表面活性剂对低渗透油藏自发渗吸影响研究

王姗姗 冯奇 康晓东

摘      要：裂縫和基质中流体渗吸作用是低渗透裂缝性油藏开发的重要机理之一。在渤海B油田油藏条件下，评价了5种不同类型表面活性剂的渗吸效果，考察了表面活性剂质量浓度对渗吸采收率的影响，讨论了渗吸过程中的渗吸速度变化规律。实验结果表明：复合型表面活性剂AN-18具有最好的渗吸采油效果，其最佳使用质量浓度为2 000 mg·L-1。通过测定表面活性剂在不同质量浓度下的油水界面张力和接触角，计算渗吸动力和黏附功，探讨了AN-18具有高效渗吸性能的原因。结果表明，AN-18体系具有较大的毛管力、较好的剥离油滴能力、较小的油滴运移阻力，在上述因素的综合作用下，其渗吸采油效果最好。通过渗吸过程中岩心的CT扫描实验进一步证实，AN-18可以侵入岩心内部，促使油相的运移和排出，达到最好的驱油效果。

关  键  词：表面活性剂;低渗透油藏;渗吸;采收率

中图分类号：TE 348        文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2020）10-2175-06

Abstract： Imbibition is one of the important mechanisms for the exploitation of low-permeability reservoirs. Surfactants have a significant effect on the imbibition process. In this paper， the effect of surfactant type and concentration on the imbibition process was evaluated by the imbibition experiments for five surfactants under the reservoir condition of oilfield B， Bohai. And the imbibition rates of different systems were also discussed. The results indicated that the complex surfactant （AN-18） had the best imbibition property， and the optimal concentration was    2 000 mg·L-1. The reasons for the excellent imbibition performance of AN-18 were discussed by measuring the oil-water interfacial tension and contact angle， and calculating the driving force of imbibition and work of adhesion for surfactants at different concentrations. The results indicated that the AN-18 system had great capillary force， good ability to peel off oil droplets from solid surface， and small resistance to the transport of oil droplets in porous media. CT scan experiments of the core during the imbibition process further confirmed that AN-18 could invade the core and cause the migration and discharge of the oil phase inside the core， and its oil displacement property was the best.

Key words： Surfactant; Low-permeability reservoir; Imbibition; Oil recovery

与常规油藏相比，低渗透油藏具有孔隙度和渗透率低、孔隙半径小等特征，因此其毛细管力较   大[1]。在毛细管力驱动下，润湿相进入孔隙吼道，驱替非润湿相，这种现象称为渗吸，渗吸作用决定着低渗透油田原油的产量以及采出程度[2]。渗吸采油过程受到多种因素影响，包括采油方法（注采方式、注水速度、注水量等），油藏条件（油藏岩石类型、油藏物性特征、油藏润湿性、油藏温度、地层水矿化度、初始含油饱和度等）和化学药剂的化学性质（界面张力、润湿性改变能力、黏度等）等[3-10]。

表面活性剂驱油是低渗透油藏开发最重要的化学驱油方法之一，当前工业上常见的表面活性剂类型包括阴离子型、阳离子型、非离子型、复合型、两性型。不同表面活性剂具有显著不同的亲水-亲油、吸附等性能，因此它们降低界面张力、改变岩石润湿性、调整油水黏度比的能力差异很大。本文选取了分子大小相近的5种代表性的表面活性剂，评价了它们在低渗透岩心中的渗吸采油效果，在此基础上，通过界面张力、润湿性测定，解释了表面活性剂结构对于渗吸过程的影响。本研究可以为低渗透油藏表面活性剂驱油体系的筛选提供参考。

1  实验部分

1.1  实验材料

表面活性剂：阴离子型E2S，烷基苯磺酸钠，南京卡尼尔科技有限公司;阳离子型CTAB，十六烷基三甲基溴化铵，国药集团化学试剂有限公司;非离子型N10078，异构十醇聚氧乙烯醚，临沂市绿森化工有限公司;复合型AN-18，异构十醇聚氧乙烯醚硫酸钠，临沂市绿森化工有限公司;两性离子型B12S，十二烷基二甲基甜菜碱，临沂市绿森化工有限公司。

实验岩心：实验室人造柱状均质岩心，尺寸  Φ2.5 cm×5 cm，渗透率为30×10-3 μm2，孔隙度为18%，岩心顶、底及侧表面不封闭。岩心饱和油样后，在130 oC下老化3天，使其达到油湿（各岩心油水接触角在115°以上）。

实验用油：渤海B油田脱水原油，用煤油稀释至黏度为2 mPa·s，密度为0.86  g·cm-3。

实验用水：渤海B油田模拟地层水，矿化度分析见表1。

2  实验方法

2.1  渗吸实验

采用体积法测试各试剂的渗吸效果，实验装置如图1。将装置放于烘箱中，调节温度至室温，静置。记录刻度管中油的体积与时间的关系，每次测量前晃动瓶子，使得吸附在岩心上的油尽量脱离岩心。

2.2  界面张力测试（IFT）

按照标准《表面及界面张力测定方法》（SY/T 5370—1999）中的“旋转滴法”测量各表面活性剂界面张力。

2.3  接触角测量

接触角实验采用气泡俘获法，在高压接触角测量仪上进行测试[11]。将岩心切片抛光后，将切片与岩心相同老化方法进行老化，再将其浸入盐水或表面活性剂溶液中，通过注射器从下方将油样注入，待界面稳定后，测量三相接触角。

2.4  CT成像

在CT扫描的过程中，由于水和油对X光吸收能力不同，当X光穿透岩心后，接收X光的仪器便能通过X的强弱来反映岩心中水和油的分布。通过对渗吸不同时间中的岩心进行CT扫描，来反映表面活性剂溶液侵入岩心后水相及油相的变化情况，进而掌握不同表面活性剂的渗吸能力。

3  实验结果与分析

3.1  表面活性剂种类对于渗吸采收率的影响

考察了地层水、质量濃度均为1 500 mg·L-1的5种表面活性剂溶液的渗吸效果，结果如图2所示（地层水渗吸采收率为0）。从图中可以看出，5种表面活性剂均具有一定的渗吸驱油效果，但是不同表面活性剂对于渗吸采收率的影响也不同。复合型表面活性剂AN-18具有最佳的渗吸采收率，为49.2%;阳离子型表面活性剂渗吸采收率最低，为31.8%。在5种表面活性剂中，B12S和CTAB两种具有阳离子官能团的表面活性剂渗吸采收率较低，这可能是由于阳离子与砂岩表面存在静电吸引，阳离子型结构在砂岩表面的吸附作用强烈，从而液相中表面活性剂质量浓度下降，降低其渗吸采油效果[12]。非离子表面活性剂由于通过疏水基团与原油接触，其作用强度小于离子型表面活性剂，从而使得其剥离原油能力较弱。而复合型与阴离子表面活性剂具有较高采收率的原因，可能是由于两者皆带有阴离子基团，而砂岩带负电，原油中带正电的碱性组分吸附在砂岩表面，因此带负电的表面活性剂与吸附在岩石表面的油样形成离子对，有助于原油的剥离[11]。而复合型表面活性剂中非离子部分可有助于剥离后原油的运移，从而具有了最好的采收率。

从图3中可以看出，各样品在前24 h具有较高的采出速度，随着时间的增加，采出速度呈现不断下降的趋势。这可能是由于早期的渗吸发生在岩石表层，在局部的润湿性改变与毛管力作用下，快速建立油水通道，从而具有较高的采出速度，但随着渗吸的进行，表面活性剂不断深入，岩心内部的渗吸类似于扩散，难以建立油水通道[13]。

3.2  表面活性剂质量浓度对于渗吸采收率的影响

选取采收效果较好的AN-18与E2S作为研究对象，考察表面活性剂质量浓度对渗吸采收率的影响，结果如图4和图5所示。从图中可以看出，随着质量浓度的增加，AN-18与E2S的采收率先上升后下降，两者均在2 000 mg·L-1时达到最高。AN-18和E2S的最高采收率分别为58.1%和45.7%，由此可见，AN-18渗吸性能优于E2S。

从图6可以看出，对于不同质量浓度的AN-18溶液，随着渗吸时间的增加，采出速度持续下降。当AN-18质量浓度为2 000 mg·L-1（采收率最高质量浓度）时，虽然前期采出速度不高，但出油时间最长，所以样品的渗吸采收率最高。

从图7可看出，渗吸过程中E2S的采出速度出现先快速增长后不断下降的趋势。对比AN-18和E2S的渗吸过程可以发现，两者在高质量浓度下的采出速度普遍高于低质量浓度，AN-18的采出速度高于E2S的采出速度，这可能是由于复合型表面活性剂更有益于原油在岩心中的运移。

3.3  表面活性剂渗吸机理分析

3.3.1  接触角测试

测量不同表面活性剂在不同质量浓度下对岩心接触角的改变情况，其结果如图8。Anderson提出了岩石润湿性与接触角的关系，认为0°～75°为水湿，75°～105°为中性润湿，105°～180°为油湿[14]。初始岩心润湿角为115°，为油湿。

从图8可以看出，随着表面活性剂质量浓度的增加，接触角不断变小，岩心更加亲水。与其他表面活性剂相比，AN-18与E2S能更好地降低接触角，最低可降至37.7°，岩心亲水性增强使得渗吸效果提升。这主要由于岩心为砂岩，易带负电，在老化过程中，更易吸引带有正电荷的油性组分，而油性组分的存在使岩石具有油湿特性[15]。而阴离子表面活性剂与油性组分通过静电作用形成离子对，通过比范德华力更强的作用剥离原油，从而改变接触角。

3.3.2  界面张力测试

测量各表面活性剂在不同质量浓度下的油水界面张力，其结果如图9。地层水与油样界面张力为19.2 mN·m-1，随着表面活性剂的加入，界面张力快速下降，最低降至0.21 mN·m-1。CTAB、E2S和B12S均具有较好的降低界面张力的能力，界面张力的降低带来两方面的效果：第一，减弱贾敏效应，增强油水的流通能力，打开油水通道，提高采收率[16];第二，减弱毛细管力，渗吸作用变弱，降低采收率。以AN-18和B12S为例，两者改变接触角的能力相近，B12S的界面张力远低于AN-18，所以B12S的毛细管力较弱，渗吸动力不足，采收率较低。由此可见，对于渗吸过程而言，界面张力需控制在一个合理的范围。

各试剂在不同质量浓度时的NB-1如图10。从图10中可以看出，随着表面活性剂质量浓度的增加，NB-1不断增大，意味着毛细管力作用不断增加，渗吸动力不断增强;对AN-18和E2S而言，NB-1值普遍大于5，其主要为毛细管力作用（图11 c），出油部位与出油量较为均匀，四周与顶部均有较多的油析出，但当它们的质量浓度超过2 000 mg·L-1时，NB-1值开始减小，说明表面活性剂质量浓度过高时，不利于渗吸的进行。不同表面活性剂之间对比发现，阳离子型与两性型表面活性剂为重力与毛细管力的共同作用（图11 b），出油主要集中在顶部，四周有少量出油，由于两者的界面张力较低，毛管力较小，采收率不佳。对非离子表面活性剂N10078而言，低质量浓度下其接触角为99.3°，因此 NB-1为负值，在5种表面活性剂中，它的界面张力最高，这使得它的毛细管力最強，但同时也使得油相在岩心中的运移最困难，采收率不佳。

从图12中可以看出，各试剂的黏附功降低因子随着质量浓度增加不断变小。阳离子表面活性剂CTAB具有最低的黏附功降低因子，最低为0.002 6;非离子表面活性剂N10018的黏附功降低因子最高，最高为0.253 3;阴离子与复合型表面活性剂的黏附功降低因子处于较低范畴，说明它们具有较好的剥离油滴的能力。

3.3.4  表面活性剂在岩心中渗吸过程的CT成像

通过CT扫描分别研究岩心在CTAB、E2S和AN-18溶液中的渗吸过程，实验中3种药剂的质量浓度均为1 500 mg·L-1。在CT扫描成像图中，岩心截面色标显示在图像右侧，图中颜色越趋向白色即CT值越大，代表水相的质量分数越高;越趋向于深蓝/黑色，即CT值越小，代表油相质量分数越高。

从图13中可以看出，在4 h时岩心边缘出现了白色部分，可见CTAB在早期便能侵入岩心，这与渗透速度的变化规律相符。然而，随着渗吸时间的延长，岩心中白色部分增加幅度较小，同时渗吸过程中，岩心内部深色区域变化较小。这说明在渗吸中后期，CTAB难以侵入岩心内部，岩心内部油相难以排出，导致CTAB的渗吸采收率较低。由上文的分析可以发现CTAB难以侵入岩心内部的原因为CTAB的毛细管力较弱，渗吸动力缺乏。

从图14中可以看出，在4 h时岩心边缘出现了大量白色部分，随着渗吸的进行，白色部分不断增加;渗吸过程中，岩心内部的深色区域形状上出现变化，但整体颜色变化不大。这说明E2S在早期能快速、大幅度侵入岩心，这与渗透速度测试结果一致;但是E2S对于岩心深部油相作用较弱，渗吸中后期，采收率无法持续提升。

从图15中可以看出，在4 h时岩心边缘出现白色区域，表明AN-18在渗吸初期可以侵入岩心;当渗吸时间增加至8 h时，岩心白色区域变化不大，但其内部部分区域颜色加深，这说明AN-18凭借较强的毛细管力，快速推动油相，使得该区域的油相质量分数增多。随着渗吸的进行，岩心内部的深色区域不断变浅，这说明岩心内部的油相因被表面活性剂取代而不断减少。由此可见，AN-18能很好地侵入岩心内部，促使油相的排出，获得较高的渗吸采收率。

4  结 论

1）评价了5种不同类型表面活性剂的渗吸驱油效果，复合型表面活性剂AN-18具有最好的渗吸效果，其采收速度随渗吸时间的增加，出现先增长后下降的趋势。

2）随着质量浓度的增加，AN-18的渗吸采收率先增加后降低，最佳使用质量浓度为2 000 mg·L-1。

3）NB-1对于渗吸过程有重要影响，当其值大于5时，渗吸以毛细管力为主，具有较强的渗吸动力;同时，若黏附功较小，剥离油滴的能力较强;界面张力不高，油滴在岩心中的运移阻力不大，从而使得体系具有较高的采收率。

4）通过渗吸过程中岩心的CT扫描实验证实，AN-18凭借较强的毛细管力侵入岩心内部，促使油相的运移和排出，从而获得较好的渗吸采收率。

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