中相微乳液驅油效果研究

周冰靈，孔 輝，張 婧，申 彤，王克亮

（東北石油大學 提高油氣采收率教育部重點實驗室，黑龍江 大慶，163318）

微乳液是表面活性劑、助劑和油水混合形成的熱力學穩定體系[1-2]。根據微乳液和油水相共存情況可分為下相、中相和上相，中相的形成可大大提高驅油效率，因此，中相微乳液驅油為提高水驅后原油采收率提供了一種很有發展前途的三次采油技術。中相微乳液可增溶油又可增溶水，當中相微乳液和油水的界面張力σmo=σmw時，體系界面張力σc達到最小，對應于油水增溶參數SPo=SPw，體系的增溶參數Sp 也最大[3，4]。微乳液驅油的機理很復雜，但關鍵因素還在于微乳液可以使原油驅替液的界面張力降低到10-3～10-4mN·m-1的超低水平，并使原油在鹽水中的增溶量達到最大值[5]。開展最佳中相微乳液驅油效果研究，主要目的是確定最佳中相微乳液配方，并進行驅油實驗研究，評價配方驅油效果，為水驅后進一步提高原油采收率技術提供依據。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

油相（煤油）；地層水（礦化度為3700mg·L-1）；Na2CO3；正丁醇；十二烷基硫酸鈉（SDS）。

ALC-210.4 電子天平；EMS-3A 型加熱定時磁力攪拌器；25mL 具塞比色管若干；堿式滴定管；多功能物理模擬實驗裝置；巖心夾持器、中間容器、壓力表、環壓泵、ISCO 微量恒速泵等。

貝雷巖心，水測滲透率為400mD。

1.2 最佳中相微乳液體系確定

1.2.1 正交實驗設計 體系包括5 種組分：煤油、地層水、SDS、正丁醇、Na2CO3。固定油水體積比為1∶1，調節SDS、正丁醇和Na2CO3三因素的濃度水平，記錄微乳液相和剩余油水相體積，分析正交實驗結果，從而優選出最佳中相微乳液體系配方。

1.2.2 Winsor 相圖和增溶參數圖的繪制 固定油水體積比為1∶1，取規定量正丁醇和Na2CO3，表面活性劑為一系列不同濃度的SDS 溶液。利用磁力攪拌器充分混合后，在45℃恒溫箱中靜置10h，到各相達到相平衡，記錄各相體積，繪制相體積表活劑濃度圖。同樣方法，在其他組分不變條件下，繪制相體積鹽度圖和相體積醇濃度圖。

為便于研究，定義增溶參數為單位質量表面活性劑所增溶的油/水體積：

式中 SPw、SPo：增溶的水和油的量，g·mL-1；、Vw、Vo：增溶的水和油的體積，mL；ms：表面活性劑質量。

1.3 驅油效果研究

開展了貝雷巖心驅油實驗，對比水驅后，進一步表面活性劑+ 聚合物體系（聚合物分子量為1600×104、濃度為1500mg·L-1，0.2PV+ 表面活性劑，0.3 PV）和最佳中相微乳液體系+聚合物體系（聚合物分子量為1600×104、濃度為1500mg·L-1，0.2PV+最佳中相微乳液，0.3PV）驅油提高采收率效果。

2 結果與分析

2.1 最佳中相微乳液驅油體系的確定

2.1.1 正交實驗結果分析 設計了正交實驗，以微乳液體系中剩余油相和剩余水相體積差|Vo-Vw|=△V 為評判指標，△V 越小，體系越接近最佳中相微乳液體系。

表1 正交實驗結果Tab.1 Experimental results of the orthogonal test

從表1 可知，以△V 為評判指標，影響因素從主到次依次為正丁醇濃度、SDS 濃度、Na2CO3濃度，最佳中相的最佳條件是CSDS=4%、C正丁醇=7%、CNa2CO3=3%。

2.1.2 體系組成對相態和增溶參數的影響 45℃條件下，在SDS/正丁醇/Na2CO3/煤油/地層水體系中，固定油水體積比為1∶1，分別改變SDS、正丁醇和Na2CO3的濃度，得到相態圖和增溶參數圖。

圖1 SDS 濃度對微乳液的影響Fig.1 Effect of SDS on microemulsion

在表面活性劑濃度低于臨界膠束濃度時，活性劑主要濃集在油水界面上，用來降低界面張力。隨表面活性劑濃度增加，開始在水中形成膠束，會使一部分油增溶到非極性的膠束核心中。從圖2a 和b可以看出，在SDS 濃度高于0.4%時，隨微乳液聚集數增加，SPw和SPo都開始快速增加。當濃度達到3%時，SPw=SPo，△V=0，達到最佳中相。

圖2 正丁醇濃度對微乳液的影響Fig.2 Effect of n-butanol on microemulsion

微乳液形成過程中，醇一部分參與形成界面復合膜，一部分在油相和水相中使得兩相性質得到改善。從圖2a、b 可以看出，正丁醇濃度達到6%時，開始形成中相微乳液。這是由于隨正丁醇濃度的增加，復合膜電荷密度下降，液滴間易于接近和聚結，使得復合膜的強度增加，SPo增加，微乳液富集相從下相中分離出來形成了中相。當濃度大于7.8%時，正丁醇和SDS 開始大量進入油相中，中相微乳液被破壞，形成上相微乳液。SPw=SPo的交點處的最佳醇濃度和正交實驗的分析結果基本一致。

圖3 Na2CO3 濃度對微乳液的影響Fig.3 Effect of Na2CO3 on microemulsion

由圖3a 可知，在Na2CO3濃度低于1.7%時，微乳液為下相。隨濃度增加，微乳液聚集數增大，對油的增溶能力增大，液滴間的斥力降低，更有利于微乳液液滴聚集，使得微乳液富集相從下相中分離出來，形成了中相微乳液。當濃度高于3%時，微乳液中表面活性劑析出進入油相的量增加，由中相微乳液變成了上相。圖3b 表示，油水相的增溶參數在中相區相交，交點處有SPw=SPo=SP*，△V=0，對應的最佳鹽度為3%，與正交實驗分析結果相一致。

2.2 驅油效果

在確定最佳中相微乳液驅油體系的基礎上，通過對比以最佳中相微乳液（4.34%SDS/6.95%正丁醇/2.17%Na2CO3/地層水/煤油）為驅替劑，和表面活性劑（4.34%SDS/地層水）為驅替劑，研究了體系的驅油效果。如表2 所示，最佳中相微乳液驅油效果較好，水驅后，開展微乳液驅油提高采收率44.5%。

表2 驅替實驗結果Tab.2 Experimental results of the displacement test

在巖心驅油實驗中，形成油墻是很重要的驅替機理。中相微乳液可大幅度降低界面張力，減少油滴形變的阻力，使得圈閉油滴更容易通過頸口處，聯合聚并并最終形成油墻。油墻通過巖心移動，便會積聚其他的剩余油，像“滾雪球”一樣，而達到很高的采收率。在圖4 中，當注入0.5PV 的中相微乳液- 聚合物段塞時，在巖心出口端見到了不含水的油墻，使得化學驅最終提高采收率44.5%，最終剩余油飽和度降到16.7%。

在形成油墻后，使得殘余油飽和度降低，流度比朝小于1 方向流動，近視活塞驅替，大幅度降低含水率，見圖4。

圖4 微乳液驅的注入壓力、含水率和采收率變化Fig.4 Change of injection pressure, moisturecontent and recovery

3 結論

（1）以微乳液體系中剩余油相和剩余水相體積差|Vo-Vw|=△V 為評判指標，采用正交實驗獲得了最佳微乳液體系配方為：CSDS=4.34%、C正丁醇=6.95%、CNa2CO3=2.17%；

（2）采用Winsor 相圖法，分別對SDS、正丁醇和Na2CO3濃度掃描，隨SDS 濃度增加，中相體積越來越大，最后形成單相；隨正丁醇和Na2CO3濃度增加，微乳液經歷下相、中相和上相轉變，增溶參數SPw和SPo在最佳醇/鹽濃度相交；掃描得到的最佳SDS、正丁醇和Na2CO3濃度和正交實驗優選的最佳濃度相一致。

（3）巖心驅油實驗表明，制備的最佳中相微乳液能夠在水驅后再提高采收率44.5%，最終剩余油飽和度降到16.7%，含水率也可以降到很低程度。

［1] 李干佐,郭榮.微乳液理論及其應用［M].北京:石油工業出版社,1995.10.

［2] 陳詠梅,王涵惹,俞稼鋪.石油磺酸鹽體系中相微乳液研究［J].物理化學學報,2000,16（8）:724-728.

［3] Rong Guo,Xun Wei,Tianqing Liu,Investigations of Capacitance for Sodium Dodecyl Sulfate/Benzyl alcohol/H2O Microemulsion, Colloids and Surfaces A,2006,277：59-62.

［4] Tianqing Liu,Jianxin Xu,Rong Guo,Determination of the ElectrochemicalDiffusionCoefficientofMethyleneBlueinSDS/n-C5H11OH/H2O System by Non-probe Microelectrode Voltammetry, Colloid Polym.Sci.,2006,284：788-794.

［5] 郝京誠,汪漢卿,魯潤華.微乳液相行為和微觀結構的研究［J].中國科學（B 輯）,1997,27（2）:131-132.