胜利油田普通稠油乳化驱油体系研制及性能评价*

戚俊领，张贵才，裴海华

（1.中国石油大学（华东）石油工程学院，山东青岛 266580；2.非常规油气开发教育部重点实验室（中国石油大学（华东）），山东青岛 266580）

0 前言

我国稠油储量丰富，随着稀油资源逐年减少，有效开发稠油资源对解决石油能源缺口具有重要意义。由于稠油的黏度高，流动阻力大，开采难度较大。目前我国稠油油藏开采方式主要包括注蒸汽热采法和水驱冷采法。对于黏度大于10 000 mPa·s 的特超稠油油藏，注蒸汽热采法是目前最有效开发方式［1］，其主要开采原理是依靠注入的热蒸汽加热原油［2］，大幅度降低稠油黏度，提高稠油流动能力。对于黏度为100～10 000 mPa·s 的普通稠油油藏，一次采油后一般采用水驱冷采开发，但是由于水油黏度比差异较大，水油流度比过高，水驱稠油出现严重的指进现象［3-4］，水驱波及系数较小，导致水驱采收率较低［5］。针对胜利油田普通稠油油藏存在水驱采收率低且不适合热采的问题，乳化降黏驱是提高采收率的有效方法之一。现有的乳化驱油体系一般是在强剪切条件下筛选形成的［6］，而在实际油藏驱动条件下，流体渗流速度低，因此需要构建可在弱剪切模拟条件下将原油乳化的乳化驱油体系。本文以胜利油田普通稠油为研究对象，利用微动力乳化实验装置构建了一种强乳化超低界面张力驱油体系，评价了该驱油体系的驱油效果，并分析了微观驱油机理。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

实验用原油为取自胜利油田孤岛油田的脱水脱气原油，60 ℃下的黏度为782 mPa·s，密度为0.967 g/mL。长链烷基羧基甜菜碱TB，有效含量60%，东营达维化工有限公司；非离子表面活性剂烷醇酰胺AC，有效含量98%，临沂绿森化工有限公司；配液用水为根据胜利地区地层水离子组成配制的模拟地层水，矿化度为9513 mg/L，主要离子质量浓度（单位mg/L）为：Na++K+9152.16、Ca2+487.96、Cl-1465.40、SO42-17.81、HCO3-1000.06。

TEXAS-500A 型界面张力仪，美国CNG 公司；XS-2100 型生物显微镜，南京诺威尔光电系统有限公司；Turbiscan Lab Expert 型稳定性分析仪，法国Formulaction公司；微动力乳化实验装置，见图1，该装置按顺时针方向转动，转速为5 r/min，可以保证每次乳化实验做功条件一致，排除手工摇动产生的误差影响。

图1 微动力乳化实验装置示意图

1.2 实验方法

1.2.1 驱油体系乳化能力评价方法

（1）乳状液颜色测定

将待测驱油体系与原油按体积比7∶3 加入10 mL的试管中，再放入70 ℃的恒温水浴中；20 min后利用微动力旋转乳化装置做功2 min，观察乳化效果和颜色。轻度乳化时，体系颜色为黑色；随乳化程度的升高，乳状液颜色从黑色逐渐变浅为深褐色。乳化等级越高，乳化能力越好［7］。

将待测驱油体系与原油按体积比7∶3 加入10 mL的试管中，再放入70 ℃恒温水浴中；20 min后利用微动力旋转乳化装置做功2 min；之后把乳状液放入70 ℃的恒温水浴中，同时开始计时，每隔一定时间借助于聚光灯记录一次油水界面高度变化，共记录2 h。

乳状液不稳定系数IUS由式（1）计算［8］：

式中，IUS－不稳定系数，mL；V（t）－t时刻析出水的体积，mL；t－测试时间，min。

1.2.2 界面张力测定

利用TEXAS-500A 旋滴界面张力仪测定目标溶液与原油间界面张力，测试温度为60 ℃。

1.2.3 稳定性分析实验

将20 mL不同乳化剂体系与稠油形成的乳状液分别放于样品瓶，并置于稳定性分析仪中，分析乳状液的稳定性。稳定性分析仪得到的乳状液的稳定性参数ITS（Turbiscan Stability Index）可用于评价体系稳定性［9］，表达式为：

北京市委农工委书记、市农委主任孙文锴也表示，通过举办此次活动，增强了首都人民对吉林的了解，丰富了北京的“米袋子 ”“ 菜 篮 子 ”“ 肉 铺 子 ”“ 果 盘子”，促进了北京与吉林的贸易流通合作，实现供需互惠双赢。两地政府部门、农业企业、民间组织的全面交流也将推动两地农业发展再上新台阶。

式中：Xi—每次测量的背散射光通量的平均值；XBS—Xi的平均值；n—实验中扫描次数。

1.2.4 填砂管驱油实验

填砂管驱油实验具体步骤如下：在60 ℃下，以0.3 mL/min的注入速率将填砂管饱和水，饱和油，老化12 h 后以0.5 mL/min 的注入速率进行水驱至含水率98%，注入0.5 PV 表面活性剂驱油体系，后续水驱至采出端不再出油，记录实时压力数据和采出液量，绘制采收率、含水率曲线。

1.2.5 微观驱油实验

图2为微观可视化模型实验装置示意图。微观驱油实验具体步骤如下：（1）对微观模型抽真空处理，然后饱和水；（2）用微量泵以0.003 mL/min 注入速率饱和油，接着在流速0.05 mL/min 下进行水驱至模型不再出油为止，建立残余油；（3）然后以0.05 mL/min的注入速率注入2 PV的复配目标乳化驱油体系，驱替过程中利用显微镜进行观察和记录驱替过程中剩余油的形态变化，并录取动态图像。

图2 微观可视化玻璃模型实验装置示意图

2 结果与讨论

2.1 乳化驱油体系的构建

针对胜利油田普通稠油，通过改变长链烷基羧基甜菜碱TB 和非离子表面活性剂烷醇酰胺AC 的复配比构建不同乳化体系，然后对不同乳化体系的乳化性能、界面张力和稳定性进行研究，筛选出目标乳化驱油体系。

2.1.1 乳化性能评价

首先以乳化体系的乳状液颜色、乳化不稳定系数（IUS）和粒径分布（D50）为评价指标，乳化实验结果如表1 所示，粒径分布如图3 所示。通过综合考虑各项性能，来筛选出最优乳化驱油体系配方。由表1得出，复配体系中TB与AC复配比在4∶1～2∶3范围时，所形成乳状液的颜色均是深褐色的，IUS值均为0，特别是当TB与AC复配比为3∶2时，所形成乳状液的油滴粒径中值最小，表明该复配比下乳化体系的乳化性能相对较好。

表1 TB与AC不同复配比乳化实验结果（表面活性剂总质量分数为0.3%，油水比3∶7）

2.1.2 界面张力评价

超低界面张力一般是设计和筛选化学驱油体系的重要指标，因为超低界面张力可以减小毛细管力和原油在岩石壁面的黏附功，降低原油流动阻力，有利于提高洗油效率。不同乳化体系与原油间的界面张力如图4 所示。从图4 可以看出，TB、AC复配比1∶0 的体系即单一TB 体系与原油间的界面张力降至10-3mN/m 所需时间最短，但是TB 体系与原油所形成的乳状液呈现黑色状态，IUS偏高；当TB、AC复配比为4∶1和3∶2时，乳化体系与原油间的界面张力在10 min 左右降至10-3mN/m 超低界面张力；其他配比体系不仅乳化性能极差，界面张力也很高。结合图3和表1，TB、AC复配比为3∶2的乳化体系的乳化性能和稳定性相对较好，且与原油间的界面张力能达到超低数量级，因此TB、AC最佳复配比为3∶2。

2.2 乳状液的微观稳定性

Turbiscan Lab 稳定性分析仪可从定性和定量等多角度分析稠油乳状液内部水相的沉淀及油相的絮集上浮过程，从微观角度对乳状液各部分的变化速率、内部液滴的粒径大小等进行定量分析，准确得出乳状液的微观稳定性，据此判断其乳化倾向，有助于深层次剖析体系不稳定性发生的机理［10-11］。由于乳状液是一种热力学不稳定性体系，当其多重自扩散乳化过程完成后，随着时间的进一步推移，它会从相对有序状态朝着无序方向发展，由于乳状液滴之间相互碰撞而发生絮凝和聚并，乳状液体系的破乳过程持续发生，体系的稳定性随着时间的延长而逐渐变弱，动力学稳定性参数ITS能够有效反应乳状液的破乳过程。0.3%的TB与0.3%的TB+AC（复配比3∶2）乳化体系与原油所形成乳状液（油水比3∶7）的ITS随测试时间的变化如图5所示。由图5可知，单一表面活性剂TB 乳化体系与原油形成乳状液的ITS明显高于TB+AC复配体系与原油形成乳状液的，表明TB+AC 复配体系与原油形成乳状液的稳定性明显高于单一表面活性剂与原油形成乳状液的。这是因为非离子表面活性剂AC 的加入，可使得油滴表面吸附更多的表面活性剂分子，致使油水界面张力有所降低，乳化油滴粒径中值减小，乳化性能进一步增强，破乳过程被提升的界面膜强度所限制，使得TB+AC 复配体系与原油形成乳状液的稳定性强于单剂与原油形成乳状液的。

2.3 乳化体系驱油效果

通过对不同体系的乳化性能和界面张力的研究发现，TB具有一定的乳化性能和降低界面张力的能力，而AC对胜利稠油不具有乳化性能，且降低界面能力较差。为了进一步确定TB 和TB+AC 复配体系驱替稠油的效果，开展了室内驱油实验。TB和TB+AC复配体系各阶段驱油效果如表2所示，驱替过程中的含水率、采收率和注入压力如图6所示，乳化体系注入量0.5 PV。由表2可知，TB驱油体系在水驱基础上采收率能提高5.8%；TB+AC 复配驱油体系能在水驱基础上提高采收率11.2%。对比压力曲线可以看出，在注入0.5 PV 的TB+AC 复配体系过程中，由于水驱后的残余油与复配体系中的表面活性剂在经过孔隙和喉道过程中受到一定的剪切作用进一步形成的乳状液颗粒封堵原来相对高渗的通道［12］，使后续注入驱替剂在更高的注入压力下流入阻力更高的渗透率相对较低的未波及区域，此区域的残余油被后续水驱采出，发挥了一定的封堵和调剖作用，故注入压力明显地上升。另外注入压力在后续水驱阶段降低趋势缓慢，主要是复配驱油体系中的部分表面活性剂被砂体吸附滞留，乳状液滴自身较稳定破乳速度缓慢，破乳完成后才被后续注入水突破带走，含水率在此阶段也出现一定程度的下降趋势。

图6 两种乳化体系驱替过程中采收率、含水率、注入压力随注入体积的变化

表2 两种乳化体系的驱油效果

2.4 乳化体系微观驱油机理分析

为了进一步研究乳化体系提高采收率的作用机理，利用微观模型进行TB+AC 复配驱油体系驱油实验，各阶段驱油动态如图7—图9所示。图7（a）为水驱后残余油模型示意图，水驱后形成了优势通道，其中圆圈区域内表示水驱后在该位置处形成了残余油；图（b）为经过后续TB+AC 复配体系驱替后的模型示意图。由图（a）和图（b）相比可以明显看出，TB+AC 复配体系可在水驱基础上把优势通道内的大部分残余油驱替采出，优势通道右下角水驱未波及区域也有一部分原油被驱替采出，波及系数和洗油效率均有所提高［13-15］，增加采收率效果显著。

图7 不同驱替阶段模型示意图

图7（a）水驱之后形成的残余油经过局部放大后如图8（a）所示。当注入的复配驱油体系流过此处的残余油所在位置时，通过挤压和剪切的外力作用，部分残余油被乳化成细丝状，后续注入的复配体系与之前被拉成细丝状的残余油继续发生乳化作用，进一步把细丝状残余油拉断分散成更细更小的油珠。水驱后残余油所在位置处的原油由于持续受到上述发生的乳化作用被“拉”下来，剩余量不断减少，使得剩余油的启动压力也逐渐降低，整体随着泵入流体的水流方向运移至采出端，洗油效率得以提高。

图8 乳化对局部残余油作用示意图

图9 为复配体系驱油的后续阶段，增大显微镜的放大倍数，进一步研究该驱油体系对胜利油田普通稠油的剥离效果。泵入的复配体系中的表面活性剂吸附在油-固界面上，使得油-固界面张力得以降低，表面活性剂溶液能从油膜边缘进入油膜深处发生乳化作用，使得油膜扩张破裂后缩聚成小油滴随注入流体向采出端运移。

图9 复配体系对胜利油田普通稠油剥离效果

3 结论

基于微动力条件乳化评价方法，以乳化能力、界面张力和稳定性为指标构建的胜利油田孤岛稠油最优乳化体系配方为TB、AC质量比为3∶2，总质量分数为0.3%，该体系的乳化性能良好，与原油间的界面张力在10-3mN/m，与原油形成乳状液的稳定性明显高于单一表面活性剂TB与原油形成乳状液的。

TB+AC 复配体系能在水驱基础上提高稠油采收率11.2%；其主要驱油机理在于通过超低界面张力和强乳化性能“拉”残余油，使其发生形变，降低流动阻力和残余油含量；并可进入油膜深处进一步发生乳化作用使油膜扩张破裂来提高采收率。