無堿與含堿化學體系驅替稠油特征比較

韓玉貴，丁名臣，劉義剛，鄒劍，趙鵬，王業(yè)飛

（1.中海石油（中國）有限公司天津分公司渤海石油研究院，天津 300452；2.中國石油大學（華東）石油工程學院，山東 青島 266580）

0 引言

稠油黏度高，不利的水油流度比導致水驅采收率極低（5%～10%）[1-2]。 傳統熱采的方法能顯著降低稠油黏度和流動阻力，但是受注入熱損失、熱流體制備的經濟性和環(huán)保等因素限制。近年來，稠油冷采提高采收率逐漸引起關注，堿驅或含堿體系復合驅是冷采提高稠油采收率的重要研究方向之一，人們在稠油堿驅機理、堿液類型優(yōu)化和驅油效果等方面開展了大量的研究工作[3-5]，發(fā)現堿驅能夠顯著提高稠油采收率。但由于存在結垢、采出液破乳困難等問題，含堿體系驅替稠油的礦場應用受到限制[6-7]。為了彌補這一不足，發(fā)展了無堿化學驅油體系，尤其是無堿復合驅體系（表面活性劑-聚合物（SP））。

含堿和無堿體系均可通過降低油水界面張力（IFT）、乳化和潤濕反轉等機理提高稠油采收率，但前者對稠油的驅替能力往往明顯強于后者[8-10]。盡管針對2類體系各自的驅油機理已有較多的研究和報道，但是尚缺乏直接的對比，關于其驅油性能差異的原因，有待進一步深化研究。為此，本文通過含堿和無堿體系與稠油界面張力、乳化性能和驅油特性的比較，明確2種體系驅替稠油能力的差異，揭示驅油效果差異的原因，同時探索了氣泡輔助無堿復合體系改善驅油效果的可行性，以期作為含堿體系的接替體系，解決其應用過程中的結垢等問題。

1 實驗

1.1 材料與儀器

材料：陰非復配型表面活性劑，來源于勝利油田，質量濃度為3 000mg/L；復合堿，由NaOH和Na2CO3按質量比1∶1復配而成，質量濃度為8 000 mg/L；二元復合體系制備用聚合物為部分水解聚丙烯酰胺（HPAM），相對分子質量為 2000×104，質量濃度為 1800 mg/L；模擬地層水，礦化度為6 666.0 mg/L，離子組成（質量濃度）為 Na+（2 456.5 mg/L），Mg2++Ca2+（128.5 mg/L），Cl-（4 034.0 mg/L），SO42-（47.0 mg/L）；實驗用油為脫氣稠油，黏度為 220mPa·s（60℃），密度為 0.96 g/cm3。

儀器：TX-500C型界面張力儀；Phenix鳳凰顯微鏡。填砂模型尺寸為直徑2.5cm，長30 cm。其他參數見表1。

表1 驅油實驗參數及采收率結果

1.2 實驗方法

界面張力。按照設定的質量濃度分別配制SP，AP，P溶液，在60℃下使用界面張力儀測試其與目標稠油的界面張力。

乳化性能。將SP，AP，P溶液和原油分別加熱到60℃，各取5 mL的稠油和化學劑溶液分別加入試管中，搖勻后觀測油水混合物的析水狀態(tài)，判斷體系形成稠油乳液的穩(wěn)定性。在不同時刻，對形成的乳狀液進行顯微觀察，判斷乳狀液形態(tài)及類型。

驅油能力。首先，分別利用S，A，P單一組分體系開展驅油實驗，確定單一組分體系驅替稠油效果；然后，開展SP和AP體系驅油實驗，對比兩者驅替稠油能力；最后，開展無堿體系泡沫驅油（交替注入0.3 PV的SP和0.3 PV的空氣，單個水或空氣段塞尺寸為0.1 PV），判斷泡沫的引入能否顯著改善無堿SP體系，使之驅油效果接近或者優(yōu)于AP體系。驅油實驗的流體注入速度均為0.25 mL/min，實驗溫度60℃。

2 結果與討論

2.1 界面張力

超低IFT能夠減小原油流動的毛細管阻力，降低原油在巖石上的黏附功，有利于提高洗油效率，是化學驅油體系設計的關鍵指標之一。對SP，AP，P體系與稠油的界面張力進行了測試，結果見圖1。

圖1 不同類型化學體系與稠油的界面張力

由圖1可見：SP能夠將油水IFT顯著減小至2.6×10-4mN/m。AP中堿的加入，通過與石油酸反應，就地形成表面活性劑，將油水界面張力從11.4×100mN/m降低至1.2×10-1mN/m，但是沒有達到超低水平。

超低IFT有利于原油采收率的提高，如果將超低IFT作為化學體系設計與選擇的主要指標，那么SP是重要的潛力體系。但是對于稠油化學驅，研究認為，擴大波及體積極為關鍵，稠油的乳化（包括油在水中乳化（O/W）和水在油中乳化（W/O）），能通過乳化油滴或水滴的賈敏效應擴大波及體積[8-13]，又可以實現乳化降低稠油黏度[14-16]，是影響稠油采收率的另一個關鍵因素。為此，除界面張力外，有必要對SP，AP，P體系乳化能力進行考察。

2.2 乳化性能

瓶試法觀測的SP，AP，P形成稠油乳狀液的析水率及微觀形態(tài)圖像見圖2和圖3。由圖2可見：單一聚合物很難形成穩(wěn)定稠油乳狀液，初始晃動摻混僅20 min后，稠油-聚合物體系的析水率即達到100%，油水完全分離，而SP-稠油、AP-稠油體系析水率為0。80 min后，SP-稠油、AP-稠油體系開始析水，前者析水率上升速度較后者明顯緩慢，例如，120 min時，SP-稠油體系析水率僅為32%，AP-稠油析水率達90%。以上現象說明，SP比AP更能穩(wěn)定O/W型稠油乳狀液。

圖2 不同類型化學體系與稠油乳狀液的析水率

圖3 不同類型化學體系與稠油乳狀液的形態(tài)

由圖3顯微圖像可知：初始混合時（0 min），其形成的乳化油滴粒徑相對SP體系更大，且不均勻，這是由于AP，P與稠油的IFT相對較高（見圖1）。80 min時，P-稠油體系中原油呈現連續(xù)分布狀態(tài)，無明顯的稠油乳化油滴；AP-稠油體系發(fā)生了極為有趣的變化，乳狀液類型從初始（0 min）的O/W型，轉化為不規(guī)則的W/O型，說明AP-稠油體系更傾向于形成W/O型乳狀液而非初始的O/W型乳狀液；SP-稠油體系仍以O/W型乳狀液的形式存在，但是發(fā)生了明顯的油滴聚并，乳化油滴粒徑明顯增大。

結合IFT和乳化性能結果發(fā)現：除流度控制機理（聚合物組分實現）相同外，SP和AP體系表現出一些顯著不同的驅油機理：SP通過實現超低IFT和形成O/W型乳狀液驅油，而AP很難將油水IFT減小到超低，主要是形成W/O型乳狀液來驅油；P主要通過流度控制機理驅替稠油，很難降低油水IFT，也不能形成穩(wěn)定的稠油乳狀液。

2.3 采收率特征

2.3.1 單一組分體系驅

單一組分體系S，A，P驅替稠油采收率及壓力動態(tài)見圖4和圖5。

圖4 單一組分體系驅替稠油采收率

圖5 單一組分體系驅替稠油壓力

盡管SP體系中表面活性劑的加入能夠將油水IFT減小至超低水平（見圖1），形成相對更穩(wěn)定的O/W型乳狀液（見圖2、圖3），但是填砂模型中單一S驅效果較差，采收率增幅僅為8.0百分點。A驅較表面活性劑驅表現出更高的注入壓力（見圖5），說明W/O型乳狀液的形成增大了堿-稠油流動阻力，一定程度上起到了擴大波及體積的作用，導致堿驅采收率增幅遠大于表面活性劑驅，達到15.7百分點。盡管如此，P驅表現出最高的注入壓力，通過最強的流度控制擴大波及體積能力，聚合物驅采收率增幅達到25.5百分點。

對比S，A，P驅發(fā)現，單一組分體系驅替稠油能力由強到弱依次為P，A，S。結合各體系驅油機理的差異認為，對于稠油化學驅，加入P，擴大波及體積，才能充分發(fā)揮S和A的超低IFT和乳化機理驅油。

2.3.2 二元復合驅

單一組分驅油結果表明，S，A，P的結合是提高稠油采收率的關鍵。為此開展了SP和AP二元復合體系驅油實驗，得到的壓力動態(tài)和采收率見圖6和圖7。

圖6 復合體系驅替稠油壓力

圖7 復合體系驅替稠油采收率

由圖6可見：AP驅替稠油壓力明顯高于SP，說明W/O型乳狀液的形成起到了增大滲流阻力和擴大波及體積效果。而SP驅過程中，O/W型乳狀液的形成，一方面能夠降低稠油流動阻力，另一方面乳化油滴的賈敏效應又會增加油水的流動阻力，但整體上表現為相對AP更低的注入壓力，其擴大波及體積能力較前者差。

采收率結果表明（見圖7）：AP驅能夠在水驅基礎上顯著提高稠油采收率，增幅達40.2百分點，而SP驅采收率增幅僅為25.6百分點，與單一聚合物相近。Zhou等研究的稠油P和SP驅結果中，SP驅效果甚至較聚合物驅差[8]。分析認為：O/W型乳狀液的形成，以及超低IFT洗油引起的殘余油飽和度降低，共同導致水驅波及區(qū)域內流動阻力的減小和擴大波及體積能力的降低，是SP與P驅替稠油效果接近，甚至較后者差的潛在原因。為了從側面驗證這一推斷，同時找到一種改善SP驅效果的方法，進一步開展了氣泡輔助（擴大波及體積）的SP驅油實驗（泡沫驅）。

2.3.3 氣泡輔助SP驅-泡沫驅

泡沫驅采收率及注入壓力動態(tài)見圖8。注入壓力結果表明，泡沫體系注入壓力最高為0.16 MPa，明顯高于SP驅的0.11 MPa，說明在氣泡的輔助下，體系的擴大波及體積能力明顯增強。在相同化學劑注入體積為0.3 PV下，泡沫驅稠油采收率增幅達38.3百分點，顯著高于單一SP驅的25.6百分點，接近于AP驅的40.3百分點。這說明：一方面，泡沫驅是無堿復合體系驅替稠油的較好注入方式，單一SP驅存在對化學藥劑的潛在浪費；另一方面，泡沫驅能夠作為AP驅的重要接替技術，解決后者應用過程中存在的結垢問題。

圖8 泡沫體系驅油動態(tài)

3 結論

1）SP和AP體系具有顯著不同的驅油機理。SP主要通過形成超低IFT和O/W型乳狀液驅油；AP沒有將IFT降低到超低水平，形成的乳狀液類型為W/O型，起到了增大滲流阻力和擴大波及體積的效果。

2）化學體系驅替稠油能力由強到弱依次為AP、泡沫、SP、P、A、S，說明對于稠油化學驅，擴大波及體積是提高采收率的前提，然后超低IFT和乳化機理才能充分發(fā)揮潛在作用。

3）泡沫驅是當前無堿復合體系驅替稠油較好的注入方式，是接替AP驅的重要技術，單一SP驅由于擴大波及體積能力弱，存在潛在的化學藥劑浪費。