非离子Gemini表面活性剂与聚合物二元泡沫性能研究

刘宏生， 高淑玲， 高晓宇， 潘 锋

（1.大庆油田有限责任公司勘探开发研究院，黑龙江大庆163712；2大庆石化公司化工二厂，黑龙江大庆163714）

近年来发展较快的Gemini表面活性剂是一种新型高效的表面活性剂，其分子结构中同时含有2个亲水基团、2个疏水基团及1个联接基团［1］。与传统的表面活性剂相比，Gemini表面活性剂具有很多优良性能。如较强的表面活性、聚集能力和界面吸附能力，有较低的临界胶束浓度和Krafft点，并具有良好的钙皂分散性、润湿性和增溶性，对皮肤的刺激性较小等［2－3］。可广泛应用于日用品生产、三次驱油等方面［4］。

泡沫是气体分散于起泡剂溶液中所组成的分散体系。自1958年首次提出用泡沫作为流度控制剂的思想以来［5－6］，国内外对泡沫技术进行了30多年的研究。认为泡沫是一种黏弹性流体，具有比聚合物更大的渗流阻力，因此泡沫驱油是一种很有潜力的提高采收率技术［7－9］。本文在大庆油田油水条件下，考察了非离子Gemini表面活性剂和聚合物二元体系的界面性能、泡沫性能及驱油效果，为大庆油田聚合物驱后提高采收率提供了一种可行的方法。

1 实验部分

1.1 实验药品及仪器

聚合物（HPAM，大庆炼化公司），非离子Gemini表面活性剂（DWS，实验室自制），大庆脱水原油，污水（油田注入污水），氮气（大庆雪龙气体公司）。三层非均质岩芯（东北石油大学提供，4.5cm×4.5cm ×30cm（或60cm），气测渗透率为1 200×10－3μm2左右，变异系数为0.72）。泡沫扫描仪（法国IT－CONCEPT 公 司），界 面 张 力 仪 （美 国BOWING公司），泡沫驱油装置（江苏华安），黏度计LU－DVⅡ（美国BROOKFIELD公司）。

1.2 实验方法

界面性能测定：在45℃条件下，用界面张力仪测量样品界面张力，用黏度计测量样品黏度。

泡沫性能测定：泡沫综合指数的计算方法参照文献［10］，利用积分方法计算发泡剂的起泡体积和泡沫稳定性的综合指数。

泡沫驱油实验：首先45℃岩芯抽真空至－1 MPa，饱和污水，测量孔隙体积。饱和模拟油，确定含油饱和度，老化12h以上。其次用污水进行水驱至含水率98%以上。然后注入0.5PV聚合物溶液（相对分子质量为1 660×104，质量浓度为1 000 mg／L，清水配制）进行驱油实验，后续污水驱至含水率98%以上。最后按照不同需求注入0.3PV的发泡剂体系（聚合物相对分子质量为2 500×104）和气体（除特殊说明，气液体积比均为1∶1），气液交替注入（交替周期为0.1PV），然后注入0.2PV聚合物保护段塞（相对分子质量为2 500×104，质量浓度为2 000mg／L，污水配制），后续污水驱至含水率98%以上。说明除不同气液体积比实验用60cm长岩芯，其余实验均为30cm岩芯。

2 结果与讨论

2.1 二元体系的界面性能

非离子Gemini表面活性剂与聚合物二元体系的界面张力如图1所示。二元体系黏度曲线中含有非离子Gemini表面活性剂质量分数为0.3%，由图1可知，二元体系可以与原油形成超低界面张力。随着非离子Gemini表面活性剂质量分数增加，二元体系界面张力出现不同程度增加。当非离子Gemini表面活性剂质量分数较高时，二元体系不能形成超低界面张力。这是由于表面活性剂在油和水两相的分配系数等于1时，界面张力最小［4］。当表面活性剂质量分数较高时，表面活性剂在油水两相中的分配系数不等于1，使得二元体系界面张力反而增大。

图1 二元体系的界面张力Fig.1 The interface tension of binary system

随二元体系中聚合物质量浓度增加，界面张力出现不同程度增加。当二元体系中聚合物质量浓度大于1 500mg／L时，体系黏度过高，超过50MPa·s。原油在溶液中的拉伸变形受到一定阻力；表面活性剂分子在高黏度体系中的运动非常困难，且聚合物对表面活性剂具有较强的相互作用，使得油和水两相的分配系数发生变化，二元体系界面张力升高。同时，部分聚合物分子可能也进入油水界面，减少了表面活性剂在界面上的吸附量，使油水界面分布的表面活性剂分子排列稀疏，同样导致界面张力升高。因此，当体系黏度高于一定值时，二元体系的界面张力达不到超低。

2.2 二元体系的泡沫性能

泡沫综合指数可以同时考虑发泡体积和泡沫半衰期两个指标［9］，泡沫综合指数越大，表示泡沫性能越好。非离子Gemini表面活性剂与聚合物二元体系的泡沫综合指数如图2所示。由图2可知，非离子Gemini表面活性剂质量分数增加，二元体系的泡沫综合指数增加，当质量分数大于0.3%时，泡沫综合指数出现降低。这是由于随着表面活性剂浓度的增加，有两个量在发生变化，即携液量和排液速度。携液量随浓度的增大而增大，排液速度也随着浓度的增大而增大，前者对泡沫的稳定性起增强的作用，后者则起减弱的作用，在这二者的共同作用下，必然会出现稳定性的最高点。

由图2可知，二元体系的泡沫综合指数在聚合物质量浓度为1 000mg／L时，泡沫综合指数最大。当聚合物质量浓度增加，发泡剂体系的泡沫综合指数出现降低。这是由于体系中聚合物分子增多，发泡剂分子与聚合物、聚合物与聚合物分子间作用力及缠绕作用增强，这些作用导致泡沫液膜更加稳定，因此，泡沫综合指数增加［11］。但当聚合物质量浓度过高时，发泡剂体系黏度高，起泡性降低，且聚合物阻碍发泡剂分子在气液界面分布，引起泡沫稳定性降低，这两个原因共同导致泡沫综合指数出现降低。

图2 二元体系的泡沫综合指数Fig.2 The foam index of binary system

2.3 表面活性剂质量分数对二元泡沫复合驱影响

非离子Gemini表面活性剂质量分数与二元泡沫复合驱采收率的关系如表1所示，二元发泡剂体系中聚合物质量浓度为1 000mg／L。由表1可知，不同压力下聚合物驱后二元泡沫复合驱采收率在13%～20%。非离子Gemini表面活性剂质量分数增加，二元泡沫复合驱采收率增加。当表面活性剂质量分数大于0.3%，二元泡沫复合驱采收率增加趋于缓和。由于岩芯中孔隙的吸附和捕集作用及岩芯中的饱和水对发泡剂的稀释作用，使得非离子Gemini表面活性剂在质量浓度较低时，二元泡沫复合驱采收率较低。随着非离子Gemini表面活性剂质量浓度的增加，二元泡沫体系中有足够的表面活性剂用来弥补由于以上多种作用产生的损失。在非离子Gemini表面活性剂质量分数超过0.3%后，吸附、捕集作用基本达到饱和，且稀释作用对岩芯中的二元复合泡沫性能影响降低到最小，此时二元泡沫复合驱采收率达到最佳，表面活性剂的质量分数再增加对二元泡沫复合驱采收率影响较小。

表1 非离子Gemini表面活性剂质量分数与二元泡沫复合驱采收率的关系Table1 The relationship between DWS concentration and binary foam composite flooding recovery

2.4 聚合物质量浓度对二元泡沫复合驱的影响

聚合物质量浓度与二元泡沫复合驱采收率的关系如表2所示，二元体系中非离子Gemini表面活性剂质量分数为0.3%。由表2可知，随着聚合物质量浓度的增大，二元泡沫复合驱采收率增加，在聚合物质量浓度大于1 500mg／L时，二元泡沫复合驱采收率增加缓慢。这是由于随着聚合物质量浓度的增加，二元发泡剂体系溶液黏度明显增加，泡沫液膜中发泡剂与聚合物之间存在相互缠绕和氢键的作用，使得泡沫的黏弹性明显增加，气体透过性也降低，使得泡沫的稳定性增加，且聚合物可以减少发泡剂在油藏中的吸附损耗，二元泡沫体系同时具有泡沫及HPAM的双重优点，非离子Gemini表面活性剂与聚合物具有协同增效的作用。因此二元泡沫复合驱采收率随聚合物质量浓度增加而增加。

在压力为10MPa时，二元泡沫复合驱采收率在聚合物质量浓度为1 000mg／L时出现极大值，而后随聚合物质量浓度增加而降低。在压力为10 MPa条件下，当聚合物质量浓度过高，即发泡剂体系的黏度较高，气液交替注入时，气体不能均匀分散在发泡剂中，且表面活性剂分子在液膜中迁移困难，使泡沫的稳定性变差，气体通过优势通道汇聚，且岩芯中压力较高，易形成气窜，使泡沫的封堵能力变弱，导致二元泡沫复合驱采收率出现降低。

表2 聚合物质量浓度与二元泡沫复合驱采收率的关系Table2 The relationship between HPAM concentration and binary foam composite flooding recovery

2.5 气液体积比对二元泡沫复合驱的影响

气液体积比对二元泡沫复合驱采收率的影响如表3所示，二元体系中非离子Gemini表面活性剂质量分数为0.3%，聚合物质量浓度为1 000mg／L。由表3可知，随着气液体积比的增大，二元泡沫复合驱采收率先增大后减小。在气液体积比为1∶1时，二元泡沫驱采收率达到最大。在压力为10MPa条件下，二元泡沫复合驱采收率变化趋势与常压的相同。这是由于在气液体积比较低时，气量较少，形成的泡沫较少，在岩芯中不能形成有效封堵，泡沫复合驱的效果较差。在气液体积比达到1∶1时，形成较强的泡沫体系，且泡沫的表观黏度较大，对岩芯的封堵能力强，泡沫复合驱效果较好。当气液体积比过高时，气体易在孔道中汇集，而在气体占据的孔道发泡剂含量较少，气体不能形成有效泡沫，形成连续气柱，易发生气窜，泡沫封堵能力下降，二元泡沫复合驱效果变差。

表3 气液体积比对二元泡沫复合驱采收率的影响Table3 The gas－liquid ratio effect on binary foam composite flooding recovery

2.6 压力对二元泡沫复合驱的影响

压力对二元泡沫复合驱采收率的影响如表4所示，二元体系中非离子Gemini表面活性剂质量分数为0.3%，聚合物质量浓度为1 000mg／L。由表4可知，二元泡沫复合驱采收率随着压力升高而降低。静态泡沫稳定性理论认为［12］，随着压力的增加，泡沫中气泡的平均尺寸减小，排液速度越低，泡沫越稳定。压力对泡沫流动性能的影响与静态理论相悖。在岩芯中泡沫是处于运动状态，泡沫都经历破灭与再生等一系列变化过程，这与泡沫在静态条件下的稳定性有一定差异。有两种原因可能导致二元泡沫复合驱采收率降低，一种可能是压力越大，泡沫在岩芯中的气泡体积越小，且当达到一定压力后，气泡的体积与孔隙及喉道相当，泡沫的封堵能力减弱，泡沫复合驱采收率降低。另一种可能是压力增加，在岩芯中不易形成稳定的泡沫，而主要是以大气泡形式存在，在运移过程中气液各自有优势运移通道，同样使高压泡沫的流度控制能力降低，二元泡沫复合驱采收率降低。因此，在进行室内模拟实验时，尽量选择相同压力条件下的结果进行对比分析。

3 结论

（1）非离子Gemini表面活性剂和聚合物二元体系与大庆原油形成超低界面张力，且界面张力随非离子Gemini表面活性剂或聚合物质量浓度增加而升高。二元体系的泡沫综合指数随非离子Gemini表面活性剂和聚合物质量浓度增加出现极大值，而后降低。

（2）非离子Gemini表面活性剂或聚合物质量浓度增加，二元泡沫复合驱采收率增加。当非离子Gemini表面活性剂质量分数大于0.3%，聚合物质量浓度大于1 000mg／L时，二元泡沫复合驱采收率增加趋于缓和，但在高压条件下略有不同。

（3）随着气液体积比的增大，二元泡沫复合驱采收率先增大后减小。在气液体积比为1∶1时，二元泡沫驱采收率达到最大。二元泡沫复合驱采收率随着压力升高而降低。

表4 压力对二元泡沫复合驱采收率的影响Table4 The pressure effect on binary foam composite flooding recovery

［1］Zana R.Dimeric（Gemini）surfactants：Effect of the spacer group on the association behavior in aqueous solution［J］.J.Colloid Interface Sci.，2002，248（2）：203－220.

［2］韩玉贵.耐温抗盐驱油用化学剂研究进展［J］.西南石油大学学报：自然科学版，2011，33（3）：150－153.Han Yugui.Research progress on heat and salt resistance chemical medicament flooding special［J］.Journal of Southwest Petroleum University（Natural Science Edition），2011，33（3）：150－153.

［3］韩铁柱，胡星琪，刘福梅.一种新型Gemini表面活性剂的合成［J］.西南石油大学学报：自然科学版，2002，24（6）：57－59.Han Tiezhu，Hu Xingqi，Liu Fumei.Synthesis of a Gemini surfactant［J］.Journal of Southwest Petroleum University（Natural Science Edition），2002，24（6）：57－59.

［4］杨普华，杨承志.化学驱提高石油采收率［M］.北京：石油工业出版社，1988：43－54.

［5］Tortopidis S，Shallcross D C.Carbon dioxide foam flood studies under australian reservoir conditions［C］.SPE 28811，1994.

［6］Harpole K J，Siemers W T，Gerard M G.CO2foam field verification pilot test at EVGSAU：IIIC－reservoir characterization and response to foam injection［C］.SPE／DOE 27798，1993.

［7］Hoefner M L，Evans E M.CO2foam：results from four developmental field trials［C］.SPE 27787，1995.

［8］Jonas T M，Chou S L，Vaslcek S L.Evaluation of a CO2foam field trial：rangely weber sand unit［C］.SPE 20468，1990.

［9］刘宏生，王景芹.α－烯烃磺酸钠复配体系的泡沫性能［J］.青岛科技大学学报：自然科学版，2013，34（1）：12－16.Liu Hongsheng，Wang Jingqin.Foam properties of sodium α－olefin sulfonate compounded systems［J］.Journal of Qingdao University of Science and Technology（Natural Science Edition），2013，34（1）：12－16.

［10］伍晓林，陈广宇，张国印.泡沫复合体系配方的研究［J］.大庆石油地质与开发，2000，19（3）：27－29.Wu Xiaolin，Chen Guangyu，Zhang Guoyin.Foam complex system formulae which research［J］.Journal of Daqing Petroleum Geology and Development，2000，19（3）：27－29.

［11］刘伟，李兆敏，李松岩.非均质地层泡沫调驱提高采收率实验［J］.石油化工高等学校学报，2011，24（5）：26－29.Liu Wei，Li Zhaomin，Li Songyan.Experimental on foam flooding for enhancing oil recovery in anisotropic layer［J］.Journal of Petrochemical University，2011，24（5）：26－29.

［12］liu Y，Svec R K.CO2foam behavior：influence of tempereture，pressure，and concentration of surfactant［C］.SPE 94307，2005，1－13.