高温高压润湿性及界面张力仪功能扩展的探讨与应用

刘宏生中国石油大庆油田有限责任公司勘探开发研究院（黑龙江　大庆　163712）



研究与探讨

高温高压润湿性及界面张力仪功能扩展的探讨与应用

刘宏生
中国石油大庆油田有限责任公司勘探开发研究院（黑龙江大庆163712）

高温高压润湿性及界面张力仪可以真实模拟油藏条件测量接触角和界面张力。为了使高温高压润湿性及界面张力仪可以测量二氧化碳与原油最小混相压力功能，增加了高温高压气体进样系统，改进了原有油相、水相进样系统，使其功能得到扩展。仪器功能扩展后可以测量二氧化碳与原油最小混相压力，相对细管实验测量二氧化碳与原油最小混相压力的方法，该方法简单、快速，同时仪器的测量精度和使用范围也得到了提高，可以测量常温凝固的稠油等样品的界面张力、接触角及最小混相压力，且仪器的清洗和操作更加简单。

高温高压；润湿性及界面张力仪；混相压力

石油是不可再生的能源，经济有效地开发现有油田是永恒的课题，水驱可以提高采收率三分之一到五分之一。我国各大油田均已处于水驱后期，但有半数以上的石油地质储量残留在地下[1-2]。需要开展有效的三次采油使我国石油产量增加10%～20%。三次采油中应用最广泛、最成熟技术是化学驱，而化学剂在油藏条件下的润湿性及界面张力等参数，决定了油藏中流体分布和流动状态，最终影响化学剂的驱油效果[3-4]。而化石燃料的燃烧排放大量二氧化碳，二氧化碳作为一种主要的温室气体对地球环境影响越来越大[5-6]。近年来，二氧化碳驱油技术成为绿色低碳战略的重要追求目标，而且还能提高低渗透油藏的原油采收率受到越来越多的重视。二氧化碳驱油的核心问题是最小混相压力的确定[7-8]。

润湿性及界面张力仪主要包括常温常压型、高温型、超高温型、便携型，其中高温高压型润湿性及界面张力仪能够真实模拟油藏条件测量接触角和界面张力。为了扩展高温高压润湿性及界面张力仪可以测量二氧化碳与原油最小混相压力功能，且可以使常温凝固的稠油等样品，实现顺利进样测量和测量，需要对现有设备进行改造。通过增加高温高压气体进样系统，改进原有油相、水相进样系统，使其功能得到扩展。

1　高温高压润湿性及界面张力仪性能及存在的问题

1.1高温高压润湿性及界面张力仪性能

高温高压润湿性及界面张力仪如图1所示。高温高压润湿性及界面张力仪主要由高温高压样品池、油相进样系统、水相进样系统、自动记录测量系统构成。高温高压样品池测量腔体容积为20cm3，两侧具有蓝宝石观察窗，最大工作温为120℃，最大耐压可达70MPa。水相样品通过手动泵加压进入高温高压样品池中。油相样品通过手动泵加压进入由底部插入高温高压样品池中的针头形成油滴。自动记录测量系统通过摄像头拍摄记录油滴形状，利用Young-Laplace公式计算油水界面张力。同时仪器可以测量油滴在水平或倾斜的岩石的表面测量接触角和表面能。接触角拟合方法有5种不同选择，分别是：切线法、θ/2法、液滴形状分析、椭圆拟合法、真实液滴法、Spline曲线拟合法[9]。高温高压润湿性及界面张力仪界面张力的测量范围0.01～2 000mN/m；其接触角测量范围是0°～180°，可读精度为0.01°。

图1　高温高压润湿性及界面张力仪示意图

1.2高温高压润湿性及界面张力仪存在的问题

高温高压润湿性及界面张力仪主要用于测定模拟油、烃类与驱油体系在高温、高压条件下的润湿性和界面张力。其中仅有高压样品池具有加热功能，而水相和油相进样系统不具加热功能。且水相和油相进样系统是样品装入敞口样品池，经高压手动泵加压进入高压样品池，这导致常温不流动样品不能实现进样测量，且仪器清洗困难。高温高压润湿性及界面张力仪没有配备高压气体进样系统，不能测量二氧化碳与原油的最小混相压力。

2　高温高压润湿性及界面张力仪的功能扩展

为了扩展高温高压润湿性及界面张力仪的功能可以测量二氧化碳与原油最小混相压力，且可以使常温凝固的稠油等样品，实现顺利进样测量，需要对现有设备进行改造。首先，增加高温高压气体进样系统，主要包括气体增压泵、活塞容器及加热控温系统；其次，改进原有油相、水相进样系统，在手动泵与样品池之间增加微型活塞容器，在微型活塞容器、管线及阀门等加装加热控温系统。改进后的高温高压润湿性及界面张力仪如图2所示。

高温高压气相进样系统主要包括气瓶、二氧化碳泵、活塞容器、活塞容器加热控温系统、集成化机架等部分（图2）。高温高压气体进样系统通过将钢瓶的二氧化碳注入活塞容器储存并加热，利用高压电动泵注入液压油到二氧化碳活塞容器内压缩二氧化碳到70 MPa。活塞容器加温系统采用高温橡胶筒式加热器加热，最高工作温度为120℃。水路管线及阀门主要采用恒温电热带及管线外套保温形式，恒温电热带恒温温度最高120℃。

结合高温高压润湿性及界面张力仪原说明书及仪器功能扩展原理编写了仪器工作原理及使用操作说明书，同时附加了仪器使用注意事项。使改进后的高温高压润湿性及界面张力仪使用更加安全、规范。

图2　改进后高温高压润湿性及界面张力仪示意图

3　仪器功能扩展后的应用

二氧化碳混相驱已成为一项重要且成熟的提高采收率方法，且可以减少环境污染，混相压力的确定是混相驱油的核心问题。

目前测量混相压力的方法如图3所示。国内外许多专家研究了确定最小混相压力的方法，包括理论计算和实验测定。但是，一般的理论计算精确度都不高，而实验测定方法具有较高的可靠性。实验测定方法包括细管实验、升泡仪法及界面张力法等。其中，界面张力法是通过直接测定注气相与地层原油间的界面张力来确定最小混相压力，既能观测到形成混相的状态，而且操作时间也较短。细管实验法被认为是最可靠的测量最小混相压力方法，但细管实验也有局限性，不能模拟黏性指进、重力超覆等因素，实验周期长，大约需要7～14天，且实验工作量大。升泡仪法是直接观察混相过程，测量周期短，1h可以完成测量，测量结果受人为因素影响严重。而界面张力法是通过直接测定注气相与地层原油间的界面张力来确定最小混相压力,既能观测到形成混相的状态,而且操作时间也较短，仅需5～6h。

3.1仪器功能扩展后具体应用

应用改进后的高温高压润湿性及界面张力仪测量了二氧化碳与大庆原油的界面张力与压力的关系曲线如图4所示。由于最小混相压力是界面张力为零时的压力，通过曲线外推可得到二氧化碳与大庆原油的最小混相压力。改进后的高温高压润湿性及界面张力仪测量的结果与彭宝仔等人做的结果相比较，得出的曲线变化趋势相近，说明仪器改造后测量的结果是准确可靠的[11]。

图3　CO2与原油混相压力测量方法

图4　表面活性剂对CO2与大庆原油混相压力的影响

由图4可知，表面活性剂在一定程度上可以降低原油混相压力。表面活性剂C14可以降低最小混相压力接近1MPa，而表面活性剂C18可以降低最小混相压力接近2MPa，这在理论上可以实现大庆油田二氧化碳混相区的实现，但在降低二氧化碳最小混相压力方面还需继续完善和研发新型添加剂。对高温高压润湿性及界面张力仪功能扩展为大庆油田二氧化碳驱油研究提供了有利的基础保障。

3.2仪器功能扩展应用效果分析

高温高压润湿性及界面张力仪的改造费用为30万元，增加了测量二氧化碳与原油混相压力的功能，可以减少引进二氧化碳混相装置，而二氧化碳混相装置价格一般为400万元。同时可以使常温凝固的稠油等样品，实现顺利进样测量，增加了仪器测量范围。因此，仪器改造的经济效益显著。

二氧化碳与原油最小混相压力如果应用细管实验方法测量，测量一个混相压力需要7～14天，价格为3 000元/个。而改进后的实验装置测量二氧化碳与原油最小混相压力仅需5～6h，价格为300元/个。按一年测量100个样品计算，节约测量费用27万元。最少节约测量时间638天，即节约人工成本为19.1万元。每年共节约费用46.1万元。仪器按使用年限10年计算可创造经济效益461万元。

4　结论

1)高温高压润湿性及界面张力仪功能扩展后可以测量二氧化碳与原油最小混相压力，相对细管实验测量二氧化碳与原油最小混相压力的方法，该仪器测量方法简单、快速。实际应用中可以使用该仪器预先优选最佳条件，对优选出的结果再进行细管实验进行对比，降低了工作量。

2)高温高压润湿性及界面张力仪功能扩展后可以测量常温凝固的稠油等样品的界面张力、接触角及最小混相压力，提高了仪器的测量精度和使用范围，同时仪器的清洗和操作更加简单。

[1]计秉玉.对大庆油田进一步开展三次采油技术研究工作的几点意见[J].大庆石油地质与开发, 2003,22(6):60-62.

[2]王德民.大庆油田“三元”“二元”“一元”驱油研究[J].大庆石油地质与开发, 2003,22(3):1-9.

[3]李洁,么世椿,于晓丹,等.大庆油田三元复合驱效果影响因素[J].大庆石油地质与开发, 2011,30(6):138-142.

[4]张蕾. CO2-EOR技术在美国的应用[J].大庆石油地质与开发, 2011,30(6): 153-158.

[5]蒋官澄,罗少杰,魏怡君,等.多孔介质润湿反转为优先气湿及气体润湿性[J].大庆石油地质与开发,2012,31(6):84-88.

[6]仵元兵,胡丹丹,常毓文,等. CO2驱提高低渗透油藏采收率的应用现状[J].新疆石油天然气, 2010, 6(1): 36-39.

[7]付宗委. CO2非混相驱影响因子的影响系数确定[J].石油工业技术监督, 2015,31(9):4-6.

[8]高超,王登稳,杨满平,等.油藏高含水阶段CO2水气交替驱研究及应用[J].石油工业技术监督, 2014,30(7):5-8.

[9] A.F. Stalder, T. Melchior, M. Müller, et al. Low-bond axisym⁃metric drop shape analysis for surface tension and contact an⁃gle measurements of sessile drops[J].Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 2010, 364(1-3): 72-81.

[10] A.F. Stalder, G. Kulik, D. Sage, et al. A snake-based ap⁃proach to accurate determination of both contact points and contact angles[J]. Colloids And Surfaces A: Physicochemi⁃cal And Engineering Aspects, 2006, 286(1-3): 92-103.

[11]彭宝仔,罗虎,陈光进,等.用界面张力法测定CO2与原油的最小混相压力[J].石油学报, 2007,28(3):93-95.

The high-temperature and high-pressure wettability and interfacial tension instrument can simulate the reservoir conditions and measure the contact angle and interfacial tension between oil and water. The oil and water sample injection systems of the instru⁃ment are improved and a gas sample injection system is added to the instrument in order to extent its function for the measurement of the minimum miscible pressure of carbon dioxide with crude oil. Compared with the carbon dioxide-crude oil minimum miscible pressure measurement method using slim-tube test, the measurement method using the improved instrument is convenient and fast, and of high measurement accuracy and wide measurement range. The improved instrument can be used to measure the interfacial tension, the con⁃tact angle and the minimum miscible pressure of the heavy oil sample solidifying at normal temperature, and its cleaning and operation is also very simple.

high temperature and high pressure; wettability and interfacial tension instrument; miscible pressure

国家科技部重大专项(编号：2011ZX05010-005)。

刘宏生(1979- )，男，硕士，工程师，从事三次采油研究。

本文编辑：尉立岗2015-12-14