低界面张力起泡剂泡沫性能评价研究

郑继龙，赵 军

中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452

目前国内外各大油田已经进入高含水开发期，原油采收率逐年递减，但地层依然储藏着大量的原油难以开采，因此寻找一种合理的三次采油技术日趋迫切[1]。三次采油的主要研究内容就是如何利用新技术提高原油的采收率，三次采油的研究潜力巨大，我国大庆油田在无新探明储量的情况下，利用三次采油技术实现稳产5.5×107t/a[2]。

泡沫驱油在油田的二次采油以及三次采油中运用极其广泛。泡沫具有“堵大不堵小，堵水不堵油”的特点，既能扩大低渗透率地层的波及体积，达到高低渗透率地层同步驱替的效果，又能很好地控制水油流度比[3-6]。另外，泡沫中含一定浓度的表面活性剂(起泡剂主要成分)溶液，可有效降低油水界面张力和改善岩石孔隙表面润湿性，降低毛管作用力，可提高洗油效率，降低地层残余油饱和度[7]。因此泡沫驱很有希望能成为继聚合物驱，聚合物/表面活性剂驱之后的更有效的驱油方法。

泡沫驱油的关键在于寻找一种在复杂的地层环境中能够大量起泡对水层具有有效的封堵作用，同时具有降低油水界面张力作用的起泡剂。笔者针对渤海油田岐口地区BZ28-2s区块的特殊情况优选出适合该油田的低界面张力型起泡剂。

1 实验部分

1.1 原料与仪器

低界面张力表面活性剂CUDA，AUDB，MNZC，长江大学自制；渤海BZ28-2s油田注入水，相关水质资料见表1；实验用油取自渤海BZ28-2S区块产出油，80 ℃下原油黏度为3.89 mPa·s。

表1 BZ28-2S油田注入水离子组成 mg/L

CS505型恒温水浴锅，天津科诺仪器设备有限公司；FB124电子天平，上海上天精密仪器有限公司；TX-500C旋转滴界面张力仪，上海隆拓仪器设备有限公司；85-2型恒温磁力搅拌器，上海司乐仪器有限公司；Teclis泡沫扫描仪，法国泰克立斯界面有限公司。

1.2 泡沫性能评价方法

以渤海油田BZ28-2s区块的注入水为溶剂配制60 mL起泡剂溶液，在水浴加热15 min后，取起泡剂溶液置于泡沫扫描仪泡沫筒，采用氮气鼓吹起泡后进行泡沫性能测试。按照泡沫综合指数[8]来表征发泡剂的起泡能力、稳泡能力以及泡沫衰减的过程，即用下式表征：

式中：F为泡沫综合指数，mL·min；t0为泡沫达到最大发泡体积所用时间，min；t为泡沫的半衰期，min；f(x)为发泡高度曲线。

当F≥5 000 mL·min时，泡沫流体属于中等强度泡沫流体；当F≥10 000 mL·min时，泡沫流体属于高强度泡沫流体。

1.3 油水界面张力的测定[9]

用电子天平称取适量表面活性剂样品，以渤海BZ28-2S区块注入水为溶剂，配制一定质量分数的表面活性剂溶液。先用恒温水浴锅在80 ℃条件下加热表面活性剂溶液15 min，再用旋转滴界面张力仪以5 000 r/min测试表面活性剂溶液与原油间的油水界面张力。

1.4 物理模拟驱油实验

1)以0.2 mL/min的速率对胶结岩心进行水驱，至含水率达到95%以上时暂停实验，计算采收率；

2) 采用泡沫发生器混合氮气与起泡剂溶液产生泡沫，向岩心中注入泡沫继续进行驱油实验，直至注入0.3 PV的泡沫后暂停实验；

3)改用水驱继续进行驱油实验，至含水率达到95%后停止实验，计算采收率。

实验所用岩心为胶结岩心，渗透率为1 244×10-3μm2，孔隙度为25.21%，岩心体积为615 cm3。

2 结果与讨论

2.1 低界面张力起泡剂泡沫性能评价及优选

泡沫性能直接关系到起泡剂在地层的封堵效果。目前油田驱油用表面活性剂工业品主要有阴离子型、非离子型和两性型，单独或复配使用，泡沫性能差别很大[10]。考虑到浓度是影响起泡剂活性的重要因素之一，起泡剂具有高效的泡沫特性的同时也必须具有一定的经济性，故选择起泡剂的质量分数分别为0.10%、0.12%、0.14%和0.16%，3种起泡剂的泡沫性能相关实验结果见图1～图3。

图1 起泡剂发泡量随浓度的变化

图2 起泡剂半衰期随浓度的变化

图3 起泡剂泡沫综合指数随浓度的变化

如图1所示，随着起泡剂浓度的升高，3种起泡剂的发泡量逐渐降低，但始终保持在110 mL以上，同时3种起泡剂的发泡量相差不超过12 mL。3种起泡剂的质量分数一直低于0.2%，说明起泡剂的发泡性能良好。起泡剂的发泡量随其浓度的上升而表现出下降趋势，其原因可能是随着起泡剂浓度的升高，起泡剂分子在泡沫表面的负载量过高，因此需要提供更加充足的体系能量来支撑该泡沫体系，58 ℃下的体系能量低于高浓度起泡剂发泡的最低阀值，泡沫的蒸发作用弱于重力作用，泡沫体系受力失衡因此起泡剂的发泡量降低。

如图2所示，随着起泡剂浓度的升高，CUDA型起泡剂的半衰期逐渐降低，而AUDB型起泡剂的半衰期逐渐升高，MBZC型起泡剂的半衰期先上升后下降。其原因可能是不同的起泡剂存在不同的cmc值，当起泡剂的浓度较低时，起泡剂分子在气液界面的吸附量较少且在气液界面上的排布分散，因而导致起泡剂的起泡性与稳泡性较差。随着起泡剂浓度的提高，起泡剂分子在气液界面上的密度逐渐升高，起泡剂的起泡性与稳泡性随之上升，起泡剂分子在气液界面的吸附量增大，稳定性增强。但随着起泡剂浓度达到cmc值后，起泡剂分子吸附在气液界面的饱和度达到极值，当继续提高溶液中起泡剂的浓度时，溶液中过剩的起泡剂分子会自发形成胶团，无法起到增强起泡剂泡沫性能的作用，与此同时过饱和的起泡剂分子会使界面膜上液体的迁移作用减弱，因而液体流失加强，泡沫的稳定性减弱[11]。AUDB型起泡剂在质量分数为0.16%时，半衰期达到106 min，稳定性极好，超过目前市面上大多数类型的低界面张力型起泡剂。

如图3所示，随着起泡剂浓度的升高，CUDA型起泡剂的泡沫综合指数逐渐下降。AUDB型起泡剂的泡沫综合指数逐渐升高，且在质量分数为0.16%时达到峰值9 762 mL·min。MBZC型起泡剂的半衰期先上升后下降。泡沫综合指数是最直接反映起泡剂泡沫性能的参数，对比所选3种起泡剂的泡沫综合指数，可以看出AUDB型起泡剂的泡沫强度最高。

2.2 低界面张力起泡剂油水界面活性评价及优选

起泡剂的油水界面活性对起泡剂改变地层岩石的润湿性以及洗油效果产生重大影响。起泡剂的油水界面张力越低，表示起泡剂的油水界面活性越好，但过低的油水界面张力也会增大地面采出原油油水分离的难度，若要采取其他工艺实现油水分离则会直接导致后期经济成本的增加。目前，油水界面张力范围在5×10-2～1×10-3mN/m时，起泡剂既具有良好的油水界面活性，也能保证后期采出原油较易实现油水分离，降低开采成本，因此需要对3种起泡剂的油水界面活性进行择优。3种起泡剂的油水界面张力测试结果见图4。

图4 起泡剂油水界面张力随浓度的变化

如图4所示，随着起泡剂浓度的升高，3种起泡剂的油水界面张力逐渐降低，且在质量分数达到0.16%时油水界面张力降低到最低值，其中AUDB与MBZC型起泡剂的油水界面张力均降低到2×10-2mN/m，达到低界面张力驱油的要求。

2.3 低界面张力起泡剂驱油效果评价

综合考虑3种起泡剂的泡沫性能与油水界面活性，AUDB型起泡剂在质量分数为0.16%时的起泡体积达122 mL，半衰期达106 min，泡沫综合指数达9 762 mL·min，油水界面张力达1.37×10-2mN/m，综合性能超过其他2种起泡剂且完全具备低界面张力驱油的能力，故选择AUDB型起泡剂进行低界面张力驱油试验，结果见表2。

表2 含水率、压差以及采收率与注入泡沫的关系

如表2所示，在注入泡沫前，采出液的含水率达到95.3%，在向胶结岩心中注入0.3 PV的泡沫流体后，含水率显著下降到70.5%，注入泡沫流体前后压差达0.104 MPa，说明AUDB型起泡剂混合氮气形成的泡沫具有良好的封堵效果。注入泡沫流体后采收率由42.7%提高至53.1%，采收率明显提高，说明AUDB型起泡剂具有良好的洗油效果。

3 结论

1)比较CUDA，AUDB，MBZC 3类低界面张力起泡剂的泡沫性能，在温度58 ℃，矿化度7 052.3 mg/L下，AUDB型起泡剂在质量分数为0.16%时，起泡体积达122 mL，半衰期达106 min，泡沫综合指数达9 762 mL·min，泡沫综合性能较其他2种起泡剂更优。

2)比较CUDA，AUDB，MBZC 3类低界面张力起泡剂的油水界面活性，在温度58 ℃，矿化度7 052.3 mg/L下，起泡剂的油水界面张力随着起泡剂浓度的提高而降低，且当起泡剂的质量分数达到0.16%时，AUDB与MBZC 2种起泡剂的油水界面张力低于2×10-2mN/m，具备低界面张力驱油的能力。

3)AUDB型起泡剂具有良好的封堵能力以及吸油能力，向岩心注入0.3 PV的AUDB型起泡剂后，岩心两端的压差达0.104 MPa，含水率由95.3%显著下降到70.5%，采收率由42.7%提高至53.1%。