劉義剛，李彥閱，王 楠，盧祥國(guó)，曹偉佳，田中原

（1.中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司研究院，天津塘沽 300450，2.東北石油大學(xué)提高油氣采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江大慶 163318）

長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)石油消耗量和進(jìn)口量呈現(xiàn)逐漸增加趨勢(shì)，海上油田高效開(kāi)發(fā)對(duì)于減少石油進(jìn)口和確保國(guó)家能源安全具有重要現(xiàn)實(shí)意義。渤海地區(qū)稠油資源十分豐富，由于海上油田鉆井和開(kāi)采費(fèi)用較高，開(kāi)發(fā)井網(wǎng)不僅注采井距較大，而且一套井網(wǎng)開(kāi)發(fā)多個(gè)層系，加之存在儲(chǔ)層平均滲透率高、厚度大、非均質(zhì)性嚴(yán)重和巖石膠結(jié)強(qiáng)度低等不利因素，稠油油藏水驅(qū)開(kāi)發(fā)效果較差[1-4]。近年來(lái)，聚合物凝膠調(diào)驅(qū)技術(shù)在渤海稠油油藏開(kāi)發(fā)中取得較好增油降水效果，但隨著調(diào)驅(qū)輪次增加，調(diào)驅(qū)效果逐漸變差，亟待開(kāi)發(fā)出大幅度提高采收率技術(shù)。油藏地質(zhì)特征和礦場(chǎng)生產(chǎn)測(cè)試資料分析認(rèn)為，目前制約稠油油藏開(kāi)發(fā)效果的主要因素仍然是如何進(jìn)一步擴(kuò)大波及體積和提高洗油效率。其中擴(kuò)大波及體積需要從宏觀和微觀兩個(gè)方面著手，提高洗油效率要著眼于稠油乳化降黏和降低油水界面張力兩個(gè)方面[5-6]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在稠油乳化降黏技術(shù)研究工作取得了長(zhǎng)足進(jìn)展[7-8]。早在上世紀(jì)60年代，Simon等人就在井筒中注入表面活性劑，使高黏原油由W/O型轉(zhuǎn)變成O/W型乳狀液，從而提高人工舉升效率[9]。尉小明等人合成了一種環(huán)保型超稠油降黏劑，它可自動(dòng)降解，具有乳化速度快、乳化溫度低和降黏效果好等特點(diǎn)，同時(shí)與聯(lián)合站破乳劑間也具有良好配伍性[10]。針對(duì)渤海稠油油藏開(kāi)發(fā)實(shí)際需求，開(kāi)展了稠油乳化劑與儲(chǔ)層巖石和流體作用效果及機(jī)理研究，研究成果對(duì)于礦場(chǎng)相關(guān)技術(shù)決策具有十分重要參考價(jià) 值。

1 實(shí)驗(yàn)條件

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

稠油乳化劑（CW-2）為非離子型表面活性劑，有效含量100%，由中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司渤海石油研究院提供。實(shí)驗(yàn)用水為渤海油田注入水，水質(zhì)分析見(jiàn)表1。實(shí)驗(yàn)用油為渤海油田原油，原油黏度200 mPa·s。

表1 水質(zhì)分析

實(shí)驗(yàn)巖心（圖1）為石英砂環(huán)氧樹(shù)脂膠結(jié)人造巖心[11-12]，巖心由正方形巖心經(jīng)割縫、填縫和澆鑄而成，長(zhǎng)度為3 m。巖心外觀幾何尺寸：長(zhǎng)×寬×高=32 cm×32 cm×5 cm，巖心滲透率Kg=6 400×10-3μm2。

圖1 巖心實(shí)物圖

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用的實(shí)驗(yàn)儀器見(jiàn)表2。

表2 實(shí)驗(yàn)儀器匯總表

2 結(jié)果分析

2.1 稠油乳化劑基本性能

2.1.1 潤(rùn)濕性

首先將石英片分別置于模擬原油和模擬水中老化3 ～ 5 d，得到親油和親水石英片。再將親油石英片和親水石英片分別放置于稠油乳化劑（1 000 mg/L、1 500 mg/L和2 000 mg/L）溶液中老化2 d，測(cè)定藥劑濃度對(duì)石英片表面潤(rùn)濕性改變能力。

水濕石英片初始潤(rùn)濕角為29.50°，油濕石英片為 133.08°（圖 2）。

圖2 石英片潤(rùn)濕性

與稠油乳化劑接觸后石英片潤(rùn)濕性即接觸角測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3和表4。

表3 接觸角與藥劑濃度關(guān)系（水濕石英片）

從表3和表4可以看出，一方面，對(duì)于親油石英片，稠油乳化劑使其由親油向親水轉(zhuǎn)變；另一方面，對(duì)于親水石英片，稠油乳化劑可以減弱其親水性。分析認(rèn)為，由于稠油乳化劑中表面活性劑親油基團(tuán)朝向石英片并通過(guò)氫鍵作用在表面緊密排列形成多層吸附膜，進(jìn)而改變石英表面潤(rùn)濕性[13-15]。隨藥劑濃度增加，石英片親水性略為增強(qiáng)。當(dāng)藥劑濃度較高時(shí)，表面活性劑活性分子含量升高，在石英表面吸附作用增強(qiáng)。由此可見(jiàn)，稠油乳化劑能夠在與巖石（主要成分為石英材料）表面接觸過(guò)程中改變其潤(rùn)濕性，有利于將原油與巖石進(jìn)行分離，提高洗油效率和采收率。

2.1.2 稠油乳化劑溶液與原油間界面特性

（1）界面張力

采用注入水配制稠油乳化劑（濃度Cs=1 000 mg/L、1 500 mg/L和2 000 mg/L）溶液，它們與原油間界面張力測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5。

從表5可以看出，隨稠油乳化劑濃度增加，其溶液與原油間界面張力降低，但降幅不明顯。在藥劑Cs=1 000 ～ 2 000 mg/L范圍內(nèi)，界面張力可以維持在10-2mN·m-1數(shù)量級(jí)。

表5 界面張力測(cè)試結(jié)果

（2）界面擴(kuò)張黏彈性

研究表明，表面活性劑與原油界面間會(huì)生成一層界面膜。由于油水不相混溶，當(dāng)二者界面相互接近時(shí)，產(chǎn)生抵抗界面發(fā)生形變的作用力，一般采用界面膜強(qiáng)度進(jìn)行表征。當(dāng)界面膜強(qiáng)度值較大時(shí)，表明油水界面抵抗形變能力強(qiáng)，液滴不易聚并，乳狀液穩(wěn)定性較好；反之，油水界面抵抗形變能力減弱，油水分離速度較快，乳狀液穩(wěn)定性較差[16-18]。采用注入水配制稠油乳化劑（Cs= 50 mg/ L和100 mg/L）溶液，它們與原油間界面擴(kuò)張模量實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖 3 擴(kuò)張模量與頻率關(guān)系

從圖3可以看出，隨振蕩頻率增加，稠油乳化劑溶液與原油間擴(kuò)張模量增加。與水相比較，稠油乳化劑溶液與原油間擴(kuò)張模量較大。隨稠油乳化劑濃度增加，擴(kuò)張模量增大。分析認(rèn)為，稠油乳化劑中界面活性物質(zhì)在油水界面上均勻分布，對(duì)油水界面層起到一定的保護(hù)作用，使油水界面變形困難，油水界面擴(kuò)張模量增大。稠油乳化劑濃度越高，它與原油間形成的乳狀液越穩(wěn)定。由此可見(jiàn)，稠油乳化劑不僅可以使原油與水間形成O/W型乳狀液，降低稠油黏度，而且可以提高乳狀液穩(wěn)定性。

2.1.3 乳狀液結(jié)構(gòu)特征

采用注入水配制稠油乳化劑（CW-2，Cs=1 500 mg/L），將其與模擬油按照“2∶8”比例進(jìn)行混合，采用乳化儀7 000 r/min攪拌15 min，采用激光掃描并聚焦顯微鏡觀察不同濃度下體系與油混合后油滴分散程度，稠油乳狀液中油水分布狀態(tài)見(jiàn)圖4。

圖4 乳狀液激光共聚焦掃描圖像

從圖4可以看出，當(dāng)含水率達(dá)到80%時(shí)，稠油乳化劑與原油混合后可以形成W/O/W型乳狀液。當(dāng)乳狀液外相為水時(shí)，稠油黏度會(huì)大幅度下降，改善稠油在儲(chǔ)層中流動(dòng)性。

2.1.4 乳狀液黏度和降黏率

采用注入水配制稠油乳化劑（Cs= 1 000 mg/ L、1 500 mg/L和2 000 mg/L）溶液，按一定比例與原油混合，放置于55℃保溫箱中1 h，取出后攪拌2 min（轉(zhuǎn)速250 r/min），然后測(cè)試乳狀液黏度。黏度和降黏率實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 黏度和降黏率與藥劑濃度和“油∶水”關(guān)系

從圖5可以看出，在“油∶水”比相同條件下，隨藥劑濃度增加，乳狀液黏度下降。在藥劑濃度相同條件下，隨“油∶水”比減小即乳狀液中原油含量減少，乳狀液黏度降低。隨藥劑濃度增大和“油∶水”比減小，乳化液降黏率都呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。

2.2 多孔介質(zhì)內(nèi)乳化作用效果

2.2.1 采收率

采用注入水配制稠油乳化劑（Cs= 1 500 mg/ L）溶液，然后注入3 m長(zhǎng)巖心（飽和原油）模擬儲(chǔ)層驅(qū)替條件下稠油流度改善劑乳化降黏性能，采收率測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表6，注入過(guò)程動(dòng)態(tài)特征曲線見(jiàn)圖 6。

表6 驅(qū)油效率實(shí)驗(yàn)結(jié)果（Kg=6 400×10-3 μm2）

圖6 注入壓力、含水率和采收率與PV數(shù)關(guān)系

從表6和圖6可以看出，在多孔介質(zhì)內(nèi)稠油乳化劑與原油接觸并發(fā)生乳化作用，乳狀液產(chǎn)生“賈敏效應(yīng)”致使?jié)B流阻力增加，注入壓力降幅減小甚至升高。與此同時(shí)，乳化降黏作用減小了滲流阻力。綜上所述，乳化作用不僅可以擴(kuò)大波及體積，而且能夠提高洗油效率，二者協(xié)同作用提高了采收率。

2.2.2 采出液界面張力

后續(xù)水驅(qū)開(kāi)始在采出端收集所有后續(xù)注入階段采出液，并對(duì)采出液進(jìn)行編號(hào)。由于采出液中含油較少，無(wú)法進(jìn)行黏度測(cè)試，故采用渤海油田注入水配制濃度為1 500 mg/L稠油乳化劑（CW-2），測(cè)試稠油乳化劑與采出液中原油間界面張力，原油和采出乳狀液分離原油與稠油乳化劑溶液間界面張力實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 界面張力測(cè)試結(jié)果/（mN·m-1）

從表7可以看出，與原油相比較，采出液分離原油與稠油乳化劑溶液間界面張力較低，表明采出原油中含有乳化作用而進(jìn)入其中的活性物質(zhì)，致使油水界面張力較低。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施效果

2016年11月，稠油乳化劑（CW-2）調(diào)驅(qū)與聚合物凝膠調(diào)剖組合技術(shù)在渤海L油田BX井開(kāi)展礦場(chǎng)試驗(yàn)，取得了較好的降水增油效果。BX井Ⅱ油組累計(jì)注入調(diào)剖體系4 500 m3、Ⅲ油組累計(jì)注入調(diào)剖體系2 500 m3，設(shè)計(jì)注入稠油乳化劑平均濃度為600 mg/L，稠油乳化劑注入總量51.84 m3。截至2017年7月12日，稠油乳化劑累計(jì)注入6個(gè)月。BX井組降水增油情況見(jiàn)表8。

由表8可以看出，井組累計(jì)增油5 807 m3，投入產(chǎn)出比大于1∶4，獲得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。

表8 組合調(diào)驅(qū)技術(shù)在BX井實(shí)施情況

BX井組注入壓力情況見(jiàn)圖7。

圖7 BX井組合調(diào)驅(qū)注入量變化曲線

從表7中可以看出，稠油乳化劑調(diào)驅(qū)過(guò)程中，Ⅱ、Ⅲ-1油組的注入壓力隨著注入的進(jìn)行呈現(xiàn)出穩(wěn)中有降的趨勢(shì)，在稠油乳化劑的注入初期，壓力下降較為明顯，Ⅱ油組壓力從10.5 MPa較快下降到9 MPa，Ⅲ-1油組壓力從8.2 MPa較快下降到7 MPa。分析認(rèn)為初期壓力快速下降與Ⅱ油組和Ⅲ-1油組調(diào)剖過(guò)程中竄層導(dǎo)致的壓力虛高有關(guān)。后期Ⅱ油組壓力基本穩(wěn)定在9 MPa左右，Ⅲ-1油組在6.5 MPa左右穩(wěn)定，并且曲線呈現(xiàn)出明顯的上下波動(dòng)的趨勢(shì)，符合原油動(dòng)態(tài)乳化的特征。表明稠油乳化劑通過(guò)解簇使原油降黏，在低界面張力下與原油混相，并在剪切作用下形成水包油的乳狀液，從而產(chǎn)生動(dòng)態(tài)乳化的效果。稠油乳化劑調(diào)驅(qū)共施工6個(gè)月，調(diào)驅(qū)期間保持較高的注入壓力，出現(xiàn)了數(shù)次壓力波動(dòng)特征，表明調(diào)驅(qū)體系在儲(chǔ)層當(dāng)中發(fā)生乳化現(xiàn)象。

3 結(jié)論

（1）稠油乳化劑能夠在與巖石表面接觸過(guò)程中改變其潤(rùn)濕性，這有利于將原油從巖石表面剝離，達(dá)到提高洗油效率的目的。

（2）當(dāng)含水率達(dá)到80%時(shí)，稠油乳化劑與原油混合后可以形成W/O/W型乳狀液。當(dāng)乳狀液外相為水時(shí)，稠油黏度會(huì)大幅度下降，達(dá)到改善稠油在儲(chǔ)層中流動(dòng)性和擴(kuò)大宏觀波及體積的目的。

（3）稠油乳化劑與原油可以在多孔介質(zhì)內(nèi)接觸并發(fā)生乳化作用，乳狀液通過(guò)吼道時(shí)的“賈敏效應(yīng)”致使?jié)B流阻力增加，注入壓力降幅減小甚至升高，這提高了微觀波及效果。

（4）稠油乳化劑（CW-2）調(diào)驅(qū)與聚合物凝膠調(diào)剖組合技術(shù)在渤海L油田BX井組開(kāi)展礦場(chǎng)試驗(yàn)，累計(jì)增油5 807 m3，調(diào)驅(qū)期間保持較高的注入壓力，出現(xiàn)了數(shù)次壓力波動(dòng)特征，表明調(diào)驅(qū)體系在儲(chǔ)層當(dāng)中發(fā)生乳化現(xiàn)象。