李宗陽，楊 勇，王業(yè)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(fā)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(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東青島266580）

稠油油藏黏度高、水油流度比高導(dǎo)致其水驅(qū)采收率僅為5%～10%［1-2］。傳統(tǒng)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］。化學(xué)復(fù)合驅(qū)兼具增大驅(qū)替相黏度、降低油水界面張力和乳化降低油相黏度等優(yōu)勢，逐漸成為稠油開發(fā)的重要接替技術(shù)［4-9］。尤其是近年來，稠油的乳化降黏開發(fā)備受關(guān)注，在驅(qū)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(fā)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(dá)90%以上，表現(xiàn)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(chǎn)出液破乳困難、驅(qū)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(dá)到每噸十幾到幾十萬元，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)表面活性劑。在稠油復(fù)合體系設(shè)計中是否應(yīng)追求強乳化，取決于乳化對稠油驅(qū)替的影響和貢獻(xiàn)。尤其是水油黏度比變化時，復(fù)合體系中聚合物組分流度控制能力差異，稠油高效驅(qū)替對乳化降黏的要求不同，乳化對稠油驅(qū)替的貢獻(xiàn)會發(fā)生改變；諸多學(xué)者更多地關(guān)注高效降黏體系的研發(fā)［14-17］，而乳化對驅(qū)油的影響或者貢獻(xiàn)仍不清晰，有待深化研究。據(jù)此，分別收集了性能顯著不同的傳統(tǒng)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(fù)合體系；開展了系列的界面張力、乳化性能和驅(qū)油等研究，對比不同體系驅(qū)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(fù)合驅(qū)的影響和貢獻(xiàn)。

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(fù)配型，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(zhì)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(zhì)量濃度分別為2 299，184，3 435，725 和38 mg/L；某區(qū)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(yè)有限公司）；SZX7體式顯微鏡（日本奧林巴斯有限公司）；均質(zhì)填砂模型，內(nèi)徑為2.5 cm，長度為30 cm。

1.2 實驗方法

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

表1 復(fù)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(fù)合體系分別加熱至70 ℃，取等量5 mL的稠油和復(fù)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(tài)，判斷復(fù)合體系形成稠油乳狀液的穩(wěn)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(tài)隨時間的變化。

驅(qū)油能力 固定稠油黏度為731 mPa·s，改變復(fù)合體系黏度，利用性能顯著不同的3種復(fù)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(fù)合驅(qū)油實驗，根據(jù)超低界面張力、乳化與雙效復(fù)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(fù)合體系的影響與貢獻(xiàn)。此外，諸多學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，擴大波及是稠油復(fù)合體系提高采收率的前提［2，20］，故進(jìn)一步引入泡沫輔助復(fù)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(fù)合體系驅(qū)油實驗（交替注入0.3 PV復(fù)合體系和0.3 PV空氣，單個復(fù)合體系段塞或空氣段塞尺寸為0.1 PV），考察泡沫輔助下復(fù)合體系乳化對稠油驅(qū)替的影響，并與單獨二元復(fù)合驅(qū)進(jìn)行對比。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 界面張力

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

圖1 3種復(fù)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(jié)合圖2 和圖3 可見，初始油水充分振蕩混合后，3 種復(fù)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(fù)合體系形成乳狀液穩(wěn)定性差異明顯：①析水率特征（圖2）。1#超低界面張力復(fù)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(wěn)定在96.4%；2#乳化復(fù)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(wěn)定在52.2%；3#雙效復(fù)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(tài)（圖3）。乳狀液制備后，高溫70 ℃時維護(hù)90 min，1#超低界面張力復(fù)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(fù)合體系僅有少量的大油滴出現(xiàn)，大部分油滴保持初始的分散狀態(tài)，能夠更好地穩(wěn)定。3#雙效復(fù)合體系中油滴也發(fā)生了明顯的聚并，但是油滴尺寸較1#超低界面張力復(fù)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(fù)合體系穩(wěn)定稠油乳狀液的能力由弱到強依次為：1#超低界面張力復(fù)合體系、3#雙效復(fù)合體系、2#乳化復(fù)合體系。體系性能符合研究設(shè)計要求，具備進(jìn)一步驅(qū)油對比的基礎(chǔ)。

圖2 不同時間下3種復(fù)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(fù)合體系所形成的稠油乳狀液微觀形態(tài)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(fù)合體系和3#雙效復(fù)合體系形成稠油乳狀液的穩(wěn)定性較2#乳化復(fù)合體系差，這也說明乳狀液的穩(wěn)定性與超低界面張力無正相關(guān)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(wěn)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(wěn)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(fù)合驅(qū)對比

通過界面張力、乳化性能研究發(fā)現(xiàn)，3 種復(fù)合體系性能存在顯著差異：1#超低界面張力復(fù)合體系可將油水界面張力減小至超低水平，但穩(wěn)定稠油乳狀液的能力較差；2#乳化復(fù)合體系難以將油水界面張力降低至超低，但能夠更好地穩(wěn)定稠油乳狀液；3#雙效復(fù)合體系油水界面張力能夠達(dá)到超低，對稠油的乳化性能介于前兩者之間。為了進(jìn)一步確定性能差異（尤其是乳化）對復(fù)合體系驅(qū)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(qū)油研究（圖4）。

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

在水驅(qū)采收率基本不變，含水率達(dá)到98%時，分別轉(zhuǎn)注0.3 PV 不同性能的復(fù)合體系進(jìn)一步提高采收率。當(dāng)水油黏度比為0.045 時，3 種復(fù)合體系驅(qū)替稠油的采收率增幅分別為21.2%，24.5% 和27.9%。2#乳化復(fù)合體系驅(qū)油能力較1#超低界面張力復(fù)合體系略微增強，但3#雙效復(fù)合體系具有最強的驅(qū)油能力，是最佳驅(qū)油體系。進(jìn)一步增大水油黏度比至0.460，3 種復(fù)合體系驅(qū)替稠油的采收率增幅分別為33.6%，33.8%和34.5%，3 種復(fù)合體系驅(qū)油效果相近，傳統(tǒng)1#超低界面張力復(fù)合體系即能滿足驅(qū)油要求，無需選用2#乳化復(fù)合體系或者3#雙效復(fù)合體系。對比2 個水油黏度比下的驅(qū)油結(jié)果認(rèn)為，水油黏度比為0.045 時，復(fù)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(yīng)擴大波及，致使乳化性能相對較好的2#乳化復(fù)合體系和3#雙效復(fù)合體系具有更好的驅(qū)油效果；而當(dāng)水油黏度比增大至0.460 時，復(fù)合體系流度控制能力較強，高效驅(qū)油對體系乳化性能的要求減弱。據(jù)此，可以推斷，當(dāng)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(fù)合體系的驅(qū)油效果；而大于該界限時乳化對驅(qū)油的影響顯著減小，甚至可以忽略，無需過分強調(diào)乳化，傳統(tǒng)超低界面張力復(fù)合體系即能滿足驅(qū)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(qū)油實驗，模型參數(shù)及采收率結(jié)果匯總?cè)绫?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(fù)合體系驅(qū)油采收率增幅均先快速升高，后逐漸減緩。更為關(guān)鍵的是，3 種復(fù)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(dāng)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(fù)合體系驅(qū)油采收率增幅分別為15.9%，21.2%和26.0%；2#乳化復(fù)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(fù)合體系僅略優(yōu)于傳統(tǒng)超低界面張力復(fù)合體系；3#雙效復(fù)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(chǔ)上增強體系乳化性能，能夠明顯改善驅(qū)油效果。因此，在該水油黏度比下，乳化對稠油復(fù)合驅(qū)具有較明顯的貢獻(xiàn)。②當(dāng)水油黏度比大于等于該界限，為0.200 和0.460 時，3 種復(fù)合體系驅(qū)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(fù)合體系驅(qū)油效果相差較小，乳化的貢獻(xiàn)減小，甚至可以忽略，復(fù)合體系設(shè)計中無需過分強調(diào)乳化。

圖5 不同水油黏度比下3種復(fù)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(fù)合體系驅(qū)油模型參數(shù)及采收率結(jié)果Table2 Parameters of models for combination flooding and corresponding oil recoveries

2.4 不同性能體系泡沫復(fù)合驅(qū)油對比

不同水油黏度比下的復(fù)合體系驅(qū)油結(jié)果（圖5）同時證明，增大水油黏度比和擴大波及對稠油化學(xué)驅(qū)至關(guān)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(fù)合體系和0.3 PV 空氣，單個復(fù)合體系段塞或空氣段塞尺寸為0.1 PV），輔助復(fù)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(fù)合驅(qū)油實驗，判斷泡沫輔助下復(fù)合體系乳化對稠油驅(qū)替的影響，并與單獨復(fù)合體系驅(qū)油對比。實驗?zāi)Ｐ蛥?shù)及采收率結(jié)果如表3和圖6所示。

表3 泡沫復(fù)合驅(qū)模型參數(shù)及采收率結(jié)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(fù)合體系驅(qū)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(fù)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(dāng)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(fù)合體系驅(qū)油采收率增幅分別為25.6%，31.6%和37.8%；2#乳化泡沫復(fù)合體系驅(qū)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(fù)合體系驅(qū)油效果強于2#乳化泡沫復(fù)合體系，后者不能替代前者；3#雙效泡沫復(fù)合體系驅(qū)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(chǔ)上增強體系乳化性能，能夠明顯改善驅(qū)油效果。因此，在該水油黏度比下，乳化對稠油泡沫復(fù)合驅(qū)具有較明顯的貢獻(xiàn)。②當(dāng)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(fù)合體系驅(qū)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(fù)合體系驅(qū)油效果相差較小，乳化的貢獻(xiàn)較小，泡沫復(fù)合體系設(shè)計中不應(yīng)過分強調(diào)乳化性能。

此外，對比復(fù)合驅(qū)（表2，圖5）和泡沫復(fù)合驅(qū)（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(fù)合體系驅(qū)油采收率增幅分別為15.9%，17.1%，20.6%，而泡沫復(fù)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(fù)合驅(qū)在稠油驅(qū)替方面極具潛力。②與單一復(fù)合體系相比，泡沫復(fù)合體系驅(qū)替稠油對體系乳化性能的要求降低，能夠?qū)⑷榛阅芤蟮慕缦迯乃宛ざ缺葹?.200減小至0.150。

3 結(jié)論

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