碱 /表面活性剂驱对稠油开采的作用

编译:赵贤 (吉林油田分公司修井作业公司工艺研究所)

审校:郭学彦 (吉林油田分公司修井作业公司工艺研究所)

碱 /表面活性剂驱对稠油开采的作用

编译:赵贤 (吉林油田分公司修井作业公司工艺研究所)

审校:郭学彦 (吉林油田分公司修井作业公司工艺研究所)

介绍了一种能够在稠油 (11 500 mPa·s)地层中使用的碱/表面活性剂(AS)注水技术。该技术研究分析了AS注入如何产生能提高波及效率和采收率的水包油 (OIW)浮状液。根据弱场核磁共振(NMR)进行的现场饱和度试验,从岩心驱替中获得了数据。岩心驱替表明乳化作用对堵水和提高注水波及效率是最有效的。

稠油开采 碱/表面活性剂驱注水 提高采收率

1 前言

一些国家,如加拿大和委内瑞拉,存在着大量的稠油和沥青沉积,这些油砂岩都是高孔隙度、高渗透率的疏松油藏。在油藏条件下原油的黏度变化范围从几十到几百万mPa·s,其密度接近或高于水的密度。

目前预计把一次稠油开采规定为原油地质储量(OOIP)的5%,而剩余的储量由二次采油和三次采油来开采。然而,加拿大的很多油藏都相对小并且储层薄,在一次采油过程中就可能受到限制了。因此,对于昂贵的热采或油气溶剂增油技术来说,这些油藏不是很好的选择。所以,就要考虑较经济的原油开采方法。

先期的研究主要应用注水和AS注水改进稠油开采。研究发现,在稠油注水过程中,由于不利的水/油流度比导致黏度不稳定,水会在注入的早期突破。水突破后,连续的水道贯穿了油藏。

在稠油注水的后期,毛细管力和水吸渗驱替是主要的开采机理。在较低的注入速率下,尽管含水较高,但水突破后仍能开采出大量的稠油。在一次采油和二次采油过程中都可以使用AS注入。总之,结合注水和AS注入能够在一次采油后极大地提高原油采收率。对压力和开采数据进行分析,以便推测化学注入是如何工作的,对砾石充填部分流体的NMR图谱进行监测来分析岩心的润湿性。

2 化学剂注入

表面活性剂是一种既亲油又亲水的特殊分子结构,该特性使其能稳定地存在于油水界面。这样,非混相油水分子就被从界面中驱替出来,导致了油水界面表面张力 (IFT)的降低。碱驱是表面活性剂驱油的一个附属系统,由此,表面活性剂通过油中有机酸和注入的碱溶液反应在地层中产生。在常规注水的非混相驱替中,剩余油以不连续的残余油滴形式存在,通过毛细管力圈闭。降低油水界面表面张力能够增加毛细管数及原油开采量。表面活性剂的影响会导致流体的乳化作用并且可能在润湿性中发生变化。在常规油系统中,从水润到油润的润湿性变化能够改变油的相对渗透率并通过薄膜排驱在较低的饱和度上进行原油开采。化学剂注入现场应用的挑战与化学剂漏失到岩石表面有关,但是,原油开采机理已经进行了明确界定。

在稠油油藏中,注水后期未开采原油由于不利的油水流度比未被波及。因此,这里的油仍然是连续的并且可以流动,但流动速率要根据岩石压力梯度和渗透率来确定。一个简单的油水界面表面张力降低机理与常规增油开采机理类似,在驱油的过程中是无效的。然而,注入的化学剂一定会提高油水流度比,将油更稳定地驱替到生产井。

3 乳状液和稠油开采

在一定条件下,OIW乳状液在水中表面活性剂或碱混合物的条件下形成。这些以水为连续相的乳状液黏度估计要低于以油为连续相的乳状液黏度。因此,油的乳化和携带已经考虑作为原油的开采机理,这样油就以低黏度的OIW乳状液产出。在AS注入稠油的微模型研究中观察到这一乳化反应,但是在岩心驱替产出的流体中没有观察到实际的OIW乳状液。因此,对于流动的OIW乳状液而建议的机理是它们首先在含水相中弥散、携带,然后重新聚集形成一个油带。

当OIW乳状液或WIO(油包水)乳状液形成时,液滴的乳化和圈闭就能提高原油开采率。甚至在低的表面张力条件下,这些液滴可能通过多孔介质中的毛细管力圈闭,压力驱替这些液滴是很明显的。如果这些乳状液液滴能够在黏性指进的过程中堵塞水道,那么波及效率就能提高。很多专家都已经注意到,在黏油系统中,改进波及效率比降低微观剩余油饱和度有着更重要的影响。

4 润湿性和稠油开采

碱或表面活性剂注入多孔介质的另一个作用是能够吸附于岩石上,改变岩石的润湿性。通常,在具有相反电荷的岩石和表面活性剂油藏中,表面活性剂的吸附作用将得到促进。然而,即使具有相同电荷的表面活性剂和岩石,一些吸附和润湿性改变也会发生。在常规系统中,将油藏改变为亲油状态会导致油膜排水并改善流动,然而在稠油系统并非如此。在稠油油藏中,水突破后的原油开采是由于水的渗吸,因此油藏必须是亲水的。如果化学剂注入改变了润湿性,油就会黏附于岩石表面,那么AS注入后的进一步注水就不再可行了。

对油藏润湿性的了解是解释化学剂注入效果的基础,然而这个参数是不容易测量的。通常,必须要做个假设,因为砂岩是天然亲水的,所以油藏就倾向于亲水。亲水性可以通过薄膜稳定性的理论计算得以证实,然而只有少量实验证实砂岩一直是亲水的。监测润湿性和润湿性变化都是必要的。

如果稠油系统中乳化作用对提高原油采收率有影响,那么岩石润湿性对形成乳状液的作用就应该考虑。接触角分析对多孔介质中流体不容易解释,因为孔隙不是平面。因此,在该研究中,弱场NMR用于了解AS注入过程中润湿性是如何变化的。

5 通过去离子AS注入提高原油采收率

在全液研究中,据观察当去离子 (DI)水中出现化学剂时,OIW乳状液就会形成。然而,当含水相含有水和2%(质量分数)的NaCl(盐水)时,只有黏性的WIO乳状液形成。因此,通过注入去离子AS溶液,预计OIW乳化作用就会发生,而盐水-AS注入会产生WIO乳状液。这个作用在产出液和地层油和水的NMR图谱中都得到了证实。图1显示了AS注入的注入压力剖面和采油剖面的一个实例。在注水早期,以稳定的速率注水,但黏性的油不能以相同的速率产出,压力在岩心中建立。最终水将通过出口指进,当水可以通过水道快速流动后,压力快速下降。在注入大约5孔隙体积 (PV)水后,AS注入 (0.1%的表面活性剂, 0.5%的Na2CO3的去离子水)以相同的速率开始。AS溶液注入后,岩心受到增长压力的影响。由于岩心中压力增加,产出液主要是水。当压力达到最大值后,出水量降低,原油采收率提高。

图1 AS注入后进行注水的压力和采收率剖面图 (RF=采收率系数)

在以较高的速率注入到低渗透率多孔介质的过程中,流体剪切范围较高。在较高的剪切条件下,较小的乳状液液滴形成并且可以通过岩石孔隙流动。在这些条件下,对实际产出的OIW乳状液进行了测量。当油作为一种OIW乳状液产出后,乳状液中的油馏分相对较少。相比之下,在较低的剪切条件下,当油滴不能通过岩石孔隙时,油就会堵塞水道,就会导致流路的重新分布及额外的原油开采。

早期的工作观察到,更有效的AS注入具有较低、有效的AS溶液与黏油的流度比。图2显示了较低AS注入速率引起了较低有效流度比的注入,产生了更有效的原油开采。试验结果证明,较低的无因次剪切值反应出较低的有效流度性比并改善了整个注入动态。岩心驱替的结果证明,最理想的原油开采效果来自于液滴的乳化作用和圈闭而不是由于携带和流动。

图2 最小有效流度比和AS驱效果之间的关系

6 AS注入过程中的润湿性变化

除了要评价降低AS注入速率对无因次剪切和注入效率的影响,第二个目的是要利用弱场NMR监测油和水在地层中的位置。砂岩不含氢,因此NMR信号只能来自于岩心中的油和水。然而,流体张弛时间由流体特性 (如黏度)及流体所在孔隙空间的表面积/体积比控制。

试验证明在化学剂注入过程中不断地形成了WIO乳状液,并且这些乳状液至少部分地反应出这些注入过程中测得的压力响应。然而,注水图谱分析显示,即使观察到的WIO乳化作用水平较低,岩石仍然是亲水的。而且,表面活性剂吸附是一个随时间变化的过程;因此,在较慢的AS注入过程中或岩石接触表面活性剂较长时间的情况下,润湿变化的可能性就会增长。所以,对最低注入速度 (0.045 m/d)的DI-AS注入进行了更详细的分析。在这个注入速度下,1 PV注入需要大约120 h。因此,提供给了表面活性剂吸附和可能的润湿性变化更长的时间。

在低速稠油注水过程中,渗吸是主要采油机理,薄膜中的含水饱和度随时间增长。水膜增厚是岩石亲水特性和渗吸过程的证明。如图3所示,DI -AS流体注入后,岩心中压力升高,界面水的体积下降并且WIO乳状液增加。因此,存在于孔隙中的水在油中被乳化了。在图3中,另一个对系统润湿性的观察是通过水膜饱和度测试获得的。在注水过程中所做的直接观察中,注入的水膜饱和度始终是恒定的,因此,没有注入流体能够通过水膜流动。

图3 低速DI-AS注入过程中水饱和度在不同位置的变化

在DI-AS注入的后期,如果岩石已经是亲水的并且WIO乳状液已经形成,那么进行其他的盐水-AS注入或注水将是无益的。盐水-AS注入将要设计产生一个具有较高WIO乳状液水平的亲水岩心,这种情况在低速DI-AS注入后已经存在了。同样,在稠油注水开发过程中由于水的渗吸油被采出,这个机理就不再存在于油湿岩心或低IFT的岩心中。为进行更深入的调查,在DI-AS注入后进行注水。

岩心仍然含有表面活性剂溶液,所以注水响应只有当表面活性剂从系统中冲刷出来后才能确定。为了快速排出表面活性剂,DI水以接近1 PV的一个相对较快的前缘速度 (0.27 m/d)注入。在这一过程中,低渗透率岩心中压力明显提高,这会引起很高的无因次剪切。于是,油像OIW乳状液一样产出,这会引起产量2%OOIP的额外增长。注水前缘速度被低到0.045 m/d后,岩心中的压力快速下降。在大约2 PV的水注入后,系统压力更低并且表面活性剂也已经被从岩心中冲刷出来。在这点上,注水响应可以确定。

在下一个2.5 PV的水注入后,只有额外1%的OOIP采出。因此,注水明显比在DI-AS注入前效率减少,再一次表明了一个更亲油的条件。在大约5 PV的水注入后,在同一注入速度下,一种表面活性剂驱油方式形成。表面活性剂单独不能影响低的IFT,但是在全液研究中,它使玻璃更加亲水;因此,表面活性剂注入可以恢复岩石最初的润湿性。在考虑不同位置 (乳状液、孔隙和薄膜)的水饱和度时,就会很好地了解注入响应。在注水过程中,WIO乳状液饱和度缓慢降低,界面 (孔隙)水饱和度增加。因此,低速的注水会突破乳状液并再次形成水道,导致没有额外的油产出。注入0.1%表面活性剂溶液,观察到了同样的趋势。然而,建议关闭岩心后注入,界面水饱和度急剧增加并且乳状液饱和度降低到0。同样,还测得水膜饱和度增加。

现在还不知道为什么盐水-AS溶液不能将润湿性转化为亲油条件。相反,这个溶液看起来可以通过水道简单地循环,基本上没有额外的油产出。然而,在表面活性剂注入和侵润或可能的长期低速注水的条件下,岩心可能恢复到它的亲水状态。因此,额外的注水开采也许是可行的,这是未来研究的重点。

资料来源于美国《J PT》2009年1月

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.9.008

2009-05-04)