纳米微球调驱采出液油水乳状液稳定性和破乳剂研究

中海石油（中国）有限公司天津分公司

随着油田的开发，产液含水量不断上升，储层非均质性增强，注水大孔道或高渗透条带的存在使得井间注水波及系数小，对水驱和化学驱驱替液波及系数的影响日益严重，从而影响了油田采收率[1]。深部调驱能经济高效地调整吸水剖面并降低油藏的非均质性，从而提高原油采收率。目前研究和运用较多的是弱凝胶调驱、氮气泡沫驱和可动凝胶调驱技术，但这些调驱材料具有强度低、选择性差、无法进入储层深部等缺点[2-5]。良好的深部调驱材料应具备“进得去，堵得住，能移动”的特性。基于此框架，设计了一种可进入地层深处的初始尺寸为纳米级的聚合物微球。聚合物纳米微球体系作为一种预交联体系，能够克服地下成胶效果差的缺点，且地面注入的纳米微球具有很好的耐温、耐盐特性，应用前景广阔[6-7]。目前国内各大油田已经开展聚合物纳米调驱的先导性试验，并取得了较好的效果[8-10]。微球调驱采出液中可能会含有纳米微球，势必会对传统采出液处理方案产生影响，因此研究纳米微球调驱采出液的基本性质和处理方案对实际生产具有一定指导意义。

1 实验

1.1 实验材料

纳米微球、脱水原油由中海油能源发展有限公司提供。破乳剂D1、D2、D3、D4 和D5 自制，分别对应以烷基醇为起始剂的线型聚醚、烷基醇起始剂的支化聚醚、烷基胺为起始剂的线型聚醚、烷基胺为起始剂的支化聚醚和树脂为起始剂的支化嵌段聚醚。无机絮凝剂聚铝（F1）、有机阳离子絮凝剂（F2）、有机两性离子絮凝剂（F3）购自SNF 公司。

1.2 实验方法

1.2.1 纳米微球基本性质的测定

以蒸馏水为溶剂，配制纳米微球水溶液，采用美国Brookhaven 公司90plus 型高分辨Zeta 电位仪及激光粒径分析仪测定纳米微球粒径；以模拟地层水为溶剂，配制纳米微球水溶液，60 ℃下采用德国KRUSS 公司DSA30 型界面参数一体测量系统测定溶液的表面张力、界面张力以及界面扩张模量，其中测定界面扩张模量的条件为：正弦震荡频率10 Hz，振幅0.4 mm3。

1.2.2 模拟W/O 型乳液的配制、稳定性评价及破乳剂评价

（1）称取一定量脱水原油放置于60 ℃水浴中预热15 min，机械搅拌下（转速为350 r/min）缓慢滴加一定量纳米微球水溶液（模拟地层水配制），油水比1∶1；滴加完毕后继续搅拌30 min，从而得到W/O 型乳液。

（2）将乳液在60 ℃静置，间隔10 min 记录一次乳液脱水体积，根据相同时间内乳液脱水体积判断乳液稳定性；脱水率越高，乳液稳定性越差。

（3）60 ℃下，向刚配制好的W/O 乳液中加入一定量的破乳剂，手摇200 下后记录不同时间下乳液的脱水体积，计算脱水率。

1.2.3 模拟采出水的配制、O/W 型乳液稳定性评价及絮凝剂评价

（1）称取一定量纳米微球水溶液（模拟地层水配制）放置于60 ℃水浴中预热15 min，高速剪切乳化下（SG-500，上海尚贵流体设备有限公司，转速为7 000 r/min）缓慢滴加一定量脱水原油。滴加完毕后继续剪切乳化30 min，从而得到模拟采出水。

（2）将模拟采出水在搅拌转速为5 000 r/min 下离心30 min 后，利用OilTech121A 手持式测油仪（Environ Lab&Tech Inc USA）测定下层水样的含油量。含油量越高，则表明模拟采出水中O/W 型乳液稳定性越差。

（3）向刚配制好的模拟采出水中加入一定量的絮凝剂，手摇50 次后静置10 min，取下层水样，采用浊度仪（美国哈希2100P 浊度仪）测定浊度。

2 实验结果与讨论

2.1 纳米微球基本性质

图1 显示了纳米微球的基本性质。由图1a 可以看出，微球粒径分布在120～550 nm 范围内，粒径中值为278 nm。这种纳米微球具有高比表面积，容易吸附到油水界面从而对采出液中油水乳状液的稳定性带来影响。由图1b 可知，随着纳米微球浓度的不断增加，溶液表面张力不断降低，在大于400 mg/L 后趋于稳定。这可能是因为在合成纳米微球的过程中，加入了表面活性剂，使纳米微球体系具有降低表面张力的功能。界面张力的测定结果（图1c）同样显示纳米微球体系具有降低界面张力的性能。表面张力和界面张力的降低会导致乳液体系自由能的降低，从而增强乳液稳定性。另外，图1d 显示纳米微球体系还会增强油水界面膜的扩张模量。综合这些基本性质，可以判定当采出液中有了纳米微球后，其稳定性必然会受到影响，而且是增强采出液的稳定性。

2.2 纳米微球对W/O 乳液的影响

改变水溶液中纳米微球的浓度来评价W/O 乳液的稳定性，结果见图2。由图2 可知，随着水溶液中纳米微球浓度的增大，相同时间内W/O 型乳液的脱水率逐渐下降，即乳液稳定性逐渐增强，这和前文中由纳米微球基本性质推测的结果一致。

固定水溶液中纳米微球的浓度为200 mg/L，破乳剂加量为100 mg/L，在60 ℃下评价不同类型破乳剂对含纳米微球W/O 乳液的破乳性能，结果见表1。由表1 可知，相同条件下5 种破乳剂中D5 的破乳性能最佳，即以树脂为起始剂的支化嵌段聚醚此时有最佳破乳效果。保持水溶液中纳米微球的浓度为200 mg/L，分别考察破乳剂加量和破乳温度对D5 破乳剂破乳性能的影响（表2、表3）。结果表明：当D5 加量为125 mg/L、温度为70 ℃、破乳时间为100 min 时，破乳脱水率最高（98.4%）。

表1 破乳剂类型对含纳米微球W/O乳液破乳实验结果的影响Tab.1 Effect of demulsifier type on the demulsification experiment results of W/O emulsion containing nano-sphere

图1 纳米微球基本性质测定结果Fig.1 Measurement results of nano-sphere basic properties

图2 水溶液中纳米微球浓度增大时W/O乳液稳定性评价结果Fig.2 Stability evaluation results of W/O emulsion with the increase of nano-sphere concentration in water solution

表2 破乳剂加量对含纳米微球W/O乳液破乳实验结果的影响Tab.2 Effect of demulsifier dosage on the demulsification experiment results of W/O emulsion containing nano-sphere

表3 破乳剂温度对含纳米微球W/O 乳液破乳实验结果的影响Tab.3 Effect of demulsifier temperature on the demulsification experiment results of W/O emulsion containing nano-sphere

2.3 纳米微球对模拟采出水的影响

改变水溶液中纳米微球的浓度评价模拟采出水中O/W 型乳状液的稳定性，结果见图3。由图3 可知，随着水溶液中纳米微球浓度的增大，离心处理后模拟采出水的含油量逐渐上升，即模拟采出水中O/W 型乳状液稳定性增强。这其中的原因与纳米微球体系具有良好界面活性性质有关，可能还与纳米微球体系会改变水中油滴带电量有关。

图3 水溶液中纳米微球浓度增大时模拟采出水稳定性评价结果Fig.3 Stability evaluation results of simulated produced water with the increase of nano-sphere concentration in water solution

固定水溶液中纳米微球的浓度为200 mg/L，絮凝剂加量为250 mg/L，在60 ℃下评价不同类型絮凝剂对含纳米微球模拟污水的絮凝性能。结果表明，絮凝剂中F1 的絮凝性能最佳，即无机聚铝有最佳絮凝效果，污水浊度可降低至15 NTU，而F2、F3 处理后污水浊度分别为876 NTU、1 459 NTU。保持水溶液中纳米微球的浓度为200 mg/L，优化F1絮凝剂的加量（图4），结果表明，当F1 加量为250 mg/L，温度在20～70 ℃范围内，絮凝性能均良好，处理后水样的浊度为15 NTU，即絮凝剂絮凝性能不受温度影响。

图4 絮凝剂F1 加量对处理结果的影响Fig.4 Effect of flocculant F1 dosage on treatment results

3 结论

（1）聚合物纳米微球溶液具有良好的表面和界面活性，能够降低表面和界面张力，增强油水界面扩张模量，从而导致采出液中W/O 乳液和含油污水的稳定性随纳米微球浓度的增大而增强。

（2）处理含有纳米微球W/O 乳液的最佳破乳剂为以树脂为起始剂的支化嵌段聚醚，最佳处理条件为破乳剂加量125 mg/L、破乳温度70 ℃、破乳时间100 min。

（3）处理含有纳米微球含油污水的最佳絮凝剂为聚铝，最佳处理条件为絮凝剂加量250 mg/L、温度在30～70 ℃均可。