表面活性剂对低渗透油藏渗吸的影响

王小香，吴金桥，吴付洋，杨 江

（1. 西安石油大学 石油工程学院，陕西 西安 710065；2. 延长石油公司 研究院，陕西 西安 710065；3. 长庆油田分公司 第一采气厂，陕西 西安 710065）

随着常规油气资源的减少，非常规油气如页岩油、页岩气等的开发日益受到重视［1-2］。非常规油气藏孔隙结构复杂（低孔低渗），采用常规注水法很难获得较好的开发效果［3］。自发渗吸是非常规油藏提高采收率的一项重要手段，表面活性剂对于提高油藏的自发渗吸效率有很大作用［4］。国内外学者对表面活性剂改善渗吸作用的机理进行了大量研究，大部分研究认为表面活性剂是通过降低界面张力和接触角来提高渗吸效果；但渗吸采出程度并不是随界面张力的降低而单调递增，界面张力过低时，采出程度反而下降［5-11］。李爱芬等［10］研究了界面张力对低渗亲水储层自发渗吸的影响，实验结果表明，界面张力对渗吸采出程度的影响是非线性的，不同体系的压裂液都存在一个最佳界面张力值。

本工作以表面活性剂为压裂液前置液添加剂，研究了在低渗亲水砂岩岩心中的自发渗吸，分析了有利于渗吸进行的接触角和最佳界面张力范围，为非常规油藏的渗吸采油提供参考。

1 实验部分

1.1 实验仪器

Amott Cell体积法渗析瓶：禹道玻璃仪器厂；JC 2000DS型接触角测量仪：北京商德通科技有限公司；SVT 20型旋转滴张力仪：德国Dataphysics公司。

1.2 实验材料

实验用油为长庆油田采出轻质油，常温下黏度为1.683 mPa·s；实验用水为1%（w）KCl溶液；实验岩心为人造砂岩岩心，大庆油思科技有限责任公司，成分为石英砂90%（w）和环氧树脂。表1为岩心物性参数及表面活性剂类型。共采用16种表面活性剂，有效浓度为0.2%（w）。

1.3 实验方法

将岩心烘干24 h后测量记录岩心尺寸，放入真空干燥皿中抽真空3 h，再将准备好的原油通过漏斗缓慢注入装有岩心的烧杯中，真空状态下饱和原油24 h后释放真空，用滤纸吸干岩心表面的浮油，并称量入岩心的饱和原油质量。将饱和原油的岩心放入Amott Cell体积法渗吸瓶中，记录析出的油滴体积随时间的变化。

配制有效浓度为0.2%（w）的表面活性剂溶液，用旋转滴张力仪测量原油与表面活性剂溶液在室温下的油水界面张力，界面张力的测试标准为SY/T 5370—2018［12］。

渗吸结束后的岩心中同时含有原油和表面活性剂溶液，更能反映油水同时存在时表面活性剂对岩心润湿性的改善效果，因此将渗吸结束后的岩心切成1 cm左右的薄片，并将表面打磨光滑。用接触角测量仪测量接触角。

2 结果与讨论

2.1 表面活性剂在低渗透岩心中的渗吸

16种表面活性剂溶液中最终有JY-4B（阴离子型）、YIB（阴离子型）、YJ-14（阳离子型）和CTAB（阳离子型）4种溶液能够渗析出原油。图1为表面活性剂渗吸效果。由图1可知，最终采出程度由大到小顺序为：JY-4B>YIB>YJ-14>CTAB。

图1 表面活性剂渗吸效果Fig.1 Experimental phenomenons of surfactants imbibition.

图2为采出程度和采出速率随时间变化关系。由图2可知，JY-4B出油速度很快，渗吸速度也较快，原油主要集中在岩心上表面，为大油滴，这说明JY-4B主要是重力主导下的顺向渗吸。YIB出油较慢，72 h后才有小油滴析出，主要集中在岩心上表面，渗吸方式为顺向渗吸。YJ-14的渗吸速度较慢，但渗吸时间持续较长，这是由于YJ-14的界面张力极低，渗吸的动力弱，水的吸入速度较慢，因此渗吸速度慢；渗吸后期油滴主要以小油滴的形式分布在侧表面，说明YJ-14在渗吸后期以逆向渗吸为主。CTAB在渗吸进行5 min即有小油滴析出，主要集中在顶面，说明渗吸前期主要发生顺向渗吸。渗吸后期侧面也有部分油滴析出，顺向渗吸和逆向渗吸同时发生。其中阴离子型表面活性剂JY-4B的采出程度最高，渗吸速度也最快；而采出程度最低的是阳离子型表面活性剂CTAB。因此，阴离子型表面活性剂的渗吸效果优于阳离子型表面活性剂。韩冬等［6］在对水湿砂岩的渗吸研究中发现，与其他类型的表面活性剂相比，阴离子型表面活性剂的渗吸效果较好，与本工作的研究结果一致。

2.2 表面活性剂对岩石润湿性的影响

不同表面活性剂改善后的岩心接触角平均值分别为：阴离子型表面活性剂66.5°，阳离子型表面活性剂81.78°，两性表面活性剂94.25°，非离子表面活性剂88.73°，可以看出，阴离子型表面活性剂改善润湿性的效果好于其他类型的表面活性剂［13］。表2为16种不同表面活性剂溶液及盐水的接触角、界面张力及渗吸采出程度。由表2可知，阴离子型表面活性剂改善润湿性的效果要略好于阳离子型表面活性剂和其他类型的表面活性剂。砂岩地层岩石带负电荷，原油中带正电的碱性成分吸附在岩石表面，阴离子型表面活性剂分子带负电荷的一端和原油分子中带正电荷的一端相互作用，形成离子对，使岩石表面的油膜解吸，因疏水性而运移到油相中。而阳离子型表面活性剂则是通过吸附作用与油分子的尾基吸附，使润湿性改变。因此，在砂岩中阴离子型表面活性剂改变润湿性的能力较强。对于碳酸盐岩储层，情况则相反。

表2 不同表面活性剂溶液的接触角、界面张力及渗吸采出程度Table 2 Contact angle，interfacial tension and recovery ratio of different surfactants

2.3 表面活性剂对油水界面张力的影响

不同溶液的油水界面张力见表2。由表2可知，盐水的界面张力为15.955 3 mN/m，加入表面活性剂后，油水界面张力降低。阴离子型表面活性剂中效果最好的JY-4B能使界面张力降低至0.166 0 mN/m，阳离子型表面活性剂中效果最好的YJ-14能使界面张力降低至0.044 9 mN/m。非离子型表面活性剂降低界面张力的能力相对较差。

2.4 自发渗吸的有利条件

界面张力及接触角的测量结果见表2。由表2可知，接触角大于70°的岩心均无油滴析出。这说明岩心的润湿性是决定渗吸能否发生的重要因素，只有达到一定的润湿程度时，渗吸才能发生。而界面张力决定着渗吸效率并存在一个最佳的范围，在本工作中界面张力的最佳值为10-1mN/m。在此范围内，接触角越小渗吸效果越好。当界面张力低于10-1mN/m时，由于过低的界面张力降低了毛细管力，使渗吸的动力减弱，岩心吸水的速度减慢，因此渗吸效果较差。界面张力较大时，油滴的变形能力较差，不易从岩心表面析出。4种表面活性剂中，JY-4B的最终采出程度最高，其次为YIB。YJ-14由于具有过低的界面张力，使毛细管力过低，渗吸的动力减弱，因此渗吸效果不如JY-4B和YIB。YJ-14的界面张力为0.044 9 mN/m，在出油的4种表面活性剂中界面张力值最低，且出油时间最长，说明低界面张力导致了渗吸的滞后效应。C18 VES虽然界面张力也较低，但由于接触角为103.12°，毛细管力是渗吸的阻力，因此没有油滴析出。因此，在进行表面活性剂的筛选时，要综合考虑界面张力和接触角对渗吸的影响。

3 结论

1）表面活性剂能够改善岩石润湿性和降低油水界面张力，有助于自发渗吸采油。阴离子型表面活性剂和部分阳离子型表面活性剂的渗吸效果较好。最终采出程度由大到小顺序为：JY-4B>YIB>YJ-14>CTAB。

2）对于原始润湿性为水湿的人造岩心，接触角的大小对渗吸能否发生起着决定性作用，接触角小于70°时渗吸才能发生。界面张力对渗吸速度和最终采出程度有很大的影响，对于渗透率为1 mD的亲水岩心，最佳界面张力为10-1mN/m，界面张力过大或过小都不利于渗吸的进行。因此，在进行表面活性剂渗吸时不能追求超低的界面张力，应研究与目标油藏匹配的最佳界面张力范围，以获得最高的采收率。