短期应用超声波提高表面活性剂驱油效率研究

张燕杰，张万昌，安伟伟，宋晓亮

(1.甘肃广播电视大学 职业技术学院，甘肃 兰州　730030；2.西安石油大学 流体与渗流力学实验室，陕西 西安　710065；3.中国石油长庆油田 第二采油厂，甘肃 西峰　745000)



短期应用超声波提高表面活性剂驱油效率研究

张燕杰1，张万昌1，安伟伟2，宋晓亮3

(1.甘肃广播电视大学 职业技术学院，甘肃 兰州730030；2.西安石油大学 流体与渗流力学实验室，陕西 西安710065；3.中国石油长庆油田 第二采油厂，甘肃 西峰745000)

[摘要]目前油田常用三采技术的较多，表面活性剂驱为其中较为常用的一种，为提高表面活性剂驱采收率，开展了短期应用超声提高表面活性剂驱油效率实验研究，结果表明：超声15分钟对于吐温-80型表面活性剂的驱油作用有明显的促进作用，以及良好的降低界面张力和改变岩石表面润湿性的作用，并且能够有效提高驱油效率。通过研究不同的超声波作用时长对表面活性剂驱油最终采收率的影响，发现短期应用超声波对表面活性剂驱油效率有明显提高。

[关键词]表面活性剂驱；短期超声；驱油效率；实验研究

目前国内大部分油田都已进入采油高含水期，三采技术在国内应用已经相当广泛，其中表面活性剂驱油和超声波驱油技术较为领先，并且多处矿场试验证实增油效果明显[1-4]。表面活性剂的增油机理之一就是通过乳化原油使其更加容易流动[5]，而超声波就具有促进乳化的作用[6]，因此考虑应用超声波作用促进表面活性剂驱油[7]，但在油气集输工程中进行油水分离作业时又发现超声波对乳状液有较好的破乳作用[8]，而这对油从储层流出是不利的，因此要分析超声波对表面活性剂驱油的作用范围。本研究通过实验室研究表面活性剂驱油，表面活性剂驱油中用超声波作用0min、15min、30min三种情况下对岩心中原油的渗透率进行比较，探讨分析超声波与表面活性剂联用在油田生产中应用的可行性。

1表面活性剂增油机理[9-10]

1.1 降低油水界面张力

表面活性剂具有两亲性，这种分子两端分别有亲水和亲油两个基团，当它进入油水两相体系中时会迅速被吸附到两相界面上，从而降低油水界面张力。

1.2 改变孔隙表面润湿性

储层岩石由于长期与原油共存，其表面润湿性往往表现为亲油性。驱油用表面活性剂的亲水性大于亲油性，它们在储层孔隙表面吸附，可使亲油的孔隙表面反转为亲水表面，从而有效降低原油黏附功，也提高了洗油效率。

1.3 促进原油乳化

表面活性剂体系对原油具有较强的乳化能力，在水油两相流动剪切的条件下，能将岩石表面的原油分散、剥离，形成水包油型(O/W)乳状液，从而改善油水两相的流度比，提高波及系数。

1.4 聚并形成油带

若从储层孔隙中洗下来的油越来越多 ，则油滴在移动过程中发生相互碰撞。当碰撞能量克服了它们之间的静电斥力时，就会发生聚并。油滴的聚并可形成油带。油带在向前移动时，又不断遇到分散的油聚并进来，使油带不断扩大，最后从油井采出。

2 超声波增油机理

超声波是一种频率高于20000赫兹的声波，它的方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在高密度介质中传播距离远。

2.1 超声波与储层作用

超声波驱油主要通过声波处理生产油井、注水井及近井油层，使油层中流体的物性及流态发生变化，利用超声波的机械振动作用和热作用，改善井底近井油层的流通条件及渗透性，解除采油井、注水井的堵塞[11]。

2.2 超声波与注入流体作用

压电换能器产生的声波与注入水耦合，水分子在声波作用下周期性地进行排列组合，以波动形式输出，导致水的表面张力下降，降低毛管渗流阻力，提高地层内流体的流动能力。提高采液量、原油产量和注水量，降低原油的粘度，提高原油、水在多孔岩石中的渗透率，从而提高注入水的注入量和原油采收率[12]。

2.3 超声波促进原油乳化作用

超声波在液体介质中传播时，介质分子受声波能量的振动而发生纵波方向的弹性振动，液体内部发生空化效应，产生大量气泡，气泡在超声作用下不断地增大然后分裂，液体内部产生高温高压使得气泡周围的液体高速冲入气泡而在气泡附近的液体中产生了强烈的局部激动波，从而产生了超声的粉碎、乳化作用。

3联合作用效果实验评价

3.1 实验准备

本实验选取非离子表面活性剂吐温-80作为驱油用表面活性剂，化学名称为聚氧乙烯山梨醇酐单油酸酯，亲水性强，为一类非离子型表面活性剂，具较强亲水性。选定表面活性剂溶液pH为7、搅拌转速为120r/min、吐温-80溶液体积分数为0.20%、振荡时间为2h。

确定超声处理岩心的条件为：固液比1：1，反应温度25°C，超声频率40kHz，超声声强0.39W/cm2。

实验采用西峰油田长8油藏原油及岩心，岩心长度6cm，岩心直径2.5cm，孔隙度10.5%，渗透率2.2×10-3μm2。

3.2 分项评价

3.2.1 界面张力评价

在不同超声时段取样，用BZY 型全自动表界面张力仪测定表面活性剂溶液与原油之间的界面张力，如图1，可以看出吐温-80型表面活性剂具有良好的界面活性，能有效降低油水间界面张力；随超声作用时间的增长，界面张力降低；在超声大于10分钟时，下降幅度较快，15分钟后趋于平缓，界面张力达到10-3mN/m的超低界面张力，超低界面张力可以有效降低原油与岩石表面的黏附功，增强原油的流动能力，提高洗油效率。超声作用20分钟开始有小幅度恢复。

图1　不同超声时长的吐温-80溶液与原油界面张力曲线

3.2.2 改变岩石表面润湿性评价

为考察吐温-80型表面活性剂改变岩石表面润湿性的能力与溶液超声时间长度的关系，采用接触角测定仪测量不同超声作用时长下表面活性剂溶液与载波片(预处理为亲油表面 )的水相接触角，结果(表1)可见：随着超声作用时间的增加，水相接触角逐渐减小，说明该表面的亲油性逐渐降低，而亲水性逐渐增强，这样可以降低原油与岩石表面的黏附功，有效增强原油的流动能力，提高洗油效率。

表1　不同超声时长的吐温-80溶液与载玻片的接触角

3.2.3 超声作用对原油粘度的影响评价

实验中测量了不同超声作用时长对原油粘度的改变 (图2 )。由图2可看出，在超声波作用下，原油粘度不断降低，且随着超声时间的延长，超声的降粘作用下降，超声15分钟时基本达到最大降粘效果，从而提高原油流度。

图2　超声波降低原油粘度的实验曲线

3.2.4 驱油效率评价

按照以下实验流程进行：首先测定岩心孔隙度和渗透率，再将岩心用同层位原油饱和，然后以0.10ml/min流速注入一定质量分数的表面活性剂溶液，该步骤分三组进行，第一组无超声作用，第二组超声作用15分钟，第三组超声作用30分钟，驱替岩心至含水率达98%进行计算采收率。

表2　不同质量分数表面活性剂溶液在不同

4结论

短期应用超声对于表面活性剂驱油有明显的促进作用，以及良好的降低界面张力性能和改变岩石表面润湿性能的作用，相比无超声作用的表面活性剂驱能够有效提高原油采收率约8%，而当超声时长增加一倍后对已经乳化的原油又起到破乳作用，增油效果反而不明显。从驱油效率评价实验来看，在相同采收率情况下，如采收率在53%左右时，采用15分钟超声比起不采用超声可减少约70%的表面活性剂用量。

[参考文献]

[1]张晓东,程鑫,马轮，等.超声波采油原理及应用效果[J].地下水,2013(1):170-171.

[2]孙仁远,陈建文,穆建邦，等.超声波采油机理研究及现场应用[C]//'99浙、鲁、津声学技术交流会论文集，1999:116-119.

[3]薛凝,邵瑞利,张荣兰，等.三次采油中的表面活性剂驱[C]//中国油田采油与集输用化学品开发应用研讨会论文集，2008:207-209.

[4]付美龙,罗跃,杨顺贵，等.马寨油田卫305块IPCS技术矿场应用[J].油田化学,2001(2):170-172.

[5]郭东红,李森,袁建国.表面活性剂的驱油机理与应用[J].精细石油化工进展，2002(7):36-4

[6]王阳恩.超声采油技术的原理及应用[J].物理学和高新技术，2002(11):725-728.

[7]顾春元,虞建业,任永林，等.超声波采油技术研究与应用[J].开采工艺,2003(26)：59-61

[8]余成洲,张贤明,张春媚，等.超声波在原油破乳脱水中的应用研究[C]//2008年十三省区市机械工程学会学术年会论文集，2008:63-67.

[9]陈涛平,蒲春生.低渗透油层超低界面张力化学驱油方式研究[J].西安石油大学学报：自然科学版，2006,21(3):30-33.

[10]王东方.影响表面活性剂驱油效率的因素研究[D].青岛：中国石油大学(华东),2009.

[11]黄序韬,梁淑寰.声波采油的机理及特点研究[J].石油学报，1993(4):110 -116

[12]邵长金,罗荣章,孙仁远,等.利用物理场提高原油产量的基础研究[J].石油学报,1997(3):63-70.

[责任编辑龚勋]

[中图分类号]TE39

[文献标志码]A

[文章编号]1008-4630(2016)02-0087-03

作者简介：张燕杰(1986-)，甘肃临洮人，助理工程师，主要从事石油开采相关教学与研究。

收稿日期：2015-12-07