低界面张力起泡剂的泡沫性能、油水界面活性及堵水驱油性能

张 曲，周 妮，郑继龙，张 勋

1.中海石油（中国）有限公司上海分公司，上海 200335；2.中海油能源发展股份有限公司清洁能源分公司，天津 300459；3.中国石油长庆油田公司第三采油厂，陕西 延安 717500

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，但储层剩余油较高，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，利用三次采油技术还能实现稳产5.5×107t/a［2］。

泡沫驱油在油田的二次采油以及三次采油中应用极其广泛。在一定条件下，因为泡沫具有“堵大不堵小、堵水不堵油”的特点，所以它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），可有效降低油水界面张力，改善岩石孔隙表面润湿性，降低毛细管作用力，提高洗油效率，降低地层残余油饱和度［7］。因此，泡沫驱油很有希望成为继聚合物驱油、聚合物/表面活性剂驱油之后更有潜力的驱油方法。

泡沫驱油的关键在于寻找一种在复杂地层环境中能大量起泡，对水层具有有效封堵作用，同时具有降低油水界面张力作用的起泡剂。基于此，本文针对渤海油田B区块的特殊情况优选适合该油田的低界面张力型起泡剂，并考察其驱油特性，以期为后续的应用提供基础数据。

1 实验部分

1.1 药剂与仪器

非离子-阴离子型表面活性剂CUDA、非离子-阴离子型表面活性剂AUDB、非离子-阴离子型表面活性剂MBZC，长江大学。

CS505 型恒温水浴锅，天津科诺仪器设备有限公司；FB124型电子天平，上海上天精密仪器有限公司；TX-500C型旋转滴界面张力仪，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。

实验用水为渤海B 油田注入水，矿化度7 052.28 mg/L，相关水质资料见表1。

实验用油是取自渤海B 区块的产出油，在80 ℃条件下原油黏度为3.89 mPa·s。

1.2 泡沫性能评价方法

以渤海油田B 区块的注入水为溶剂配制60 mL 的低界面张力起泡剂溶液，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N2鼓吹起泡后进行泡沫性能测试。按照泡沫综合指数（F）［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，即用式（1）来具体表征。

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

当5 000≤F＜10 000 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 油水界面张力测定

油水界面张力的测定参照文献［9］的相关方法。用电子天平称取适量表面活性剂样品，以渤海B 区块注入水为溶剂配制一定质量分数的表面活性剂溶液；用恒温水浴锅在80 ℃条件下加热表面活性剂溶液15 min 后，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油水界面张力。

1.4 物理模拟驱油实验

以0.2 mL/min 的速度对胶结岩心进行水驱，至含水率超过95%时暂停实验，计算采收率。

采用泡沫发生器混合N2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。

改用水驱继续进行驱油实验直至含水率达到95%后停止实验，计算采收率。

实验所用岩心为胶结岩心，其渗透率为1 244 μm2、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，其泡沫性能差别很大［10］。起泡剂的浓度是影响起泡剂活性的重要因素之一，合理的浓度设置必须使其既具有高效的泡沫特性也具有一定的经济性，故选择CUDA、AUDB、MBZC 这3 种非离子-阴离子型起泡剂，在其质量分数分别为0.10%、0.12%、0.14%和0.16%时，评价这3 种起泡剂发泡量、半衰期、泡沫综合指数等性能。

2.1.1 起泡剂用量对发泡量的影响

3 种起泡剂在不同用量下的发泡量测试结果如图1所示。

由图1 可知：3 种起泡剂的用量低于0.20%时，随着起泡剂用量的增加，3 种起泡剂的发泡量逐渐降低，但始终保持在110 mL 以上，且3 种起泡剂的发泡量相差不超过12 mL，说明所选的3种起泡剂发泡性能良好。起泡剂的发泡量随其用量的增加而表现出下降趋势，原因可能是随着起泡剂用量的增加，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，而且在58 ℃条件下的体系能量低于高浓度起泡剂发泡的最低阈值，泡沫的蒸发作用弱于重力作用，引起泡沫体系受力失衡，导致起泡剂的发泡量降低。

2.1.2 起泡剂用量对半衰期的影响

3 种起泡剂在不同用量下的半衰期测试结果如图2所示。

图2 起泡剂用量对半衰期的影响

由图2 可知：随着起泡剂用量的增加，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，这可能是由于不同起泡剂具有不同的临界胶束浓度（CMC）。当起泡剂的用量较少时，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，导致起泡剂的起泡性与稳泡性较差。随着起泡剂用量的增加，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，从而稳定性增强。当起泡剂用量达到CMC 值后，起泡剂分子吸附在气液界面的饱和度达到极值，再继续提高起泡剂的用量，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，导致泡沫的稳定性减弱［11］。其中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。

2.1.3 起泡剂用量对泡沫综合指数的影响

泡沫综合指数是最直接反映起泡剂泡沫性能的参数。其值越高，泡沫性能越好。3 种起泡剂在不同用量下的泡沫综合指数测试结果如图3所示。

图3 起泡剂用量对泡沫综合指数的影响

由图3 可知：随着起泡剂用量的增加，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，且在质量分数达到0.16%时达到峰值9 762 mL·min；而MBZC 型起泡剂的泡沫综合指数先上升后下降。由此可见，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困难程度，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，油水界面张力为0.001～0.05 mN/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，从而降低开采成本，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如图4所示。

图4 起泡剂用量对油水界面张力的影响

由图4 可知：随着起泡剂用量的增加，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低于0.02 mN/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 型起泡剂的质量分数为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0.013 7 mN/m，综合性能超过其他两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 AUDB型起泡剂驱油效果

由表2 可知：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，采收率明显提高，由42.7%提高至53.1%，说明AUDB型起泡剂具有良好的洗油效果。

3 结论

1） 比较CUDA、AUDB 和MBZC 这3 类低界面张力起泡剂的泡沫性能，在温度58 ℃、矿化度7 052.28 mg/L 的条件下，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，说明该起泡剂的综合性能较其他2种起泡剂更优。

2） 在温度58 ℃、矿化度7 052.28 mg/L的条件下，CUDA、AUDB 和MBZC 这3类低界面张力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 型起泡剂的油水界面张力低于0.02 mN/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和吸油能力，向岩心注入0.3 PV 的AUDB 型起泡剂后，注入泡沫流体前后的压差达0.104 MPa；含水率由95.3%显著降至70.5%，含水率下降了24.8%；采收率由42.7% 提高至53.1%，采收率提高了10.4%。