甜菜堿類低界面張力泡沫驅油體系性能研究

孫建峰 郭東紅 崔曉東 辛浩川

（中國石油勘探開發研究院油田化學研究所，北京 100083）

提高采收率的方法包括以下兩個方面：一是通過改善流度比提高波及系數，二是通過降低界面張力提高驅油效率。為提高采收率， Fried和Holbrook［1-2］首次提出了采用泡沫劑作為采油助劑：泡沫劑能改善流度比，增大高滲層流動阻力，發揮低滲層作用；具有油水選擇性，堵水不堵油；同時，泡沫劑作為優良的活性劑，能降低油水界面張力，提高洗油效率［3］。之后，人們對泡沫劑開展了大量研究，泡沫劑在高溫泡沫驅油、調剖堵水、壓裂及鉆井作業中得到廣泛應用［4-5］。目前，泡沫驅油技術已經逐步發展為復合泡沫驅油技術，如三元復合驅加氮氣先導礦場試驗等［6］。針對中低滲油藏的剩余油呈非均質化分布、高滲透油藏的剩余油分布較復雜這兩種情況，現有泡沫驅油技術能發揮泡沫劑體系的調剖作用，但不能與原油形成較低界面張力，洗油效果較差，或者即使洗油效果較好但未充分發揮泡沫的調剖作用［7-8］，因此，研制新的低界面張力泡沫驅油體系，使之起到較好的調剖封堵作用和洗油作用［9-10］，對于高含水老油田提高采收率具有十分重要的意義。

甜菜堿類表面活性劑屬于兩性表面活性劑，既含有陰離子基團又含有陽離子基團，不僅具有較好的發泡性能［11］，同時在較寬的pH值范圍內具有良好的界面活性，其界面張力對堿依賴性較小；此外甜菜堿類表面活性劑具有優良的復配性能［12］。為此，以合成甜菜堿類表面活性劑為主劑，復配以陰離子表面活性劑，開展了低界面張力泡沫驅油體系研究，并以大港原油配制模擬油對其泡沫性能、界面活性以及驅油效率進行了測試。

1 實驗物品和實驗方法

1.1 實驗物品準備

1.1.1 試劑與儀器 實驗室自制系列烷基酰胺丙基羥丙基磺基甜菜堿；十二烷基硫酸鈉（SDS），化學純，國藥集團化學試劑有限公司提供；十二烷基二甲基甜菜堿（BS12）、十二烷基羥磺基甜菜堿（LHS）、雙酯基磺丙基甜菜堿（LH2），上海德俊化工有限公司提供；C16α-烯烴磺酸鈉（AOS16），西安南風化工集團提供；椰子油脂肪酸二乙醇酰胺（6501），江蘇海安石油化工廠提供；大港油田馬西脫水脫氣原油，原油密度0.887 8 g/cm3，大港油田采油院提供；大港油田馬西地層水，大港油田采油院提供。

TX-500C型旋轉滴界面張力儀，美國CNG公司提供；WARING 34BL99型攪拌器，美國WARING公司提供；化學劑泡沫驅替實驗裝置，江蘇海安石油儀器有限公司提供。

1.1.2 模擬地層水的配制 分別稱取3.000 g、5.000 g、8.000 g氯化鈉和總量為0.600 g的氯化鈣和氯化鎂，加適量蒸餾水溶解并移至1 L的容量瓶中，加蒸餾水至容量瓶刻度線，配成3.000 g/L、5.000 g/L、8.000 g/L礦化度的模擬地層水備用。

1.1.3 系列烷基酰胺丙基羥丙基磺基甜菜堿的合成將同摩爾比例的亞硫酸氫鈉加入到環氧氯丙烷中制備3-氯-2-羥基丙磺酸鈉，在250 m L三口燒瓶中，加入0.13 mol烷基酰胺二甲基叔胺和50 m L無水乙醇，攪拌，升溫至回流，然后滴加30 m L 含有0.10 mol的3-氯-2-羥基丙磺酸鈉水溶液，反應的pH值維持在8～9，用鉻酸鉀指示劑監測反應終點。反應結束后，脫除溶劑，得到產品。根據烷基碳鏈的長度，得到系列產品十二烷基酰胺丙基羥丙基磺基甜菜堿（N12）、十四烷基酰胺丙基羥丙基磺基甜菜堿（N14）和十六烷基酰胺丙基羥丙基磺基甜菜堿（N16）。

1.2 實驗方法

1.2.1 油水界面張力測試方法 用TX-500C型旋轉滴界面張力儀測定低張力泡沫驅油體系的油水界面張力性能，油水界面張力值隨時間變化，每個試樣的測定時間為2 h，記錄平衡界面張力值。根據油水地層溫度，體系界面張力的測試溫度選取65 ℃。

1.2.2 泡沫性能測試方法 配制100 m L系列質量分數的待測水溶液，利用WARING 34BL99攪拌器攪拌1 m in，轉速5 000 r/m in，將泡沫倒入1 000 m L量筒計量體積，作為體系的發泡體積，同時開始計時，當液體析出50 m L時所耗費時間為析液半衰期。

1.2.3 驅替實驗步驟 低界面張力泡沫驅油體系驅替物理模擬實驗采用單管巖心驅替模型，巖心為人造巖心，平均直徑2.5 cm，平均長度10 cm。實驗用水為大港油田馬西地層水，實驗用油為大港油田馬西原油和煤油的復配模擬油（原油 ∶ 煤油=1∶4 （體積比））。實驗溫度為65 ℃，注入速度為 0.5 m L/min。具體實驗步驟如下：（1）抽空巖心24 h，用模擬地層水飽和巖心，測定巖心的孔隙體積和孔隙度；（2）65 ℃下，模擬油飽和巖心，注入量為2.0 PV，計算原油飽和度；（3）地層水驅至含水 98%，計算水驅采收率；（4）低界面張力泡沫驅，注入0.5 PV，至含水98%，計算采收率。

2 低界面張力泡沫驅油體系的制備與性能評價

低界面張力泡沫驅油體系的泡沫性能和界面張力值必須滿足一定的要求，才能兼具調剖和洗油效果。筆者認為起始發泡體積要達到溶液體積的4～5倍（攪拌法），界面張力值達到10–2mN/m數量級的較低水平情況下，低界面張力泡沫驅油體系才可能具有較好的提高采收率效果。

2.1 低界面張力泡沫驅油體系主劑篩選

將合成的表面活性劑用模擬礦化水配制成0.5%的溶液，常溫下考查其起泡性能、穩泡性能和油水界面張力性能，以便篩選低界面張力泡沫驅油體系的主劑，結果見表1。

表1 系列甜菜堿的界面張力和泡沫性能

從表1看出，對于系列甜菜堿表面活性劑，隨著碳鏈的增長，其泡沫性能越來越差。其中，N12的發泡性能最好，穩泡時間最長；N14 和N16的泡沫性能較差，析液半衰期較短。在礦化度3 000 mg/L到8 000 mg/L的范圍內，N12、N14和N16起始發泡體積和界面張力值變化不大，說明系列泡沫劑具有一定的抗鹽性能。

從表1還可以看出，N16的油水界面張力性能最好，能達到10–2mN/m的較低水平；N14的油水界面張力也能達到10–2mN/m水平，N12的油水界面張力較高。隨著碳鏈的增長，表面活性劑的界面活性越來越好，泡沫性能越來越差，綜合界面張力性能和泡沫性能，N14適宜作為低張力泡沫驅油體系的主劑。

2.2 低界面張力泡沫驅油體系制備

首先用礦化度3 000 mg/L到8 000 mg/L的模擬水配制0.5%的N14溶液，添加質量分數為0.2%的不同類型表面活性劑 BS12、LHS、LH2、AOS16、6501、SDS，針對大港油田馬西地層原油，考察不同配方體系的界面張力性能和泡沫性能，結果如表2所示。

從表2中可以看出，添加LH2時，配方體系的泡沫體積最高，達到370 m L，但析液半衰期時間較短。添加SDS時，配方體系的泡沫體積達到350 m L，析液半衰期時間最長，達到406 s，界面張力值達到10–2mN/m的較低水平，基本接近對低張力泡沫驅油體系性能的要求，因此確定低界面張力泡沫驅油體系的配方體系為：十四烷基酰胺丙基羥丙基磺基甜菜堿（N14）與十二烷基硫酸鈉（SDS）的復配體系。

表2 0.5%N14與不同表面活性劑復配體系的泡沫性能和界面張力性能

2.3 低界面張力泡沫驅油體系的發泡性能

把上述低張力泡沫驅油配方體系應用于大港油田馬西地層原油和污水，考察了0.5%的N14主劑加入不同濃度的SDS的情況下體系的泡沫性能和界面張力性能，結果如表3所示。

表3 0.5%N14與SDS復配體系的泡沫性能和界面張力性能

從表3可以看出，隨著SDS含量的增加，體系的發泡量逐漸增大，析液半衰期也逐漸增大，但體系的界面張力逐漸升高即界面活性逐步下降，因此，體系的泡沫性能和界面活性呈負相關性。其中，當SDS含量在0.22%～0.25%范圍內，體系的發泡量能達到4～5倍，體系的平衡界面張力值達到10–2mN/m的較低水平，能夠滿足低張力泡沫驅油體系的性能要求。

2.4 室內巖心驅替實驗

選擇具有如下3種特征的驅油體系開展室內巖心驅替實驗：（1）界面張力數值較低，發泡性能較差的體系，即近似于單純的低界面張力驅油體系（0.5%N14+0.15%SDS）； （2）界面張力數值較高，發泡性能較好的體系，即近似于單純的泡沫驅油體系（0.5%N14+0.27%SDS）； （3）界面張力較低、發泡性能較好的體系，即近似于低界面張力泡沫驅油體系（0.5%N14+0.23%SDS）。驅替實驗結果如表4所示。

從表4可以看出，界面張力較低、發泡性能較好的體系3的驅油效率達到12.6%，明顯好于單純的低界面張力驅油體系1和單純的泡沫驅油體系2的驅油效率，表明低張力泡沫驅油體系3是通過提高波及系數和洗油效率的雙重作用，達到提高驅油效率的效果。

表4 不同驅油體系的巖心驅替實驗結果

3 結論

（1）通過系列兩性表面活性劑的合成以及泡沫性能和油水界面張力性能測試，篩選出低界面張力泡沫驅油體系的主劑十四烷基酰胺丙基羥丙基磺基甜菜堿兩性表面活性劑。

（2）通過界面張力與發泡性能的測試，優化出適合大港馬西地層原油和污水的低界面張力泡沫驅油體系，體系起始發泡量達到溶液體積的4～5倍，平衡界面張力值達到10–2mN/m的較低水平。

（3）巖心驅替實驗結果表明，低界面張力泡沫體系的驅油效率明顯好于單純的低界面張力體系以及單純的泡沫體系的驅油效率。

［1］ BOND D, HOLBROOK O C, LAKE C. Gas drive recovery process［P］. US 2 866 507, 1956.

［2］ FRIED A N. The foam-drive process for increasing the recovery of oil ［R］. Report of Investigation 5866, USBM,Washington, 1961: 235-247.

［3］ 王增林.強化泡沫驅提高原油采收率技術［M］.北京：中國科學技術出版社，2007：38-41.

［4］ 廖廣志，李立眾，孔繁華，等.常規泡沫驅油技術［M］.北京：石油工業出版社，1999： 239-248.

［5］ 孫建峰，郭東紅，辛浩川，等. JP系列高溫泡沫劑的合成及性能評價［J］.石油鉆采工藝， 2011，33（2）： 117-119.

［6］ 張思富，廖廣志，張彥慶，等.大慶油田泡沫復合驅油先導性礦場試驗［J］.石油學報， 2001， 22（1）： 49-53.

［7］ 劉宏生.聚驅后超低界面張力泡沫復合驅實驗研究 ［J］.西安石油大學學報：自然科學版，2012，27（3）： 72-75.

［8］ 王軍志.耐溫抗鹽超低界面張力泡沫體系的研究［J］.精細石油化工進展，2008，9（6）： 11-15.

［9］ 歐陽向南，唐善法，胡小冬，等.低界面張力泡沫驅油體系研究［J］.精細石油化工進展， 2012，13（8）： 32-35.

［10］ 胡小冬.低界面張力泡沫驅油體系研究與性能評價［D］.湖北荊州：長江大學，2012：48-50.

［11］ 馮晗.耐油起泡劑篩選及驅油性能評價［D］.黑龍江大慶：東北石油大學，2012：15-19.

［12］ 鄭自剛，侯吉瑞，趙鳳蘭，等.化學復合驅用甜菜堿型表面活性劑的研究進展［J］.化學研究與應用，2011，23（1）： 30-34.