短期應用超聲波提高表面活性劑驅油效率研究

張燕杰，張萬昌，安偉偉，宋曉亮

(1.甘肅廣播電視大學 職業技術學院，甘肅 蘭州　730030；2.西安石油大學 流體與滲流力學實驗室，陜西 西安　710065；3.中國石油長慶油田 第二采油廠，甘肅 西峰　745000)

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短期應用超聲波提高表面活性劑驅油效率研究

張燕杰1，張萬昌1，安偉偉2，宋曉亮3

(1.甘肅廣播電視大學 職業技術學院，甘肅 蘭州730030；2.西安石油大學 流體與滲流力學實驗室，陜西 西安710065；3.中國石油長慶油田 第二采油廠，甘肅 西峰745000)

[摘要]目前油田常用三采技術的較多，表面活性劑驅為其中較為常用的一種，為提高表面活性劑驅采收率，開展了短期應用超聲提高表面活性劑驅油效率實驗研究，結果表明：超聲15分鐘對于吐溫-80型表面活性劑的驅油作用有明顯的促進作用，以及良好的降低界面張力和改變巖石表面潤濕性的作用，并且能夠有效提高驅油效率。通過研究不同的超聲波作用時長對表面活性劑驅油最終采收率的影響，發現短期應用超聲波對表面活性劑驅油效率有明顯提高。

[關鍵詞]表面活性劑驅；短期超聲；驅油效率；實驗研究

目前國內大部分油田都已進入采油高含水期，三采技術在國內應用已經相當廣泛，其中表面活性劑驅油和超聲波驅油技術較為領先，并且多處礦場試驗證實增油效果明顯[1-4]。表面活性劑的增油機理之一就是通過乳化原油使其更加容易流動[5]，而超聲波就具有促進乳化的作用[6]，因此考慮應用超聲波作用促進表面活性劑驅油[7]，但在油氣集輸工程中進行油水分離作業時又發現超聲波對乳狀液有較好的破乳作用[8]，而這對油從儲層流出是不利的，因此要分析超聲波對表面活性劑驅油的作用范圍。本研究通過實驗室研究表面活性劑驅油，表面活性劑驅油中用超聲波作用0min、15min、30min三種情況下對巖心中原油的滲透率進行比較，探討分析超聲波與表面活性劑聯用在油田生產中應用的可行性。

1表面活性劑增油機理[9-10]

1.1 降低油水界面張力

表面活性劑具有兩親性，這種分子兩端分別有親水和親油兩個基團，當它進入油水兩相體系中時會迅速被吸附到兩相界面上，從而降低油水界面張力。

1.2 改變孔隙表面潤濕性

儲層巖石由于長期與原油共存，其表面潤濕性往往表現為親油性。驅油用表面活性劑的親水性大于親油性，它們在儲層孔隙表面吸附，可使親油的孔隙表面反轉為親水表面，從而有效降低原油黏附功，也提高了洗油效率。

1.3 促進原油乳化

表面活性劑體系對原油具有較強的乳化能力，在水油兩相流動剪切的條件下，能將巖石表面的原油分散、剝離，形成水包油型(O/W)乳狀液，從而改善油水兩相的流度比，提高波及系數。

1.4 聚并形成油帶

若從儲層孔隙中洗下來的油越來越多 ，則油滴在移動過程中發生相互碰撞。當碰撞能量克服了它們之間的靜電斥力時，就會發生聚并。油滴的聚并可形成油帶。油帶在向前移動時，又不斷遇到分散的油聚并進來，使油帶不斷擴大，最后從油井采出。

2 超聲波增油機理

超聲波是一種頻率高于20000赫茲的聲波，它的方向性好，穿透能力強，易于獲得較集中的聲能，在高密度介質中傳播距離遠。

2.1 超聲波與儲層作用

超聲波驅油主要通過聲波處理生產油井、注水井及近井油層，使油層中流體的物性及流態發生變化，利用超聲波的機械振動作用和熱作用，改善井底近井油層的流通條件及滲透性，解除采油井、注水井的堵塞[11]。

2.2 超聲波與注入流體作用

壓電換能器產生的聲波與注入水耦合，水分子在聲波作用下周期性地進行排列組合，以波動形式輸出，導致水的表面張力下降，降低毛管滲流阻力，提高地層內流體的流動能力。提高采液量、原油產量和注水量，降低原油的粘度，提高原油、水在多孔巖石中的滲透率，從而提高注入水的注入量和原油采收率[12]。

2.3 超聲波促進原油乳化作用

超聲波在液體介質中傳播時，介質分子受聲波能量的振動而發生縱波方向的彈性振動，液體內部發生空化效應，產生大量氣泡，氣泡在超聲作用下不斷地增大然后分裂，液體內部產生高溫高壓使得氣泡周圍的液體高速沖入氣泡而在氣泡附近的液體中產生了強烈的局部激動波，從而產生了超聲的粉碎、乳化作用。

3聯合作用效果實驗評價

3.1 實驗準備

本實驗選取非離子表面活性劑吐溫-80作為驅油用表面活性劑，化學名稱為聚氧乙烯山梨醇酐單油酸酯，親水性強，為一類非離子型表面活性劑，具較強親水性。選定表面活性劑溶液pH為7、攪拌轉速為120r/min、吐溫-80溶液體積分數為0.20%、振蕩時間為2h。

確定超聲處理巖心的條件為：固液比1：1，反應溫度25°C，超聲頻率40kHz，超聲聲強0.39W/cm2。

實驗采用西峰油田長8油藏原油及巖心，巖心長度6cm，巖心直徑2.5cm，孔隙度10.5%，滲透率2.2×10-3μm2。

3.2 分項評價

3.2.1 界面張力評價

在不同超聲時段取樣，用BZY 型全自動表界面張力儀測定表面活性劑溶液與原油之間的界面張力，如圖1，可以看出吐溫-80型表面活性劑具有良好的界面活性，能有效降低油水間界面張力；隨超聲作用時間的增長，界面張力降低；在超聲大于10分鐘時，下降幅度較快，15分鐘后趨于平緩，界面張力達到10-3mN/m的超低界面張力，超低界面張力可以有效降低原油與巖石表面的黏附功，增強原油的流動能力，提高洗油效率。超聲作用20分鐘開始有小幅度恢復。

圖1　不同超聲時長的吐溫-80溶液與原油界面張力曲線

3.2.2 改變巖石表面潤濕性評價

為考察吐溫-80型表面活性劑改變巖石表面潤濕性的能力與溶液超聲時間長度的關系，采用接觸角測定儀測量不同超聲作用時長下表面活性劑溶液與載波片(預處理為親油表面 )的水相接觸角，結果(表1)可見：隨著超聲作用時間的增加，水相接觸角逐漸減小，說明該表面的親油性逐漸降低，而親水性逐漸增強，這樣可以降低原油與巖石表面的黏附功，有效增強原油的流動能力，提高洗油效率。

表1　不同超聲時長的吐溫-80溶液與載玻片的接觸角

3.2.3 超聲作用對原油粘度的影響評價

實驗中測量了不同超聲作用時長對原油粘度的改變 (圖2 )。由圖2可看出，在超聲波作用下，原油粘度不斷降低，且隨著超聲時間的延長，超聲的降粘作用下降，超聲15分鐘時基本達到最大降粘效果，從而提高原油流度。

圖2　超聲波降低原油粘度的實驗曲線

3.2.4 驅油效率評價

按照以下實驗流程進行：首先測定巖心孔隙度和滲透率，再將巖心用同層位原油飽和，然后以0.10ml/min流速注入一定質量分數的表面活性劑溶液，該步驟分三組進行，第一組無超聲作用，第二組超聲作用15分鐘，第三組超聲作用30分鐘，驅替巖心至含水率達98%進行計算采收率。

表2　不同質量分數表面活性劑溶液在不同

4結論

短期應用超聲對于表面活性劑驅油有明顯的促進作用，以及良好的降低界面張力性能和改變巖石表面潤濕性能的作用，相比無超聲作用的表面活性劑驅能夠有效提高原油采收率約8%，而當超聲時長增加一倍后對已經乳化的原油又起到破乳作用，增油效果反而不明顯。從驅油效率評價實驗來看，在相同采收率情況下，如采收率在53%左右時，采用15分鐘超聲比起不采用超聲可減少約70%的表面活性劑用量。

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[責任編輯龔勛]

[中圖分類號]TE39

[文獻標志碼]A

[文章編號]1008-4630(2016)02-0087-03

作者簡介：張燕杰(1986-)，甘肅臨洮人，助理工程師，主要從事石油開采相關教學與研究。

收稿日期：2015-12-07