的体积，计算析水率，计算公式见式（1）。

式中，Ed为析水率，%；Vw为析水量，mL；V为制备乳状液时水相的体积，mL。

提高采收率效果评价：以石英砂装填长岩心填砂管为模型，实验温度65 ℃，泵速为2 mL/min，饱和地层水，计算岩心渗透率；饱和冀东脱水原油，计算含油饱和度，并老化24 h；水驱至采出液含水率98%时，注入0.5 PV的驱油剂溶液，继续水驱至出口端含水达到95%（w）以上，并计算最终水驱采收率。

2 结果与讨论

2.1 油水界面张力评价结果

分别以碳酸钠溶液、表面活性剂溶液及碱与表面活性剂的复配体系为研究对象，考察了不同体系与原油之间的油水界面张力，实验结果见图1～3。

图1 不同含量Na2CO3复配体系的油水界面张力Fig.1 Oil/water interfacial tension(IFT) in different concentration of Na2CO3 compound system.

冀东原油酸值为3.265 mg/g，属高酸值原油。原油中的酸主要为羧酸，它可以与碳酸钠反应生成具有表面活性的羧酸钠，从而降体系的油水界面张力。由图1可知，最佳的碳酸钠含量为0.1%（w），此时油水界面张力在20 min内即可降低至10-3数量级，碳酸钠含量过高或过低都不能达到超低界面张力［1］。

表面活性剂吸附在油水界面，可以降低油水界面张力，从而降低黏附功，使原油从地层表面清洗下来，提高洗油效率。由图2可知，表面活性剂JS-33与原油之间的界面张力先降低后上升，表面活性剂JS-33降低油水界面张力的能力有限。

图2 不同含量JS-33表面活性剂溶液的油水界面张力Fig.2 Oil/water IFT in different concentration of JS-33 surfactant solution.

碳酸钠与原油中的酸性物质反应生成具有表面活性剂的物质，此表面活性物质与表面活性剂JS-33有一定的协同作用，可以使复配体系与原油之间的油水界面张力在20 min内达到10-3数量级的超低界面张力。实验结果见图3。

图3 0.5%（w）Na2CO3与不同含量JS-33表面活性剂的复配体系Fig.3 Compound system of 0.5%(w) Na2CO3 and JS-33 of different concentrations.

2.2 乳化能力评价结果

析水率可以反映表面活性剂的乳化能力，即析水率越小，待测体系的乳化能力越强；相反，则乳化能力越弱。碳酸钠与表面活性剂体系均可以与原油形成乳状液，乳状液的析水率如图4～6所示。

从图4可看出，在碳酸钠含量为0.05%～1.0%（w）时，随着时间的延长，所形成乳状液的析水率不断增加。碳酸钠含量越大，60 min乳状液的析水率越小，即碳酸钠含量越大，所形成的乳状液越稳定，乳化效果越好。

图4 不同含量Na2CO3体系所形成乳状液的析水率曲线Fig.4 Curves of water drainage rate of emulsion formed with Na2CO3 system of different concentration.

由图5可知，随着JS-33表面活性剂含量的增加，体系的析水率逐渐减小。这表明表面活性剂的含量越大，乳状液的稳定性越好，乳化效果越好。

图5 不同含量JS-33体系所形成乳状液的析水率曲线Fig.5 Curves of drainage rate of emulsion formed with JS-33 system of different concentration.

由图6可知，当复配体系中JS-33的含量为0.5%（w）时，乳状液的析水率最大，乳状液最不稳定，此时的乳化效果最差。

图6 不同含量JS-33和0.5%（w）Na2CO3复配体系所形成乳状液的析水率曲线Fig.6 Curves of drainage rate of JS-33 and 0.50%(w) Na2CO3 system emulsions.

2.3 界面张力大小与乳化能力的关系

界面张力大小与形成乳状液的难易程度有关，界面张力越低，体系的界面能越低，越容易形成乳状液，利于增加乳状液的稳定性，且界面活性物质吸附在油水界面上形成界面膜，对乳状液的稳定性起关键作用。但同时，体系的界面张力越低，界面膜的强度也随之减弱，乳状液的稳定性下降［15-16］。

将界面张力数据与乳化能力数据进行对比发现，界面张力大小与体系的乳化能力并不具有一致性。碳酸钠含量为0.1%（w）时可以得到超低界面张力，但乳化效果并不好。相反，虽然碳酸钠含量为0.5%（w）和1.0%（w）时界面张力仅为10-2数量级，但乳化效果好，乳状液析水率小。

表面活性剂JS-33与原油之间的界面张力值均在10-2数量级，当JS-33含量为0.3%（w）和0.5%（w）时，体系的界面张力明显上升，且大于含量为0.1%（w） JS-33体系，但是对乳化的影响不大，乳状液的稳定性随着表面活性剂含量的增大而增强。

由碳酸钠与JS-33的二元复配体系的界面张力数据可知，三种复配体系的界面张力均能在短时间内降低至超低界面张力值，但是对原油的乳化效果不同，乳状液60 min内的析水率不同。

综上所述，油水界面张力大小与乳化能力之间没有明显的关系。这与魏小林等［13］的研究结果一致，能使油水界面张力降低到相近值的表面活性剂不一定具有相同的乳化能力。同时，有研究发现油水界面张力有利于乳状液的稳定，但是界面张力降低的同时，界面膜强度也随之减弱，故乳状液体系的稳定性也会下降［6，14］。因此，油水界面张力与乳化效果之间没有明显的一致性，需要进一步研究。

2.4 提高采收率效果评价

针对上述不同的油水界面张力及不同乳化效果的体系进行驱油实验，考察油水界面张力及乳化作用对提高采收率的贡献，实验结果见表1。

表1 不同驱油体系提高采收率效果Table 1 Effect of different oil displacement system for enhanced oil recovery(EOR)

由表1可知，1）第一组和第三组两组体系的界面张力均能达到10-3数量级的超低界面张力值，但乳化效果均较差，1 h析水率达到83.3%和91.7%以上。两个体系的采收率提高值分别为8.9%和12.4%。2）第二组和第四组两组体系的界面张力分别为10-2和10-3数量级，两组体系的乳化效果均较好，乳状液的析水率分别为1.7%和0，析水率很低。但两个体系采收率提高值为27.5%和24.4%，效果明显。3）第一组和第四组两组体系的界面张力值均达到10-3数量级的超低界面张力，但乳化效果明显不同，乳状液的析水率分别为91.7%和0。而采收率的结果表明，乳化效果好的第四组体系具有更高的提高采收率的能力，采收率提高值达24.4%；乳化效果较差的第一组体系采收率提高值仅为8.9%。因此，乳化效果相比界面张力而言对提高采收率的贡献占主要作用。