稠油油藏化学驱采收率的影响因素

蒋 平,葛际江,张贵才,丁保东,刘晓玲

(中国石油大学石油工程学院,山东青岛266555)

稠油油藏化学驱采收率的影响因素

蒋 平,葛际江,张贵才,丁保东,刘晓玲

(中国石油大学石油工程学院,山东青岛266555)

采用烷基聚氧丙烯醚硫酸盐和羧基甜菜碱两类两性表面活性剂与碱复配构建具有不同界面张力特点的驱油体系,通过驱油试验评价不同体系对桩西稠油采收率的影响,采用微观驱替试验研究不同体系提高采收率的机制。结果表明:界面张力与采收率没有明显的对应关系;碱通过维持油、水、固三相接触点亲油性和降低油水界面张力,减弱驱替介质沿油与岩石之间的渗入,增强驱替介质从原油中心的突进和分散,提高驱替压力和波及体积;相比于碱和原油反应产生的表面活性剂,外加的表面活性剂亲水性较强,会增强固体表面的亲水性,导致驱油剂沿孔隙壁面突进;表面活性剂-碱体系与原油形成的细分散水包油型乳状液加剧了驱油剂的窜进,不利于提高波及系数;对于稠油油藏,化学驱体系的波及系数是提高采收率的关键因素。

稠油;提高采收率;碱驱;表面活性剂;界面张力

对稀油油藏,含有表面活性剂以及碱的复合驱油体系与原油达到超低界面张力时才能获得较高的采收率,能否达到超低界面张力为筛选复合驱油体系的主要标准[1-2]。对稠油油藏表面活性剂-碱驱的研究表明,复合驱油体系的乳化能力以及驱替过程中乳状液的类型对提高采收率起着重要的作用。两性表面活性剂耐温、耐盐,可适用于温度和盐含量较高的油藏,甜菜碱是一类重要的两性表面活性剂[3]。非离子-阴离子类两性表面活性剂由于对稠油具有较好的乳化效果[4-5],也被用于稠油化学驱的研究[6-8]。目前国内合成的非离子-阴离子两性表面活性剂中都仅含有氧乙烯链节,而氧丙烯链节具有弱亲油性[9-10],且有一定分支,笔者通过合成分子中含有氧丙烯链节的非离子-阴离子两性表面活性剂,对其进行稠油化学驱研究。

1 实验方法

化学驱理论认为驱油体系的界面张力越低,采收率越高,因此为了研究稠油油藏化学驱的影响因素,首先通过测定不同体系的界面张力,获得具有高、中、低界面张力的驱油体系,进而进行驱替实验以研究界面张力对稠油采收率的影响,同时还通过油膜收缩实验评价体系对固体表面的润湿反转能力。

1.1 实验仪器与药品

仪器:Texa-500界面张力仪,LB-100平流泵(北京卫星制造厂生产),精密压力表,电热恒温水浴锅,超级恒温水浴,分液U形管,岩心夹持器,手动加压泵,10 mL小试管若干,天平,游标卡尺等。

药品与材料:Na2CO3(分析纯),NaCl(分析纯),使用的表面活性剂主要是16AS-5-0、9AS-3-0、十六烷基羧基甜菜碱(16BET)、十六/十八烷基混合甜菜碱(16/18BET)等。表面活性剂结构见表1。

实验用原油为桩西106-15-X18井原油,地层温度为55℃,地层温度下地面脱气原油黏度为238 mPa·s,密度0.9302 g/cm3,酸值0.80,原油中胶质含量19.7%,沥青质含量0.835%。

表1 表面活性剂结构及代号Table 1 M olecular structure and code of surfactants

1.2 驱替流程

驱油物理模拟实验在人造岩心上进行。人造岩心为二维均质圆柱模型,长度为150 mm,直径为25.2 mm。

驱替实验步骤为:(1)室温下气测岩心渗透率;(2)将人造岩心在干燥器中抽空12 h,饱和蒸馏水,继续抽真空12 h,静置24 h,测孔隙体积;(3)室温条件下,用地层模拟盐水驱替饱和岩心10VP(VP为孔隙体积);(4)在地层温度下计算原始含油饱和度;(5)在0.1 mL/min的驱替速度下采用表面活性剂驱油至出口含水率98%以上,计算采收率。

2 采收率的影响因素

2.1 构建具有不同界面张力特点的驱油体系

为研究驱油体系性能与采收率的关系,针对桩西稠油构建了4类具有不同界面张力特点的驱油体系。

第一类主要有7个驱油体系:(A1)0.5%NaCl;(B1)0.25%Na2CO3+0.5%NaCl;(C1)0.5%Na2CO3+0.5%NaCl;(D1)0.75%Na2CO3+0.5%NaCl;(E1)1%Na2CO3+0.5%NaCl;(F1)2%Na2CO3+0.5%NaCl;(G1)0.1%16BET+0.5%NaCl。

界面张力随时间的变化曲线见图1(体系A1与原油的界面张力过大,超出了仪器的测量范围)。这一类驱油体系界面张力的特点是初始界面张力为0.01～0.1 mN/m,然后逐渐升高,在120 min时界面张力大于0.1 mN/m。

第二类主要有3种驱油体系:(A2)0.2%9AS-3-0+8.0%NaCl;(B2)0.1%16/18BET+0.5%NaCl;(C2)0.1%16AS-5-0+2.5%NaCl。界面张力曲线见图2,这一类驱油体系的平衡界面张力基本处于0.01～0.1 mN/m。16AS-5-0相比于9AS-3-0增加了亲油基碳链长度,因此活性剂在油水界面上的吸附速度较慢,界面张力随时间呈缓慢下降的趋势。

第三类主要有4种驱油体系:(A3)0.2%9AS-3-0+10.0%NaCl;(B3)0.5%9AS-3-0+10%NaCl;(C3)0.1%16/18BET+1%Na2CO3;(D3)0.1%16BET+0.1%Na2CO3。界面张力曲线见图3。这类驱油体系界面张力的特点是界面张力随着时间逐渐降低,最终达到超低界面张力(小于10-2mN/m)。

图3 第三类驱油体系界面张力曲线Fig.3 IFT curve of the third kind of flooding system

第四类主要包括2种驱油体系:(A4)0.1%9AS-3-0+0.5%NaCl+0.5%Na2CO3;(B4)0.0025%9AS-3-0+0.5%NaCl+0.5%Na2CO3。界面张力随时间的变化关系曲线见图4。这一类驱油体系界面张力的特点是初始界面张力为0.01～0.1 mN/m,然后界面张力迅速降低达到最低值,最低界面张力可以达到10-3mN/m数量级,随后界面张力迅速上升趋于稳定,整个界面张力曲线呈现V型。

图4 第四类驱油体系界面张力曲线Fig.4 IFT curve of the forth kind of flooding system

2.2 驱油能力的评价

为了确定动态界面张力与驱油效率之间的关系,采用上述16种体系进行了驱油实验,每个体系进行2～3次重复性实验,平均采收率见表2。

表2 驱油实验结果Table 2 Results of displacement experiments

从驱替实验结果可以看出:虽然第一类体系的界面张力较高,但是单纯碳酸钠体系的采收率最高,而0.1%16BET+0.5%NaCl的采收率低于盐水体系的采收率;第二类3种驱油体系的采收率都比较低,小于盐水的采收率;第三类和第四类体系的界面张力都可以达到超低界面张力,经典的驱油理论认为这一类体系应该可以获得较高的采收率,但是只有表面活性剂与碳酸钠复配后采收率较高,而表面活性剂与盐的复配体系采收率较低。

综上,碳酸钠体系的界面张力虽然较高,但其采收率最高。表面活性剂体系虽然可以达到超低界面张力,但其提高采收率的能力不如纯碱体系。因此,驱油效率与界面张力并没有明显的对应关系。

3 驱油机制分析

单纯碳酸钠体系对稠油的采收率最高,图5为采收率与碳酸钠质量分数的关系曲线。从图中可以看出,当碳酸钠的质量分数从0.25%增加到0.5%时,采收率从46.8%增加到69%,但继续增加碳酸钠的质量分数,采收率的增幅变小。

图5 碳酸钠质量分数对采收率的影响Fig.5 Influence of mass fraction of Na2CO3on oil recovery

Dong等[11]研究了加拿大阿尔伯特Brintnell油藏稠油化学驱技术,使用的原油在22℃时的黏度为1.266 Pa·s,原油酸值1.19,通过界面张力和乳化实验筛选出烷基醚硫酸酯盐作为驱油剂,采用填砂管驱油实验评价了不同含量的碱以及表面活性剂的驱油效果,主要采用高含量的碱配合低含量的表面活性剂,而其驱替试验结果中采收率最高的体系是0.3%NaOH+0.6%Na2CO3。再通过玻璃刻蚀的微观驱替实验研究了驱油体系注入模型后的流动规律,认为驱油剂如果能够进入油相,形成油外相体系(类似W/O型乳状液),可以起到液流转向的作用,提高波及系数和采收率。

Bryan等采用核磁共振(NMR)研究了碱/表面活性剂复合驱体系提高采收率的作用机制,NMR可以根据探测到的响应时间判断孔隙中流体黏度的变化,体系黏度越大,响应时间越短。在驱替过程中如果注入的AS体系能够增强岩石表面的亲油性,并与原油形成高黏度的W/O型乳状液(NMR探测到的响应时间更快),起到乳化捕集作用,表现为驱替压力明显升高,从而有效提高驱油剂的波及系数和采收率[12]。

笔者在实验中同样发现,碳酸钠体系在驱替过程中,驱动压力大于其他体系(见图6和7),并且驱油剂突破的时间较晚,突破后压力的下降速度较慢。

这都说明驱油剂并没有发生严重的窜进,并且在驱油剂突破后产出液中出现了大颗粒状的类似“油包水型”的乳状液,但是通过分析产出形态,认为这种产出液并不同于真正意义上的W/O型乳状液。在室内实验中将以上驱油体系与原油在试管中振荡很容易形成水包油型的乳状液,之所以在驱替过程中会出现类似“油包水”的体系是因为:根据界面密堆积原则,界面上表面活性剂的密度越高,界面张力相应越低;从碱水-原油的动态界面张力变化曲线可知,一旦原油和碱溶液接触,产生的表面活性剂开始扩散进入水相和油相;开始的时候,扩散过程比石油酸和碱的化学反应慢,使得油水界面产生的表面活性剂浓度迅速提高,此时油水界面张力较低;之后,化学反应减弱,界面上表面活性剂的扩散开始占优势,在油水界面上的表面活性剂的浓度开始降低,相应的界面张力开始升高,其中碱与原油生成的表面活性剂中亲油性较强的组分更容易向油相中扩散,从而在原油与岩石的界面上,岩石界面的亲油性增强,导致油水两相在驱替过程中流动规律发生改变。

为了直观验证碳酸钠体系驱替过程中油水两相的分布规律,采用玻璃刻蚀的微观模型进行了驱油实验,图8是采用盐水驱时的现象,图9是采用碳酸钠作为驱油剂时的现象,图10是采用碱-表面活性剂作为驱油剂时的微观驱替现象。

图8 盐水微观驱替过程中的现象Fig.8 Phenomenon of microcosmic displacement experiment for brine

通过微观驱替,可以发现以下规律:

(1)以盐水作驱油剂时,盐水主要沿孔道管壁窜进(图8(a)～(c))。当注入水在小孔道中连通后,残余油便被圈闭在较大的孔腔中(图8(d))。整个驱替过程中注入水一直是连续的。

(2)当碱水接触到原油时,碱水便“舌进”到原油中,形成外面包含一层油膜的水柱。该水柱以段塞的形式向前驱动油流,驱替前沿较为平整,无明显指进现象。当水柱经过小的孔道时,由于贾敏效应,液流速度明显变慢;当水柱流经配位数大的孔腔时,水柱便会分裂,形成小的水柱或水泡。由于油膜的存在,这些水柱或水泡较为稳定,从而在驱动过程中形成了油顶水、水推油的段塞流。上述机制可以解释岩心碱驱过程中表现出碱液突破慢、压力上升高的现象。而在驱替过程中形成的体系也并不是传统意义上的W/O型乳状液。

(3)当以碱-表面活性剂作驱油剂时,开始也会出现包有油膜的水柱,但不久后水开始沿孔道管壁窜进。此后驱油剂以上述两种形式向前推进,同时在窜进的水流中出现分散的油珠,即水包油乳状液。

对比上述碱驱和碱-表面活性剂驱的实验现象可以发现,碱-表面活性剂驱的效果之所以比碱驱差,可能是因为碱-表面活性剂驱过程中驱油剂沿孔道管壁窜进降低了驱油体系的波及系数。

综合驱油实验可以看出,与原油生成的表面活性剂具有较强的亲油性,可以使驱油剂进入油相,抑制驱油剂的窜进,提高驱油剂的波及系数和采收率;相比于碱与原油反应生成的表面活性剂,外加的表面活性剂亲水性较强,在剪切的作用下更容易形成低黏度的O/W型乳状液,加剧驱油剂的窜进,从而降低驱油效率。对于稠油油藏,界面张力并不是决定采收率的关键因素,提高驱油剂的波及系数才是提高采收率的关键指标。因此,应该增强表面活性剂的亲油性,使之与原生表面活性剂产生协同效应,从而有效地提高驱油剂的波及系数,抑制窜进,提高采收率。

4 结 论

(1)对于稠油油藏,采收率与界面张力没有明显的对应关系,界面张力不是决定采收率的关键指标,高界面张力体系同样可以获得较高的采收率。

(2)对于稠油油藏,提高波及系数是提高采收率的关键,碱通过维持油、水、固三相接触点亲油性和降低油水界面张力,减弱了驱替介质沿油与岩石之间的渗入,增强了驱替介质从原油中心的突进和分散,提高了驱替压力和波及体积。

(3)相比于碱与原油反应生成的表面活性剂,外加的表面活性剂具有较强的亲水性,会增强固体表面的亲水性,导致驱油剂沿孔隙壁面突进,而表面活性剂-碱体系与原油形成的细分散水包油型乳状液加剧了驱油剂的窜进,不利于提高波及系数。

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(编辑 刘为清)

Influence factor on oil recovery efficiency for chemical flooding of heavy oil reservoir

J IANG Ping,GE Ji-jiang,ZHANG Gui-cai,DING Bao-dong,L IU Xiao-ling

(College of Petroleum Engineering in China University of Petroleum,Qingdao266555,China)

The systems with different interfacial tension(IFT)were built using the amphoteric surfactant polyoxypropylene alkyl ether sulfate and carboxyl betaine and base synthesized.The effects of different systems on the heavy oil recovery in Zhuangxi Oilfield were evaluated using oil displacement experiments.Then the displacement mechanism for different systems were studied by micro-displacement test.The results show the oil recovery has no corresponding relationship with the IFT.The alkali could keep the oil-water-solid contactpointoil-wet and reduce the oil-water IFT to prevent the water from penetrating between the oil and solid.It makes the displacing agent flow through the oil,and enhances the displacement pressure and s wept volume.Compared to the surfactant produced by the reaction of crude oil and alkali,the surfactant with stronger hydrophilic could enhance the water-wet ability of the solid surface which makes the displacing agent penetrate on the solid.The finely dispersed oil in water emulsion formed by the surfactant/alkali system mixed with oil aggravates the inroads of the displacing agent and decreases the sweep efficiency. Improving the s weep efficiency of the chemical drive system is a key factor in enhanced oil recovery for heavy oil reservoirs.

heavy oil;EOR;alkali flooding;surfactant;interfacial tension

TE 357

A

10.3969/j.issn.1673-5005.2011.02.030

2010-09-23

国家高技术研究发展专项课题(2006AA06Z227)、(2007AA06Z201);新世纪优秀人才支持计划(NECT-07-0846);山东省自然科学基金项目(Y2006F50);中国石油大学引进人才科研基金项目

蒋平(1982-),男(汉族),山东垦利人,讲师,博士,从事采油化学和提高原油采收率研究。

1673-5005(2011)02-0166-06