超低界面张力泡沫体系性能研究及驱油方案优化
(中国石化石油勘探开发研究院提高采收率研究所，北京100083)
在大庆油田油水条件下，评价了表面活性剂的界面性能和泡沫性能，优化了泡沫配方和注入方式。双子表面活性剂的表面张力约为25mN/m，在表面活性剂浓度为0.05% ~ 0.3%的范围内，可与原油达到超低界面张力，具有良好的泡沫稳定性。气液比对泡沫驱采收率的影响最大，其次是聚合物浓度。最佳泡沫体系配方为表面活性剂浓度0.3%，聚合物浓度2000mg/L，气液比为3: 1。气体和表面活性剂/聚合物二元液混合注入压力增幅最大，耗时最短，泡沫驱采收率高。气体、表面活性剂和聚合物完全分离，交替注入塞时压力上升最小，耗时最长，采收率最小。气体和二元液体交替注入时，压力和采收率居中。结合现场实施过程，优选气体和表面活性剂/聚合物二元液交替注入方式，交替周期越短，泡沫驱采收率越高。
表面活性剂；超低界面张力；泡沫驱；提高采收率；注入方式
超低界面张力泡沫性能研究及岩心驱油方案优化
徐冠礼
(中国石化勘探开发研究院，北京100083，中国)
本文研究了所选表面活性剂的界面性质、泡沫稳定性。根据大庆油田的油藏条件，对配方和注入方式进行了优化。实验表明，该双子表面活性剂的表面张力约为25mN/m( 25℃)，具有超强的表面活性。在表面活性剂浓度为0.05% ~ 0.3%的范围内，油与表面活性剂溶液之间获得了超低界面张力(< 0.01mN/ m)。根据泡沫体积的崩解半衰期，其泡沫稳定性优于α-烯烃磺酸钠和重烷基苯磺酸钠。对于超低界面张力泡沫，气液比对聚合物驱后泡沫的EOR影响最明显，聚合物浓度次之。优选的表面活性剂浓度为0.3%，聚合物浓度为2000 mg/L，气液比为3:1。在表面活性剂和聚合物用量相同的情况下，同时注入气体和由表面活性剂和聚合物组成的液体会产生最高的注入压力和最高的采收率。中压和EOR来自气体和液体的交替注入。同时注射的耗时比气液交替注射的耗时短。单个表面活性剂、聚合物和气体的交替注入需要最长的注入时间。结合油田注入工艺，优选注入方式为气液交替注入，交替周期越短，聚合物驱后泡沫EOR越高。
关键词表面活性剂；超低界面张力；泡沫驱油；提高石油采收率；注入模式
泡沫是由气体分散在发泡剂溶液中组成的分散体系，发泡剂一般为表面活性剂。作为一种多相粘弹性流体，泡沫具有低密度、高粘度和剪切稀释的特性，这使其具有提高原油采收率的应用前景。泡沫在气驱控制气体流度和提高采收率方面的应用，国外已有充分的研究[1 ~ 3]，现场试验也取得了一定的成果。国内大庆油田和胜利油田也对泡沫驱油技术进行了多年的研究[4]，其中大庆油田的泡沫复合驱油技术最具代表性，试验取得了提高采收率20%以上的效果[5]，这表明泡沫驱油技术具有大幅度提高水驱油田采收率的潜力[6]。
大庆油田完成的泡沫复合驱油试验采用表面活性剂、聚合物和强碱组成的三元体系。虽然取得了良好的驱油效果，但无法避免强碱带来的腐蚀、结垢、泡沫稳定性等负面问题。三元复合体系的主要技术特征之一是表面活性剂和碱协同作用，产生超低油水界面张力。多年来，复合驱研究的重点也是合成不加碱就能与原油实现超低界面张力的表面活性剂，并取得了一些成果。研究了所选表面活性剂的性能，考察了无碱超低界面张力泡沫体系在聚合物驱后的驱油效果，优化了泡沫体系的配方，为现场试验方案的制定提供了参考。
1实验材料和方法
1.1实验材料
实验用油为大庆油田井口的脱水原油和模拟油，实验用水为注入油田过滤后使用的污水。聚合物是中国石油大庆炼化公司生产的分子量为3072万的聚丙烯酰胺。表面活性剂(DWS)是大连戴维斯公司提供的一种非离子双子表面活性剂。重烷基苯磺酸盐(HABS)由大庆董浩投资有限公司生产，α-烯烃磺酸盐(AOS)购自浙江中国轻工业化学公司。岩心是从大庆石油学院购买的长30cm的人造三层非均质岩心，渗透率变异系数为0.72，孔隙度为22% ~ 25%。
1.2实验方法
1)表面张力:表面张力计k 12(Kruss公司生产)，挂片法测定；自动表面张力计跟踪器(Teclis生产)，用悬滴法测量。
2)油水界面张力:旋转滴式界面张力计，TX500C，45℃。
3)泡沫半衰期:泡沫扫描仪(Teclis制造)，注气速度30mL/min，注气量300mL，温度45℃。
4)岩心驱替实验:先将岩心抽真空，用水饱和，再用油饱和，老化一天后进行水驱，含水率大于98%后进行聚合物驱(包括后续水驱)。最后进行超低界面张力泡沫复合驱和后续水驱。
2实验结果
2.1表面张力
表面张力是评价表面活性剂活性的重要指标。如表1所示，双子表面活性剂(DWS)的表面张力随着温度的升高而降低，与常规表面活性剂相同。常规表面活性剂的表面张力一般大于30mN/m，如重烷基苯磺酸盐的表面张力维为31.5 Mn/m[7]，α-烯基磺酸盐的表面张力维为34.4mn/m [8]。25℃时，双子表面活性剂的表面张力约为25mN/m，接近烃类表面活性剂的理论最低表面张力值[9]，与有机硅表面活性剂(20 ~ 30mn/m)相当，表明双子表面活性剂具有很好的活性。
表1双子表面活性剂的表面张力(DWS)
用Tracker自动表面张力计(图1)测定了不同浓度的表面活性剂溶液在25℃时的动态表面张力。随着实验的进行，不同浓度的表面活性剂溶液的表面张力逐渐降低。表面活性剂浓度越高，表面张力越低。根据表面张力随浓度的变化趋势，该表面活性剂的临界胶束浓度(CMC)在0.08%左右，25℃时表面张力值约为25 mN/m。
图1双子表面活性剂的动态表面张力(DWS)
2.2油水界面张力
油水界面张力是驱油用表面活性剂的重要指标。不同浓度(聚合物浓度1000mg/L)的表面活性剂/聚合物二元体系界面张力测试结果(图2)表明，双子表面活性剂的界面张力随测试逐渐降低，20分钟后界面张力小于0.01 mN/m，达到超低界面张力。双子表面活性剂可以在0.05% ~ 0.3%的较宽浓度范围内实现超低油水界面张力。重烷基苯磺酸盐的超低界面张力只有在碱的存在下才能达到[10]，而α-烯基磺酸盐的超低界面张力即使加碱也达不到。
图2双子表面活性剂DWS的油水界面张力
2.3泡沫稳定性
泡沫的稳定性可以用半衰期来表征，分为两种，一种是体积衰减半衰期(泡沫体积衰减一半所需的时间)，另一种是液体分离半衰期(从泡沫中排出一半液体所需的时间)。表2显示了通过泡沫扫描仪测量的表面活性剂溶液的泡沫体积衰减半衰期。不同浓度的双子表面活性剂半衰期均大于60min，烷基苯磺酸盐和α-烯烃磺酸盐的稳定性较好。
表2不同表面活性剂的泡沫半衰期
超低油水界面张力是驱油用表面活性剂的基本要求。目前市场上常见的表面活性剂油水界面张力都比较高，达不到超低界面张力。界面张力高的原因是这些表面活性剂的亲水性太强，所以要获得低的界面张力，就需要增加表面活性剂疏水基团的长度或数量。增加疏水基团的长度或数量，有利于改善表面活性剂分子间的疏水缔合，增加泡沫中表面活性剂液膜的强度，增加液膜的界面粘弹性，提高泡沫的稳定性。因此，在一定程度上，获得超低界面张力与提高泡沫稳定性对表面活性剂分子结构的要求是一致的。双子表面活性剂(DWS)的两个疏水基团增加了其亲油性，可与原油达到超低界面张力，具有良好的泡沫稳定性。DWS是驱油用超低界面张力泡沫体系的最佳选择。
2.4泡沫体系配方优化
驱油用泡沫由双子表面活性剂、聚合物和气体组成。表面活性剂和聚合物的浓度以及气体的量(气液比)对泡沫的驱油性能有重要影响。为了确定泡沫体系的最佳配方，对表面活性剂浓度、聚合物浓度和气液比进行了三因素三水平正交实验，优化了泡沫体系的配方。每个实验的实验条件和驱油结果如表3所示。
表3正交实验条件和驱油结果
表3中的数据按照极差分析法进行分析，分析方法参考[11]。以泡沫驱采收率为评价指标，表3中“表面活性剂浓度”一栏的II最大，说明0.3%的表面活性剂浓度水平较好；在“泡沫聚合物浓度”一栏中，ⅲ最大，表明聚合物浓度水平2000mg/L较好；在“气液比”一栏中，ⅲ最大，表明气液比水平为3: 1。因此，根据泡沫驱采收率，最佳驱油条件为表面活性剂浓度0.3%，聚合物浓度2000mg/L，气液比3: 1。“气液比”最大，其次是“聚合物浓度”，说明气液比对泡沫驱采收率的影响最大，其次是聚合物浓度。
2.5注入方式对泡沫驱采收率的影响
泡沫体系包括双子表面活性剂、聚合物和气体，在驱油过程中可以组合成多种注入方式。第一种是气液同时注入，将表面活性剂和聚合物混合成二元液体，然后按照一定的气液比与气体同时注入岩心；二是气液交替注入(气液分段塞式注入)。首先将表面活性剂和聚合物混合形成二元泡沫液，按照确定的气液比和交替周期交替注入气体。二是表面活性剂、聚合物、气体交替分开注入，即按照确定的交替周期和气液比，先注入一段聚合物段塞，再注入一段表面活性剂段塞，再注入一段气体段塞，依次重复注入。通过岩心驱油实验，考察了不同注入方式对驱油效果的影响。实验中表面活性剂浓度为0.3%，聚合物浓度为2000mg/L，表面活性剂注入量为0.3PV，岩心水驱后，进行不同注入方式的泡沫驱，实验结果见表4。
表4不同注入方式下泡沫驱油结果
表4中编号为1、2、3的实验为聚合物、表面活性剂和气体完全分开注入的岩心驱油实验，交替周期为0.1 PV和0.05PV，即先注入0.1 PV聚合物，再注入0.1 PV表面活性剂，然后根据气液比注入气体，重复上述步骤直至注入。在表4所示的交替循环和气液比条件下，三种物质完全分开注入，聚合物驱后泡沫驱平均可提高采收率15.63%。在表4中编号为4和5的实验中，交替注入由气体、表面活性剂和聚合物组成的二元发泡液体。在与实验1、2和3相同的泡沫液用量下，气体和二元液体交替注入的泡沫驱采收率优于完全分开注入的泡沫驱采收率。实验6的注入方案是先注入0.1 PV聚合物预段塞，然后同时注入气体和表面活性剂溶液(含200mg/L聚合物)，最后注入0.2PV聚合物保护段塞。与前期实验相比，在节约聚合物用量的条件下，混注泡沫驱采收率接近18%，相当于气体和二元液体交替注入的效果。图3显示了对应于三种不同注射方法的压力曲线。第一条曲线是同时注入气体和表面活性剂溶液(含200 mg/L聚合物)的压力曲线。在聚合物预段塞注入和气液同时注入阶段，注入压力持续上升，但注入聚合物保护段塞时压力上升不明显，说明泡沫具有很好的封堵岩心孔隙的能力。第二条曲线是气体和二元液体(聚合物和表面活性剂混合)交替注入的压力曲线。注入二元体系时，压力上升。切换到注气后，压力先上升后开始下降。随着实验的进行，总体注入压力逐步上升，但化学剂注入结束时的最高压力低于气液同时注入时的最高压力。第三条曲线是聚合物、表面活性剂和气体完全分开交替注入的压力曲线。注入聚合物时压力上升，注入表面活性剂时压力略有下降，注入气体时压力下降。虽然总注入压力逐渐升高，但低于气体和二元液体交替注入时的压力。气液同时混合注入时驱替时间最短，三种物质完全分离交替注入时驱替时间最长，气液交替注入时驱替时间居中。
这些结果表明，对于泡沫驱，气液同时注入是最好的注入方法，其次是交替气体和二元液体注入。目前现场试验很难同时注入气体和液体，建议交替注入气体和表面活性剂/聚合物二元液。
不同注入方式下泡沫驱压力曲线。
2.6交替注入周期对泡沫驱采收率的影响
在泡沫驱中，气体和二元液体(表面活性剂+聚合物)交替注入，这涉及交替的周期或频率。通过评价不同交替周期下岩心泡沫的驱油效果，优选气液交替周期。水驱和聚合物驱的条件和以前一样。泡沫液中表面活性剂浓度为0.3%，聚合物浓度为2000mg/L，泡沫液注入量为0.3PV，气液比为3: 1。注入泡沫体系后，注入0.2PV聚合物保护段塞。无碱超低界面张力泡沫体系在聚合物驱后交替注入人造3层非均质岩心时的驱油效果见表5。
实验结果表明，无论采用何种注入方式，聚合物驱后泡沫驱采收率均可提高16个百分点以上。在其他条件相同的情况下，随着交替次数的增加，聚合物驱后泡沫驱采收率呈增加趋势。与混合注入法相比，交替注入法泡沫驱采收率略有降低。因此，在现场试验中，应尽可能缩短交替周期。
表5不同交替期聚合物驱后岩心驱油结果
3结论理论
在1)25℃时，双子表面活性剂(DWS)的表面张力约为25mN/m，接近烃类表面活性剂的理论最小表面张力，表现出很高的表面活性。能在较宽的浓度范围内与原油达到超低界面张力，比烷基苯磺酸盐和α-烯烃磺酸盐具有更好的泡沫稳定性。
2)在泡沫体系配方中，气液比对泡沫驱采收率的影响最大，其次是聚合物浓度。较好的泡沫体系配方为表面活性剂浓度0.3%，聚合物浓度2000 mg/L，气液比为3: 1。
3)泡沫驱采用气体和表面活性剂/聚合物二元液混合注入，压力增幅最大，耗时最短，采收率最高。气体、表面活性剂、聚合物完全分离交替注入时，压力上升最小，耗时最长，采收率最小。气体和二元液体交替注入时，压力和采收率居中。
4)泡沫驱矿场试验中，气体和表面活性剂/聚合物二元液交替注入，交替周期越短，泡沫驱采收率越高。
参考
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