胡 榮（中石化河南油田分公司技術(shù)處，河南 南陽(yáng)473132）

鄭延成（長(zhǎng)江大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 荊州434023）

表面活性劑的潤(rùn)濕性及增注機(jī)理研究

胡 榮（中石化河南油田分公司技術(shù)處，河南 南陽(yáng)473132）

鄭延成（長(zhǎng)江大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 荊州434023）

研究了改變低滲透砂巖親水性油氣層潤(rùn)濕性對(duì)增注性能的影響。通過測(cè)定表面張力和潤(rùn)濕角篩選出了常規(guī)表面活性劑ABS、OPT以及兩性Gemini表面活性劑GC26。通過巖心驅(qū)替試驗(yàn)考察了表面活性劑的增注性能和對(duì)巖心的油水相對(duì)滲透率的影響。結(jié)果表明，0.5%ABS、0.1%GC26、0.5%OPT的表面張力分別為25.07、28.33、29.57mN/m?；钚詣┨幚韼r心后，巖心表面潤(rùn)濕性向弱親油方向移動(dòng)，等滲點(diǎn)時(shí)含水飽和度下降，尤其是Gemini表面活性劑GC26，含水飽和度降到48%，顯示出孔喉表面轉(zhuǎn)變?yōu)橛H油，巖心水相滲透率提高幅度達(dá)到86.57%，具有較好的增注效果。結(jié)合GC26的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及表面性質(zhì)，分析了表面活性劑增注效果的差異，認(rèn)為提高吸附膜的致密性及疏水性程度是增注的關(guān)鍵。

Gemini表面活性劑；表面張力；潤(rùn)濕性；增注

雙河油田經(jīng)過長(zhǎng)期注水開發(fā)后儲(chǔ)層潤(rùn)濕性沿 “親油－弱親油－中間潤(rùn)濕偏親油”向 “中間潤(rùn)濕－中間潤(rùn)濕偏親水－弱親水－親水”的方向變化，注水壓力逐漸上升。針對(duì)雙河油田這一問題，根據(jù)低滲油田滲吸驅(qū)油的機(jī)理［1～4］，采用Gemini表面活性劑和傳統(tǒng)表面活性劑對(duì)巖石礦物表面進(jìn)行處理，改變潤(rùn)濕性，使油水相對(duì)滲透率曲線發(fā)生變化，探討潤(rùn)濕性與增注性的關(guān)系，從而為低滲油田的非酸增注技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐打下理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試劑及儀器

1）試劑 重烷基苯磺酸鹽ABS，非離子表面活性劑PE2040、OS-15、OPT，陽(yáng)離子表面活性劑1631，陰離子表面活性劑JFC，均為工業(yè)品兩性Gemini表面活性劑GC26，分子式：C14H29—PO－4—（CH2）2—N＋（CH3）2C12H25；河南雙河油田模擬地層水、巖心。

2）儀器 QBZY2全自動(dòng)表面張力儀；JC2000C接觸角測(cè)定儀；巖心驅(qū)替試驗(yàn)裝置。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 表面張力的測(cè)定

在地層水中，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的表面活性劑，恒溫振蕩，待其充分溶解后，靜置24h，用QBZY2全自動(dòng)表面張力儀測(cè)定溶液在30℃時(shí)的表面張力。

1.2.2 潤(rùn)濕性的測(cè)定

將洗油、干燥后的巖心薄片置于用地層水配制的表面活性劑溶液中，在地層溫度60℃下恒溫吸附12h，取出巖心薄片80℃下烘干，測(cè)定水在巖心薄片表面的潤(rùn)濕角。

1.2.3 巖心模擬增注試驗(yàn)

油水相對(duì)滲透率曲線的測(cè)定方法參照標(biāo)準(zhǔn)ST/T 5345-1999進(jìn)行。用地層水測(cè)定巖心原始滲透率，用煤油飽和巖心，測(cè)油水相對(duì)滲透率曲線后，注入表面活性劑溶液2PV，地層溫度60℃下恒溫吸附8h，再用地層水驅(qū)，注入煤油，再測(cè)定處理后巖心的油水相對(duì)滲透率。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 表面活性與潤(rùn)濕角

表面活性劑的表面張力、處理巖心后的潤(rùn)濕角以及60℃下水溶液的穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 表面活性劑的表面張力及其與模擬地層水的穩(wěn)定性

一般情況下，對(duì)于用兩親化合物處理的表面，若薄片表面的水潤(rùn)濕角較小，說明水在巖心薄片表面能更好地鋪展，親水性強(qiáng)。從表1數(shù)據(jù)可知，表面活性劑ABS、OPT、GC26的水潤(rùn)濕角較大，說明水濕性較弱，同時(shí)這3種表面活性劑有較低的表面張力，而且在地層溫度60℃下溶解性好，因此可用于后續(xù)增注性能評(píng)價(jià)。

2.2 表面活性劑對(duì)油水的相對(duì)滲透率曲線影響

采用河南油田巖心SH-5、SH-3、SH6127測(cè)試表面活性劑ABS、OPT、GC26注入巖心前后相對(duì)滲透率，結(jié)果見圖1～3（圖中，Kro、Krw和Kros、Krws分別為巖心的原始油和水的相對(duì)滲透率及活性劑處理后油和水的相對(duì)滲透率；Sw為含水飽和度）。

圖1 0.5%ABS注入前后巖心SH-5的相對(duì)滲透率曲線

由圖1～3可以看出，用常規(guī)表面活性劑OPT處理巖心后，等滲點(diǎn)時(shí)含水飽和度由原始的72%降到51%；用Gemini表面活性劑GC26處理巖心后，等滲點(diǎn)含水飽和度由55%降到48%；重烷基苯磺酸鹽ABS在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí)，等滲點(diǎn)含水飽和度由51.5%降到48.5%?？梢娮⑷氡砻婊钚詣㎡PT、GC26和ABS后，油、水等滲點(diǎn)左移，說明油層巖石表面物理性質(zhì)發(fā)生了變化，巖石表面親水性減弱，親油性增強(qiáng)。

圖3 0.5%OPT注入前后巖心SH-3的相對(duì)滲透率曲線

2.3 表面活性劑的增注性評(píng)價(jià)

在不同的天然巖心中分別注入2PV表面活性劑ABS、OPT和GC26溶液，測(cè)定注劑前后水相滲透率的變化，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 活性劑處理前后水相滲透率變化

由表2可以看出，在3支巖心中分別注入2PV的0.5%ABS、0.1%GC26和0.5%OPT后，巖心的水相滲透率分別提高了（1.344、5.311、0.747）×10－3μm2，增加率分別為42.10%、86.57%和58.73%。可見巖心水相滲透率均有較大程度提高，尤其是Gemini表面活性劑GC26增注性能最為突出。

綜合分析3種表面活性劑的活性、潤(rùn)濕角和相滲曲線可以得出，ABS的表面張力最小，GC26居中，OPT最高；GC26水潤(rùn)濕角最大，等滲點(diǎn)時(shí)含水飽和度最小，其增注性能最好。由此可見，巖石表面潤(rùn)濕角及等滲點(diǎn)時(shí)含水飽和度的變化對(duì)增注性能的影響要比表面張力的影響更大。

3 表面活性劑增注機(jī)理

3.1 表面活性劑的潤(rùn)濕性

巖石表面的潤(rùn)濕性不僅是控制油、水在孔隙中微觀分布狀態(tài)的重要因素，而且對(duì)油、水兩相的滲流特征也有重要影響。巖石潤(rùn)濕性可根據(jù)下面的經(jīng)驗(yàn)法進(jìn)行判斷：①水濕巖石的原始含水飽和度一般為10%～25%，而油濕巖石的原始含水飽和度一般小于10%；②當(dāng)巖石油和水的相對(duì)滲透率相等時(shí)，若含水飽和度大于50%為水濕，小于50%則為油濕。由前面的相滲曲線知，雙河區(qū)塊油層巖心含水飽和度在30%以上，有較強(qiáng)的親水性。在水濕巖心中，水相流動(dòng)，易把小孔隙中的油捕集到大孔道中聚集，而阻礙水的流動(dòng)，引起水相滲透率下降，同時(shí)水濕巖心的親水特性，其表面會(huì)形成水膜，注入水在通過這些具有水膜的通道時(shí)，勢(shì)必會(huì)與水膜結(jié)合，產(chǎn)生類似于堵塞水流通道的效應(yīng)，因此需要更大的能量通過，使驅(qū)動(dòng)壓力升高。

用0.5%OPT和0.1%GC26處理巖心后，等滲點(diǎn)時(shí)含水飽和度減小到50%左右，巖心表面的潤(rùn)濕性均由親水向親油方向移動(dòng)，增注性能好。尤其是GC26處理的巖心在等滲點(diǎn)時(shí)含水飽和度最低，水相滲透率提高幅度更大，表明Gemini表面活性劑GC26的親油性和增注性能好于OPT，這與其分子結(jié)構(gòu)及分子在界面上的排列程度有關(guān)。為便于分析，將文獻(xiàn) ［5，6］報(bào)道的有關(guān)表面活性劑的表面性質(zhì)列于表3中。

表3 表面活性劑的表面性質(zhì)

由表3數(shù)據(jù)可知，單頭單尾表面活性劑ABS、C12H25SO4Na和C14H29SO4Na分子在表面或界面的占有最小面積分別為0.583、0.56nm2，而Gemini表面活性劑GC26的分子占有面積為0.53nm2，Gemini表面活性劑分子單鏈占有面積為傳統(tǒng)表面活性劑的一半，因此Gemini表面活性劑分子的排列更為緊湊。當(dāng)表面活性劑注入水層后，一方面使油水界面張力降低，使油滴從巖石表面剝離，同時(shí)可使油滴通過狹窄孔喉；另一方面，活性劑以分子（或離子）態(tài)溶解于液相中，形成膠束，活性劑吸附到孔壁并形成表面膜，由于Gemini表面活性劑的特殊排列結(jié)構(gòu)，分子中兩個(gè)親水基團(tuán)吸附于親水礦物表面，疏水鏈背離固體表面，在高于臨界膠束濃度時(shí)表面活性劑分子形成膠束和多吸附層，分子的排列也更為致密，有效改變儲(chǔ)層巖石表面的潤(rùn)濕性，使得巖層表面水膜變薄。同時(shí)分子中有多個(gè)親水基團(tuán)產(chǎn)生多點(diǎn)吸附，導(dǎo)致Gemini表面活性劑形成的潤(rùn)濕膜比相同類型的傳統(tǒng)表面活性劑從固體表面的解離更為困難。因此，其增注性能及耐沖刷能力比單鏈單頭基表面活性劑更強(qiáng)。

3.2 表面活性劑降低流體注入壓力

根據(jù)注入流體的壓降與流體通過孔喉的毛細(xì)管阻力分析表面活性劑的降壓增注。

在通常情況下，注入流體的壓差（ΔP）與流體流量（Q）的關(guān)系為：

式中，μ為流體粘度，mPa·s；h為油層厚度，m；Rr和rw為供液半徑和井筒半徑，m；K、Kw分別為絕對(duì)滲透率、注入水的有效滲透率，10－3μm2；Krw為水的相對(duì)滲透率。

可見，在保持其他參數(shù)不變的情況下，注入壓力與有效滲透率成反比。因此，提高地層注入水的有效滲透率，或者改變儲(chǔ)層表面的性質(zhì)，提高水的相對(duì)滲透率，均可以降低壓差。3種表面活性劑注入地層后，水的相對(duì)滲透率均大幅提高，注入壓力也隨之下降。

根據(jù)毛細(xì)管阻力Pc公式：Pc＝2γcosθ/r，在孔喉半徑r一定時(shí)，當(dāng)水潤(rùn)濕角θ增大，cosθ變??；同時(shí)，表面或界面張力γ的降低，使得毛細(xì)管阻力Pc也降低。因此，采用表面活性劑降低油水界面張力及改變潤(rùn)濕性，油藏中天然氣或原油只需克服較小的毛細(xì)管阻力Pc就能從地層采出。

4 結(jié) 論

1）針對(duì)雙河區(qū)塊注水困難的問題，篩選出了3種表面活性劑0.5%ABS、0.5%OPT、0.1%GC26時(shí)，表面張力分別為25.07、29.57、28.33mN/m。3種活性劑均可以降低巖石表面的親水性。

2）ABS、GC26、OPT這3種表面活性劑處理巖心后等滲點(diǎn)時(shí)含水飽和度均向左移，水相滲透率分別提高42.10%、86.57%和58.73%。潤(rùn)濕性改變的程度越大，水相滲透率提高幅度越大。GC26的增注效果最好。

3）表面活性劑的降壓增注是表面活性劑降低表面或界面張力和潤(rùn)濕性轉(zhuǎn)變的復(fù)合作用結(jié)果。表面活性劑的活性使得殘余油滴容易通過較窄通道；表面活性劑改變親水巖層潤(rùn)濕性，使巖層向油濕方向移動(dòng)，適當(dāng)碳鏈長(zhǎng)度的Gemini表面活性劑分子排列致密，顯示出較好的改變巖層的潤(rùn)濕性能，表現(xiàn)出較好的增注能力。

［1］龐子俊，史成恩.低滲透親水油層傷害機(jī)理及保護(hù)措施 ［J］.石油勘探與開發(fā)，1989，16（4）：66～73.

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［6］Rosen M J.Surfactants and interfacial phenomena ［M］.New Jersey：John Wiley ＆Sons，Inc，2004.

The Rock Wettability and Stimulation Mechanism of Surfactants

HU Rong，ZHENG Yan-cheng（First Author's Address：Department of Technologic Management，Henan Oilfield Company，SINOPEC

The effect of wettability of water-wet reservoirs with low permeability on stimulation property was studied.Surfactants ABS，GC26and OPT as well as Gemini Surfactant were screened out by detecting its surface tension and wettability.The effects of surfactants on stimulation property and on oil-water permeability of cores were studied by detecting surface tension.The injection mechanism of surfactants were discussed by relative permeability.The results show that the surface tensions of 0.5%ABS，0.1%GC26and 0.5%OPT are 23.07，28.33and 29.57mN/m respectively，and wettability of the core surfaces was altered from water wet reservoirs to weak oil wet reservoirs，especially，water saturation of Gemini surfactant GC26was reduced to 48%as water saturation was reduced at isotopic point.When water saturation of cores was risen to 86.57%，the wettability on pore throat surface was turned to oil wet and good oil incremental effect was obtained.In combination with the structural features and its surface property of GC26，the differences of stimulation of the surfactant are analyzed，it is considered that the key factor for enhancing the stimulation effect is to raise the compactness of adsorption and hydrophobic level.

Gemini surfactant；surface tension；wettability；stimulation

TE357.46

A

1000-9752（2012）04-0143-04

2012-01-20

中國(guó)石油化工股份有限公司重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目（P05049）。

胡榮（1963-），女，1983年江漢石油學(xué)院畢業(yè)，工程碩士，高級(jí)工程師，現(xiàn)主要從事油氣田開發(fā)與管理工作。

［編輯］ 蘇開科