不同水油黏度比下乳化對稠油復合驅的影響

李宗陽，楊 勇，王業飛，張世明，張真瑜，丁名臣

（1.中國石化勝利油田分公司勘探開發研究院，山東東營257015；2.中國石化勝利油田分公司，山東東營257001；3.中國石油大學（華東）石油工程學院，山東青島266580）

稠油油藏黏度高、水油流度比高導致其水驅采收率僅為5%～10%［1-2］。傳統稠油熱采取得較大成功，但仍存在能源消耗大、易竄、效果逐輪/逐年變差等問題［3］?；瘜W復合驅兼具增大驅替相黏度、降低油水界面張力和乳化降低油相黏度等優勢，逐漸成為稠油開發的重要接替技術［4-9］。尤其是近年來，稠油的乳化降黏開發備受關注，在驅油體系中加入降黏劑，形成O/W 型乳狀液，改善其流動性［10-13］；發展了高效的乳化降黏體系（甚至是自乳化體系），主要包括表面活性劑類、兩親聚合物類和改性納米顆粒等體系［14-17］，稠油降黏率達90%以上，表現出顯著的降黏效果。但是降黏劑加入的同時會帶來潛在的產出液破乳困難、驅油劑成本顯著升高等問題［18-19］。諸多試驗階段的乳化降黏劑價格高昂，甚至達到每噸十幾到幾十萬元，遠超傳統表面活性劑。在稠油復合體系設計中是否應追求強乳化，取決于乳化對稠油驅替的影響和貢獻。尤其是水油黏度比變化時，復合體系中聚合物組分流度控制能力差異，稠油高效驅替對乳化降黏的要求不同，乳化對稠油驅替的貢獻會發生改變；諸多學者更多地關注高效降黏體系的研發［14-17］，而乳化對驅油的影響或者貢獻仍不清晰，有待深化研究。據此，分別收集了性能顯著不同的傳統超低界面張力、乳化、兼顧超低界面張力和乳化的雙效3 種稠油復合體系；開展了系列的界面張力、乳化性能和驅油等研究，對比不同體系驅油采收率增幅的差異，確定在不同水油黏度比條件下乳化對稠油復合驅的影響和貢獻。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

實驗材料包括超低界面張力型表面活性劑S1、乳化型表面活性劑S2和雙效型表面活性劑S3，均為陰非復配型，其質量分數均為0.3%，來自于勝利油田；部分水解聚丙烯酰胺P（HPAM），相對分子質量為2.5×107，來自于山東寶莫生物化工股份有限公司；模擬地層水，礦化度為6 681 mg/L，離子組成Na++K+，Mg2++Ca2+，Cl-，HCO3-和CO32-的質量濃度分別為2 299，184，3 435，725 和38 mg/L；某區塊脫氣稠油黏度為731 mPa·s（70 ℃），密度為0.98 g/cm3。

實驗儀器包括TX-500C 型界面張力儀（美國科諾工業有限公司）；SZX7體式顯微鏡（日本奧林巴斯有限公司）；均質填砂模型，內徑為2.5 cm，長度為30 cm。

1.2 實驗方法

界面張力 按照設定濃度分別配制超低界面張力、乳化和雙效復合體系（表1），在70 ℃下利用界面張力儀，測試其與目標稠油的界面張力［20］。

表1 復合體系組成與基本性能Table1 Compositions and basic properties of three combination systems

乳化性能 將稠油和復合體系分別加熱至70 ℃，取等量5 mL的稠油和復合體系分別加入試管中，搖勻后采用瓶試法觀測油水混合物不同時間下的析水狀態，判斷復合體系形成稠油乳狀液的穩定性；同時，利用SZX7 體式顯微鏡觀察不同體系形成乳狀液的微觀形態隨時間的變化。

驅油能力 固定稠油黏度為731 mPa·s，改變復合體系黏度，利用性能顯著不同的3種復合體系，在水油黏度比分別為0.010，0.045，0.100，0.200 和0.460 條件下，首先開展了二元復合驅油實驗，根據超低界面張力、乳化與雙效復合體系采收率增幅的差異，按照體系性能依次增強的順序，判斷乳化對稠油復合體系的影響與貢獻。此外，諸多學者研究發現，擴大波及是稠油復合體系提高采收率的前提［2，20］，故進一步引入泡沫輔助復合體系擴大波及，在水油黏度比分別為0.010，0.045，0.100，0.150 和0.460 條件下，開展了3 種泡沫復合體系驅油實驗（交替注入0.3 PV復合體系和0.3 PV空氣，單個復合體系段塞或空氣段塞尺寸為0.1 PV），考察泡沫輔助下復合體系乳化對稠油驅替的影響，并與單獨二元復合驅進行對比。

2 實驗結果與討論

2.1 界面張力

在比較3 種復合體系驅油特征之前，應確定其能否滿足超低界面張力和良好乳化性能的基本設計要求。因此，首先針對選用的復合體系，測試其與稠油的界面張力（圖1）。1#超低界面張力復合體系和3#雙效復合體系與稠油的界面張力均能達到超低水平，為3.0×10-3mN/m；而2#乳化復合體系與稠油的界面張力為5.1×10-1mN/m。3種復合體系與稠油的界面張力表現出顯著的不同，符合進一步驅油對比的需要。此外，盡管超低界面張力有利于減小毛細管力和稠油在巖石壁面的黏附功，但是對于稠油復合驅，乳化降黏機理極為關鍵［21］，需進一步對3種復合體系的乳化性能加以研究。

圖1 3種復合體系與稠油的界面張力Fig.1 Interfacial tension between three combination systems and heavy oil

2.2 稠油乳化特征

結合圖2 和圖3 可見，初始油水充分振蕩混合后，3 種復合體系均能較好地乳化和分散稠油，形成大量的乳化油滴。隨著時間的延長，乳狀液逐漸聚并，不同復合體系形成乳狀液穩定性差異明顯：①析水率特征（圖2）。1#超低界面張力復合體系60 min 時最先開始析水，析水率上升更快，560 min 后析水率穩定在96.4%；2#乳化復合體系析水最晚，130 min時開始析水，析水率上升最慢，560 min后析水率穩定在52.2%；3#雙效復合體系在80 min 時開始析水，析水率上升速度介于前兩者之間，560 min后析水率為93.3%。②乳狀液微觀形態（圖3）。乳狀液制備后，高溫70 ℃時維護90 min，1#超低界面張力復合體系形成的乳化油滴顯著聚并成大油滴，甚至是連片分布，這也是其更容易析水的原因。2#乳化復合體系僅有少量的大油滴出現，大部分油滴保持初始的分散狀態，能夠更好地穩定。3#雙效復合體系中油滴也發生了明顯的聚并，但是油滴尺寸較1#超低界面張力復合體系中的小，且油滴與油滴間即使相互接觸、堆積，也仍有明顯的界面膜存在，未聚并。綜上所述，3 種復合體系穩定稠油乳狀液的能力由弱到強依次為：1#超低界面張力復合體系、3#雙效復合體系、2#乳化復合體系。體系性能符合研究設計要求，具備進一步驅油對比的基礎。

圖2 不同時間下3種復合體系所形成的稠油乳狀液析水率Fig.2 Water segregation rates of heavy oil emulsions formed by three combination systems separately at different times

圖3 不同時間下3種復合體系所形成的稠油乳狀液微觀形態Fig.3 Morphology of heavy oil emulsions formed by three combination systems separately at different times

此外，1#超低界面張力復合體系和3#雙效復合體系形成稠油乳狀液的穩定性較2#乳化復合體系差，這也說明乳狀液的穩定性與超低界面張力無正相關性，可能更多地取決于油水界面膜的強度［22-23］。超低界面張力甚至不利于乳狀液的穩定，因為：①油水界面能低，界面極易擴展，油水界面上局部表面活性劑濃度瞬時降低，水化膜厚度變薄，不利于乳狀液的穩定［24］。②油水界面的擴展，增大了油滴碰撞的幾率。③能形成超低界面張力的表面活性劑具有更好的親水親油平衡，更傾向于在水平的油水界面鋪展，而不是像乳狀液一樣的彎曲界面。

2.3 不同性能體系復合驅對比

通過界面張力、乳化性能研究發現，3 種復合體系性能存在顯著差異：1#超低界面張力復合體系可將油水界面張力減小至超低水平，但穩定稠油乳狀液的能力較差；2#乳化復合體系難以將油水界面張力降低至超低，但能夠更好地穩定稠油乳狀液；3#雙效復合體系油水界面張力能夠達到超低，對稠油的乳化性能介于前兩者之間。為了進一步確定性能差異（尤其是乳化）對復合體系驅替稠油的影響，首先在水油黏度比為0.045 和0.460 的條件下開展驅油研究（圖4）。

圖4 不同水油黏度比下3種復合體系的驅油采收率Fig.4 Oil recoveries of three combination systems at different water-oil viscosity ratios

在水驅采收率基本不變，含水率達到98%時，分別轉注0.3 PV 不同性能的復合體系進一步提高采收率。當水油黏度比為0.045 時，3 種復合體系驅替稠油的采收率增幅分別為21.2%，24.5% 和27.9%。2#乳化復合體系驅油能力較1#超低界面張力復合體系略微增強，但3#雙效復合體系具有最強的驅油能力，是最佳驅油體系。進一步增大水油黏度比至0.460，3 種復合體系驅替稠油的采收率增幅分別為33.6%，33.8%和34.5%，3 種復合體系驅油效果相近，傳統1#超低界面張力復合體系即能滿足驅油要求，無需選用2#乳化復合體系或者3#雙效復合體系。對比2 個水油黏度比下的驅油結果認為，水油黏度比為0.045 時，復合體系流度控制能力不足，乳化性能的增強能夠輔助稠油降黏，并通過乳化油滴的賈敏效應擴大波及，致使乳化性能相對較好的2#乳化復合體系和3#雙效復合體系具有更好的驅油效果；而當水油黏度比增大至0.460 時，復合體系流度控制能力較強，高效驅油對體系乳化性能的要求減弱。據此，可以推斷，當水油黏度比從0.045 增大到0.460 時，存在一個水油黏度比界限：小于該界限時，乳化能夠顯著增強復合體系的驅油效果；而大于該界限時乳化對驅油的影響顯著減小，甚至可以忽略，無需過分強調乳化，傳統超低界面張力復合體系即能滿足驅油要求。為驗證上述判斷，同時確定上述界限值，補充了水油黏度比分別為0.010，0.100 和0.200 條件下的驅油實驗，模型參數及采收率結果匯總如表2和圖5所示。

由表2 和圖5 可見，隨著水油黏度比增大，3 種復合體系驅油采收率增幅均先快速升高，后逐漸減緩。更為關鍵的是，3 種復合體系的采收率差異越來越小，存在一個水油黏度比界限為0.200：①當水油黏度比小于該界限，為0.010，0.045和0.100時，1#超低界面張力復合體系驅油采收率增幅分別為15.9%，21.2%和26.0%；2#乳化復合體系采收率增幅分別為17.1%，24.5% 和27.3%，較1#高1.2%，3.3%和1.3%，乳化復合體系僅略優于傳統超低界面張力復合體系；3#雙效復合體系采收率增幅分別為20.6%，27.9%和29.6%，較1#高4.7%，6.7%和3.6%。在超低界面張力基礎上增強體系乳化性能，能夠明顯改善驅油效果。因此，在該水油黏度比下，乳化對稠油復合驅具有較明顯的貢獻。②當水油黏度比大于等于該界限，為0.200 和0.460 時，3 種復合體系驅油采收率增幅分別為29.7%，30.0%，31.7%和33.6%，33.8%，34.5%，3種復合體系驅油效果相差較小，乳化的貢獻減小，甚至可以忽略，復合體系設計中無需過分強調乳化。

圖5 不同水油黏度比下3種復合體系采收率增幅Fig.5 Oil recovery increments of three combination systems at different water-oil viscosity ratios

表2 復合體系驅油模型參數及采收率結果Table2 Parameters of models for combination flooding and corresponding oil recoveries

2.4 不同性能體系泡沫復合驅油對比

不同水油黏度比下的復合體系驅油結果（圖5）同時證明，增大水油黏度比和擴大波及對稠油化學驅至關重要。因此，研究中考慮通過水氣交替的方式引入泡沫（交替注入0.3 PV 復合體系和0.3 PV 空氣，單個復合體系段塞或空氣段塞尺寸為0.1 PV），輔助復合體系擴大對稠油的波及。在水油黏度比分別為0.010，0.045，0.100，0.150 和0.460 時，開展了不同性能體系泡沫復合驅油實驗，判斷泡沫輔助下復合體系乳化對稠油驅替的影響，并與單獨復合體系驅油對比。實驗模型參數及采收率結果如表3和圖6所示。

表3 泡沫復合驅模型參數及采收率結果Table3 Parameters of models for foam combination flooding and corresponding oil recoveries

圖6 不同水油黏度比下3種泡沫復合體系驅油采收率增幅Fig.6 Oil recovery increments of three foam combination systems at different water-oil viscosity ratios

隨著水油黏度比的增大，3 種泡沫復合體系采收率增幅的差異逐漸減小，水油黏度比界限為0.150：①當水油黏度比小于該界限，分別為0.010，0.045 和0.100 時，1#超低界面張力泡沫復合體系驅油采收率增幅分別為25.6%，31.6%和37.8%；2#乳化泡沫復合體系驅油采收率增幅分別為21.6%，27.2%和32.6%，較1#采收率增幅低，1#超低界面張力泡沫復合體系驅油效果強于2#乳化泡沫復合體系，后者不能替代前者；3#雙效泡沫復合體系驅油采收率增幅分別為34.8%，40.0%和40.7%，較1#高9.2%，8.4%，2.9%；可見，在超低界面張力基礎上增強體系乳化性能，能夠明顯改善驅油效果。因此，在該水油黏度比下，乳化對稠油泡沫復合驅具有較明顯的貢獻。②當水油黏度比大于等于該界限，分別為0.150 和0.460 時，1#，2#和3#泡沫復合體系驅油采收率增幅分別為38.3%，38.2%，40.7% 和39.4%，39.2%，41.0%，3種泡沫復合體系驅油效果相差較小，乳化的貢獻較小，泡沫復合體系設計中不應過分強調乳化性能。

此外，對比復合驅（表2，圖5）和泡沫復合驅（表3，圖6）可見：①泡沫的引入確實能夠顯著提高稠油采收率，以水油黏度比0.010 為例，1#，2#，3#復合體系驅油采收率增幅分別為15.9%，17.1%，20.6%，而泡沫復合體系分別為25.6%，21.6%，34.8%，顯著高于前者，相差幅度為9.7%，4.5%，14.2%，這說明泡沫復合驅在稠油驅替方面極具潛力。②與單一復合體系相比，泡沫復合體系驅替稠油對體系乳化性能的要求降低，能夠將乳化性能要求的界限從水油黏度比為0.200減小至0.150。

3 結論

乳化降黏對稠油復合驅的影響存在以水油黏度比0.200 為界限的2 個不同區域：小于該界限時，乳化復合體系和雙效復合體系強于單一超低界面張力復合體系，乳化能夠在一定程度上增強復合體系對稠油的驅替效果；大于等于該界限時，3 種復合體系驅油效果相近，乳化對驅油的貢獻顯著減小，甚至可以忽略。泡沫復合驅較單獨復合體系驅采收率增幅顯著提高，是極具潛力的稠油驅替方式，并且其可將稠油驅替對復合體系乳化性能的要求界限即水油黏度比從0.200減小到0.150。在稠油復合驅中，應依據水油黏度比的差異，確定對復合體系性能的要求，而不是一味強調體系的乳化性能。