表面活性劑SII與稠油油田C原油相互作用研究

呂鵬 劉義剛 李彥閱

摘 ? ? ?要：為了研究表面活性劑SII在渤海C稠油油田的適應性，利用超低界面張力儀、界面流變儀、體式顯微鏡、驅(qū)替裝置等儀器從微觀和宏觀兩種尺度研究了表面活性劑SII與渤海C油田原油的相互作用及提高采收率性能。微觀研究結(jié)果表明： 隨著SII質(zhì)量濃度的增加，油水界面張力不斷下降，界面擴張模量不斷增大。當SII從0 增加為2 000 mg·L-1時，油水界面張力從1.53 mN·m-1下降至0.047 mN·m-1。顯微鏡觀察結(jié)果顯示在模擬水-SII-原油體系中形成了水包油乳狀液，油滴以球狀或類球狀分散于SII溶液中。宏觀研究結(jié)果表明當SII質(zhì)量濃度為2 000 mg·L-1、稠油與表面活性劑體積比例為3∶7時，形成的乳狀液黏度相對原油黏度降幅高達96.1%。在水驅(qū)達到含水98%的填砂模型上注入0.4 PV、2 000 mg·L-1的SII溶液后，提高采收率幅度高達10.33%。研究表明對于渤海C稠油油田，SII乳化驅(qū)替是一種可行的提高采收率方法。

關 ?鍵 ?詞：表面活性劑;原油;界面張力;界面擴張模量;提高采收率

中圖分類號：TE53 ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? 文章編號： 1671-0460（2020）10-2171-04

Abstract： In order to study the adaptability of surfactant SII in Bohai C heavy oil field， the interaction between surfactant SII solution and the crude oil from C oil field was studied by the measurement of the interfacial tension（IFT）and the interfacial dilational modulus （IDM）， the observing of microscopic dispersion of the oil-SII-water system（OSWS）. The results indicated that the IFT decreased with the concentration increasing of SII. The IFT decreased from 1.53 mN·m-1 to 0.047 mN·m-1 as the concentration of SII changed from 0 to 2 000 mg·L-1. The IDM increased with the concentration increasing of SII; O/W emulsion was formed in the OSWS，the oil was dispersed as spherical or elliptical droplets in SII solution. On the basis of microcosmic study， the viscosity reduction and EOR performance were studied by macroscopic experiment. The results showed that the viscosity reduction rate was up to 96.1% when crude oil- SII solution volume proportion was 3∶7 under the SII concentration of 2 000 mg·L-1. EOR by emulsion flooding reached 13.0% at the slug size of 0.4 PV under the SII concentration of 2 000 mg·L-1. The results of these studies shows that SII emulsion is a promising EOR technology in water?ooded heavy oil reservoirs.

Key words： Surfactant; Crude oil; Interfacial tension; Interfacial dilational modulus; Enhanced oil recovery

在全球常規(guī)原油儲量中，稠油、超稠油和瀝青儲量約占70%;在我國探明石油儲量中，稠油儲量占50%以上。稠油、水黏度較大差異下的不利油水流度比使稠油油藏的水驅(qū)采收率明顯低于普通油藏。以降低原油黏度、改善油水流度比為目標，國內(nèi)外研究者從理論和實驗兩方面研究了提高稠油油藏水驅(qū)采收率的不同方法[1-5]。1973年，McAuliffe第一次指出水包油（O/W）乳液驅(qū)替可以原位降低稠油黏度，從而提高原油采收率[6-7]。國內(nèi)外研究者一直致力于水包油乳液的形成、穩(wěn)定性研究[7-12]。 ? ? 水-油-表面活性劑體系中的油水界面張力、界面擴張模量是影響乳狀液形成、穩(wěn)定的主要因素。表面活性劑分子在油水界面的質(zhì)量濃度、排列方式直接影響油水界面張力與界面擴張模量。

本文通過對油水界面張力、界面擴張模量、原油降粘率、提高采收率的測試與實驗，研究了一種典型的表面活性劑SII與渤海C油田稠油的相互作用，為下一步現(xiàn)場推廣應用提供理論基礎。

1 ?實驗材料與設備

1.1 ?實驗用水

實驗用水根據(jù)目標油田注入水的離子組成通過蒸餾水和無機鹽配制而成，其離子組成見表1。

1.2 ?實驗用油

渤海C油田脫水原油用于乳化實驗、黏度測試及驅(qū)替實驗，原油與航空煤油（2∶5）混合后的模擬油用于油-表面活性劑-水體系中油水界面張力與界面擴張模量的測試。

原油物性參數(shù)見表2。

1.3 ?化學試劑

NaOH（≥99.5%）， NaHCO3（≥99.5%）， Na2CO3（≥99.5%）， NaCl （>99.5%）， KCl （>99.5%）， CaCl2（>96%）和 MgCl2·6H2O （>99%），國藥集團化學試劑有限公司;表面活性劑SII， 由中海石油（中國）有限公司天津分公司渤海石油研究院提供。

1.4 ?實驗設備

TX-500C旋滴界面張力儀，美國Kono集團;Tracker H界面流變儀，法國Teclis公司;LSM-ZS50立體顯微鏡，日本Insize公司;DV-Ⅱ布氏黏度計，美國Ametek公司;驅(qū)替實驗裝置，江蘇海安石油儀器有限公司。

2 ?實驗內(nèi)容

2.1 ?界面張力測試

在50 ℃下， 采用旋轉(zhuǎn)液滴界面張力儀TX- 500C測試油水界面張力。

在充滿表面活性劑溶液或模擬水的石英測試管中部用微量注射器擠入一滴模擬油，擰緊試管塞后將其放入測試部位。設置旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速6 000 r·min-1，待攝像機實時采集溶液中的油滴分布圖片并傳輸至數(shù)據(jù)處理軟件后，直接讀取油水界面張力數(shù)值。

2.2 ?界面擴張模量測試

在50 ℃下，采用界面流變儀Tracker H進行界面擴張模量測試。

石英測試管加入一定體積表面活性劑溶液或水，以上升滴模式通過帶有U型針頭的微型注射器在表面活性劑或水中擠出一滴模擬油。調(diào)整設備直至油滴保持垂直。通過精細馬達系統(tǒng)使油滴體積在選定的頻率和振幅下以正弦模式變化，通過攝像機捕集油滴分布的變化，進而通過圖形處理軟件進行數(shù)字化分析，即可直接讀取界面擴張模量的數(shù)值。吉布斯界面擴張模量定義如公式（1）所示：

ε = dγ/d lnA 。 ? ? ? ? （1）

其中：ε—界面擴張模量;

γ—是界面張力;

A—界面面積。

2.3 ?乳液微觀分散狀態(tài)分析

采用立體顯微鏡LSM-ZS50觀察了乳液的微觀分散狀態(tài)。

分析樣品由油和水按3∶7的比例混合而成。在50 ℃水浴中以250 r·min-1的速度攪拌5 min后，用微量注射器將一滴樣品滴到玻璃片上。利用顯微鏡觀察樣品的分散狀態(tài)，調(diào)整放大倍率、直至捕獲清晰的圖像。

2.4 ?黏度測試

在50 ℃下，采用布式黏度計DV-Ⅱ進行表活劑添加前后樣品黏度測試。

將油和水按不同比例（7∶3、6∶4、5∶5、 ? ? ?4∶6和3∶7）混合后，將每種油水混合樣品平均分為兩組，一組作為空白對比實驗，向另一組中加入表面活性劑，并使表面活性劑質(zhì)量濃度為 ? ? ? ? 2 000 mg·L-1。在50℃水浴中以250 r·min-1的速度攪拌5 min后，用布氏黏度計測定不同樣品的黏度。

2.5 ?驅(qū)替實驗

在50 ℃下，采用砂管填砂模型條件進行驅(qū)替實驗，以考察表面活性劑溶液的驅(qū)油效果。

砂管直徑為2.5 cm、長度為20 cm。采用200～300目（0.048～0.075 mm）石英砂進行砂管填充，滲透性設計范圍為4 100～4 200 mD。待得到滿足設計范圍的砂管，進行水測滲透率、原油飽和、老化。按照下列步驟進行驅(qū)替實驗：首先對重油飽和后的填砂管進行水驅(qū)，當含水率達到98%后注入0.4 PV、2 000 mg·L-1的表面活性劑溶液，隨后進行后續(xù)水驅(qū)，直到含水率再次達到98%后停止實驗。水驅(qū)、表面活性劑驅(qū)和后續(xù)水驅(qū)的注入速度均為0.2 mL·min-1。

驅(qū)替流程如圖1所示。

3 ?結(jié)果與討論

3.1 ?油水界面張力測試結(jié)果

模擬油與表面活性劑溶液的界面張力測試結(jié)果見圖2。

模擬油與模擬水的界面張力為1.53 mN·m-1隨著表面活性劑質(zhì)量濃度的增加，油水界面張力不斷降低。當表面活性劑質(zhì)量濃度達到2 000 mg·L-1時，油水界面張力下降至0.047 mN·m-1。

界面張力的降低將大幅度提高毛管數(shù)，而毛管數(shù)的提高將大幅度提高殘余油的驅(qū)替效率。

3.2 ?油水界面擴張模量測試結(jié)果

模擬油和表面活性劑溶液的油水界面擴張模量測試結(jié)果如表3所示。

結(jié)果表明，界面擴張模量隨著表面活性劑質(zhì)量濃度的增加而增大。表面活性劑溶液與模擬油之間的界面擴張模量大于模擬油與模擬水之間的界面擴張模量。

一方面，表面活性劑本身在油水界面的吸附、排列提高了油水界面膜的強度。表面活性劑與原油界面間會生成一層界面膜，界面膜強度在一定程度上可以表征水滴相互靠近時抵抗形變能力的強弱。當界面膜強度值較大時，表明油水界面抵抗形變能力強，液滴不易聚并，乳狀液穩(wěn)定性較好;反之，表明油水界面抵抗形變能力減弱，油水分離較快，乳狀液穩(wěn)定性降低。

另一方面，表面活性劑非極性基團與稠油中活性組分的相互協(xié)同作用也可以提高油水界面膜的強度。隨著表面活性劑質(zhì)量濃度的增加，表面活性劑分子在油水界面的吸附量增大，表面活性劑與稠油中活性組分的協(xié)同作用越強，油水界面膜的強度越大，乳狀液穩(wěn)定性越高。

3.3 ?乳液狀態(tài)分布結(jié)果

稠油和表面活性劑溶液按3∶7比例混合的乳液的微觀分散如圖3所示。

結(jié)果表明，在油-表面活性劑-水體系中形成了水包油（O/W）乳液。稠油油滴以球狀或類球狀分散于表面活性劑溶液中。

表面活性劑降低油水界面張力和提高油水界面擴張模量是O/W乳液形成和穩(wěn)定的重要因素。乳狀液的形成將影響油水兩相的流動狀態(tài)，改善水驅(qū)效果。

3.4 ?黏度測試結(jié)果

按不同比例（7∶3、6∶4、5∶5、4∶6和3∶7）混合后空白對比實驗組、填加表面活性劑實驗組的黏度測試結(jié)果如圖4所示。

不同比例下、黏度降低率的結(jié)果如圖4（a）所示，不同比例下黏度測試值如圖4（b）所示。結(jié)果表明，乳液黏度隨著樣品中水的比例的增加而降低。當水相體積最大，即油水比例為3∶7時黏度降低率可達96.1%。

原油黏度的降低將顯著改善稠油分散性和流變性。相對于空白試驗組的油水流度比，降粘后的原油與驅(qū)替水的流動比降低顯著。流度比的降低將大幅改善油水兩相的相對滲透率，改善水驅(qū)稠油時的指進現(xiàn)象，提高驅(qū)替效率，提高原油采收率。

3.5 ?砂管驅(qū)替實驗結(jié)果

填砂模型參數(shù)及表面活性劑驅(qū)替實驗結(jié)果如表4所示。

實驗結(jié)果表明，單獨水驅(qū)達到含水率98%時，原油采收率只有21.8%。注入0.4 PV、2 000 mg·L-1的表面活性劑溶液后，平均提高采收率幅度高達10.33%。

表面活性劑對稠油的驅(qū)油機理可以從以下兩部分進行分析。首先，O/W乳狀液的形成一方面可以改善多孔介質(zhì)中的Jamin效應，從而提高滲透阻力和波及體積，另一方面可以通過降低原油的黏度提高了油水流動比。其次，油水界面張力的降低將大幅增加毛管數(shù)，毛管數(shù)越大，微觀驅(qū)油效率越高。

綜合油-表面活性劑-水的相互作用及驅(qū)替實驗的結(jié)果可以看出，表面活性劑驅(qū)可以作為渤海C油田一種潛在的、有效的增產(chǎn)技術。

4 ?結(jié) 論

模擬油與表面活性劑溶液之間的油水界面張力隨表面活性劑質(zhì)量濃度的增加而減小。當表面活性劑質(zhì)量濃度由0變?yōu)? 000 mg·L-1時，油水界面張力由1.53 mN·m-1降低到0.047 mN·m-1，而界面擴張模量隨表面活性劑質(zhì)量濃度的增加而增大。界面張力的降低將大幅度提高毛管數(shù)，而毛管數(shù)的提高將大幅度提高殘余油的驅(qū)替效率。

油-表面活性劑SII-水體系中形成了O/W乳液。油滴以球狀或類球狀分散于表面活性劑溶液中。表面活性劑降低油水界面張力和提高油水界面擴張模量是O/W乳液形成和穩(wěn)定的重要因素。

當原油與表面活性劑溶液體積比為3∶7、表面活性劑質(zhì)量濃度為2 000 mg·L-1時，黏度降低率可達96.1%，這將顯著改善稠油分散性和流變性，降低注采流度比，提高驅(qū)替效率，有利于提高采收率。當表面活性劑驅(qū)段塞尺寸為0.4 PV時，提高采收率幅度可達到10.33%。

綜合油-表面活性劑-水的相互作用及驅(qū)替實驗的結(jié)果可以看出，表面活性劑驅(qū)可以作為渤海C油田一種潛在的、有效的增產(chǎn)技術。

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