韩玉贵，丁名臣，刘义刚，邹剑，赵鹏，王业飞

（1.中海石油（中国）有限公司天津分公司渤海石油研究院，天津 300452；2.中国石油大学（华东）石油工程学院，山东 青岛 266580）

0 引言

稠油黏度高，不利的水油流度比导致水驱采收率极低（5%～10%）[1-2]。 传统热采的方法能显著降低稠油黏度和流动阻力，但是受注入热损失、热流体制备的经济性和环保等因素限制。近年来，稠油冷采提高采收率逐渐引起关注，碱驱或含碱体系复合驱是冷采提高稠油采收率的重要研究方向之一，人们在稠油碱驱机理、碱液类型优化和驱油效果等方面开展了大量的研究工作[3-5]，发现碱驱能够显著提高稠油采收率。但由于存在结垢、采出液破乳困难等问题，含碱体系驱替稠油的矿场应用受到限制[6-7]。为了弥补这一不足，发展了无碱化学驱油体系，尤其是无碱复合驱体系（表面活性剂-聚合物（SP））。

含碱和无碱体系均可通过降低油水界面张力（IFT）、乳化和润湿反转等机理提高稠油采收率，但前者对稠油的驱替能力往往明显强于后者[8-10]。尽管针对2类体系各自的驱油机理已有较多的研究和报道，但是尚缺乏直接的对比，关于其驱油性能差异的原因，有待进一步深化研究。为此，本文通过含碱和无碱体系与稠油界面张力、乳化性能和驱油特性的比较，明确2种体系驱替稠油能力的差异，揭示驱油效果差异的原因，同时探索了气泡辅助无碱复合体系改善驱油效果的可行性，以期作为含碱体系的接替体系，解决其应用过程中的结垢等问题。

1 实验

1.1 材料与仪器

材料：阴非复配型表面活性剂，来源于胜利油田，质量浓度为3 000mg/L；复合碱，由NaOH和Na2CO3按质量比1∶1复配而成，质量浓度为8 000 mg/L；二元复合体系制备用聚合物为部分水解聚丙烯酰胺（HPAM），相对分子质量为 2000×104，质量浓度为 1800 mg/L；模拟地层水，矿化度为6 666.0 mg/L，离子组成（质量浓度）为 Na+（2 456.5 mg/L），Mg2++Ca2+（128.5 mg/L），Cl-（4 034.0 mg/L），SO42-（47.0 mg/L）；实验用油为脱气稠油，黏度为 220mPa·s（60℃），密度为 0.96 g/cm3。

仪器：TX-500C型界面张力仪；Phenix凤凰显微镜。填砂模型尺寸为直径2.5cm，长30 cm。其他参数见表1。

表1 驱油实验参数及采收率结果

1.2 实验方法

界面张力。按照设定的质量浓度分别配制SP，AP，P溶液，在60℃下使用界面张力仪测试其与目标稠油的界面张力。

乳化性能。将SP，AP，P溶液和原油分别加热到60℃，各取5 mL的稠油和化学剂溶液分别加入试管中，摇匀后观测油水混合物的析水状态，判断体系形成稠油乳液的稳定性。在不同时刻，对形成的乳状液进行显微观察，判断乳状液形态及类型。

驱油能力。首先，分别利用S，A，P单一组分体系开展驱油实验，确定单一组分体系驱替稠油效果；然后，开展SP和AP体系驱油实验，对比两者驱替稠油能力；最后，开展无碱体系泡沫驱油（交替注入0.3 PV的SP和0.3 PV的空气，单个水或空气段塞尺寸为0.1 PV），判断泡沫的引入能否显著改善无碱SP体系，使之驱油效果接近或者优于AP体系。驱油实验的流体注入速度均为0.25 mL/min，实验温度60℃。

2 结果与讨论

2.1 界面张力

超低IFT能够减小原油流动的毛细管阻力，降低原油在岩石上的黏附功，有利于提高洗油效率，是化学驱油体系设计的关键指标之一。对SP，AP，P体系与稠油的界面张力进行了测试，结果见图1。

图1 不同类型化学体系与稠油的界面张力

由图1可见：SP能够将油水IFT显著减小至2.6×10-4mN/m。AP中碱的加入，通过与石油酸反应，就地形成表面活性剂，将油水界面张力从11.4×100mN/m降低至1.2×10-1mN/m，但是没有达到超低水平。

超低IFT有利于原油采收率的提高，如果将超低IFT作为化学体系设计与选择的主要指标，那么SP是重要的潜力体系。但是对于稠油化学驱，研究认为，扩大波及体积极为关键，稠油的乳化（包括油在水中乳化（O/W）和水在油中乳化（W/O）），能通过乳化油滴或水滴的贾敏效应扩大波及体积[8-13]，又可以实现乳化降低稠油黏度[14-16]，是影响稠油采收率的另一个关键因素。为此，除界面张力外，有必要对SP，AP，P体系乳化能力进行考察。

2.2 乳化性能

瓶试法观测的SP，AP，P形成稠油乳状液的析水率及微观形态图像见图2和图3。由图2可见：单一聚合物很难形成稳定稠油乳状液，初始晃动掺混仅20 min后，稠油-聚合物体系的析水率即达到100%，油水完全分离，而SP-稠油、AP-稠油体系析水率为0。80 min后，SP-稠油、AP-稠油体系开始析水，前者析水率上升速度较后者明显缓慢，例如，120 min时，SP-稠油体系析水率仅为32%，AP-稠油析水率达90%。以上现象说明，SP比AP更能稳定O/W型稠油乳状液。

图2 不同类型化学体系与稠油乳状液的析水率

图3 不同类型化学体系与稠油乳状液的形态

由图3显微图像可知：初始混合时（0 min），其形成的乳化油滴粒径相对SP体系更大，且不均匀，这是由于AP，P与稠油的IFT相对较高（见图1）。80 min时，P-稠油体系中原油呈现连续分布状态，无明显的稠油乳化油滴；AP-稠油体系发生了极为有趣的变化，乳状液类型从初始（0 min）的O/W型，转化为不规则的W/O型，说明AP-稠油体系更倾向于形成W/O型乳状液而非初始的O/W型乳状液；SP-稠油体系仍以O/W型乳状液的形式存在，但是发生了明显的油滴聚并，乳化油滴粒径明显增大。

结合IFT和乳化性能结果发现：除流度控制机理（聚合物组分实现）相同外，SP和AP体系表现出一些显著不同的驱油机理：SP通过实现超低IFT和形成O/W型乳状液驱油，而AP很难将油水IFT减小到超低，主要是形成W/O型乳状液来驱油；P主要通过流度控制机理驱替稠油，很难降低油水IFT，也不能形成稳定的稠油乳状液。

2.3 采收率特征

2.3.1 单一组分体系驱

单一组分体系S，A，P驱替稠油采收率及压力动态见图4和图5。

图4 单一组分体系驱替稠油采收率

图5 单一组分体系驱替稠油压力

尽管SP体系中表面活性剂的加入能够将油水IFT减小至超低水平（见图1），形成相对更稳定的O/W型乳状液（见图2、图3），但是填砂模型中单一S驱效果较差，采收率增幅仅为8.0百分点。A驱较表面活性剂驱表现出更高的注入压力（见图5），说明W/O型乳状液的形成增大了碱-稠油流动阻力，一定程度上起到了扩大波及体积的作用，导致碱驱采收率增幅远大于表面活性剂驱，达到15.7百分点。尽管如此，P驱表现出最高的注入压力，通过最强的流度控制扩大波及体积能力，聚合物驱采收率增幅达到25.5百分点。

对比S，A，P驱发现，单一组分体系驱替稠油能力由强到弱依次为P，A，S。结合各体系驱油机理的差异认为，对于稠油化学驱，加入P，扩大波及体积，才能充分发挥S和A的超低IFT和乳化机理驱油。

2.3.2 二元复合驱

单一组分驱油结果表明，S，A，P的结合是提高稠油采收率的关键。为此开展了SP和AP二元复合体系驱油实验，得到的压力动态和采收率见图6和图7。

图6 复合体系驱替稠油压力

图7 复合体系驱替稠油采收率

由图6可见：AP驱替稠油压力明显高于SP，说明W/O型乳状液的形成起到了增大渗流阻力和扩大波及体积效果。而SP驱过程中，O/W型乳状液的形成，一方面能够降低稠油流动阻力，另一方面乳化油滴的贾敏效应又会增加油水的流动阻力，但整体上表现为相对AP更低的注入压力，其扩大波及体积能力较前者差。

采收率结果表明（见图7）：AP驱能够在水驱基础上显著提高稠油采收率，增幅达40.2百分点，而SP驱采收率增幅仅为25.6百分点，与单一聚合物相近。Zhou等研究的稠油P和SP驱结果中，SP驱效果甚至较聚合物驱差[8]。分析认为：O/W型乳状液的形成，以及超低IFT洗油引起的残余油饱和度降低，共同导致水驱波及区域内流动阻力的减小和扩大波及体积能力的降低，是SP与P驱替稠油效果接近，甚至较后者差的潜在原因。为了从侧面验证这一推断，同时找到一种改善SP驱效果的方法，进一步开展了气泡辅助（扩大波及体积）的SP驱油实验（泡沫驱）。

2.3.3 气泡辅助SP驱-泡沫驱

泡沫驱采收率及注入压力动态见图8。注入压力结果表明，泡沫体系注入压力最高为0.16 MPa，明显高于SP驱的0.11 MPa，说明在气泡的辅助下，体系的扩大波及体积能力明显增强。在相同化学剂注入体积为0.3 PV下，泡沫驱稠油采收率增幅达38.3百分点，显著高于单一SP驱的25.6百分点，接近于AP驱的40.3百分点。这说明：一方面，泡沫驱是无碱复合体系驱替稠油的较好注入方式，单一SP驱存在对化学药剂的潜在浪费；另一方面，泡沫驱能够作为AP驱的重要接替技术，解决后者应用过程中存在的结垢问题。

图8 泡沫体系驱油动态

3 结论

1）SP和AP体系具有显著不同的驱油机理。SP主要通过形成超低IFT和O/W型乳状液驱油；AP没有将IFT降低到超低水平，形成的乳状液类型为W/O型，起到了增大渗流阻力和扩大波及体积的效果。

2）化学体系驱替稠油能力由强到弱依次为AP、泡沫、SP、P、A、S，说明对于稠油化学驱，扩大波及体积是提高采收率的前提，然后超低IFT和乳化机理才能充分发挥潜在作用。

3）泡沫驱是当前无碱复合体系驱替稠油较好的注入方式，是接替AP驱的重要技术，单一SP驱由于扩大波及体积能力弱，存在潜在的化学药剂浪费。