三元復(fù)合驅(qū)中堿提高采收率作用機理

三次采油是在20世紀80年代中后期發(fā)展起來的三次采油技術(shù)。本文針對弱堿三元復(fù)合驅(qū),設(shè)計了界面張力、吸附、乳化、潤濕性等多組單一變量對比實驗及微觀模型、天然巖心驅(qū)油實驗,研究了堿的作用機理及提高采收率效應(yīng)。為其在油田現(xiàn)場的應(yīng)用提供了技術(shù)指導(dǎo)。1實驗方法和材料1.1實驗材料弱堿Na1.2實驗設(shè)備界面張力儀SVT20N(測量范圍:1×101.3實驗步驟實驗流程圖如圖1所示。1.3.1界面張力的測定(1)單獨堿溶液:由注入水與弱堿Na(2)單獨表面活性劑溶液:由注入水與表面活性劑烷基苯磺酸鹽ABS配制了6種濃度(質(zhì)量分數(shù)0.025%、0.05%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%)的表面活性劑溶液。利用界面張力儀測定6種溶液與大慶油田原油之間的界面張力。(3)聚表二元體系溶液:由注入水與表面活性劑烷基苯磺酸鹽ABS配制了6種濃度(質(zhì)量分數(shù)0.025%、0.05%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%)的表面活性劑溶液。用此6種表面活性劑溶液分別與聚合物HPAM以1種形式(相對分子量2500萬、濃度1200mg/L)配制6種聚表二元體系溶液。利用界面張力儀測定6種溶液與大慶油田原油之間的界面張力。(4)三元復(fù)合體系溶液:由注入水與表面活性劑烷基苯磺酸鹽ABS配制了6種濃度(質(zhì)量分數(shù)0.025%、0.05%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%)的表面活性劑溶液;然后用此6種表面活性劑溶液分別與弱堿Na1.3.2油砂中表面活性劑檢測(1)制備油砂:使油砂與原油充分攪拌,放置48h以使原油充分吸附到油砂上,在干燥箱里于45℃下烘4h,然后測定油砂質(zhì)量m(2)配制表面活性劑溶液、堿/表面活性劑二元體系溶液:由注入水與表面活性劑烷基苯磺酸鹽ABS配制了6種濃度w(3)將20g(m(4)利用紫外分光光度法測定含表面活性劑溶液與BTB締合反應(yīng)后溶液的吸光度來確定溶液中表面活性劑的濃度w式(1)中,A為表面活性劑吸附量,mg/g;w1.3.3堿-酚混合溶液堿-酚混合體系(1)配制堿-酚酞混合溶液:注入水與弱堿Na(2)配制堿-酚酞-模擬油混合溶液:將已配制的堿-酚酞混合溶液與模擬油各10mL裝入量筒中,密封在靜置,觀察不同時刻的堿-酚酞混合溶液的顏色變化及模擬油乳化狀態(tài)。1.3.4載玻片的動態(tài)接觸角測定(1)將相同的2塊載玻片分別用300mL的質(zhì)量分數(shù)1%鹽酸溶液浸泡24h,除去表面有機物,然后分別以500mL蒸餾水多次反復(fù)沖洗每塊載玻片至中性,在恒溫箱以45℃下烘干24h。(2)將此2塊烘干后載玻片分別放入300mL的質(zhì)量分數(shù)30%的甲基硅油溶液中浸泡72h,以使載玻片的表面處理成親油潤濕。(3)分別以500mL的模擬油沖洗2塊載玻片表面,直至模擬油均勻吸附在其表面為止,在45℃恒溫下烘干24h。(4)①未被堿溶液處理的載玻片和注入水的接觸角的測定:用動態(tài)接觸角分析儀測定1塊載玻片與注入水之間的接觸角。②被堿溶液處理的載玻片和注入水的接觸角的測定:用500mL的質(zhì)量分數(shù)1%Na(5)對比分析未被堿溶液處理的載玻片和被堿溶液處理的載玻片分別與注入水的接觸角,進而確定堿溶液對潤濕性改變作用。1.3.5微觀模型檢驗?zāi)Ｐ?1)配制三元復(fù)合體系溶液:由注入水、烷基苯磺酸鹽ABS表面活性劑、弱堿Na(2)配制二元復(fù)合體系溶液:由注入水、烷基苯磺酸鹽ABS表面活性劑、聚合物HPAM(相對分子量2.5×10(3)微觀刻蝕模型:用光刻法將巖心鑄體薄片上的孔隙網(wǎng)絡(luò)復(fù)制下來,經(jīng)過制版、涂膠、光成像、化學(xué)刻蝕、燒結(jié)成型和潤濕性處理等步驟,制成微觀仿真透明孔隙模型。模型尺寸為62mm×62mm×3.0mm,平面上有效尺寸為45mm×32mm,模型孔隙直徑0.1~100μm。模型為五點井網(wǎng)的四分之一,在對角線處分別打一小孔,作為注入井和采出井。(4)實驗步驟:①飽和水:將微觀刻蝕模型抽真空2h后、飽和地層水24h。②飽和油:用模擬油驅(qū)替地層水至出水量不再增加為止,并穩(wěn)定24h。③水驅(qū):以0.3mL/min水驅(qū)油至含水率100%為止,形成水驅(qū)剩余油。④注化學(xué)復(fù)合驅(qū):在室溫下注入0.3PV的二元體系驅(qū)替殘余油;待穩(wěn)定后,注入0.3PV的三元體系驅(qū)替殘余油。⑤在由高速攝像機、顯微鏡、計算機組成的攝錄系統(tǒng)下記錄驅(qū)替過程動態(tài)圖像。⑥實驗結(jié)束,用石油醚清洗微觀模型。1.3.6巖心驅(qū)油效果(1)配制溶液:與1.3.5節(jié)相同。(2)在45℃烘箱中,將流動實驗的設(shè)備連接好,如圖1所示。(3)對2塊天然巖心,并飽和油,測定出水量,當(dāng)試管中水的體積在3h內(nèi)基本不再增加,認為飽和油完全,計算原始含油飽和度S(4)注入水以2.0m/D(現(xiàn)場平均水驅(qū)速度)對2塊天然巖心分別進行水驅(qū)油,測定不同時刻采收率。直到每塊巖心的含水率達到98%時(現(xiàn)場產(chǎn)出液含水率),停止水驅(qū),計算最終水驅(qū)油采收率。(5)以注入液量0.3孔隙體積倍數(shù)(PV),注入速度為2.0m/D的實驗條件向2塊天然巖心內(nèi)分別注入二元復(fù)合體系、三元復(fù)合體系溶液,測定采收率。待化學(xué)劑注入完后,繼續(xù)水驅(qū),然后計算化學(xué)劑驅(qū)后的最終采收率。分組如表1所示。(6)將測定出的含水率、注入壓力、采收率等數(shù)據(jù),繪制出曲線。2結(jié)果與分析2.1堿/聚合物/表面活性劑三元復(fù)合體系由圖2看出,隨著弱堿濃度的增大,界面張力逐漸減小,其中界面張力由最初24.67mN/m降低至最終5.78mN/m,說明弱堿Na由4圖看出,沿左上角點至右下角點方向,圖版呈現(xiàn)三線四區(qū)域格局,圖版從左下向右上方向看,此次出現(xiàn)4區(qū)域,其界面張力數(shù)量級以此為10綜合可得,在堿/聚合物/表面活性劑三元復(fù)合體系中,聚合物無法降低界面張力,堿可小幅度地降低界面張力,表面活性劑可大幅度地降低界面張力。三元復(fù)合體系依靠表面活性劑和堿來達到降低界面張力的效果,其中以表面活性劑為主,堿為輔,二者可協(xié)同大幅度地降低界面張力。堿與表面活性劑協(xié)同降低界面張力的機理:一方面,油水兩相接觸后,水相中的堿能夠快速地擴散到油水界面,與原油中有機酸等組分發(fā)生反應(yīng),生成烷烴鏈羧酸皂、環(huán)烷酸皂等表面活性劑,并快速地吸附在油水界面上;另一方面,堿作為一種“鹽”迫使更多的外加表面活性劑進入油水界面,從而增加了界面層中表面活性劑濃度;由此達到了堿與外加表面活性劑協(xié)同降低油水界面張力效果。2.2儲層基質(zhì)表面活性物質(zhì)的吸附機理由圖5橫向上看出,隨著表面活性劑濃度的增大,吸附量先增大至最大值,然后緩慢減小。在相同量的儲層基質(zhì)的條件下,當(dāng)表面活性劑濃度較小時,表面活性劑分子以單層吸附的形式吸附在儲層基質(zhì)上,且無法使儲層基質(zhì)達到單層吸附飽和狀態(tài),故吸附量隨著表面活性劑濃度的增大而增大;當(dāng)表面活性劑濃度較大時,溶液內(nèi)表面活性劑分子較快地使儲層基質(zhì)表面達到單層吸附飽和狀態(tài),同時其他表面活性劑分子較快地締合成膠束,膠束和儲層基質(zhì)表面的吸附層共同爭奪溶液內(nèi)單個活性表面活性劑分子,且膠束和吸附層也產(chǎn)生了靜電排斥作用,最終體系形成單個表面活性劑分子-膠束-吸附層之間的動態(tài)平衡,故吸附量隨著表面活性劑濃度增大而減小;當(dāng)表面活性劑濃度處于分界值時,溶液內(nèi)表面活性劑分子正處于將要形成膠束的狀態(tài),而儲層基質(zhì)表面已經(jīng)實現(xiàn)單層吸附飽和狀態(tài),正進行多層吸附,故此時的吸附量值最大。由圖5縱向上看出,有堿和無堿條件下烷基苯磺酸鹽表面活性劑在油砂上的吸附等溫線基本形態(tài)無明顯的變化,但表面活性劑溶液中加入堿后,使基質(zhì)對表面活性劑的吸附量下降。弱堿Na2.3時間對水相中堿的影響由圖6看出,從左邊向右,第1個為堿-酚酞混合溶液,其他為堿-酚酞-模擬油混合溶液隨時間變化圖。隨著時間的延續(xù),水相的粉紅色逐漸越淺,說明水相中堿逐漸被消耗;油水界面的清晰程度逐漸模糊,且形成的乳狀液逐漸增多,說明堿與油相成分反應(yīng)生成了表面活性劑,進而對油相乳化,乳化程度不斷加大,堿具備乳化原油效應(yīng)。2.4表面嘴唇型由圖7看出,對于未被堿溶液處理的親油表面,水滴與親油表面的左接觸角為135.2°,右接觸角為134.7°,整體上,水滴以球狀矗立于表面;對于被堿溶液處理的親油表面,水滴與親油表面的左接觸角為54.9°,右接觸角為53.7°,整體上,水滴坍塌于表面;說明經(jīng)過堿溶液處理,親油表面由憎水親油變成了親水憎油,堿改變了潤濕性。由于油藏儲層表面極粗糙,油藏儲層表面的油膜是不完整的,經(jīng)過水驅(qū)開發(fā),油膜的不完整性進一步強化,儲層表面出現(xiàn)油膜脫落區(qū)。堿與原油反應(yīng)產(chǎn)生的表面活性劑會在靠近油膜附近的油膜脫落區(qū)的儲層表面上吸附形成超薄膜,進一步擴散至油膜邊緣,在流動剪切作用下,表面活性劑分子不斷滲入油膜與儲層表面之間,進而改變改變油/儲層基質(zhì)間界面張力、水/儲層基質(zhì)間界面張力,使原本油藏內(nèi)油/水、油/儲層基質(zhì)和水/儲層基質(zhì)3種界面張力之間的平衡遭到破壞,最終使儲層潤濕性由憎水親油變成了親水憎油,實現(xiàn)油膜脫離儲層表面變?yōu)榭闪鲃訝顟B(tài),進而提高驅(qū)油效率。2.5堿巖心驅(qū)油能力為了直觀觀察及量化衡量三元復(fù)合體系在提高采收率方面的效應(yīng),先后開展了無堿二元復(fù)合體系和弱堿三元復(fù)合體系的微觀可視驅(qū)油實驗及天然巖心驅(qū)油實驗。由圖8看出,弱堿三元復(fù)合體系驅(qū)替出了微觀模型中無堿二元復(fù)合體系無法驅(qū)替出的殘余油,說明加入堿的復(fù)合體系,使殘余油變形能力增強,啟動殘余油能力更強,提高采收率幅度更大。由圖9~圖11看出,對于弱堿三元復(fù)合體系和無堿二元復(fù)合體系兩實驗組,在水驅(qū)驅(qū)油階段中,二者的注入壓力、含水率、采收率曲線都高度重合,其中弱堿三元復(fù)合體系實驗組水驅(qū)采收率為49.72%,無堿二元復(fù)合體系實驗組為49.36%,說明對物性參數(shù)相同的巖心,二者水驅(qū)過程具有一致性;在復(fù)合體系驅(qū)油階段中,弱堿三元復(fù)合體系實驗組注入壓力增大幅度、含水率下降幅度、采收率增大幅度都比無堿二元復(fù)合體系實驗組大,其中弱堿三元復(fù)合體系實驗組最終采收率為75.36%,無堿二元復(fù)合體系實驗組最終采收率為70.46%,堿的加入提高采收率幅度可達近5%,說明堿具備提高采收率的效應(yīng)。三元復(fù)合驅(qū)中堿對提高采收率作用機理:堿與表面活性劑協(xié)同降低界面張力、減少儲層基質(zhì)對表面活性劑吸附量、強化乳化原油、使儲層表面潤濕性由憎水親油變成了親水憎油。堿的這些作用使堿具備提高采收率的效應(yīng)。3儲層基質(zhì)表面活性劑作用機理(1)油水兩相接觸后,水相中的堿能夠快速地擴散到油水界面,與原油中有機酸等組分發(fā)生反應(yīng),生成烷烴鏈羧酸皂、環(huán)烷酸皂等表面活性劑,并快速地吸附在油水界面上;堿作為一種“鹽”迫使更多的外加表面活性劑進入油水界面,從而增加了界面層中表面活性劑濃度;由此達到了堿與外加表面活性劑協(xié)同降低油水界面張力效果。(2)堿電離產(chǎn)生的陰離子與表面活性劑分子在儲層基質(zhì)表面發(fā)生競爭吸附,陰離子增加了儲層基質(zhì)表面負電荷,使基質(zhì)表面對外加表面活性劑分子靜電斥力加大,使外加表面活性劑在基質(zhì)表面實際吸附量降低;同時陰離子與水相中多價金屬陽離子發(fā)生快速反應(yīng),減少了外加表面活性劑分子與多價金屬陽離子的反應(yīng)量,減少了外加表面活性劑的消耗。由此表面活性劑整體吸附量降低。(3)堿與油相成分反應(yīng)生成了表面活性劑,進而對油相乳化,堿具備乳化原油效應(yīng)。(4)堿與原油反應(yīng)產(chǎn)生的表面活性劑會在靠近油膜附近的油膜脫落區(qū)的儲層表面上吸附形成超薄膜,進一步擴散至油膜邊緣,在流動剪切作用