稠油泡沫驱起泡剂体系的研究

马 迪，潘 一，张金辉，Rassadkina Regina，廖松泽，张 然

（1.辽宁石油化工大学石油天然气工程学院，辽宁抚顺113001；2.辽宁石油化工大学创新创业学院，辽宁抚顺113001）

稠油具有不易开发、采收成本高等特点，一般稠油油藏在蒸汽驱开采后（采收率超过50%），储层中仍有大量的石油资源难以采出[1]。针对这一情况，大庆油田、胜利油田、中原油田等开始采用泡沫驱油技术，而影响该技术性能的关键指标是起泡剂的性能[2-3]。相比于起泡单剂，复配起泡剂体系具备更加优异的耐温抗盐性能、抗遇油消泡性等特点[4-5]，由于其特殊的协同增效作用而被国内外学者广泛研究[6-7]。Y.Bian等[8]研制了一种超临界CO2泡沫驱起泡剂体系，该体系由α-烯基磺酸钠(AOS)与甜菜碱两性表面活性剂以质量比4∶1复配组成，耐温65.6℃，耐盐20×104mg/L，在高温高盐条件下稳定存在48 h以上。F.AttarHamed等[9]的研究表明，AOS和TX-100以质量比4∶1复配的混合物，比单独表面活性剂或其他质量比混合物拥有更优异的泡沫性和稳定性。赵江玉等[10]以吉林油田为例进行了泡沫体系的筛选与考察，结果表明，起泡剂LW与非离子起泡剂NO以质量比3∶7进行复配后，泡沫综合指数Fy达到1 900 min·mL，泡沫性能得到大幅度提高。张浩[11]将AG与FC-30以质量比1∶1复配，以耐温抗盐性能和耐油性能为评价指标，对复合体系进行评价，结果表明，该体系驱油效率提升15.13%，可以耐油6%，耐盐172×103mg/L，具有一定的应用价值。

本文针对多种常用起泡剂进行初步筛选，得到甜菜碱、CTAB、SDBS和SDS四种起泡剂，优选两种起泡单剂进行配比，研制了一种新型复配起泡剂体系，并对该体系进行洗油能力测试和填砂管模拟实验，考察了此复配起泡剂的洗油效果和最佳驱替方式下的原油采收率，以期为实际生产提供参考数据和理论依据。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

试剂：甜菜碱、十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）、十二烷基苯磺酸钠（SDBS）、十二烷基硫酸钠（SDS）、部分水解聚丙烯酰胺（HPAM），扬州科技有限公司；氯化钠，分析纯，国药集团化学试剂有限公司；石英砂，上海源叶生物科技有限公司。

仪器：BSA223S型电子天平，江苏兴化仪器有限公司；ZNN-D6B型数显六速旋转黏度仪，青岛宏祥石油机械制造有限公司；DK-98-IIA型电热恒温水浴锅、AW3-Y恒速搅拌器，江苏珂地石油仪器设备有限公司。

1.2 稠油μ-T关系评价方法

稠油之所以不易流动，是由于油中大量胶质、沥青质的存在，使其黏度高，密度大，不易流动[12]。稠油对温度非常敏感，温度升高，分子间的作用力减弱，稠油的黏度明显下降，易流动，有利于稠油的开采[13]。实验稠油选用某油田地区稠油，35℃时密度为996 kg/m3，蜡质量分数为29.45%。在不同剪切速率条件下，利用RV2型旋转黏度计，测量40～70℃时原油的黏度，并通过稠油μ-T曲线对μ-T关系进行评价。

1.3 单一起泡剂性能测试方法

起泡剂的性能是通过表面活性剂产生泡沫的快慢和所形成的泡沫量的大小进行评价的，能否形成长期稳定的泡沫，关键在于起泡剂[14]。选择多种表面活性剂作为起泡剂进行初步筛选，在室内温度和压力条件下，通过考察泡沫的发泡性能、半衰期和制作起泡剂的原料来源、价格等因素进行筛选，最终决定使用甜菜碱、CTAB、SDBS和SDS表面活性剂进行优选实验的试剂。稳定剂部分水解聚丙烯酰胺耐温性好、产品繁多、性能稳定、增黏能力强，可用于中高温油藏，因此为了更好地比较起泡剂的作用效果，在测试实验中均添加了质量分数0.05%的HPAM作为体系的稳定剂。

1.3.1 室温条件下起泡能力测试 室温下，选择甜菜碱、CTAB、SDBS和SDS 4种试剂，分别测定发泡率，将4种试剂按不同质量分数（0.05%、0.10%、0.15%、0.20%）各配置100 mL，利用AW3-Y恒速搅拌器搅拌1 min，使表面活性剂溶液发泡，将产生的泡沫快速移至大量筒内，测量并记录4种试剂各自生成的泡沫体积。

起泡剂所生成泡沫的稳定性同样是考察泡沫性能的主要因素，将4种起泡剂各配置100 mL，试剂质量分数均为0.20%，在室温状态下，使用AW3-Y恒速搅拌器搅拌1 min，将产生的泡沫迅速倒入量筒内，测量并记录四种试剂各自生成的泡沫的半衰期。

1.3.2 高温盐水条件下起泡能力测试 赵国玺[15]经研究认为泡沫综合指数可作为综合评价泡沫性能的参数之一。根据量筒内生成的泡沫高度随时间的改变来考察泡沫的寿命，起泡高度与时间关系图见图1[10]，泡沫综合指数的表达式见式（1）-（2）。

图1 起泡高度与时间关系图

式中，Fq为泡沫综合指数，min·mL；S为阴影部分面积，与Fq数值相等；f(t)为起泡体积曲线；t0为量筒内达到最大发泡高度所用时间，min；为泡沫析液半衰期，min。

式中，hmax为发泡高度最大时泡沫体积，mL。梯形面积S近似等于Fq，通过此公式可计算泡沫综合指数。

测试高温盐水条件下起泡能力，地层水根据SYT 5358―2010配置标准盐水，选择试剂质量分数为0.20%。该油田油藏温度为65℃，设置5个实验温度分别为 40、50、60、70、80 ℃。使用 Waring-Blender法来评价泡沫性能，考察4种试剂在不同温度盐水中的发泡率和生成泡沫的稳定性。

1.4 复配起泡剂性能测试方法

1.4.1 洗油能力测试 洗油能力是指化学剂从地层中剥离油膜，降低不可动油的比例的能力。起泡剂属于表面活性剂的一种，它能够降低油水界面张力和提高驱替液的洗油效率，体系泡沫流体是否具有较好的洗油性能同样是考察和判断起泡剂性能的重要根据。

1.4.2 填砂管模拟实验

（1）实验使用填砂管模型进行填砂。将填砂管置于上下两层挡板之间，通过位于下层挡板下方的千斤顶和上层挡板与置入填砂管中的压实杆对填砂管中的石英砂进行加压，对填砂管中油砂进行压实操作。

（2）将实验装置进行正确连接，操作时可握至手持部，将连接部从护罩两端开口处伸入护罩内部并与护罩连接，待装置连接完成，以恒定速度向填砂管模型内注入70℃热水，在填砂管模型两端建立压差。

（3）待实验进行时，使用量筒读取并记录出口端的产液体积及油水分界面高度。

此次实验油砂选用400 g石英砂+40 mL稠油进行配置，实验方式：①先注蒸汽驱达到最大采收率，再注入起泡剂进行泡沫驱；②蒸汽+注入起泡剂泡沫驱交替注入（2 h间隔交替注入）[16]。

2 结果与讨论

2.1 稠油黏温曲线

稠油黏温曲线如图2所示。

图2 稠油黏温曲线

从图2可以看出，稠油黏度受温度的影响较大，随着温度不断升高，稠油黏度明显减小，当温度增加至70℃时，稠油黏度由最初的3 500 mPa·s降低至600 mPa·s，稠油黏度越小，稠油流动性越好，因此也更有利于稠油的开采。

2.2 单一起泡剂性能

2.2.1 室温条件下起泡能力 使用Waring-Blender法测得4种试剂各自生成的泡沫体积，结果见表1。

表1 不同质量分数起泡剂泡沫体积

由表1可知，随着试剂质量分数不断增加，4种起泡剂的泡沫体积也在逐渐增大。这是因为试剂质量分数较小时，还没达到其CMC，随着试剂质量分数的增加，更多的试剂分子参与泡沫的形成，使起泡效果越来越好。但是，在泡沫的表面吸附达到饱和值以后，“马拉高尼效应”随之减弱[17]，所以当起泡剂用量增大到一定程度后，其对应的发泡率就会开始降低。

在试剂质量分数均为0.20%时，使用Waring-Blender法测得试剂生成泡沫的半衰期，结果见表2。

表2 试剂质量分数为0.20%时的泡沫半衰期

由表1和表2可知，试剂质量分数较小时，CTAB的发泡率较差，但半衰期长，泡沫稳定。SDBS的发泡率较高且稳定，而SDS和甜菜碱虽有较好的发泡率，但半衰期相对较短。

2.2.2 高温盐水条件下起泡能力 表3和表4分别为不同温度盐水中的泡沫体积和泡沫半衰期。根据式（2）计算泡沫综合指数，结果见图3。

表3 不同温度盐水下泡沫体积

表4 不同温度盐水下泡沫半衰期

图3 不同温度盐水中泡沫综合指数

由表3、表4和图3可知，甜菜碱不仅发泡能力强，而且耐高温性能优异，其泡沫体系受温度影响不大，高温下仍能保持很强的稳定性，可作为复配体系的一种起泡单剂。SDBS和SDS的发泡能力虽然较强，但其抗高温性能较差，高温下不稳定，随着温度的增加，半衰期明显减小，泡沫综合指数显著下滑，不适用于三次采油时地层内的复杂情况。CTAB的发泡性虽然较弱，但相对SDS来说，具有很强的耐高温能力，高温下其半衰期较长，稳定性好，温度为80℃时，半衰期可达65 min，泡沫综合指数较高，且其具有极好的耐热、耐压、耐强酸强碱性，与甜菜碱有很好的配伍性[18]，具备优良的渗透性、生物降解性及杀菌等特点，所以将CTAB作为复配体系的另一起泡单剂。

由于单一的试剂都有自身缺陷，加上试剂来源和成本的限制，使其很难满足复杂油气藏的条件。针对某油田稠油开采现状，综合考虑起泡剂性能，在此基础上选定CTAB和甜菜碱两种起泡剂进行复配，作为油藏新型泡沫驱复配体系。

2.3 复配起泡剂性能

以甜菜碱和CTAB两种试剂为基础进行复配。表面活性剂中，甜菜碱为两性型，CTAB为阳离子型，该分子的碳氢链较长，其与甜菜碱相互间既有疏水作用，也存在静电作用，可产生混合胶束和吸附层，使分子之间联结得愈加紧凑。实验结果表明，随着两种起泡单剂含量的变化，复配起泡剂的性能也表现出较复杂的情况。

经过对实验结果的比较筛选，选择CTAB与甜菜碱质量比2∶1进行此次测试，并对该复配起泡剂一些性能进行考察，以期为实际生产提供参考数据和理论依据。

2.3.1 洗油能力 将CTAB与甜菜碱以质量比2∶1进行复配，取500 mL复配后质量分数为0.20%的泡沫溶液与辽河油田稠油进行泡沫耐油性测试。将200 g石英砂与稠油充分混合搅拌均匀，与500 mL CTAB与甜菜碱复配得到的起泡剂在室内温度条件下混合震荡一定时间，振动转速为60 r/min；将混合后的溶液静置1 h。实验结果发现，石英砂上的油几乎全部被洗掉，表明该复配试剂洗油效果较好，是一种综合性能较好的起泡剂。

2.3.2 填砂管模拟实验 填砂管模拟实验结果见图4。

图4 不同驱替方式下采收率

从图4可以看出，方案①中蒸汽驱在8 h左右采收率达到32.0%，随后换成泡沫驱进行后续采油，最终采收率达到56.7%；方案②中，蒸汽驱和泡沫驱交替使用，最终采收率可达到60.7%，这说明新型起泡剂体系能够有效地提高辽河油田区块内稠油的采出量。该稠油对温度十分敏感，在注入泡沫流体驱油前先注入蒸汽进行蒸汽驱可以使稠油降黏，增大稠油流动性，通过先注入蒸汽方式提高填砂管内温度，方便泡沫驱能更好地采出稠油。因此，建议采用方案②蒸汽驱泡沫驱交替进行。

3 结 论

（1）通过实验初步选择一种适用于该稠油油藏开采的泡沫体系：CTAB与甜菜碱质量比为2∶1，该体系耐高温，洗油效果好，在填砂管模拟实验中，采用蒸汽和泡沫交替注入的驱替方式，最终采收率可达60.7%，具有一定的参考价值。

（2）起泡剂优选实验是在一定矿化度条件下进行的，但盐度并未导致耐温性测试时起泡剂性能差异的变化，可见它具有一定的耐盐能力，在耐温接近的情况下，它的耐盐能力是今后研究的方向。

（3）复合泡沫驱是一种三次采油新方法，对稠油油藏水驱开采及处于高含水时期油藏的开采有重大意义。该方法成本低，可通过对不同起泡剂进行复配或对新型起泡剂合成技术进行深入研究，使其得以推广和应用。