石油与天然气化工  2017, Vol. 46 Issue (1): 79-82
高矿化度油藏聚合物基微泡沫驱油体系优化
张蒙 1, 聂兴成 1, 黄亚杰 3, 侯流通 1, 周磊 1, 周明 1,2     
1. 西南石油大学材料科学与工程学院;
2. “油气藏开发及地质国家重点实验室”·西南石油大学;
3. 中国石油化工集团江汉油田分公司工程技术研究院
收稿日期：2016-04-17
基金项目：国家自然科学基金面上项目“特高温高盐用TTSS系列表面活性剂的开发”(51074133)
作者简介：张蒙(1992-)，陕西咸阳人，西南石油大学高分子材料与工程2012级，主要从事提高采收率技术的研究及应用.
通讯作者：周明(1973-)，教授，现就职于西南石油大学材料科学与工程学院，主要从事油气田材料及应用相关研究及教学。E-mail:mr.zhouming@163.com.
摘要：针对某高矿化度油藏采用常规化学剂不抗盐，提高采收率难度大的问题，在高矿化度油藏条件下，以泡沫综合指数(FCI)筛选了两种起泡性好的表面活性剂TSS(12-2-12)-2OH和Triton X-100。在此基础上，优化了聚合物基微泡沫驱油体系中的起泡剂浓度、助起泡剂浓度和泡沫稳泡剂浓度，得到了最佳的聚合物基微泡沫驱油体系0.2%(w) TSS(12-2-12)-2OH +0.1%(w) Triton X-100+0.150%(w) KY5S+地层水。为高矿化度油藏提高采收率提供一条新的途径。
关键词：高矿化度    聚合物    微泡沫驱油体系    优化    FCI    
Optimization of polymer based micro-foam flooding system in high salinity reservoir
Zhang Meng1 , Nie Xingcheng1 , Huang Yajie3 , Hou Liutong1 , Zhou Lei1 , Zhou Ming1,2     
1. College of Materials Science and Engineering, Southwest Petroleum University, Chengdu, Sichuan, China;
2. Key State Library of Oil and Gas Geology and Exploitation Engineering, Southwest Petroleum University, Chengdu, Sichuan, China;
3. Engineering and Technology Research Institute of Jianghan Oilfield Company of SINOPEC, Wuhan, Hubei, China
Abstract: Aiming at the practical problems of conventional chemical agent used in a high salinity reservoir, having anti-salt property scarcely and improving the recovery rate difficultly, then FCI foam comprehensive exponent was uesd to screen two kinds of surface active agents TSS(12-2-12)-2OH and Triton X-100 under the conditions of high salinity reservoir. The foaming agent concentration, auxiliary foaming agent concentration and bubble foam stabilizing agent concentration were optimized. The result showed that the optimal polymer based on micro-foam flooding system was 0.2 wt% TSS(12-2-12)-2OH +0.1 wt% Triton X-100+0.15 wt% KY5S+ formation water. It supplies a new method to enhance oil recovery for high salinity reservoirs.
Key Words: high salinity    polymer    micro-foam flooding system    optimization    FCI    

泡沫驱具有高的阻力系数和低的残余阻力系数，是一种三次采油技术，可以调节多层的注水剖面，并且提高采收率，其应用效果取决于发泡剂的选择[1-3]。特定的表面活性剂及其配方能够产生足够的泡沫，而这些泡沫耐电解质、耐温，且在井下的压力和温度下耐油。泡沫驱作为一种提高采收率的技术，它结合了注气技术和化学驱的性能。研究表明，泡沫驱能够提高15%~30%的采收率，而且是一种具有高潜力提高原油采收率的技术[4-5]

TSS(12-2-12)-2OH是一种带有两个磺酸基团、两个羟基和两个十二烷基基团的阴离子型双子表面活性剂，具有较高的表面活性，比单链的表面活性剂具有更好的发泡性能。由于含有两个羟基，不受溶液中离子的影响，其耐盐性得到很大提高[6]。因此，它能用作高含盐油藏泡沫驱油中的发泡剂，驱替油藏中的原油。

KY5S是一种以丙烯酰胺及其衍生物制备得到的抗盐缔合共聚物，具有良好的黏弹性、耐盐性和耐温性，常被用作海上油田等矿化度高的油田作为驱油剂。

1 材料和实验
1.1 化学药品

TSS(12-2-12)-2OH: 5，12-双(十二烷氧甲基)-4，7，10，13-四噁-2.15-二羟基十六烷基-1，16-双磺酸钠，工业级，实验室根据文献[6]自制，分子结构式见图 1。

图 1     TSS(12-2-12)-2OH结构式 Figure 1     Structure of TSS (12-2-12)-2OH

ABS(苯磺酸钠)，SO(油酸钠)，SDBS(十二烷基苯磺酸钠)，AES，SDS(十二烷基硫酸钠)和Triton X-100(C14H22O(C2H4O)n)，工业级，成都科龙化工试剂厂；AOS(C14-C16烯烃磺酸盐)，工业级，成都宁素添加剂厂；NaCl和CaCl2，AR(分析纯试剂)，成都科龙化工试剂厂；KY5S，工业级，聚丙烯酰胺类抗盐缔合聚合物，北京恒聚有限公司。地层水(总矿化度TDS=121 480 mg/L，ρ(K+)和ρ(Na+)为52 370 mg/L, ρ(Cl-)为65 740 mg/L, ρ(Mg2+)为499 mg/L，ρ(Ca2+)为1 260 mg/L，ρ(SO42-)为348 mg/L, ρ(HCO3-)为263 mg/L)。

1.2 实验
1.2.1 数显恒速搅拌器

实验装置(见图 2)是一个带数字显示的恒速搅拌器，由沈阳航空航天大学应用技术研究所制造。

图 2     数显恒速搅拌器 Figure 2     Digital display constant speed mixer

1.2.2 泡沫溶液的制备

根据设定的配比，准确称量发泡剂(纯溶液或混合物)、聚合物(KY5S)和盐(NaCl、CaCl2、NaHCO3等)。将蒸馏水加入装有搅拌器的烧杯(500 mL)中，再加入盐，搅拌溶液使盐完全溶解，搅拌速度400 r/min，然后缓慢地加入聚合物，使其在蒸馏水中分散均匀；最后加入发泡剂，在聚合物和发泡剂都被完全溶解后，停止搅拌，即得泡沫溶液。

1.2.3 泡沫的制备

在设定温度下，将100 mL泡沫溶液加入恒速搅拌器中，在3 000 r/min转速下，搅拌1 min即得泡沫。将得到的白色泡沫快速倒入1 000 mL量筒中，记录最初的泡沫体积(V)，当泡沫体积减少到初始泡沫体积的一半时，记录半衰期t1/2。

2 实验方法
2.1 稳定性评估

泡沫的综合指数(FCI)反映了泡沫的发泡能力和泡沫稳定性。图 3显示了发泡体积与从发泡到消泡的时间关系，图中阴影部分显示了发泡体系的综合性能。假设该区域为FCI与泡沫量的曲线方程V=f(t):

图 3     起泡体积与起泡时间的关系 Figure 3     Relationship between foaming volume and time

$ FCI = S = \int_{{t_0}}^{{t_0} + {t_{1/2}}} {f\left( t \right)dt} $ (1)

为简单起见，图 3中的梯形ABCD的面积近似计算如下：

$ FCI = S = 0.75{V_{\max }}{t_{1/2}} $ (2)

根据泡沫体系的FCI值，可以评估其强弱。FCI值越大，综合性能则越强。

3 结果与讨论
3.1 单一发泡剂的性能

在地层水温度为87 ℃时，采用Waring Blender法制得8种单一发泡剂所产生的泡沫，FCI与发泡剂质量分数的关系见表 1。

表 1    不同起泡剂的FCI值与发泡剂质量分数的关系 Table 1    FCI values of different foaming agents

表 1显示了随发泡剂质量分数的增加，FCI增大，但当发泡剂质量分数小于0.3%时，FCI较低。发泡剂TSS(12-2-12)-2OH和Triton-X-100的FCI通常比其他6种发泡剂高，特别是当TSS(12-2-12)-2OH和Triton-X-100的质量分数为0.35%时，FCI的范围达78 000~92 000 mL·s。在地层温度和盐度条件下，TSS(12-2-12)-2OH和Triton-X-100为最好的两种发泡剂。因此，由TSS(12-2-12)-2OH和Triton-X-100两种表面活性剂复配制备起泡剂。

泡沫大小影响泡沫的稳定性，大泡沫容易破碎，而小泡沫的半衰期较长。泡沫越小，形成大泡沫的时间越长，小泡沫的液膜数量比大泡沫的多。因此，小泡沫可以承受液体流失带来的失稳性。由于重力作用，液体和流动方向自动从上往下。在液膜排水的过程中，其液体分子比位于下部的分子具有更大的自由能。由于朝自由能减少的方向自发进行，泡沫不断地排除液体，液膜变薄并发生破裂，最终导致泡沫消失。

3.2 起泡剂的复配

起泡剂复配后的泡沫性能见表 2。由表 2可知，利用混合发泡剂制得的泡沫溶液的FCI比单一发泡剂制得的好。总质量分数为0.3%时，泡沫驱最佳配方为在地层水中加入质量比为2:1的TSS(12-2-12)-2OH和Triton-X-100。

表 2    复配后起泡剂的泡沫性能 Table 2    Mixture of foaming agent

3.3 稳泡剂浓度的筛选

在87 ℃下，使用不同质量浓度的稳泡剂KY5S，用地层水制备0.2%(w)TSS(12-2-12)-2OH + 0.1%(w)Triton X-100的泡沫溶液, 评价了表面活性剂和聚合物之间的协同作用，结果见表 5。

表 3    泡沫稳定剂KY5S的浓度确定 Table 3    Concentration choose of foam stabilizer KY5S

当KY5S的质量分数低于0.150%时，随着KY5S浓度的增加，黏度值也上升，其原因是聚合物分子以内缔合为主；当KY5S的质量分数达到0.150%，溶液的黏度值增加得更多，其原因是聚合物以分子间缔合为主，不同聚合物分子的疏水链段能够在此浓度下结合在一起，并且形成平均分子质量较大的超分子化合物。

当KY5S的质量分数小于0.150%，随着KY5S浓度增加，FCI增加；当质量分数大于0.150%，随着KY5S浓度增加，泡沫综合指数降低。随着KY5S浓度的增加，稳泡性增强，是因为当浓度大于临界聚集浓度时，泡沫的液膜变得越来越厚，且不容易被排除，液膜变薄的速度减慢。因此，延迟了破坏液膜的时间，半衰期变长。泡沫溶液在添加质量分数为0.150%的KY5S时，具有良好的泡沫综合指数。因此，KY5S的最适质量分数是0.150%。最佳的配方是0.2%(w)TSS(12-2-12)-2OH + 0.1%(w)Triton X-100 + 0.150%(w)KY5S。在泡沫制备过程中可知，该配方制得的泡沫体积较细腻且均匀，泡沫直径只有几个微米大小，形成了微泡沫。

KY5S的浓度大于临界聚集浓度时，它的黏度增强了液膜强度，减缓了液膜上的液体流动，增加了液体排出时间。另一方面，它也具有弹性，这有助于抑制重力作用，液膜上的液体流动速率变慢，使液体排出时间变得更长。因此，KY5S能够在很大程度上增加泡沫的半衰期t1/2。按照泡沫综合指数=0.75 Vmax t1/2，泡沫综合指数也会有很大程度的增加。

3 结论

(1) TSS(12-2-12)-2OH是一种带有两个磺酸基团、两个羟基和两个十二烷基基团的阴离子-非离子型双子表面活性剂。它具有较高的表面活性，从而降低了CMC、γCMC和界面张力，比单链的表面活性剂具有更好的发泡性能。因此，它被用作泡沫驱油中的发泡剂，驱替苛刻油藏中的原油。

(2) 在水驱后的高矿化度油藏中进行了系统的泡沫驱油实验，发泡性能、稳泡性和FCI是确保较高采收率的关键因素。以发泡性、稳泡性和泡沫综合指数为指标对微泡沫驱的配方进行了优化，得出了最佳的聚合物基微泡沫驱油体系0.2%(w)TSS(12-2-12)-2OH+0.1%(w)Triton X-100+0.150%(w)KY5S+地层水。

参考文献
[1]
WANG J, GE J J, ZHANG G C, et al. Low gas-liquid ratio foa m flooding for conventional heavy oil[J]. Pet. Sci., 2011, 8(3): 335-344. DOI:10.1007/s12182-011-0150-0
[2]
裴戈, 杜朝锋, 张永强, 等. 长庆高矿化度致密油藏空气泡沫驱适应性研究[J]. 油田化学, 2015, 32(1): 88-92.
[3]
VIKINGSTAD A K, AARRA M G. Comparing the static and dyna mic foam properties of a fluorinated and an alpha olefin sulfonate surfactant[J]. Journal of Petroleum Science and Engineering, 2009, 65(1): 105-111.
[4]
王杰祥, 王腾飞, 韩蕾, 等. 特低渗油藏空气泡沫驱提高采收率实验研究[J]. 西南石油大学学报(自然科学版), 2013, 35(5): 131-132.
[5]
孙琳, 魏鹏, 蒲万芬, 等. 抗温耐油型强化泡沫驱油体系性能研究[J]. 精细石油化工, 2015, 32(3): 19-23.
[6]
ZHOU M, XIA L L, HE Y H, et al. Synthesis of new salt-resistant sulfonate gemini surfactants with hydroxyl groups[J]. J Surfact Deterg, 2015, 18(3): 303-308.
X