自乳化表面活性劑體系的制備和驅油效果研究

元福卿

(中國石油化工有限公司 勝利油田分公司勘探開發研究院，山東 東營 257000)

隨著油田開發的深入，高溫高鹽中低滲油藏逐漸成為開發重點[1-4]。常規聚合物驅在該類油藏中增黏能力大幅下降[5-7]，注入性差，因而無法取得較好的開發效果。表面活性劑驅具有良好的耐溫抗鹽及注入性，但易發生竄流，提高采收率效果差。為提高該類油藏的采收率，曹緒龍等[8-9]提出了一種增黏型乳液表面活性劑驅油體系，自發形成O/W乳狀液，由于表面活性劑具有黏度，因而還可以通過乳化增黏達到提高波及系數的效果[10-15]。

本文通過兩性表面活性劑GA-13與不同類型表面活性劑復配，研發出自乳化表面活性劑體系，并評價了該體系的提高采收率效果。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

表1 驅替實驗巖心基本參數Table 1 Basic parameters of displacement experimental core

XSJ-2型顯微鏡；MCR301型流變儀；BSA224S-CW型電子天平；IKA EUROSTAR 400 digital型攪拌機；巖心驅油裝置、微觀可視化驅油裝置均為海安石油科研儀器有限公司制造。

1.2 自乳化表面活性劑體系的制備

1.2.1 十三醇聚氧乙烯醚磺酸鈉C13GA(EO)5SO3Na(GA-13)合成[16]在三口燒瓶中加入8 g異構十三醇聚氧乙烯醚E1304、12 g KOH和80 mL環己烷，在100 ℃下回流反應2 h，常壓蒸除環己烷。加入80 mL正癸烷、22 g羥乙基磺酸鈉，在200 ℃下回流反應4 h。減壓蒸餾，除去正癸烷后，溶于300 mL的體積比為1∶1的乙醇和水混合溶劑中，用100 mL乙酸乙酯萃取5次。萃取后的水相旋轉蒸發除去溶劑后，再加入200 mL無水乙醇，過濾，除掉不溶物，然后減壓蒸餾除去乙醇，即得到十三醇聚氧乙烯醚磺酸鈉GA-13。

1.2.2 自乳化表面活性劑制備 用電子天平稱取所需量的GA-13和KD-200、S-12、S-16，加入一定量的地層采出水，用攪拌機在150 r/min下攪拌 30 min，混合均勻，即可配制含有所需濃度的 GA-13、GA-13/KD-200混合物、GA-13/S-12混合物、GA-13/S-16混合物的自乳化表面活性劑體系。

1.3 性能測試

1.3.1 乳化能力測試 乳化效果測試方法為旋轉試管法。配制不同質量分數的自乳化體系表面活性劑溶液，按照油/水體積比3∶7，將自乳化表面活性劑溶液與油放入10 mL具塞試管中，放入80 ℃恒溫箱靜置30 min。取出，旋轉具塞試管180°，反復旋轉5次。使用顯微鏡觀察玻璃瓶搖動后水相的微觀形態。觀察油滴在水相中的分散情況，同時記錄不同時間乳液的分水率(fw)，表征乳液穩定性。

(1)

式中fw——分水率，%；

V1——不同時間下水相體積，mL；

V0——油水總加入量，mL。

1.3.2 乳化增黏率測試 使用流變儀測定油水乳狀液的黏度，計算乳化增黏率(Xv)[5]。

(2)

式中Xv——乳化增黏率，%；

μ1——油水乳狀液黏度，mPa·s；

μ2——油相黏度，mPa·s。

1.4 實驗方法

1.4.1 巖心驅油實驗 驅油實驗在80 ℃下進行，驅油實驗中液體注入速度均為0.2 mL/min。首先，通過計算飽和地層水前后質量差計算巖心孔隙度；然后，注入地層水測量滲透率，再注入原油至巖心出口端不再出水，通過排出水體積計算初始含油飽和度；注入地層水驅替至采出液含水98%后，注入 0.5 PV 自乳化表面活性劑驅油體系，然后繼續水驅至產出液含水98%時結束實驗。

1.4.2 微觀驅替實驗 在80 ℃下向微觀驅替模型中注入一定量的自乳化表面活性劑溶液，注入速度為0.01 mL/min，設置照相機每2 min拍1張照片，觀察微觀驅替模型中原油的狀態變化。

2 結果與討論

2.1 自乳化驅油體系的乳化效果

自乳化驅油體系的乳化能力決定了該體系提高洗油效率的能力。通過旋轉試管法測試GA-13的乳化能力，結果表明，只有當表面活性劑GA-13濃度高于1%后，才可以實現原油自乳化。但在濃度較低時，表面活性劑GA-13的乳化原油能力較弱，形成的乳狀液易在短時間內發生破乳。因此，向GA-13溶液中添加其它表面活性劑，通過協同作用，促進油相自乳化，同時提高乳液的穩定性。將GA-13與表面活性劑KD-200、S-12、S-16復配，通過旋轉試管法篩選與GA-13具有較好協同乳化作用的表面活性劑，實驗結果見圖1。

由圖1可知，少量GA-13與S-12溶液混合后可引發原油自乳化，具塞試管輕微搖動2次后，水相明顯變暗，輕微搖動5次后，形成了較穩定的O/W型乳狀液，乳狀液的油、水相完全分開大約需要 30 min；GA-13與S-16以及KD-200復配時也可引發原油自乳化，但相比GA-13與S-12復配體系，形成的乳液穩定性較差，完全破乳大約需要20 min。這可能是由于兩性離子表面活性劑與非離子型表面活性劑形成混合膠團，使得臨界膠束濃度下降，增強了表面活性。當向地層中注入自乳化表面活性劑驅油時，流體在流動過程中會受到多孔介質的剪切作用，這將會使得原油在多孔介質中與表面活性劑溶液發生自乳化。

圖1 不同復配體系的分水率曲線Fig.1 Water separation rate curve of different composite systems

利用顯微鏡觀察自乳化形成的油滴微觀形態見圖2。

圖2 不同表面活性劑復配體系中的油滴微觀形態Fig.2 Microscopic morphology of oil droplets in different surfactant compounding systems

由圖2可知，不同乳化體系形成的乳狀液均為O/W型乳液。0.5%GA-13與0.2%S-12混合體系與原油形成的乳狀液粒徑明顯低于0.5%GA-13與0.2%KD-200或0.2%S-16混合體系與原油形成的乳狀液粒徑。而且，0.5%GA-13與0.2%S-12混合體系與原油形成的乳狀液中小液滴的數量大幅度增加，粒徑為10～15 μm的小液滴占70%以上，因而0.5%GA-13與0.2% S-12混合體系形成的表面活性劑混合體系表現出更好的自乳化效果，自乳化后形成的乳狀液更穩定。

2.2 自乳化驅油體系的乳化增黏率

自乳化驅油體系的乳化增黏能力決定了該體系提高波及系數的能力。考察不同類型自乳化表面活性劑體系形成乳液的增黏效果，不同乳化體系與原油形成的乳液黏度見表2。

表2 不同復配自乳化體系乳化增黏率Table 2 Emulsion viscosity increasing rate of different composite self emulsifying systems

由表2可知，不同類型乳化表面活性劑體系均表現出了一定的乳化增黏效果，而且 0.5%GA-13 與0.2%S-12復配表面活性劑體系形成的乳液黏度最高，這可能是由于兩性離子表面活性劑與非離子型表面活性劑形成混合膠團進一步提高了外相的黏度，同時，兩性離子表面活性劑與非離子型表面活性劑在油水界面上的協同作用增強了界面摩阻，宏觀表現為乳液黏度上升。

2.3 自乳化驅油體系的提高采收率效果

采用不同滲透率的巖心，利用巖心驅油裝置評價自乳化表面活性劑體系GA-13與S-12的驅油效果。圖3為0.5%GA-13+0.2%S-12自乳化表面活性劑體系驅油過程中驅替壓力、含水率、采收率隨注入體積變化。

由圖3可知，開始水驅時，驅替壓力和采收率均迅速升高并達到峰值；當水流突破之后，由于水流通道的形成，注入水沿著阻力較小的路徑流動，導致注入壓力和采收率趨于穩定；轉注 0.5 PV 的0.5%GA-13+0.2%S-12段塞后，注入壓力和采收率再次升高，同時伴隨著含水率的降低。這是由于化學劑與油滴在多孔介質的剪切作用下發生反應，形成乳狀液，乳狀液液滴在流動過程中，一部分會封堵早期形成的水流通道，一部分會聚并形成油帶[17]。由于液滴捕集作用產生的賈敏效應，使得驅替壓力升高，階段含水率顯著降低，后續流體進入水驅時未波及的區域，提高了波及系數，同時粒徑較小的液滴側向擠油、刮油，改善洗油效率，降低邊緣殘余油飽和度，因而提高了原油采收率。

圖3 不同滲透率巖心中自乳化體系驅替過程中 壓力、含水和采收率隨注入體積變化Fig.3 Changes of pressure，water cut and recovery with injection volume during displacement of self-emulsifying system in rock cores with different permeability a.160 mD；b.520 mD；c.990 mD

由圖3可知，隨著滲透率的降低，自乳化表面活性劑體系提高采收率的效果逐漸增加，這是由于低滲層中化學劑與油滴在多孔介質的剪切作用更強，更易形成乳狀液，封堵以及聚并形成油帶的效果更好，因而提高了原油采收率，當滲透率為160 mD，該自乳化表面活性劑體系可提高原油采收率20%，表現出良好的提高采收率效果。

2.4 自乳化驅油體系的微觀驅油機制

乳狀液是一種多分散體系，其運移規律相對于表面活性劑運移會更加復雜，因而利用微觀可視化模型對乳液表面活性劑驅的驅油機理進行了研究，通過觀察乳狀液滴在特殊孔道中的運移以及乳狀液滴之間的相互作用，研究自乳化驅油體系的微觀驅油機理，實驗結果見圖4和圖5。

圖4 乳狀液流動過程的封堵作用Fig.4 Blocking effect of emulsion flow process

圖5 乳狀液流動過程的洗油作用Fig.5 Oil washing effect of emulsion flow process

由圖4可知，在乳狀液的流動過程中，A側通道水相快速流動，突破了乳狀液的封堵，而相鄰的B側通道，由于乳狀液的存在，流動緩慢，這是由于乳狀液的形成增加了流體的黏度，降低了驅替相的流速。隨著A側通道中乳狀液的進入，流速下降，形成了一定的封堵，而后續進入的水相段塞則進入了B側的通道，說明乳狀液通過調剖作用，改變驅替相的流動方向，從而擴大了波及體積。此外，由圖5可知，乳狀液在通道中流動時，一方面沿著孔道中心向前移動，另一方面又會擠壓孔道內壁的殘余油，起到乳化原油提高洗油效率的作用。因此，該自乳化表面活性劑驅油體系不僅可以通過乳化作用提高洗油效率，還由于乳化增黏作用降低了驅替相的流速，起到了調剖的作用，擴大了波及體積，因而所制備的自乳化表面活性劑體系具有較好的驅油效果。

3 結論

(1)通過兩性表面活性劑GA-13與非離子型表面活性劑S-12復配，研制出適合于高溫高鹽油藏的自乳化表面活性劑體系。0.5%GA-13+0.2%S-12混合體系在80 ℃及礦化度44 592 mg/L條件下，施加輕微界面擾動即可實現自乳化，形成的乳液粒徑分布為10～15 μm，乳化增黏率為361.29%。

(2)0.5%GA-13+0.2%S-12自乳化表面活性劑體系驅油過程中可以明顯提高驅替壓力以及原油采收率。當巖心滲透率為160 mD時，該驅油體系可以在水驅基礎上提高原油采收率20%。

(3)自乳化表面活性劑驅油體系不僅可以通過乳化作用提高洗油效率，還由于乳化增黏作用降低了驅替相的流速，起到了調剖的作用，擴大了波及體積，因而具有較好的驅油效果。