化学体系乳化性能和界面活性对渗流特征影响差异*

汪士凯，施雷庭，叶仲斌，袁晨阳，张 虎，谭 林

（1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室（西南石油大学），四川成都 610500；2.西南油气田分公司重庆天然气净化总厂，重庆 401220）

0 前言

油田开发中，化学驱已成为大幅度提高采收率的重要手段。其中，化学体系的界面活性和乳化性能均对提高采收率具有重要作用［1］，而两者的驱油机理存在一定差异［2—3］。岳湘安［4—9］等研究发现：油水界面张力与乳化效果之间没有明显的一致性，体系的界面张力越低则越容易形成乳状液，但是界面膜的强度也随之减弱，乳状液的稳定性下降。同时，部分学者亦通过驱替实验研究发现，并非界面张力越低驱替效果越好。因此，若能确定界面活性和乳化性能各自发挥优势的最佳作用条件，则可有针对性地利用两种作用达到更好的驱油效果。

本文着眼于基本的流动现象，测定了两种具有不同界面活性和乳化性能的化学复合体系的相对渗透率曲线，开展了微观驱替实验，拟从渗流特征方面对比分析体系的界面活性与乳化性能在驱替过程中提高采收率所发挥的各自优势作用。通过对比分析两种体系的相对渗透率曲线差异以及微观流动特征，分析界面活性和乳化性能对渗流特征影响差异，从而为最大化利用两种性能优势达到最佳驱油效果提供驱替剂优选方案。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

聚合物3640C，相对分子质量2800×104，固含量89.16%，水解度25%～30%，法国SNF 公司；复合型表面活性剂HDS，由α-烯烃磺酸盐与APG等表面活性剂按比例复配而成，有效物含量30%，华鼎鸿基公司。实验用油为模拟油，由JZ9-3 油田脱水脱气原油与柴油混合而成，黏度17 mPa·s（常温、7.34 s-1）。实验用水为模拟JZ 油田注入水，矿化度2657.4 mg/L，主要离子质量浓度（单位mg/L）：K++Na+898.1、Mg2+6.46、Ca2+11.71、Cl-818.74、12.76、797.76、111.86。实验用岩心为人造均质砂岩岩心，尺寸4.5 cm×4.5 cm×30 cm，渗透率约2.5 μm2。

物理模拟实验装置，江苏海安石油科研厂；微观驱替实验装置，实验室自制。

1.2 实验方法

1.2.1 驱油体系配制

按配方1200 mg/L 3640C+0.2% HDS+20 mg/L Al3+溶液配制乳化性能较强而界面活性较弱的复合体系，该体系的黏度为40.2 mPa·s（常温、7.34 s-1），油水界面张力为3.1×10-2mN/m，按油水比1∶2配制的乳液经搅拌静置1 h后的析水率为12%。

按配方1200 mg/L 3640C+0.2%HDS配制乳化性能较弱而界面活性较强的复合体系，体系黏度41.3 mPa·s（常温、7.34 s-1），油水界面张力为5.7×10-3mN/m，按油水比1∶2 配制的乳液经搅拌静置1 h 后的析水率为75%。

1.2.2 相对渗透率曲线测定

采用界面活性和乳化性能存在明显差异的两种化学复合体系，按照国家标准GB/T 28912—2012《岩石中两相流体相对渗透率测定方法》，利用非稳态法测定相对渗透率曲线。具体实验步骤如下：（1）岩心气测渗透率，抽真空饱和水，测定孔隙度；（2）水测渗透率；（3）岩心饱和油，以渐变流速法分别以0.1、0.5、1 mL/min 的流速逐次饱和油，测定束缚水饱和度和束缚水饱和度条件下的油相渗透率；（4）以1 mL/min 的流速进行化学复合体系驱油，采用“J.B.N”方法进行相对渗透率曲线的计算。

1.2.3 微观驱替实验

利用刻蚀玻璃模型来模拟地层中的孔隙空间并进行驱替实验。实验过程中用图像采集系统，通过自动拍照摄像将驱替过程保存，然后对图像分析处理。

2 结果与讨论

2.1 不同体系相对渗透率曲线特征对比

将乳化性能较弱而界面活性较强的体系定义为强界面体系，将乳化性能较强而界面活性较弱的体系定义为强乳化体系。两种体系的相对渗透率曲线对比如图1 所示。从图1 可以看出，强界面体系的油相和水相的相对渗透率均大于强乳化体系。强界面体系等渗点对应的含水饱和度（Sw）稍大于强乳化体系的，同时强界面体系的残余油饱和度比强乳化体系的低4.4%。分析认为强界面体系因其具有较强的界面活性，能够降低油水界面张力，增大流体的流动能力，油滴在通过岩心微小喉道时更易于变形流动并汇聚形成油带，从而更多地从孔隙中被驱替出。相对于乳化性能较强的体系，从相对渗透率曲线特征分析，界面活性的优势作用更能增强油水相的流动能力。

图1 两种复合体系相对渗透率曲线对比

为了对比在长时间驱替后达到高含水饱和度时两种体系所产生的作用效果，取部分高含水饱和度条件下的油相相对渗透率点作拟合曲线预测，分别得到两种复合体系油相相对渗透率的预测趋势（见图2）。从图2可知，当含水饱和度大于0.866时，强乳化体系的油相相对渗透率将超过强界面体系。分析认为强乳化体系在含水饱和度较低时，处于形成乳状液的过程，其增大油水相流动能力的作用弱于超低界面张力所发挥的作用，因此在相对渗透率曲线上表现为油水相的流动能力要弱于强界面体系；而在含水饱和度较高时，强乳化体系形成稳定的混相乳状液，相对于强界面体系而言，油相渗透率的下降速率变缓，在相对渗透率曲线上体现为高含水饱和度下油相相对渗透率下降程度较强界面体系小，从而在高含水后期，强乳化体系的油相相对渗透率将会大于强界面体系的，并使得最终的残余油饱和度更低。这一现象同时也说明，充分发挥乳化作用需要一定的时间，因此强乳化体系需要的驱替时间比强界面体系的长。

图2 高含水时油相相对渗透率拟合曲线

2.2 微观驱替特征对比

采用微观驱替实验对复合体系的渗流规律进行更进一步地研究和验证。水驱至出口端后进行复合体系驱替，两种复合体系驱替结果见图3、图4。

图3 强界面体系的微观驱替实验

强界面体系的界面活性较强，其降低界面张力和改变润湿性能力更明显，使得孔道壁上的原油不断被剥离，流动过程中形成油丝、油带状不断被拉长并向前流动。从驱替6 min 到40 min，可以明显看出原油形成条带状向前流动，并且颜色不断变浅。原油并未形成油膜附着于岩石颗粒表面，被强界面体系携带而出。强界面体系可以有效地降低残余油饱和度，提高采收率。

图4 强乳化体系的微观驱替实验

强乳化体系具有较强的乳化性能，在驱替过程中与原油发生乳化作用形成小油滴并被驱替至出口端［10］，随着驱替的进行逐渐形成稳定的乳状液，相对于油水两相而言，降低了流动阻力，同时因为乳状液的形成对部分孔道形成封堵［11—12］，从而改变了流动通道，扩大了波及体积。从驱替6 min 到40 min，明显存在乳化形成的小油滴，同时小油滴聚集形成乳状液并表现出一定的封堵作用。

对比强界面体系和强乳化体系的驱替过程：在驱替前期，油含量较高，此时为了增大油相流动能力，降低界面张力可以发挥明显的优势作用，此时界面活性的要求更加重要；随着地层油含量的不断减少，低界面张力所带来的驱替效果有限。由乳化作用形成的小油滴不断聚集并形成稳定的乳状液，这一过程需要一定的时间。在驱替后期，不仅通过乳化作用可以携带出更多的油，还由于封堵作用扩大了波及体积，更进一步地增大了驱替效果。因此强乳化体系相对于强界面体系在驱替后期更具提高采收率优势。对比强界面体系，长时间地驱替会使得乳化性能较强的强乳化体系充分发挥其优势，具有更高的提高采收率潜力。

3 结论

渗流过程中，界面活性增大油水相流动能力的作用要强于乳化性能；而乳化性能在长时间的驱替后能够持续发挥作用，增大油水相的流动能力。

乳化性能和界面活性在驱油过程中发挥着各自不同的优势作用。在驱替前期，界面性能较强的体系作用效果明显，而在驱替后期，乳化性能较强的体系具有更高的提高采收率潜力。

针对不同开发时长及条件的需求，为争取早拿油、多拿油，可以根据界面活性和乳化性能各自发挥优势作用的有利条件，有针对性地采用特定性能的复合体系或者组合体系进行驱油，从而达到最佳驱替效果。