屈 鳴，侯吉瑞，聞宇晨，梁 拓

（1.中國石油大學（北京）提高采收率研究院，北京102249；2.中國石油大學（北京）石油工程教育部重點實驗室，北京102249）

0 前言

泡沫用于三次采油的研究已有30多年的歷史［1］，現(xiàn)場應用取得了一定的成效［2-5］。泡沫驅在降低氣液比、增加原油產量、提高波及效率等諸多方面具有很大的發(fā)展?jié)摿ΑＳ糜谂菽尩谋砻婊钚詣┓N類較多，如：陰離子型表面活性劑、陽離子型表面活性劑、兩性離子表面活性劑、非離子型表面活性劑等。其中，陰離子型表面活性劑是產量和用量都很大的一類表面活性劑，成本較低［6］，具有較高的降低界面張力能力且耐溫性較好，但是抗無機鹽陽離子能力較差［7］；受地層巖石表面一般帶負電荷的影響，陽離子表面活性劑水解后帶正電，在多孔介質中運移時容易被吸附，損失量較大，其在油田的實際應用受到限制［8］；非離子性表面活性劑具有較弱的親水基，耐鹽性較好，但高溫下溶解度低穩(wěn)定性差［9］；兩性離子型表面活性劑耐鹽性較好，但穩(wěn)定性差，在地層中吸附量也較高［10］。陰-非離子型表面活性劑是一類混合型表面活性劑［11-13］，其分子內具有兩種不同性質的親水基，同時具備了非離子型和陰離子型表面活性劑的優(yōu)點，即良好的耐鹽和耐高溫能力、優(yōu)良的抗分解能力和分散性能以及良好的配伍性能［14-16］。

對于泡沫而言，起泡劑的發(fā)泡能力和生成泡沫的穩(wěn)定性是兩個重要的靜態(tài)性能指標，其中，泡沫的穩(wěn)定性是評價泡沫性能最關鍵的因素［17］。對于高鹽油藏，地層水中大量Ca2+、Mg2+的存在嚴重限制了泡沫的應用，需要穩(wěn)定性更高的泡沫，因此，研究泡沫注入油藏之后的耐鹽性能十分必要。表面活性劑復配后將產生協(xié)同增效作用，泡沫性能往往優(yōu)于單一表活劑體系產生的泡沫，因此，將表面活性劑復配既可提高泡沫性能，又可降低成本。

陰離子型表面活性劑和陰-非離子表面活性劑具有優(yōu)良的耐鹽性能［18-20］。本文選取具有代表性的兩種陰離子型表面活性劑和一種陰-非離子型表面活性劑作為起泡劑，研究了配液鹽水礦化度對單一起泡劑體系和復配起泡劑體系起泡性能的影響，為礦場開展泡沫驅三次采油提供理論支持。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

α-烯基磺酸鈉（AOS），有效含量92%，工業(yè)級，臨沂市蘭山區(qū)綠森化工有限公司；十二烷基硫酸鈉（SDS），總醇量不少于59.0%，工業(yè)級，天津市光復精細化工研究所；陰-非離子表面活性劑（SS-163）有效含量90%，工業(yè)級，山東青島長興科技有限公司；Na2SO4、NaHCO3、NaCl、MgCl2、CaCl2，分析純，現(xiàn)代東方（北京）科技發(fā)展有限公司。B75 型攪拌器，Hamilton Beach公司。

1.2 實驗方法

用去離子水配制礦化度為250 g/L鹽水，無機鹽組成（單位 mg/L）為：Na2SO4417、NaHCO3576、NaCl 207759、CaCl241106、MgCl23549，然后用去離子水按一定比例稀釋后得到礦化度不同的鹽水。

利用Waring Blender法評價表面活性劑體系的起泡性能［21］。將200 mL 配好的表面活性劑溶液倒入高速攪拌器容器中，設置轉速為4000 r/min，攪拌時間2 min，將生成的泡沫倒入2 L 量筒中，迅速讀取泡沫體積V0（mL），并向量筒中傾倒200 mL鹽水，模擬油藏泡沫注入地層后與地層水接觸的過程，同時記錄從泡沫中析出的液體至量筒刻度線300 mL處所用的時間，以此時間作為泡沫體系的析液半衰期t1/2，用來衡量泡沫穩(wěn)定性。所有實驗均在室溫（25℃）下進行。此處需要說明的是，定義的泡沫析液半衰期包括兩個部分：（1）傾注的200 mL 鹽水在重力作用下流向量筒底部與泡沫本身在這段時間內析出的液體所用的時間；（2）傾注的200 mL 鹽水全部流向量筒底部后，單一泡沫體系析液至刻度線300 mL處所用的時間。

根據(jù)泡沫綜合發(fā)泡能力Fq評價泡沫的綜合性能［22］，所有實驗重復三次，最終結果取平均值。Fq的計算公式見式（1）。

2 結果與討論

2.1 起泡劑復配體系總濃度篩選

對于起泡劑復配體系，選取合適的復配起泡劑總濃度是進行下一步復配實驗的基礎。將AOS、SDS、SS-163 3種起泡劑用清水分別配制成0.1%數(shù)0.7%的泡沫體系各200 mL。在常溫常壓下采用Waring Blender 攪拌法評價泡沫體系性能，結果見圖1。3 種起泡體系的綜合發(fā)泡能力受濃度的影響各有不同。對于AOS和SDS起泡體系，兩者的綜合發(fā)泡能力均在起泡劑加量為0.3%時最大；而SS-163起泡體系的綜合發(fā)泡能力受起泡劑濃度的影響較小。對于AOS 和SDS，當起泡劑質量分數(shù)在0.1%數(shù)0.3%時，隨著起泡劑濃度的增加，有更多的表面活性劑分子吸附在氣液界面上，降低氣液界面張力，起泡體積增大，同時在界面上形成一層致密的保護膜，膜的彈性增強，使得氣體難以透過液膜向外擴散，泡沫半衰期增加，因此綜合發(fā)泡能力隨著起泡劑濃度的增加而增加；當起泡劑加量大于0.3%時，表面活性劑分子在氣液界面上的吸附達到了飽和，起泡體積不再增加，多余的表面活性劑分子以膠束的形式存在于溶液中，這使得泡沫受到外力變形后，Marangoni 效應減弱，泡沫易破裂，半衰期變短，綜合發(fā)泡能力變?。?3-26］。綜合考慮成本因素，起泡劑復配體系適宜的總加量為0.3%。

圖1 不同起泡體系的綜合發(fā)泡能力

2.2 單一起泡劑的耐鹽性

分別用清水、礦化度為50數(shù)150 g/L 的鹽水配制 200 mL 加量為 0.3%的AOS、SDS 和SS-163 起泡劑溶液。采用Waring Blender 攪拌法以4000 r/min攪拌2 min后向泡沫中傾注200 mL礦化度為220 g/L的鹽水，記錄發(fā)泡體積V0和析液半衰期t1/2，計算綜合發(fā)泡能力，結果如圖2 所示。鹽的存在對AOS、SDS起泡體系起泡性能的影響極大。當用50 g/L礦化度鹽水配制起泡體系時，AOS與SDS綜合發(fā)泡能力急劇下降，尤其對于SDS 起泡體系，綜合發(fā)泡能力由清水配制的800 L·s 降至1 L·s 左右。陰離子型表面活性劑在兩層液膜表面均形成吸附雙電層結構，當液膜變薄時，兩層雙電層間產生靜電斥力，起到減小排液速度、延緩泡沫變薄、增加泡沫穩(wěn)定性的作用。當溶液中存在大量金屬陽離子時，會削弱這種靜電斥力作用，促使液膜薄化，加速泡沫的破裂，降低泡沫的穩(wěn)定性［27］。而SS-163是一種耐鹽陰-非離子表面活性劑，其綜合發(fā)泡能力受礦化度的影響較小。

圖2 配液水礦化度對單一起泡體系綜合發(fā)泡能力的影響

2.3 復配起泡劑的耐鹽性

單一表面活性劑由于自身分子結構的缺陷往往達不到預期的效果，而表面活性劑復配具有協(xié)同增效作用，可增強泡沫的起泡性和穩(wěn)定性。針對單一表面活性劑抗鹽性差的特點，將AOS、SDS 與SS-163在不同礦化度鹽水中按不同質量比（0∶10、1∶9、2∶8、3∶7、4∶6、5∶5、6∶4、7∶3、8∶2、9∶1、10∶0）兩兩復配，復配起泡劑總加量為0.3%，復配體系的泡沫性能見圖3數(shù)圖5。

由圖3（a）可見，對于AOS、SS-163 復配體系和SDS、SS-163復配體系，清水配液時泡沫體系的綜合發(fā)泡能力均大于鹽水配液時泡沫體系的綜合發(fā)泡能力。對于 AOS、SDS 復配體系，當 AOS 與SDS 的質量比在1∶1到10∶0之間時，符合清水配液泡沫體系綜合發(fā)泡能力大于鹽水配液泡沫體系綜合發(fā)泡能力的規(guī)律。由圖3（a）、（b）可知，當起泡劑溶液配液水礦化度增至 150 g/L 時，AOS 與 SDS 復配體系泡沫綜合發(fā)泡能力大幅度降低；當AOS與SS-163質量比在3∶7到10∶0區(qū)間內，AOS與SS-163復配體系的綜合發(fā)泡能力也逐漸降低。當配液水礦化度為0、50、100 g/L 時，在 AOS 與 SS-163 質量比由 0∶10變化到9∶1的過程中，AOS與SS-163復配體系綜合發(fā)泡能力曲線變化平緩，說明該復配體系協(xié)同增效作用并不明顯，復配體系的綜合發(fā)泡能力甚至小于單一AOS 起泡體系。對于SDS 與SS-163 復配體系（圖3（c）），當采用鹽水配液時，泡沫性能以SDS 與SS-163質量比1∶1為臨界點表現(xiàn)出不同的性質。當SS-163 含量占主導地位時（即SDS∶SS-163＜1），隨著SDS加量的增大，復配體系逐漸表現(xiàn)出協(xié)同增效作用；當 SDS∶SS-163＞1 后，隨著SDS 加量的增大，泡沫體系綜合發(fā)泡能力急劇下降；當SDS與SS-163按1∶1復配時，綜合發(fā)泡能力達到最大。

圖3 不同起泡劑復配體系配比對綜合發(fā)泡能力的影響

從各復配體系的析液半衰期（圖4）可見，對于AOS 與 SDS 復配體系，當 AOS∶SDS 質量比從 2∶8變化到9∶1 時，不同礦化度配液水體系的半衰期從大到小依次為100 g/L＞50 g/L＞清水＞150 g/L（圖4（a）），說明在100 g/L礦化度和150 g/L礦化度之間存在一個臨界點C，當配液礦化度＜C時，由于金屬陽離子壓縮表面活性劑雙電層，同時Ca2+、Mg2+的存在增加了表面活性劑的吸附量，使液膜變厚且堅固，穩(wěn)定性增強［28］；當配液礦化度＞C 時，過量的金屬陽離子減弱了表面活性劑分子的靜電斥力作用，使得泡沫抵抗液膜變薄能力減弱，穩(wěn)定性降低［27］。由圖4（b）可見，在AOS、SS-163質量比為1∶9數(shù) 9∶1時，AOS與SS-163復配體系的析液半衰期變化曲線較為平緩，說明其復配體系泡沫穩(wěn)定性變化較小。由圖4（c）可見，當SDS、SS-163質量比為0∶10數(shù) 5∶5時，SDS 與 SS-163 復配體系以 100 g/L 礦化度配液時的泡沫最穩(wěn)定，其次為清水配液，50 g/L礦化度配液時的泡沫析液半衰期僅次于150 g/L 礦化度配液。說明在100 g/L礦化度下，該復配體系的鹽增強作用開始突顯。

由各復配體系的發(fā)泡體積（圖5）可見，清水配液時，復配體系的發(fā)泡體積均大于鹽水配液體系的發(fā)泡體積，說明金屬陽離子的存在壓縮表面活性劑吸附雙電層，使發(fā)泡體積減小。

對比 AOS、SDS 復配體系和SDS、SS-163 復配體系可以看出，當采用50 g/L礦化度鹽水和100 g/L礦化度鹽水配液時，AOS 與 SDS 按 1∶1 復配效果最好，綜合發(fā)泡能力約1000 L·s；礦化度增至150 g/L時，AOS 與SDS 復配體系泡沫性能大幅度降低，綜合發(fā)泡能力降低了96%，僅40 L·s，而此時SDS 與SS-163復配體系按1∶1復配時仍表現(xiàn)出良好的耐鹽性，綜合發(fā)泡能力為400 L·s，降幅小于20%。因此，以礦化度臨界點C 為參考點，當配液礦化度小于C時，選取AOS與SDS按1∶1復配，效果最好；當?shù)V化度大于C時，SDS與SS-163按1∶1復配的效果最優(yōu)。

圖4 不同起泡劑復配體系配比對析液半衰期的影響

圖5 不同起泡劑復配體系配比對發(fā)泡體積的影響

2.4 鹽敏指數(shù)定義及評價標準

當用不同礦化度鹽水配液時，單一起泡體系和復配起泡體系的泡沫性能表現(xiàn)出極大的差異。將由于配液礦化度不同而導致的泡沫性能變化這一現(xiàn)象定義為泡沫的鹽敏性，并用鹽敏指數(shù)作為判斷泡沫對鹽敏感性強弱的指標。鹽敏指數(shù)（Ki）定義式為：清水與礦化度為i×104mg/L 的鹽水配液時的泡沫綜合發(fā)泡能力之差與清水配液泡沫綜合發(fā)泡能力的比值。當i=0 時，表示清水配液，此時K0=0；當Ki＜0時，表明該礦化度下金屬陽離子對泡沫靜態(tài)性能（起泡體積、析液半衰期等）有增強作用。K越小，說明起泡體系對鹽的敏感性弱。AOS、SDS、SS-163 3種起泡劑分別在不同礦化度鹽水中配液時攪拌發(fā)泡后泡沫的鹽敏性見表1。

表1 單一起泡劑的鹽敏指數(shù)*

同時可以計算出3種起泡劑復配體系采用不同礦化度鹽水配液時，在不同質量比下的鹽敏指數(shù)以及各質量比下鹽敏指數(shù)（K0、K5、K10、K15）的平均值和標準差，結果見圖6。

3種表面活性劑單劑的鹽敏指數(shù)平均值反映該表面活性劑采用不同礦化度鹽水配液時，泡沫靜態(tài)性能受鹽中金屬陽離子影響的整體平均水平。鹽敏指數(shù)標準差反映該起泡劑采用不同礦化度鹽水配液時，泡沫靜態(tài)性能受金屬陽離子影響的變化幅度。若金屬陽離子的變化始終對起泡劑有消極影響（即鹽敏指數(shù)始終大于0，如AOS、SDS），則該起泡劑鹽敏指數(shù)平均值與標準偏差越小，說明該起泡劑鹽敏性弱且泡沫靜態(tài)性能受礦化度變化的影響較??；若金屬陽離子對泡沫靜態(tài)性能有增強作用（即鹽敏指數(shù)小于0），則鹽敏指數(shù)平均值越小，說明該起泡劑鹽敏性越弱。

對于起泡劑復配體系，采用不同礦化度鹽水配液時，不同質量比下鹽敏指數(shù)的平均值和標準差同樣可以反映復配體系在不同質量比條件下鹽敏性的強弱。根據(jù)AOS、SDS和SS-163起泡單劑的平均鹽敏指數(shù)和標準差（表1），可將3種起泡劑鹽敏性劃分為3 個級別，分別為：弱鹽敏、中等鹽敏以及強鹽敏。當鹽敏指數(shù)平均值Ka與其標準差σ均在0數(shù)0.05（包括0.05）之間時，即0＜Ka、σ≤0.05時，起泡劑為弱鹽敏；當0.05＜Ka、σ≤0.4 時，起泡劑為中等鹽敏；當Ka與σ均大于0.4時，起泡劑為強鹽敏。

對于起泡劑復配體系，由綜合發(fā)泡能力對比曲線（圖3）可以看出：（1）AOS 與SDS 復配體系中，當AOS、SDS 質量比在3∶7數(shù) 7∶3 區(qū)間內時，泡沫綜合發(fā)泡能力受金屬陽離子影響相對較小。（2）AOS 與SS-163 復配體系中，當 AOS、SS-163 質量比在 1∶9數(shù)4∶6 區(qū)間時，泡沫綜合發(fā)泡能力受金屬陽離子影響相對較小，鹽敏性相對較弱。（3）SDS與SS-163復配體系中，當SDS、SS-163質量比在1∶9數(shù) 4∶6區(qū)間時，泡沫綜合發(fā)泡能力受金屬陽離子影響相對較小，鹽敏性相對較弱。

圖6 不同礦化度配液起泡劑復配體系的鹽敏指數(shù)

結合3種復配體系在上述提及的質量比區(qū)間下的鹽敏指數(shù)平均值Kaf與標準差σf的數(shù)值，發(fā)現(xiàn)當復配體系中含有SS-163時，只要該復配體系起泡劑在各質量比下的Kaf和σf滿足Kaf＜0.1且σf＜0.09時，可確定該復配體系鹽敏性弱；當復配體系不含SS-163時，若該復配體系起泡劑在各質量比下的Kaf和σf滿足Kaf≤0.32且σf≤0.4時，此復配體系鹽敏性弱。擴展到復配體系鹽敏性強弱一般評價標準，即：（1）當復配體系中存在弱鹽敏表面活性劑時，若Kaf＜0.1且σf＜0.09，則復配體系鹽敏性弱；（2）當復配體系中沒有弱鹽敏表面活性劑時，若Kaf≤0.32 且σf≤0.4，則復配體系鹽敏性弱。

3 結論

對于單一陰離子型表面活性劑體系，由于金屬陽離子壓縮液膜表面吸附雙電層，削弱雙電層靜電斥力，促使液膜薄化，加速泡沫的破裂，降低泡沫的耐鹽性。當用鹽水配液時，表面活性劑復配體系的耐鹽性能優(yōu)于單一表面活性劑。在配液水礦化度100數(shù)150 g/L 區(qū)間內存在耐鹽性臨界點C，當?shù)V化度小于C時，AOS與SDS按1∶1復配效果最好；當?shù)V化度大于 C 時，SDS 與 SS-163 按 1∶1 復配的效果最優(yōu)。在評價油藏起泡劑耐鹽性時，初步定義出適用于起泡劑單劑與起泡劑復配體系的鹽敏性強弱評價標準。