三元体系的界面特性对驱油效率的影响机制

程杰成,夏惠芬,马文国,丁玉敬

(1.大庆油田有限责任公司,黑龙江大庆 163453;2.东北石油大学教育部提高油气采收率重点实验室,黑龙江大庆 163318; 3.大庆油田第二采油厂,黑龙江大庆 163414)

三元体系的界面特性对驱油效率的影响机制

程杰成1,夏惠芬2,马文国2,丁玉敬3

(1.大庆油田有限责任公司,黑龙江大庆 163453;2.东北石油大学教育部提高油气采收率重点实验室,黑龙江大庆 163318; 3.大庆油田第二采油厂,黑龙江大庆 163414)

大量实验表明,不同碱浓度、相同界面张力的三元驱油体系的驱油效果不同。除了体系黏弹性差异之外,影响驱油效果的因素还可能与界面黏弹性有关。针对这一现象,分别使用相同界面张力、不同界面黏弹性的三元复合体系和相同界面黏弹性、不同界面张力的三元复合体系进行微观驱油实验,通过实验分析油水界面黏弹性、界面张力对驱油效率的影响机制。结果表明:三元体系的界面张力、界面黏弹性均对驱油效率有影响,降低界面张力和界面黏弹性均有利于残余油乳化及驱油效率的提高;三元体系的界面张力低、界面黏弹性低,驱油效率高;随着界面张力和界面黏弹性的降低,三元复合体系对残余油的乳化作用由乳化油滴向乳化油丝转变。上述规律与贝雷岩心实验结果一致。

界面张力;界面黏弹性;微观驱替实验;驱油效率

Key words:interfacial tension;interfacial viscoelastic characteristic;microscopic oil displacement experiment;oil displacement efficiency

基于毛管数理论,吕平[1]通过理论和实验研究得到大幅度提高采收率需要油水界面张力达到超低的结论,在此基础上,夏惠芬等[2]通过增加驱油体系黏度,界面张力达到1×10-2mN/m就可以大幅度提高采收率;陈中华等[3]认为平衡界面张力不必达到1×10-3mN/m数量级,只要瞬间界面张力达到超低就可以大幅度提高采收率。毛管数理论认为相同黏度和相同界面张力的三元体系在相同的驱替条件下驱油效果是相同的,但不同碱浓度、相同界面张力的三元驱油体系的驱油效果不同。对三元复合驱过程中的乳化等现象涉及界面的动态变化过程,仅仅用界面张力或吸附之类的平衡状态描述是不合理的。事实上,对于此类动态过程,界面对扰动的反应或是其趋向于平衡的途径比平衡本身更为重要,因此对非平衡情况下体系的界面性质和规律的研究显得更为重要[4]。界面黏弹性反映的是界面膜阻滞和恢复形变的能力。孙涛垒等[5]研究了伊朗重质原油中分离的两个不同平均相对分子质量的原油界面活性组分在正癸烷/水界面的扩张黏弹性行为以及温度对体系扩张黏弹性的影响。彭勃等[6]研究了伊朗重质减渣馏分油/水界面膜的扩张黏弹性。方洪波等[7]研究了胜利原油各组分对界面膜扩张流变性的影响。窦立霞等[8]研究了油-水界面扩张模量的测量,考察了测量过程中的控制因素。罗澜等[9]采用小幅低频振荡方法,研究了复合驱体系化学剂对原油活性组分界面膜扩张黏弹性质的影响和界面扩张模量及相角的变化规律。张磊等[10]研究了不同结构三取代烷基苯磺酸钠的表/界面扩张性质,得出磺酸根间位的长链烷基对表面扩张模量贡献较大,表面活性剂分子大小对界面扩张模量影响较大的结论。宋新旺等[11]研究了链长变化和疏水基支链化对烷基苯磺酸盐油水界面扩张黏弹性质的影响。司友华等[12]研究了大庆原油含氮组分的界面扩张黏弹性质。当前对界面扩张黏弹性的研究多为原油组分或体系中添加剂(表面活性剂、碱、聚合物等)对界面扩张模量的影响及振荡频率对界面扩张黏弹性的影响,笔者通过微观驱替实验,综合考虑界面黏弹性和界面张力分析其对驱替效率的作用机制。

1 实验材料及条件

(1)实验药品。聚合物:大庆炼化公司生产,相对分子质量1600×104;碱:氢氧化钠、碳酸钠,分析纯;模拟盐水的矿化度为508 mg/L;实验用油为脱气、脱水原油与航空煤油按一定比例配制的模拟油,黏度为10 mPa·s(45℃,˙γ=10 s-1);石油磺酸盐:有效含量41.2%;重烷基苯磺酸盐:有效含量50.23%。

(2)实验仪器包括TX500C界面张力仪,Tracker全自动液滴表面张力仪,微观可视化驱油系统,哈克RS-150流变仪,岩心驱油系统。

(3)实验岩心为玻璃刻蚀的仿真模型(4 cm×4 cm),贝雷岩心。

(4)实验温度为45℃(大庆油田地层温度)。

2 三元驱油体系界面特性和黏弹性

根据实验要求选取合适的三元复合体系,表1给出了三元复合体系的组成及界面张力稳定值。其中表面活性剂分别为重烷基苯磺酸盐和石油磺酸盐,聚合物质量浓度分别为1500和1680 mg/L。

使用TX500C界面张力仪测定表1中三元复合体系的油水界面张力,结果见图1(a)。通过改变表面活性剂和碱的含量和类型,使三元复合体系的界面张力分布在10-1、10-2和10-3mN/m 3个数量级。

利用Tracker全自动液滴表面张力仪测定油水界面模量。图1(b)给出了4个三元复合体系的界面模量曲线。界面黏弹性反映的是界面膜阻滞和恢复变形的能力[6],界面模量越小,越容易发生形变,测量时难度越大。在表1给出的三元复合体系中,体系4和体系6因为界面模量太小无法测量(使用振荡气泡法测量体系4、6的界面黏弹性时,由于界面模量太小,液滴在重力作用下迅速拉成油丝,无法测量),体系1、2、3、5的界面模量主要集中在5、10 mN/m。

表1 三元复合体系组成Table 1 Components of ASP solution

碱能够协同表面活性剂降低界面张力、与原油反应生成表面活性物质和溶蚀界面膜,这是其降低界面张力的原因[13]。加入碱后,溶液中电解质质量分数增大从而加强了表面活性剂分子在体相及界面间的扩散交换作用,降低界面黏弹性。体系4在体系3的基础上增加了碱的质量分数,界面张力和界面黏弹性都得到了降低。体系2和体系5改变了表面活性剂的类型,两个体系的界面张力和界面模量存在很大差别:表面活性剂使用重烷基苯磺酸盐的体系降低界面模量能力强而降低界面张力作用弱;表面活性剂使用石油磺酸盐的体系降低界面张力作用强而降低界面模量能力弱。这种差别与表面活性剂的结构及其在界面上的相互作用方式有关:表面活性剂分子在界面上吸附的浓度高,则界面张力降低的多;吸附在界面上的表面活性剂之间及表面活性剂与界面膜上其他物质之间的相互作用和弛豫过程决定了界面模量[10]。

油水界面性质方面,6个三元复合体系具有以下特点(使用高、中、低表示相对大小):体系1界面张力高,界面模量适中;体系2、3界面张力和界面模量都适中;体系5界面张力低而界面模量高,体系4、6的界面张力低,界面模量也低。

体系1、2、3可以构成界面张力不同而黏弹性相同的对比实验;体系4、5、6可以构成界面张力相同而界面黏弹性不同的对比实验。以上给出的6个三元复合体系在界面张力和界面黏弹性方面满足实验要求。

三元复合体系的黏度和黏弹性是体系的重要性质,提高体系的黏度可以扩大驱替相的波及效率从而提高采收率。使用哈克RS-150流变仪测定三元复合体系的黏度和黏弹性(图2)。表1中6个三元复合体系黏度比较接近。三元复合体系的黏度主要由聚合物质量浓度和碱质量分数决定,体系1～5聚合物质量浓度相同,体系1、2、3、5碱质量分数相同,最终体系1、2、3、5黏度相同,体系4、6黏度略小,但是差别不大(图2(a))。三元复合体系的黏弹模量与黏度的规律一致(图2(b))。6个三元复合体系体相流变性(黏度、黏弹性)相近,体系黏度对驱替结果的差别可以忽略不计。

图1 三元复合体系的界面性质Fig.1 Interfacial characteristic of ASP solution

图2 三元复合体系的流变性Fig.2 Rheology of ASP solution

3 实验现象分析

微观实验过程通过录像系统可以实时采集图片,根据多次实验的过程及结果,总结三元复合体系驱替残余油的机制。

3.1 残余油启动运移规律

针对表1中的6种三元复合体系,分别讨论界面黏弹性和界面张力对残余油的作用。

(1)相同界面黏弹性、不同界面张力的三元体系对残余油的作用。图3给出了体系1～3驱替过程中残余油启动运移的形式,体系1界面张力在10-1mN/m数量级,体系2、3界面张力在10-2mN/m数量级,3个体系的界面黏弹性相同。体系1驱替时残余油乳化作用最弱,体系2、3都能将残余油大量的乳化成油滴,由此可以得到在界面黏弹性相同的情况下,降低界面张力有利于乳化作用的发生。

图3 相同界面黏弹性、不同界面张力的三元体系对残余油的作用Fig.3 Effect of ASP solution with different interfacial tension and same interfacial viscoelastic on residuel oil

(2)相同界面张力、不同界面黏弹性的三元体系对残余油的作用。体系4、5、6界面张力都能达到超低,体系5的界面黏弹性大,体系4、6的界面黏弹性小。图4给出了3个体系驱替时残余油的启动运移情况:体系5乳化油滴少且大;体系4、6乳化的油滴小且多,同时出现了乳化油丝现象。说明界面张力相同的情况下,降低界面黏弹性有利于残余油乳化。

体系4、6使用了不同的表面活性剂与碱,体系的界面张力与界面黏弹性相近,在驱替过程中残余油的启动运移方式相近,说明改变碱型与表面活性剂类型后只要体系性质一致,其驱替残余油的机制相同。

图4 相同界面张力、不同界面黏弹性的三元体系对残余油的作用Fig.4 Effect of ASP solution with same interfacial tension and different interfacial viscoelastic on residuel oil

3.2 界面张力和界面黏弹性与残余油乳化的关系

三元复合驱时的一个显著现象是乳化,乳化油滴是三元复合体系将残余油一点一点采出的过程,由于这个过程是局部的,所以残余油受到的阻力要比整体启动时的阻力小很多,界面张力和界面黏弹性都对乳化作用有影响,残余油受到的黏滞力等作用足够克服界面张力时残余油才有可能发生形变,界面黏弹性决定了残余油形变大小和保持形变的难易程度。

通过微观驱替结果发现,三元复合体系对残余油的乳化随着界面张力和界面黏弹性的改变而改变。界面张力10-1mN/m数量级,界面黏弹性在3～4 mN/m之间的条件下,由于界面张力较大,形变发生的先决条件没有满足,残余油很难乳化(图3 (a));界面张力超低,界面黏弹性大于10 mN/m时油水界面膜可以发生形变,在高界面模量的作用下,形变很小并且很容易恢复原状,残余油的乳化作用微弱增强(图4(b));界面张力达到10-2mN/m并且界面黏弹性在3～4 mN/m的条件下,满足了界面膜发生形变的条件、形变的难度小、发生形变后不易恢复原状,形变超过一定的程度,在界面张力的作用下残余油极易乳化出油滴(图3(b)、(c));界面张力超低,界面黏弹性很小无法测量的条件下,油水界面膜极易发生形变,形变后基本不会恢复,油水界面张力低从而界面膜的收缩作用很弱,导致残余油在形变很大时也不会发生界面膜的断裂,表现为乳化油丝(图4(a)、(c))。

从三元体系2、3与体系5的对比中可以看出:界面张力达到10-2mN/m数量级的体系2、3的界面黏弹性较低,驱油过程中产生的小油滴较多,而超低界面张力的体系5因界面黏弹性较高,驱油过程中产生的油滴较大,如图3(b)、(c)与图4(b)所示。说明界面张力和界面模量影响三元复合体系对残余油的乳化作用,界面张力和界面模量越低,乳化作用越强。

4 驱替效率分析

4.1 微观驱替结果对比

三元复合驱结束后残余油分布见图5、6。

4.1.1 不同界面张力

(1)界面黏弹性相同。图5给出了不同界面张力、相同界面黏弹性的三元体系驱后残余油分布状况。10-1mN/m界面张力的体系1驱替后残余油量较多,10-2mN/m界面张力的体系2、体系3驱替后残余油量较少,表明降低三元复合体系的界面张力有利于提高驱油效率。

(2)界面黏弹性不同。对比三元体系2、3与体系4、5、6的驱油后的残余油量可以看出:三元体系的界面张力低于10-2mN/m数量级后,界面黏弹性低,残余油量少,表明低界面张力的三元体系的界面模量低,驱油效率好。

图5 不同界面张力、相同界面黏弹性的三元驱后残余油分布Fig.5 Distribution of residual oil after ASP flooding of different interfacial tension and same interfacial viscoelastic

图6 相同界面张力、不同界面黏弹性的三元驱后残余油分布Fig.6 Distribution of residual oil after ASP flooding of same interfacial tension and different interfacial viscoelastic

4.1.2 相同界面张力、不同界面黏弹性

图6给出了界面张力相同(10-3mN/m)、界面黏弹性不同的三元复合驱后残余油分布状况。体系4、6在驱替结束后残余油量少,体系5驱替结束后残余油量多。因此,降低界面黏弹性有利于水驱残余油的采出。

4.2 界面张力和界面模量与驱替效率的关系

根据毛管数理论,保持驱替相流速和驱替相黏度一定的情况下,驱替相的界面张力相同则驱替效率近似,驱替相的界面张力越低则驱替效率越高。在实验过程中出现了毛管数理论解释不了的情况:界面张力超低的一种三元复合体系的驱替效率比界面张力在10-2mN/m数量级的三元复合体系的驱替效率低,并且界面张力相同(10-3mN/m)的三元复合体系的驱替效率不相同。

通过微观驱替结果发现三元复合体系的驱替效率受残余油乳化作用强弱的影响。乳化作用很弱或无乳化时,残余油驱替以整体启动运移为主,启动运移过程中受到的阻力大,驱替效率低;残余油乳化作用较强,可以乳化出油滴时,乳化出的油滴在从残余油断裂之前会拖拽滞留的残余油,残余油的驱替以乳化携带为主,驱替效率很高(图5(b)、(c));乳化作用很强时三元复合体系乳化残余油形成油丝。

因此,界面张力和界面黏弹性在残余油驱替过程中存在协同作用,两者共同决定乳化作用发生的难易及强烈程度,单纯的低界面张力或低界面模量的三元体系对残余油的乳化作用都较弱,而乳化作用对最终三元复合体系的驱替效率有影响,从而界面张力和界面黏弹性可以影响三元复合体系的驱替效率。

4.3 不同界面黏弹性的三元体系在贝雷岩心中的驱油效果

分析表明,驱油体系的界面黏弹性在驱油过程中起着非常重要的作用。利用聚合物(相对分子质量为1600×104)、石油磺酸盐(质量分数为0.3%)和重烷基苯磺酸盐表面活性剂,分别配制不同碱类型、相同界面张力数量级、不同界面黏弹性的等黏度(40 mPa·s)三元体系,在贝雷岩心中进行驱油实验。注入段塞为:0.3VP三元+0.2VP的聚合物保护段塞(黏度为40 mPa·s,VP为孔隙体积);均质贝雷岩心的规格为4.5 cm×4.5 cm×30 cm,孔隙度、渗透率见表2。

4.3.1 实验步骤

①选取岩心;②将岩心抽空4 h,饱和地层水,测量孔隙体积;③将岩心置于45℃恒温箱中加热15 h;④岩心饱和原油,饱和完后将岩心置于45℃恒温箱中加热20 h;⑤水驱油至出口含水率达98%时结束,计算水驱后的驱油效率;⑥注入三元溶液0.3VP+聚合物溶液0.2VP;继续水驱至出口含水率达98%时结束,计算化学驱的驱油效率。

4.3.2 实验结果与分析

表2给出了贝雷岩心中注入不同三元体系下的驱油实验结果。在不同的碱质量分数条件下,三元体系的界面黏弹性不同,碱质量分数低的三元体系的界面黏弹性较高。由表2可知,碱质量分数为1.2%的三元体系的驱油效果均好于低碱质量分数的三元体系的驱油效果,说明界面黏弹性低的驱油体系可以获得较好的驱油效果,而界面张力低但界面黏弹性高的驱油体系的驱油效果低,进一步说明低界面黏弹性在驱油中的作用非常重要。

表2 不同界面黏弹性的三元体系的驱油效果Table 2 Flooding oil efficiency of ASP solution with different interfacial viscoelasticity

5 结 论

(1)毛管数理论不能完全解释三元复合体系提高采收率的原因,三元复合体系乳化残余油的作用对驱替效率产生影响,而界面黏弹性和界面张力在残余油乳化中起重要作用。

(2)随着界面张力和界面黏弹性的降低,残余油乳化作用增强,乳化形式从乳化油滴向乳化油丝转变。

(3)界面张力低于1×10-2mN/m后,降低界面张力和界面模量均有利于残余油乳化及驱油效率的提高。

(4)低界面张力、低界面黏弹性的三元体系的驱油效率高,界面黏弹性在驱油中的作用不能忽略。

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(编辑 刘为清)

Mechanism of interfacial characteristics of ASP-system on oil displacement efficiency

CHENG Jiecheng1,XIA Huifen2,MA Wenguo2,DING Yujing3
(1.Daqing Oilfield Limited Company,Daqing 163453,China; 2.Ministry of Education Key Laboratory for Improving Oil and Gas Recovery in Northeast Petroleum University, Daqing 163318,China; 3.2nd Oil Production Plant of Daqing Oilfield,Daqing 163414,China)

It is known that the effect of alkaline/surfactant/polymer(ASP)compound solution with the same interfacial tension at different alkali concentrations on residual oil is different.In addition to the difference of the ASP-solution viscoelasticity,factors affecting oil displacement efficiency could also be related to the interfacial viscoelasticity.In view of this phenomenon,the influences of ASP-system with the same interfacial viscoelastic modulus but different interfacial tension and the same interfacial tension but different interfacial viscoelastic modulus on residual oil displacement efficiency were studied using microscopic oil displacement experiment.It is indicated that the interfacial viscoelasticity and interfacial tension make contribution to the residual oil displacement efficiency.The ASP-system with low interfacial tension and low interfacial viscoelasticity has high oil displacement efficiency.Reducing interfacial viscoelasticity and interfacial tension plays an important role in enhancing oil displacement efficiency.The emulsification effect for the residual oil changes from emulsified oil droplets to emulsified oil silk along with the decrease of interfacial tension and interfacial viscoelastic modulus.The results of displacement experiment in Berea Rock Core are in agreement with the above understanding.

TE 357

A

1673-5005(2014)04-0162-07

10.3969/j.issn.1673-5005.2014.04.024

2013-12-01

国家自然科学基金项目(51374076)

程杰成(1962-),男,教授级高工,博士,主要从事油田提高采收率原理与技术方面的研究。E-mail:xiahuifen1948@126.com。

程杰成,夏惠芬,马文国,等.三元体系的界面特性对驱油效率的影响机制[J].中国石油大学学报:自然科学版,2014,38(4):162-168.

CHENG Jiecheng,XIA Huifen,MA Wenguo,et al.Mechanism of interfacial characteristics of ASP-system on oil displacement efficiency[J].Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2014,38(4):162-168.