复合碱三元体系与含CO2二类油层适应性研究

李柏林, 杨凤艳, 张莹莹

(东北石油大学化学化工学院,黑龙江大庆163318)

复合碱三元体系与含CO2二类油层适应性研究

李柏林, 杨凤艳, 张莹莹

(东北石油大学化学化工学院,黑龙江大庆163318)

针对大庆北一区断东二类油层强碱三元复合驱现场试验,分析了试验区中心井伴生气中CO2含量的变化趋势以及和三元液的化学作用规律,研究了氢氧化钠和碳酸钠复配三元体系的界面张力、黏度特性、驱油效率。其中HPAM质量浓度2 000 mg/L、重烷基苯磺酸盐质量分数0.3%、氢氧化钠质量分数0.8%、碳酸钠质量分数0.4%组成的复合碱三元体系(简称F21)综合性能较优。复合碱(F21)三元体系2 h的平衡界面张力低至6.5×10-3m N/m;复合碱(F21)三元体系的黏度比强碱体系增加28.5%,且三元体系黏度随复合碱强度减弱而升高;复合碱(F21)三元体系比水驱采收率提高24.4%,和强碱体系化学驱采收率接近;非均质模型化学驱采收率比均质模型降低2.4%。

三元复合驱; 复合碱; 界面张力; 黏度; 驱油效率; 非均质模型

大庆油田多个区块及层系的三元复合驱矿场试验证明,三元复合驱可在水驱的基础上提高原油采收率20%以上[1-4]。对于大庆低酸值原油,强碱三元体系中的氢氧化钠能有效降低油水界面膜的黏度和强度,提高三元体系的乳化能力,降低界面张力和黏附功。但使用强碱给现场试验带来许多问题,如采油和集输系统结垢、地层渗透率下降、注入和采出能力下降、聚合物溶液黏度降低、采出液破乳不彻底等系列问题[5-9]。针对强碱三元体系的诸多弊端,近年来弱碱三元体系驱油技术取得了长足的进展。大庆油田北二西弱碱(碳酸钠)石油磺酸盐三元复合驱矿场试验,试验过程中采出液含水率最低降至79.0%,原油采收率比水驱提高25.7%,在注入和采出能力、提高原油采收率等方面均优于强碱三元复合驱[10]。伍晓林等[11]研制的烷基苯磺酸盐和碳酸钠的复合体系具有较宽的超低界面张力活性范围,小井距矿场试验表明,该弱碱三元复合驱比水驱采收率提高了24.7%[12-13]。

大庆北一区二类油层强碱三元复合驱现场试验实施过程中,出现了采出液不见OH-,而HC和C含量大幅度上升的问题。原因是该区地层酸性气体CO2含量高,注入体系中的NaOH与油层中CO2发生反应而被大量消耗掉,并产生大量的HC和C。在三元体系碱度被弱化的条件下,仍取得了比水驱采收率提高24.5%的效果。本文模拟大庆北一区断东二类油层强碱三元复合驱现场试验条件,采用NaOH和Na2CO3复合碱的三元体系以适应富含CO2的二类油层,并研究了碱度弱化的复合碱三元驱油体系的性能。

1 实验部分

1.1 实验材料

岩心:钻取柱状人造均质岩心;实验用水:饱和模型水为人工盐水,矿化度为6 778 mg/L;三元体系用水为大庆北一区6#水站污水;实验用油:大庆一厂井口原油与煤油混合模拟油,45℃黏度9.5～10 m Pa·s;聚合物:抗盐型部分水解聚丙烯酰胺(HPAM),大庆炼化公司;表面活性剂:重烷基苯磺酸盐(S),大庆东昊公司;碱:氢氧化钠(NaOH)和碳酸钠(Na2CO3),分析纯,天津市大茂化学试剂厂。

1.2 实验仪器

TX-500C型旋转滴界面张力仪(美国科诺工业有限公司);Brookfield黏度计(美国Brookfield公司);Ruska泵(美国RUSKA公司);物模驱油试验装置(江苏海安石油科研仪器有限公司)。

1.3 驱油方案和三元体系组成

三元体系驱油性能测试参照SY/T6424—2000进行,实验温度45℃。化学段塞注入顺序为前置段塞、主段塞、副段塞和保护段塞,前置段塞均使用质量分数1 300 mg/L的HPAM,注入量均为0.037 5 PV;保护段塞均使用质量分数1 000 mg/L的HPAM,注入量均为0.2 PV;三元段塞大小及组成见如下方案,其中PV为岩心孔隙体积,表面活性剂和碱剂数值为质量分数。

方案1:强碱(QJ),三元体系中碱剂为NaOH。

(1)主段塞0.3 PV,组成(2 000 mg/L HPAM+ 0.3%S+1.2%NaOH);

(2)副段塞0.15 PV,组成(2 000 mg/L HPAM+ 0.2%S+1.0%NaOH)。

方案2:复合碱(F21),三元体系中碱剂为NaOH和Na2CO3,二者质量分数比为2∶1。

(1)主段塞0.3 PV,组成(2 000 mg/L HPAM+ 0.3%S+0.8%NaOH+0.4%Na2CO3);

(2)副段塞0.15 PV,组成(2 000 mg/L HPAM+ 0.2%S+0.66%NaOH+0.33%Na2CO3)。

方案3:复合碱(F11),三元体系中碱剂为NaOH和Na2CO3,二者质量分数比为1∶1。

(1)主段塞0.3 PV,组成(2 000 mg/L HPAM+ 0.3%S+0.6%NaOH+0.6%Na2CO3);

(2)副段塞0.15 PV,组成(2 000 mg/L HPAM+ 0.2%S+0.5%NaOH+0.5%Na2CO3)。

2 结果与讨论

2.1 三元驱过程中井口CO2含量分析

大庆北一区断东二类油层强碱三元复合驱现场试验开始注入三元液后,跟踪监测试验区中心井伴生气中CO2的体积分数随注入时间的变化,结果见图1。从井口取样分析结果看,由于微生物繁殖等原因,试验油层伴生气中CO2体积分数达到6.2%。注三元液的前2个月,三元液的前缘还没有到达中心井,伴生气中CO2体积分数基本不变。注三元液2个月后,伴生气中CO2体积分数快速下降。注三元液1年后,伴生气中CO2体积分数维持在一个较低的水平,伴生气中CO2体积分数最低达到0.54%。针对井口伴生气中CO2体积分数降低的现象,结合采出污水OH-质量浓度为0,而HC和C质量浓度大幅度上升的现象。综合分析其原因是酸性气体CO2和注入三元液中NaOH发生化学反应所致。

图1 伴生气中CO2含量随三元液注入时间的变化Fig.1 Variation of the CO2content in associated gas with time injected the ternary liquid

2.2 CO2与强碱三元体系作用

CO2与三元体系中的重烷基苯磺酸钠和部分水解聚丙烯酰胺之间不产生化学作用,其主要作用对象为氢氧化钠。2OH-+CO2→C+H2O⇌HC+OH-。向三元液中通入CO2,考察酸性气体CO2对三元体系水质的影响。强碱(QJ)三元体系以及碱性稍弱的复合碱(F21)三元体系中HC质量浓度随CO2通入时间的变化见图2。由图2可以看出,在前1 h内HC质量浓度较小,在1～3 h内HC质量浓度随时间的增加呈线性关系增大,强碱三元体系中HC质量浓度高于复合碱三元体系,但是到3 h后都逐渐趋于平缓。原因是,刚开始通入的CO2量少,可与三元复合体系中的强碱反应生成C,然后随着CO2的增多,与生成的C继续反应生成HC,当C完全转化成HC时,HC质量浓度就不再上升,这时三元复合体系中CO2达到饱和。强碱三元体系中HC质量浓度明显高于复合碱体系。

图2 HC质量浓度随CO2通入时间的变化Fig.2 Variation of the mass concentration of HCwith the time injected CO2

2.3 碱强度对三元体系动态界面张力的影响

French认为动态界面张力的最低值对三元体系的驱油效率有直接影响。动态界面张力的变化速率对驱油效率也有影响,一般认为,初期动态界面张力降低速率大,有利于原油的启动,形成油墙,能提高驱油效率。

强碱和复合碱三元体系的动态界面张力见图3。强碱(QJ)三元体系以及碱性稍弱的复合碱(F21)和复合碱(F11)三元体系的界面张力2 h内均能达到超低界面张力,其中,复合碱(F21)三元体系2 h的平衡界面张力达到6.5×10-3m N/m,和强碱体系在同一数量级,强碱体系初期动态界面张力降低速率较大。

2.4 复合碱三元体系的黏度

三元体系中聚合物的主要作用是控制流体的流度性能,扩大波及体积。固定体系碱的质量分数为1.2%,表面活性剂的质量分数为0.3%,改变聚合物的质量浓度,不同三元体系黏度随HPAM质量浓度变化关系见图4。相同聚合物质量浓度下复合碱三元体系黏度明显大于强碱体系,同等黏度时复合碱三元体系的聚合物用量明显减少,复合碱(F11)三元体系的黏度最大。聚合物质量浓度同为2 000 mg/L时,复合碱体系的平衡界面张力在满足超低的同时,复合碱(F21)三元体系的黏度比强碱(QJ)体系增加28.5%。

图3 三元体系动态界面张力变化曲线Fig.3 Variation of the dynamic interfacial tension of ASP flooding system with time

图4 三元体系黏度随聚合物浓度变化曲线Fig.4 Variation of the viscosity of ASP flooding system with polymer concentration

NaOH比NaCO3的相对分子质量小,NaOH质量分数大的三元体系的离子强度也大,其盐敏效应明显,离子对扩散双电层的压缩作用大,使HPAM链段的负电性减小,线性大分子蜷缩成无规线团,对水的稠化能力降低,造成三元体系的黏度降低;同时NaOH还会促使酰胺基继续水解,改变HPAM在水溶液中的分子形态,当水解度超过30%时,HPAM分子的物理降解速度加快,分子主链断裂,导致复合驱油体系的黏度急剧降低。综上分析,复合体系中的碱剂在起到降低界面张力等作用的同时,还会产生破坏复合体系黏性的负面作用,而复合体系的黏性可起到扩大波及体积,驱替水驱后残余油的作用[14-16]。

2.5 复合碱三元体系的驱油效率

按前述3个方案进行物模驱油实验,考察复合碱三元体系的驱油能力。3个方案相比较,区别在于NaOH在体系中的质量分数不同,驱油实验结果见表1。

表1 复合碱三元体系驱油实验结果Table 1 Experimental results of ASP flooding system

从表1可以看出,方案1水驱采收率为47.45%,化学驱采收率为24.35%,总采收率为71.8%。方案2水驱采收率为47.8%,化学驱采收率为24.4%,总采收率为72.2%。方案3水驱采收率为47.9%,化学驱采收率为23.5%,总采收率为71.4%。3种方案相比可以看出,复合碱(F11)三元体系化学驱提高采收率较低,不宜采用;方案2 (F21)和方案1(QJ)化学驱采收率提高幅度接近,且方案2略高。复合碱体系加入适量的弱碱碳酸钠,对化学驱采收率提高没有不利影响。

2.6 非均质性对复合碱三元体系驱油效率的影响

二类油层具有很强的非均质性,尤其纵向上的非均质性,会影响水驱和复合驱的开发效果。纵向上的非均质性导致注入的水或化学剂沿高渗透率层段突进,高渗透率层段过早水淹,而低渗透率层段的油气动用程度低和驱油效率低[17-18]。

实验选用渗透率分别为0.651μm2和0.229 μm2的两根岩心,采用并联组合方式,渗透率级差为2.84,其纵向非均质等效渗透率为0.386μm2,变异系数为0.56,组成纵向非均质模型,按前述方案2进行驱油实验,实验结果见表2。

表2 双管并联驱油实验结果Table 2 Experimental results of parallel devices flooding

从表2中可以看出,高渗透层水驱采收率为49.3%,化学驱采收率为25.5%,总采收率为74.8%。低渗透层水驱采收率为45.0%,化学驱采收率为17.9%,总采收率为62.9%。两者相比,可以看出,无论水驱、化学驱还是总采收率,高渗透层均比低渗透层高,说明渗透率对采收率有较大影响。综合来看,水驱采收率47.4%,化学驱采收率为22.0%,总采收率为69.4%。在并联非均质模型中,化学驱提高采收率幅度和单管均质模型相比均有所降低,岩心本身的渗透率直接影响水驱阶段的原油采收率,高渗透率岩心比低渗透岩心先见水,存在指进现象。

并联非均质模型的注入压力、采出程度和含水率变化曲线见图5。由图5可以看出,随着注入孔隙体积倍数的增加,在水驱阶段,采出液含水率先缓慢上升,然后快速升高到80%以上,再继续升高至98%。采出液含水率较低时,采出程度提高很快,当采出液含水率很高时,采出程度继续缓慢增加。采出液含水率上升和原油采出程度增加的同时,岩心含油饱和度降低,注入压力在达到最高值后缓慢下降,最后趋于平稳;在化学驱阶段,岩心内剩余油被快速启动,注入压力迅速升高,采出液含水率迅速降低,当采出液含水率最低时,注入压力达到最高值。经过化学驱阶段,原油采出程度明显增加;在后续水驱阶段,采出液含水率逐渐增加,注入压力降低至开始水驱水平后趋于平稳,原油采出程度不再增加。

3 结论

(1)复合碱(F21)三元体系2 h的平衡界面张力低至6.5×10-3m N/m。

(2)复合碱(F21)三元体系的黏度比强碱体系增加28.5%。

(3)复合碱(F21)三元体系比水驱采收率提高24.4%,和强碱体系化学驱采收率接近。

(4)非均质模型较均质模型化学驱采收率降低2.4%。

图5 并联模型注入压力、采出程度和含水率变化曲线Fig.5 Curves of injection pressure of parallel model, recovery percent and water cut

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(编辑 宋官龙)

Adaptability of ASP System with Composite Alkali to the Second-Class Reservoirs Containing CO2

Li Bailin,Yang Fengyan,Zhang Yingying
(Chemistry and Chemical Engineering,Northeast Petroleum University,Daqing Heilongjiang 163318,China)

For the industrial field test of ASP flooding containing NaOH in second-class reservoir which located in the east fault of Daqing north No.1 Zone,the variation trend of CO2content in the center oil well associated gas and the chemical interaction law of ternary system was analyzed.Interfacial tension,viscosity and oil displacement efficiency of the composite ternary system which consisted of sodium hydroxide and sodium carbonate were studied.Ternary system of composite alkali (F21 for short)which was composed of HPAM concentration of 2 000 mg/L,HABS mass fraction of 0.3%,sodium hydrate mass fraction of 0.8%and sodium carbonate mass fraction of 0.3%had a better comprehensive performance.Its equilibrium interfacial tension at 2 h was as low as 6.5×10-3m N/m.Its viscosity increased by 28.5%compared with strong alkali system and rised as intensity of composite alkali decreased.Recovery ratio of ternary system of composite alkali(F21 for short) improved by 24.4%compared with water flooding which was similar with strong alkali system chemical flooding.Recovery ratio of heterogeneous model chemical flooding decreased by 2.4%compared with homogeneous model.

Alkaline-surfactant-polymer flood;Composite alkali;Interfacial tension;Viscosity;Oil displacement efficiency; Heterogeneous model

TE357

A

10.3969/j.issn.1006-396X.2014.03.018

1006-396X(2014)03-0081-06

2013-07-03

2013-10-15

黑龙江省自然科学基金重点项目(ZJG0507)。

李柏林(1967-),男,硕士,副教授,从事油田化学方面研究;E-mail:dqlbl@163.com。