普通稠油化学驱用表面活性剂研究

李隆杰,朱 杰,毛 源

(1.中国石油大学(华东) 石油工程学院,山东 青岛 266580; 2.中石化胜利油田 河口采油厂,山东 东营 257299)

引言

地层温度下黏度低于3 000 mPa·s的普通稠油可以采用注水方式开发。由于水油流度比高,注水开发过程中通常很快出现水窜问题。化学驱是高含水期注水开发稠油油藏重要的接替技术之一。该技术通过在水中加入表面活性剂提高洗油效率,通过加入聚合物提高波及系数[1]。在常规原油化学驱中,界面张力是筛选表面活性剂的重要指标。通常认为油水界面张力降至10-3mN/m数量级,使毛管数提高至10-2,可大幅度提高残余油的驱替效率[2],但进一步研究发现,同样能够达到超低界面张力的表面活性剂,驱油效果却有较大差异,这是因为表面活性剂的驱油机理除与有效降低油水界面张力有关外,还与乳化、润湿反转等界面现象[3-5]有关。大庆油田物模实验结果表明,注入ASP(碱/表面活性剂/聚合物)段塞后,岩心出口端流出物出现乳化时,其提高采收率幅度比未乳化的高5%～6%[6],由此可见,乳化作用对低界面张力体系驱油的重要性。对于水驱后的稠油而言,残余油不仅是由毛管阻力,更是由水的指进造成的[7]。因此,水驱后稠油油藏采收率的提高,应强化表面活性剂的乳化能力[8-11]。通过快速乳化,可以提高驱油剂对残余油的剥离能力;乳化形成的乳状液,可以通过捕集提高后续流体的波及系数。本文选取胜利油田孤东区块普通稠油作为实验油样,拟系统研究界面张力、乳化性能以及润湿性能对驱油效果的影响,从而为普通稠油化学驱驱油体系的设计提供指导。

1 实验部分

1.1 实验仪器、药品与材料

主要实验仪器:DTS-4C型石油密闭脱水仪(中国石油大学石仪科技实业发展公司)、WZS-1型阿贝折光仪(上海光学仪器厂)、DV-Ⅱ+Pro型旋转黏度计(AMETEK Brookfield)、Texa-500型旋滴界面张力仪(美国德州大学)、DSA100型视频光学接触角测量仪以及稠油驱替装置(海安县石油科研仪器厂)。

药品:油酸酰胺丙基羟磺基甜菜碱(OHSB,有效含量为22%)、油酸酰胺丙基甜菜碱(OAB,有效含量为35%)、脂肪醇聚氧乙烯醚羧酸盐(AEC,有效含量为28%)、烷醇酰胺(6501,有效含量为30%)等,均为工业品,实验过程中所用到的上述药品均按照有效含量进行相关折算。

本文所用的原油为胜利油田孤东稠油,实验前原油需要经过石油密闭脱水仪进行脱水处理,原油的基本性质如下:7.34 s-1下50 ℃时的黏度为820 mPa·s、原油酸值为0.805 mg/g、密度为0.961 5 g/cm3;实验用水为去离子水配制的模拟地层水,其具体离子组成见表1;实验用模拟地层砂的配比见表2。

表1 模拟地层水组成

表2 模拟地层砂的组成

1.2 实验方法

1.2.1 油/水界面张力测定

采用旋滴法测定油水界面张力,实验温度为50 ℃。

1.2.2 表面活性剂乳化性能评价

(1)分散稠油能力评价

配制不同质量分数的表面活性剂溶液,与孤东脱水原油按质量比7∶3进行混合,密封放置在50 ℃恒温箱内,2 h后取出,轻轻倒置试管几次,观察油水混合情况。

(2)乳化速率评价

采用乳化最小转速定量表征表面活性剂乳化稠油的难易程度。乳化最小转速由德国PHysica Messtechnik Gmbh公司的PHYSICA RHEOLAB MC1改造而成的装置测得。测定方法如下:向玻璃容器中加入一定体积的表面活性剂溶液,再加入10 mL已预热至50 ℃的脱水稠油;50 ℃预热10 min后,以一定速率启动搅拌,考察原油能否在10 min内完全分散进入水相。若原油能在10 min内分散进入水相,则将转速降低25 r/min继续实验;否则,将转速提高25 r/min继续实验,直到找出能使原油在水中分散所需的最小转速,以此来表征表面活性剂对原油的乳化能力[12]。乳化速率测定实验装置如图1所示。

图1 乳化速率测定装置

1.2.3 表面活性剂润湿性能评价

为评价表面活性剂改变润湿性的能力,可采用接触角法测定润湿角,具体实验步骤如下:

①用1%HCl浸泡载玻片2 h以上,用模拟地层水冲洗干净,然后放入干燥箱中烘干;

②用孤东原油浸泡载玻片24 h以上;

③用石油醚冲洗干净,烘干,用DSA100型视频光学接触角测量仪测定载玻片与蒸馏水之间的接触角;

④将载玻片浸泡在待测表面活性剂溶液中12 h,取出后烘干,再次测定接触角。

1.2.4 表面活性剂洗油能力评价

将模拟油砂浸泡在驱油剂溶液内,以测试静态洗油能力,具体实验步骤如下:

①将孤东原油与配制好的模拟地层砂按质量比1∶4混合,放入50 ℃恒温箱老化7 d,每天用玻璃棒搅拌1次;

②用模拟注入水配制质量分数为0.3%的驱油剂溶液100 g,搅拌均匀,取上层清液待测;

③称量5 g左右的油砂放入广口瓶中,记油砂和瓶总重为m1,精确至0.001 g;

④向广口瓶中加入50 g驱油剂溶液,放入50 ℃恒温箱中静置48 h;

⑤取出后用干净棉纱蘸出悬浮在溶液中和粘附在瓶壁的原油,倒出剩余的溶液,将广口瓶放在烘箱中烘干,称得剩余油砂和瓶质量为m2;

⑥往广口瓶中倒入适量石油醚,洗下砂砾上的残余油,反复洗脱,直到石油醚呈现无色。将洗脱完的广口瓶烘干,称得质量为m3;

根据

(1)

计算洗油率。式中:σ为洗油率,%;m1为广口瓶与未洗油砂的总质量,g;m2为广口瓶和洗油后剩余油砂的总质量,g;m3为广口瓶和干净地层砂的总质量,g。每个样品测2次,最终结果取算术平均值。若2个样品结果相差过大,需重新测量。

1.2.5 填砂管模型物理模拟驱替实验

驱油实验装置如图2所示。填砂管所用石英砂为80～100目,使用前需进行筛选、洗净、烘干。通过称量填砂前后填砂管和石英砂的质量计算孔隙体积。

填砂管物模驱替实验具体步骤如下:

①用模拟注入水测定填砂管渗透率;

②在50 ℃恒温箱内以0.05 mL/min的注入速度饱和原油,直至出口端没有水流出;

③将饱和完油后的填砂管放置于50 ℃恒温箱中老化48 h;

④一次水驱,驱至含水率98%以上,停止水驱;

⑤转注0.5 PV化学驱段塞;

⑥二次水驱,驱至含水率达98%以上, 停止实验。

1-平流泵; 2-中间容器罐; 3-阀门; 4-压力表; 5-计算机;6-填砂管; 7-去离子水; 8-恒温箱

2 结果与讨论

2.1 超低界面张力体系构建

界面张力是筛选驱油体系的重要指标,从毛管数的角度出发考虑,要求驱油体系能使油水界面张力降至10-2mN/m以下。传统的化学驱用表面活性剂以石油磺酸盐为主[13],对于稠油来说,因其中含有较多的石油酸,在石油磺酸盐中加入碱可以大幅降低油-水界面张力。但是,碱的加入会带来破乳、结垢等问题,所以20世纪末开始无碱化学驱研究[14-15],发现甜菜碱类表面活性剂、烷醇酰胺类表面活性剂具有较好的降低油水界面张力效果[16-21]。考虑到这些表面活性剂在砂岩表面吸附量较高[22],本文收集了碳链较长的油酸酰胺丙基羟磺基甜菜碱(OHSB)、油酸酰胺丙基甜菜碱(OAB)、烷醇酰胺(6501),然后将它们分别与脂肪醇聚氧乙烯醚羧酸盐(AEC)以一定的质量比复配来构建低界面张力体系。

(1)烷醇酰胺与醇醚羧酸盐复配

将烷醇酰胺与醇醚羧酸盐分别以质量比1∶1、1∶2复配,测定复合体系不同质量分数下的油水界面张力,结果如图3和图4所示。

图3 6501/AEC(1∶1)不同质量分数下的油水界面张力

图4 6501/AEC(1∶2)不同质量分数下的油水界面张力

由图3、图4可知,6501/AEC(1∶1)体系在质量分数0.075%～0.5%范围内均能将油水界面张力降至超低,随着复配体系质量分数升高,界面张力降至超低所需时间缩短;6501/AEC(1∶2)体系在质量分数0.075%～0.3%范围内可将油水界面张力降至超低,但是相同质量分数时降低到超低界面张力所需要的时间均比1∶1体系要长,且当溶液质量分数高于0.5%时,复配体系的油水界面张力先降低后升高。综合考虑,6501/AEC(1∶1)体系具有最佳降低油水界面张力效果。

(2)甜菜碱与醇醚羧酸盐复配

将油酸酰胺丙基甜菜碱(OAB)、油酸酰胺丙基羟磺基甜菜碱(OHSB)分别与脂肪醇聚氧乙烯醚羧酸盐(AEC)以质量比1∶1复配,测量它们与孤东原油的界面张力,结果如图5和图6所示。

图5 OAB/AEC(1∶1)不同质量分数下的油水界面张力

图6 OHSB/AEC(1∶1)不同质量分数下的油水界面张力

从图5、图6中可以看出,OAB/AEC(1∶1)的质量分数在0.05%～0.3%范围时与原油界面张力可达超低(<10-3mN/m);OHSB/AEC(1∶1)体系质量分数为0.05%～0.3%时,与原油界面张力能够降至超低(<10-3mN/m),质量分数为0.5%时,动态界面张力处于0.01～0.1 mN/m。对比两种复配体系,OHSB/AEC(1∶1)的有效用量更低。

2.2 乳化能力测定

通过界面张力筛选,最终得到3种能够达到超低界面张力的复配体系,分别为6501/AEC(1∶1)、OAB/AEC(1∶1)、OHSB/AEC(1∶1),下面对这些体系的乳化能力进行评价。

2.2.1 稠油分散能力测定

目前主要以乳状液黏度、外观颜色、稳定性等指标来描述乳化作用。Chiang等发现,浸在表面活性剂溶液中的石英表面的油滴会从球型变平,进而乳化成小油滴,于是他们将大油滴变成小油滴的时间定义为乳化时间,并由此来表征驱油剂的乳化能力[23]。2006年,Liu等将少量原油和驱油剂水溶液放在小瓶中,然后通过轻轻转动瓶子对油水体系施以扰动,在这一过程中如果油相能分散在水相中或水相发黑,则认为驱油配方容易乳化原油。通过该法筛选的配方对5种黏度为650～18 000 mPa·s的稠油水驱之后的采收率增值达20%以上[24]。本文首先借鉴Liu的方法,评价了不同低界面张力体系对孤东稠油的分散能力,结果如图7—图9所示。

图7 原油在不同质量分数的6501/AEC(1∶1)复合体系中的分散现象

图8 原油在不同质量分数的OAB/AEC(1∶1)复合体系中的分散现象

图9 原油在不同质量分数的OHSB/AEC(1∶1)复合体系中的分散现象

对比各组实验结果可以发现,虽然3个体系对孤东稠油都具有较好的降低油水界面张力的作用,但OAB/AEC复合体系对稠油的分散效果明显好于6501/AEC、OHSB/AEC,该体系质量分数提高至0.3%时,油相在未受外力时也能在水相中分散。

2.2.2 乳化速率测定

为了进一步定量表示表面活性剂乳化稠油的难易程度,设计了乳化速率测定装置,如图1所示。测定时,搅拌片的搅动作用通过水相逐渐传递到油相中。对于乳化能力强的表面活性剂,在低转速下即可观察到油相一层层分散进入水相,而对于乳化能力较差的表面活性剂,则需在足够高的搅拌速率下才可使原油一层层分散进入水相中。分别对上述实验中筛选出的3个体系按照实验方法进行乳化速率的测定,具体测定结果见表3。可以看出,0.3%OAB/AEC(1∶1)体系最容易将原油乳化。

表3 不同表面活性剂体系乳化性能对比

图10是测定0.3%OAB/AEC(1∶1)乳化速率时拍摄的图像。

图10 0.3% OAB/AEC(1∶1)乳化孤东稠油在不同搅拌时间的图像

在图10中,(a)为没有启动搅拌时的现象;(b)为搅拌17 s时,原油开始在表面活性剂水溶液中出现拉丝,油丝下移、变长,随着搅拌时间延长油丝不断分散开来; (c)为搅拌18.06 s时, 油丝越来越分散;(d)为搅拌26.04 s时,油丝分散成细小的颗粒进入水中,溶液变成褐色,致使油层下液面上移。由此可以看出,对于乳化能力较好的0.3% OAB/AEC(1∶1),开始搅拌时,油相的中下部会很快一层层分散进入水中(由于越远离搅拌片的地方,搅动作用越弱,因此剩余油的分散自然需要更长的时间)。

综合上述评价可以看出,在6501/AEC(1∶1)、OAB/AEC(1∶1)、OHSB/AEC(1∶1) 3个体系中,OAB/AEC(1∶1)对稠油的乳化分散能力最强,OHSB/AEC(1∶1)对稠油的乳化分散能力最弱。

2.3 洗油能力影响因素研究

2.3.1 洗油率测定

评价了3组超低界面张力体系6501/AEC、OAB/AEC、OHSB/AEC的洗油能力,并将其与单一表面活性剂AEC进行了对比,实验结果见表4。

表4 洗油能力实验结果

从表4可以看出,驱油体系6501/AEC(1∶1)对油砂的洗油效果最佳,洗油率超过50%;其次是OHSB/AEC(1∶1),洗油率达45.22%;OAB/AEC(1∶1)虽然可达超低界面张力,乳化稠油能力也强,但洗油能力不佳,洗油率仅有29.45%。洗油后油水外观如图11所示,洗油后的油砂外观如图12所示。

图11 洗油后油水外观

2.3.2 润湿性与洗油能力的关系

驱油用表面活性剂在流动过程中对储层的润湿性有着特殊的影响,它可以改变储层的润湿性。岩石润湿性会影响采收率,刘中云等通过研究发现,当岩心润湿性由亲水向亲油转变时,油相的相对渗透率开始下降,对比不同润湿类型的岩心驱替实验,结果表明弱亲水型岩心的水驱采收率要远高于强亲油型岩心[25]。根据接触角法测定驱油剂浸泡前后的载玻片表面接触角的变化,研究上述几种复配体系对载玻片润湿性的影响,实验结果见表5。

表5 不同复配体系浸泡后的载玻片与蒸馏水的接触角

表5结果表明,驱油剂处理过的载玻片与水的接触角发生了改变,说明这些体系不同程度地改变了载玻片的润湿性。原油处理过的载玻片与蒸馏水的接触角为80.63°,说明此时的载玻片是弱亲水的。6501/AEC(1∶1)和OHSB/AEC(1∶1)浸泡后的载玻片与水的接触角都低于浸泡前的载玻片与水的接触角,说明这两种体系增加了载玻片表面的亲水性,且体系的质量分数越高,润湿性的改变越大。OAB/AEC(1∶1)浸泡后的载玻片与水的接触角增大,且体系质量分数达到0.3%时,载玻片与水接触角大于90°,说明经过该体系处理过的载玻片的表面润湿性由弱亲水转变为弱亲油。油滴与载玻片的接触角不同时,其剥离过程也不同,具体情况如图13所示。从图13可以看出,当油滴与固体表面的接触角大于90°时,附着的油滴容易被完整剥离;当油滴与固体表面的接触角小于90°时,即使通过驱油剂的剥离作用,仍然会有一部分油滴残留在固体表面。

图13 不同接触角时的油滴剥离过程示意图

2.4 驱油能力评价

为了研究驱油剂体系各项性能与原油采收率之间的关系,利用前述筛选出的3种驱油剂体系进行相关驱油物理模拟实验。实验使用长30 cm、内径2.5 cm的填砂管进行驱油实验。具体的填砂管参数见表6。为模拟实际储层条件,整个实验过程在50 ℃恒温烘箱内完成,在饱和原油以及后续正常的驱油实验过程中,装有原油、模拟地层水或化学驱油剂等的中间容器罐预先在烘箱中放置48 h,以保证注入的液体与填砂管之间没有温度差。复合驱段塞设计初步采用0.5 PV的化学驱油剂段塞,后续跟进聚合物段塞,实验所用原油为孤东脱水后原油,原油基本性质见前述。

表6 填砂管参数

对1#～4#填砂管分别采用不同的驱油体系进行相关的驱油实验,具体驱油体系构成以及驱油实验结果见表7,其中4#填砂管化学驱时仅注入等量聚合物作为空白对照组。

表7 驱油体系组成及驱油实验结果

从表7可以发现,2#与4#采收率增值相近,说明2#体系中驱油剂的加入没有发挥明显作用。1#～3#驱油体系都可使油水界面张力达到超低,按照驱油的经典理论,这类体系往往可以获得较高的采收率,但具体实验时发现只有1#体系采收率较高。综合对比分析3种驱油剂的各项性能表征结果可以看出,界面张力低且在固体表面吸附后使润湿性保持亲水或弱亲水的表面活性剂,洗油能力最好,驱油效率最高。表面活性剂的洗油能力和驱油效率直接相关,而乳化能力和洗油能力、驱油效率没有必然联系。

3 结 论

(1)0.3%6501/AEC(1∶1)、0.3%OAB/AEC( 1∶1)、0.3%OHSB/AEC(1∶1)3组体系与原油界面张力均可达10-3mN/m数量级。

(2)油水界面张力测定以及表面活性剂郛化性能评价结果表明,表面活性剂的乳化能力与界面张力没有对应关系。3种超低界面张力体系中,乳化效果最好的是OAB/AEC(1∶1),其次是6501/AEC(1∶1),OHSB/AEC(1∶1)的乳化效果最差。

(3)填砂管驱油物理模拟实验结果表明,3种复配驱油体系6501/AEC(1∶1)、OAB/AEC(1∶1)、OHSB/AEC(1∶1)的最终采收率分别为56.20%、40.85%、48.34%,较一次水驱采收率分别提高29.81%、15.41%、20.81%。6501/AEC复配体系的最终采收率和采收率提高幅度最大。

(4)界面张力低、在固体表面吸附后使其润湿性保持亲水或弱亲水的表面活性剂,洗油能力最好,驱油效率最高。表面活性剂的洗油能力和驱油效率直接相关,而乳化能力和洗油能力、驱油效率之间没有必然联系。