（化学工程专业论文）弱碱体系三元复合驱采出液分离技术及机理研究.pdf

大连理工大学博士学位论文 摘要 基于碳酸钠的弱碱体系三元复合驱具有对地层伤害低、采出液成分简单、井筒和采 出液地面处理设施结垢轻微的优势，近年来驱油剂配方研制和矿藏试验中越来越受到重 视。前期开展的有关三元复合驱采出液油水乳化、稳定和油水分离技术的研究主要集中 在强碱体系三元复合驱采出液，而对弱碱体系三元复合驱采出液的研究报道较少。因此， 对弱碱体系三元复合驱采出液进行油水乳化、稳定和油水分离技术的基础研究具有重要 的理论意义和实用价值。 本课题针对大庆油田北三西小井距试验区的弱碱体系烷基苯磺酸赫表面活性剂三 元复合驱采出液进行理化性质、油水乳化和分离机理的研究，并研制和评价了采出液破 乳剂及采出水清水剂。 弱碱体系三元复合驱采出液中的碱和表面活性剂通过降低油水界面张力，聚合物通 过增大水相粘度使采出液油水乳化程度增大，油珠粒径减小；聚合物对水相的增粘作用 使油珠上浮和水膜排液速度降低；表面活性剂和低含量的碱使油水界面负电性、粘度和 刚性增强，阻碍了油珠之间的聚集和聚并。( 表面活性剂) = o 0 6 时，油水动态界面张 力下降至1 0 2 l1 1 m n m 。( 碱) = 0 1 ，聚合物和表面活性剂含量为o 0 4 时，油珠 粒径中值仅为2 6 4 9 m 。( 聚合物) = o 0 4 、( 表面活性剂) = 0 0 2 、c o ( 碱) = 0 1 2 时，含水率为8 0 的o w 型采出液经过1 5 0 m i n 静置沉降后的油层上部含水率高 达6 9 3 。未添加聚合物、( 碱) = o 1 2 、( 表面活性剂) = 0 0 3 时，含水率为 8 0 的o w 型采出液经过3 0 m i n 静置沉降后的水相含油量高达1 3 4 4 m g l 。 ： 弱碱体系三元复合驱采出原油中的b a 、n a 和s 元素比水驱原油有所提高，而f e 、 n i 、m g 元素的含量则有所下降。弱碱体系三元复合驱采出液相分离过程中水层中悬浮 固体颗粒主要是硅铝酸盐和二氧化硅颗粒，粒径分布在1 一- 7 9 m 之间。油水界面张力低 ( 2 6 1 m n m ) ，油珠表面负电性强( z e t a 电位为2 7 7 m v ) ，油珠之间存在明显的静电排斥力， 对油珠之间的聚集和聚并有显著的阻碍作用。油水乳化程度高( 油珠粒径为l 1 0 岬) ， 分离速率低，含有阴离子型表面活性剂和聚合物，水相悬浮固体含量高( 1 5 6 m g l ) 。低 驱油剂含量的采出液中未投加破乳剂的情况下，需要在4 0 。c 静置沉降1 6 h 才能达到 1 0 0 m g l 的过滤器进水含油量控制指标。 将量子化学方法用于破乳剂的分子设计，计算多种官能团与沥青分子中特征官能团 和水分子的氢键键能。结果表明，2 甲基丁基磺酸负离子与水的氢键作用能较大 ( - 2 2 1 8 5 3 5 k j m 0 1 ) ，2 甲基丁基酰胺与水的氢键作用能次之( 1 0 9 4 8 2 7 m 0 1 ) ，而 弱碱体系三元复合驱采出液分离技术及机理研究 5 氨基萘酚与水的氢键作用能较小( 9 2 6 7 9 6 k j m 0 1 ) 。优选出磺酸基和酰胺基作为破 乳剂中的功能基团，进而研制了破乳剂g f d 4 1 0 8 ，解决了当前弱碱体系三元复合驱采 出液油水分离不达标的技术难题。添加g f d 4 1 0 - 8 为3 0 m g l 的现场动态条件下，弱碱 体系三元复合驱采出液脱除游离水后的含水率在4 4 1 4 6 之间，分离采出水含油量在 4 9 0 - - 8 4 0 m g l 之间，远低于3 0 和3 0 0 0 m g l 的游离水脱除指标。 复合清水剂c f l 0 0 2 对低驱油剂含量的弱碱体系三元复合驱采出水具有良好的清水 效果。添加c f l 0 0 2 为7 5 7 m g l 时，可将处理后弱碱体系三元复合驱采出水的悬浮固体 含量降低到8 4 m g l ，远低于2 0 m g l 的大庆油田有限公司含聚合物采出水回注高渗透 率油藏的悬浮固体含量指标。 关键词：三元复合驱；弱碱；采出液；分离；机理 大连理工大学博士学位论文 s t u d yo nt h es e p a r a t i o nt e c h n o l o g ya n dm e c h a n i s m so fp r o d u c e d l i q u i db yn a 2 c 0 3a l k a l i - - s u r f a c t a n t - - p o l y m e rf l o o d i n g a b s t r a c t i nc o m p a r i s o n 、 ，i t ht h en a o ha s p ( a l k a l i - s u r f a c t a n t p o l y m e r ) f l o o d i n g ，n a 2 c 0 3a s p f l o o d i n gh a sn u m e r o u sa d v a n t a g e ss u c ha sl o w e r ，f o r m a t i o nd a m a g e ，s i m p l e rp r o d u c e dl i q u i d c o m p o s i t i o na n dl e s ss c a l ed e p o s i t i o ni no i lw e l la n ds u r f a c ep r o d u c t i o nf a c i l i t i e s r e s e a r c h w o r ko nt h ec h e m i c a lf o r m u l a t i o no fn a 2 c 0 3a s p f l o o d i n ga n di t sp i l o tt e s t sh a v ei n c r e a s e d d r a m a t i c a l l yd u r i n gt h el a s ts e v e r a ly e a r s h o w e v e r , n or e s e a r c h e dw o r kh a sb e e nd o n eo nt h e p r o d u c e dl i q u i do fn a 2 c 0 3a s pf l o o d i n g ，a sa l lt h er e s e a r c hw o r kw h i c hh a sb e e nc o n d u c t e d o nt h et h ee m u l s i f c a t i o n ，s t a b i l i z a t i o na n dd e s t a b i l i z a t i o no fa s pf l o o d i n gp r o d u c e dl i q u i d o n l yt a r g e t e d n a o ha s pf l o o d i n g t h u s ，i tm a k e ss e n s et oc o n d u c tr e s e a r c hw o r ko nt h e e m u l s i f i c a t i o n ，s t a b i l i z a t i o na n dd e s t a b i l i z a t i o no ft h ep r o d u c e dl i q u i d o fn a 2 c 0 3a s p f l o o d i n g p h y s i c o - c h e m i c a lp r o p e r t i e s ， m e c h a n i s m s c o n c e m i n g t h ee m u l s i f i c a t i o na n d d e m u l s i f i c a t i o no fn a 2 c 0 3a s pf l o o d i n gp r o d u c e dl i q u i d ，a sw e l la sd e m u l s i f i e r sa n dw a t e r c l a r i f i e r st a r g e t i n gn a 2 c 0 3a s pf l o o d i n gp r o d u c e dc r u d eo i la n dw a t e rw e r er e s e a r c h e di n t h i ss t u d y n a 2 c 0 3 ，s u r f a c t a n ta n dp o l y m e ri nn a 2 c 0 3a s pf l o o d i n gp r o d u c e dl i q u i di n t e n s i f yi t s e m u l s i f i c a t i o nv i at w om a j o rm e c h a n i s m s ，i e 1 0 w e r i n go fo i l w a t e ri n t e r f a c i a lt e n s i o nb y a l k a l ia n ds u r f a c t a n t ，a n di n c r e a s eo fw a t e rp h a s ev i s c o s i t yb yp o l y m e r ，r e s u l t i n gi ns m a l l e r o i ld r o p l e t s t h ei n c r e a s eo fw a t e rp h a s ev i s c o s i t yb yp o l y m e ra l s ot e n d st ol o w e rc r e a m i n g a n dw a t e rm e m b r a n ed r a i n a g er a t e so fi n v e r s ec r u d eo i le m u l s i o n l o wc o n t e n to fa l k a l i n e a n ds u r f a c t a n th i n d e rt h ef l o c c u l a t i o na n dc o a l e s c e n c eo fo i ld r o p l e t sb yi n c r e a s i n gt h e n e g a t i v ec h a r g ed e n s i t y ，v i s c o s i t ya n dr i g i d i t yo fo i l w a t e ri n t e r f a c e s u r f a c t a n ta tac o n t e n to f 0 0 6 l o w e r st h ed y n a m i co i l w a t e ri n t e r f a c i a lt e n s i o nt o1o 2 11 1 m n m p o l y m e ra n d s 嘶c t a n ta tc o n t e n t so f0 0 4 d e c r e a s e st h eo r i g i n a lm e d i a nd i a m e t e ro fo i ld r o p l e t si n i n v e r s ep r o d u c e dl i q u i dw i t ha na l k a l ic o n t e n to f0 1 t oa sl o wa s2 6 4 p m t h er e s i d u a lt o p o i lw a t e r c u to fa8 0 i n v e r s ep r o d u c e dl i q u i dw i t hc o n t e n t so fa l k a l i s u r f a c t a n ta n dp o l y m e r r e s p e c t i v e l ya t0 1 2 ，0 0 2 a n do 0 4 w a ss t i l la sh i g ha s6 9 3 a f t e r15 0 m i ns t a t i cs e t t l i n g w h i l et h ew a t e rp h a s eo i lc o n t e n to fa8 0 i n v e r s ep r o d u c e dl i q u i d 、析t 1 1c o n t e n t so fa l k a l i s u r f a c t a n ta n dp o l y m e rr e s p e c t i v e l ya t0 1 2 ，0 0 3 a n d0w a sa sh i g ha s13 4 4 m g la f t e r 3 0 m i ns t a t i cs e t t l i n g t h eb a r i u m ，s o d i u ma n ds u l f u rc o n t e n t so fn a 2 c 0 3a s p f l o o d i n gp r o d u c e dc r u d eo i lw e r e h i g h e rt h a nt h o s eo fw a t e rf l o o d i n gp r o d u c e dc r u d eo i lw h i l et h ei r o n ，n i c k e la n dm a g n e s i u m 一1 1 i 弱碱体系三元复合驱采出液分离技术及机理研究 c o n t e n t so ft h ef o r m e ra r e1 0 w e rt h a nt h o s eo ft h el a t e r s u s p e n d e ds o l i dp a r t i c l e si nt h ew a t e r p h a s eo fn a 2 c 0 3a s pf l o o d i n gp r o d u c e dl i q u i dd u r i n g tp h a s es e p a r a t i o n a r e m a i n l y a l u m i n o s i l i c a t ea n ds i l i c ap a r t i c l e sr a n g i n gf r o ml1 t mt o7 9 m l o wi n t e r f a c i a lt e n s i o ni s 2 6 1m n m ，s t r o n gn e g a t i v e l y c h a r g e do i l w a t e r i n t e r f a c ei s 2 7 7 m vf o rz e t a ，s t r o n g r e p u l s i v ef o r c eb e t w e e no i ld r o p l e t sw h i c hh i n d e r st h e i rf l o c c u l a t i o n a n dc o a l e s c e n c e e m u l s i f i c a t i o no fn a 2 c 0 3a s pf l o o d i n gp r o d u c e dl i q u i di ss t r o n ga n dd i a m e t e ro fo i ld r o p l e t s i s1 lo g m t h ep r o d u c e dl i q u i di n c l u d e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fs l o ws e p a r a t i o n ，a n i o n i c s u r f a c t a n ta n dp o l y m e rb e a t i n g ，h i g hs u s p e n d e ds o l i dp a r t i c l ec o n t e n t ( 15 6 m g ) t h eo i l c o n t e n to fs e p a r a t e dp r o d u c e dw a t e rf r o mn a 2 c 0 3a s pf l o o d i n gp r o d u c e dl i q u i dw i t hl o w i n j e c t e dc h e m i c a lc o n t e n t sb u tn od e m u l s i f t e ri n j e c t i o nc a nn o tm e e tt h e10 0 m g ll i m i tf o r f i l t e rf e e du n t i lt h ep r o d u c e dl i q u i dh a su n d e r g o n e16 hs t a t i cs e t t l i n g q u a n t u mc h e m i s t r ym e t h o d sw e r eu s e di nt h em o l e c u l a rd e s i g no fd e m u l s i f l e rm o l e c u l e s t h ep r e d i c t e dh b o n de n e r g ya m o n gv a r i o u sf u n c t i o n a lg r o u p s ，w a t e rm o l e c u l e sa n ds o m e t y p i c a lf u n c t i o n a lg r o u p so na s p h a l t e n em o l e c u l e ss h o wt h a tt h eh b o n de n e r g yb e t w e e n 2 m e t h v l b n t v l s u l p h o n a t ea n i o na n dw a t e rm o l e c u l e s ( ，2 2 1 8 5 3 5 k j m 0 1 ) i sr e l a t i v e l y h i g h ， f o l l o w e db yt h eh b o n de n e r g yb e t w e e n2 - m e t h y l b u t y l a m i d e a n dw a t e rm o l e c u l e s ( 10 9 4 8 2 7 k j m 0 1 ) w h i l et h eh b o n de n e r g yb e t w e e n5 - a m i n o n a p h t h o la n dw a t e r m o l e c u l e s ( 9 2 6 7 9 6 k j m 0 1 ) i sr e l a t i v e l yl o w s u l f o n i ca n da m i d o - g r o u p sw e r ep i c k e du pa s f u n c t i o n a lg r o u p si nd e m u l s i f i e rm o l e c u l e s ，l e a d i n gt ot h ed e v e l o p m e n to fad e m u l s i f i e r n a m e da sg f d 410 - 8w h i c hw a su s e dt oa c c o m p l i s ht h eo i l w a t e rs e p a r a t i o no fn a 2 c 0 3a s p f l o o d i n gp r o d u c e dl i q u i d w i t ht h ed o s a g eo fg f d 4 10 8a t3 0 m g l ，t h ef i e l dn a 2 c 0 3a s p f l o o d i n gp r o d u c e dl i q u i dw a sw e l ls e p a r a t e db yc o n t i n u o u st r e a t m e n tw i t ht h ew a t e r - c u to f e m u l s i f t e dc r u d eo i l i nt h er a n g eo f4 4 1 4 6 a n dt h eo i wo fs e p a r a t e dp r o d u c e dw a t e r i nt h er a n g eo f4 9 0 m g l - - - 8 4 0 m g l ，w h i c ha r er e s p e c t i v e l yf a rb e l o wt h et e c h n i c a ll i m i t so f 2 0 a n d3 0 0 0m 叽f o rf r e e w a t e rk n o c k o u ts e ti nar e l e v a n t n a t i o n a ls t a n d a r d g b 5 0 3 5 0 2 0 0 5 t h ec o m p o u n dw a t e rc l a r i f l e rc f10 0 2d e v e l o p e di nt h i s s t u d yf e a t u r e sg o o de l a r i f l c a t i o n p e r f o r m a n c eo nt h el o wc h e m i c a l c o n t e n tf i e l dn a 2 c 0 3a s pf l o o d i n gp r o d u c e dw a t e r t r e a t e dw i t hc f10 0 2a tad o s a g eo f7 5 7 m g l ，t h ef i e l dn a 2 c 0 3a s pf l o o d i n gp r o d u c e dw a t e r w a sw e l lt r e a t e dw i t hs u s p e n d e ds o l i dc o n t e n ta t8 4 m g l ，w h i c ha r er e s p e c t i v e l yf a rb e l o w t h et e c h n i c a ll i m i t so f2 0 m g lf o rp o l y m e r - c o n t a i n i n gp r o d u c e dw a t e rt ob er e i n j e c t e di n t o m 曲p e r m e a b i l i t yr e s e r v o i r ss e ti nar e l e v a n tc o r p o r a t es t a n d a r do fd a q i n go i l f i e l dc o m p a n y l i m i t e dq s y d q 0 6 0 5 - 2 0 0 6 k e yw o r d s ：a s pf l o o d i n g ；w e a ka l k a l i ；p r o d u c e dl i q u i d ；s e p e r a t i o n ；m e c h a n i s m 1 v 独创性说明 作者郑重声明：本博士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 祚，友取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 黻中木包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 玉大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：日期：坦嘿墨：罗 大连理工大学博士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定丹，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签 导师签 彦兰：星年上月竺日 大连理工大学博士学位论文 引，言 三元复合驱( 碱一表面活性剂聚合物驱) 是国外在上世纪8 0 年代初提出的一种化学 驱提高采收率方法，自上世纪9 0 年代以来发展迅速，目前已经开展了1 0 余个矿藏试验， 比水驱可提高采收率2 0 以上，已被中国石油股份有限公司选为“十一五”后期大庆 油田的主要产量接替技术。与基于氢氧化钠的强碱体系三元复合驱相比，基于碳酸钠的 弱碱体系三元复合驱具有对地层伤害低、采出液成分简单、井筒和采出液地面处理设施 结垢轻微的优势，近年来驱油剂配方研制和矿藏试验中越来越受到重视。 在大幅度提高原油采收率和增加原油产量的同时，三元复合驱带来了采出液油水乳 化严重，油水分离难度比水驱采出液明显增大的问题，需要研制和开发与其相配套的采 出液分离方法。前期开展的有关三元复合驱采出液油水乳化、稳定和油水分离方法的研 究主要集中在强碱体系三元复合驱采出液，而对弱碱体系三元复合驱采出液的研究报道 尚属空白。因此，对弱碱体系三元复合驱采出液进行油水乳化、稳定和油水分离技术的 基础研究具有重要的理论意义和实用价值。 本文着重进行了以下几方面的研究工作： ( 1 ) 对现场三元复合驱采出液进行微观结构观测、成分分析、油水界面性质及油 水分离特性评价。 ( 2 ) 对大庆油罔三元复合驱采出液中残留的碱、表面活性剂和聚合物对三元复合 驱采出液乳化程度、油水分离特性、油相流变性、水相流变性及油水界面性质的影响规 律进行系统的研究，以揭示o w 型弱碱体系三元复合驱采出液的乳化和稳定机理。 ( 3 ) 采用量子化学方法进行破乳剂分子设计，研制适合弱碱体系三元复合驱采出 液的破乳剂，为解决当前弱碱体系三元复合驱采出液的油水分离不达标的技术难题创造 条件。 ( 4 ) 研制适合弱碱体系三元复合驱采出水的清水剂，为解决弱碱体系三元复合驱 采出水的处理和回注问题创造条件。 弱碱体系三元复合驱采出液分离技术及机理研究 1 文献综述 1 1 三元复合驱技术简介及驱油机理 原油的开采可分为三个阶段【1 】。第一阶段是指原油靠地层的压力、油藏岩石和流体 的弹性能量、液体本身的重力、气体的压力和边水的水压喷发出来，一般称为一次采油， 其采收率约为1 5 。在自喷的后期，补充能量恢复( 或保持) 油藏压力，如注气和注水等 进行生产的阶段，称为二次采油，其采收率大约为1 5 2 0 。水驱后，地层内的残余 油仍然占6 0 7 0 ，需要用物理和化学的方法来驱出，一般统称为三次采油，国外亦 称e o r ( e n h a n c e n do i lr e c o v e r y ) 技术，石油采收率通常约为5 0 7 0 。 目前世界上已形成三次采油的四大技术系列【2 】，即化学驱、气驱、热力驱和微生物 采油。其中化学驱包括聚合物驱、表面活性剂驱、碱水驱及其复合的三元复合驱等。气 驱包括混相或部分混相的c 0 2 驱、氮气驱、天然气驱和烟道气驱等。热力驱包括蒸汽驱、 蒸汽吞吐、热水驱和火烧油层等。微生物采油包括微生物调剖或微生物驱油等。 1 1 1 提高原油采收率原理 原油采收率是指采出原油量与原油地质储量的百分比，原油采收率由驱油效率和波 及效率决定，可以用下式表示： c , o 。c o v 。删= e dx e 矿 ( 1 1 ) 式中，妒旭w 删一一原油采收率。 e o 一驱油效率，指驱替液接触到的那部分岩石中驱出的原油体积占总含油量的百 分比，表示微观孔隙尺寸范围内的原油被排除的程度。 e 矿一波及效率，指被注入的驱替液所波及的孔隙体积占油藏总体积的百分数，表 示油藏宏观含油范围内原油被排除的程度。 原油采收率是一个集油藏的地质、驱替液体性质和开采方式等的综合指标。影响原 油采收率的因素很多，如：储油层地质物性( 含油体积、厚度、非均质性、孔隙结构等) ， 驱替液的物理化学性质( 粘度、流度比、界面活性) 以及采取的驱油的工艺条件等。 驱油效率e d 为驱油剂在储油孔隙中驱出的原油体积分数，其定义式如下。 e 。静 2 ， 式中，s 卜储油孔隙中现存平均含油饱和度，无因次； l 储油孔隙中原始含油饱和度，无因次。 大连理工大学博士学位论文 驱油效率e o 与原油在岩石孔隙中的分布状态有关。原油在岩石孔隙中通常与束缚 水共存，孔隙中存在油一水、油一岩石、水一岩石间的复杂界面现象。水驱过程中存在 的毛细管滞留现象使滞留的原油以油滴、油块和油膜的形式分布于孔喉和孔壁处。为了 描述这些滞留的死油投入运动的力学关系，f o s t e r 等【3 】于1 9 7 3 年提出毛细管数的概念并 通过实验建立了毛细管数与驱油效率疡的关系。毛细管数n c 的定义式如下： ，：血羔堕( 1 3 ) 矽仃( ) 式中，c 一毛细管数，无因次； 蜥一驱替速度，c m s ；一 一水相粘度，1 0 p a s ； f f 一油水界面张力，1 0 一n m ； 够一孔隙度，无因次。 。驱油效率e o 随毛细管数增大而增加，并且与储油层岩石孔隙结构及其大小分布有 关。影响驱油效率岛的主要因素可归纳如下： ( 1 ) 油一水间的界面张力。降低印可以增大毛细管数n c ，使毛细管滞留阻力减 小。 ( 2 ) 岩石孔隙表面的润湿性。使油润湿表面向水润湿表面转化可减弱毛细管力对 原油的圈捕作用。 ( 3 ) 岩石孔隙的结构和矿物组成。岩石矿物粘土含量增高和孔隙结构非均质程度 增大均使毛细管滞留作用加剧。 毛细管数与剩余油饱和度之间的关系是水驱及化学驱油的重要理论基础，在一个有 两相渗流存在的毛管孔隙中，同时存在着驱动力和毛细管粘滞阻力。毛细管数j v c 的大 小表示了二相渗流过程中驱动力和毛细管阻力的比值，它决定着毛细管油滴的大小。据 统计，使原油流动的临界条件是毛细管数等于1 0 1 0 一。 波及效率e v 可以分解为纵向波及效率和横向波及效率的乘积： e 矿= e 爿- e ， ( 1 4 ) 式中，历一驱替剂波及到的面积与注入井和生产井之间控制的含油面积之比； 历一驱油剂在垂直方向上波及的厚度与油层总厚度之比。 宏观上影响波及效率e y 的因素包括：( 1 ) 储油层内平面和垂直方向上岩石渗透率 差异及分布。储油层间的岩石渗透率差别及分布一般用d y k s t r a p a r s o n 提出的储油层岩 石变异系数即v d p 表示，v d p 的变化一般在0 1 之间，绝对均匀的岩石v d p = 1 。我国主 要油田如大庆、胜利、大港等油田的v d p 值一般为0 6 0 7 ，甚至更高。因而储油层岩石 弱碱体系三元复合驱采出液分离技术及机理研究 渗透率的非均质性是我国多数油田的重要地质特征，渗透率的非均质性会使驱替液沿着 高渗透层的方向绕过低渗透层而产生“窜流”，从而降低波及效率。( 2 ) 储油层中驱替流 体( 驱油剂) 与被驱替流体( 原油) 之间流动性能的差异。流体在多孔介质中的流动能 力可用该流体在多孔介质中的流度五来表示，其定义如下： r 名= = 上( 1 5 ) j 式中，厨一流体的有效渗透率，1 0 郴m 2 ； 广流体的粘度，1 0 p a s ； 杠流体的流度，m 3 - s k g 1 。 驱替液与被驱替流体问的流度关系可用流度比膨表示： 】 m = 兰坠( 1 6 ) 名。 式中，肘一流度比，无因次； a 一驱替液( 水) 的流度，m 3 s k g ； a 俨被驱替液( 油) 的流度，m 3 s k g 。 流度比膨是水、油的相对渗透率及其粘度的函数。流度比m 越大，波及效率越低。 当膨大于l ，即水( 驱油剂) 的流动能力大于原油的流动能力时，驱替是在不利的情况 下进行。具体表现为在油水接触带( 即驱替前缘) 水( 驱油剂) 会绕过其前进方向上的 原油而产生类似伸出的手指那样的所谓“指进”现象，造成油水接触带的不稳定。相反 m 小于1 时，即驱替液流动能力小于原油流动能力时，则不易出现“指进”现象，波及 效率高【4 】。 1 1 2 碱驱基本原理 碱驱过程与其它三次采油过程有着很大区别，加入化学剂后，该过程产生强烈的化 学反应。对于原油和碱反应对采收率的影响，许多人有着不同的看法。大多数研究人员 都认为至少有一个共同机理，即原油中的酸组分与注入碱之间的反应产生的表面活性剂 盐类是提高原油采收率的主要机理。酸组分通常用酸值来表达。然而，酸值并不能区分 其中哪些酸可产生活性组分，哪些酸产生的是非活性组分。因此酸值高，并不能代表碱 驱效果越好；反之，酸值低，并不能说明碱驱效果不好p j 。 在碱作用下移动的油珠能够自发乳化成油滴大小不等的o 脶型乳状液并被夹带进 入流动的碱水中。在乳状液的移动过程中，大直径( 大于最小喉道半径) 的油珠难以通 过那些窄小的孔喉道而被重新圈捕，迫使夹带小油珠的液流进入尚未波及的孔隙并使那 大连理工大学博士学位论文 里的油珠移动而被乳化夹带，从而使微观波及体积增大。 碱同原油中有机物的皂化反应使岩石表面由亲油性转变为亲水性。在岩石表面润湿 性的转换过程中，根据能量趋向最低的原则，原来被油相占据的部位和孔隙，被水相占 据，致使被圈捕的原油在粘滞力的作用下被驱出孔隙。 碱同油水界面上的胶质和沥青质中的有机极性物反应使得油水界面上的刚性膜破 裂和有机物溶解。 1 1 3 聚合物驱油基本原理 聚合物驱是一种改善的水驱方法，它使用聚合物作为添加剂，在水中的浓度为2 5 0 - - 1 5 0 0 m g l 。聚合物溶液增加水的粘度，改善水油流度比，与不含添加剂的水驱相比，使 油层波及效率提高。 除了增加水的粘度外，聚合物还改变油层岩石的渗透率。当油层岩石的渗透率降低 时，使用较低的聚合物浓度，可以获得相等的流度控制。然而，聚合物是盐敏性的，需 要用淡水配制聚合物溶液。聚合物在剪切应力作用下，会发生机械降解，因此，在地面 配制时应特别小心，尽量避免剪切降解。 ， 聚合物驱虽然不能较大幅度降低水已波及的剩余油饱和度，但由于它增加了油层的岁 波及效率，因而超过了水驱采收率。这种方法在中等非均质、中等原油粘度以及存在不 利于水油流度比的油藏中最有潜力。在驱替粘度大的原油时，由于驱动水穿过油区而指 进，波及系数不高。通过在水中添加聚合物来增加水的粘度以及降低侵入区油层的渗透 率，使驱替稳定，并增加波及体积【5 】o 1 1 4 表面活性剂驱油基本原理 表面活性剂降低油水界面张力，使滞留在岩石孔道内的油滴和水之间的作用力增 加，岩石表面对原油吸附作用相对减小，增大水的洗油能力。油水界面张力的降低导致 毛细管数的增大，使原油流动能力增强。表面活性剂可使原油乳化，增加流动性。表面 活性剂胶束对原油有增溶作用。在表面活性剂驱油技术的发展过程中，曾出现了两种技 术观点：一种观点是注入大孔隙体积倍数( 1 5 - - - 6 0 或更大) 的低表面活性剂浓度 ( 5 ) 体系( 包括微乳状液、膨胀胶束、胶束分散、可溶性油溶液体系等) 作为驱替液。出于采油成本的考虑，现多采用低表面活性剂浓度驱油剂体系。 ( 1 ) 降低油水界面张力机理 弱碱体系三元复合驱采出液分离技术及机理研究 提高驱油效率一般通过增加毛细管数实现，而降低油水界面张力是增加毛细管数的 主要途径。理想的表面活性剂可以使油水界面张力降低至1 0 4 1 0 弓m n m ，从而大大降 低或消除地层的毛细管作用，减少了剥离原油所需的粘附功，提高驱油效率。在表面活 性剂驱室内实验和先导实验中应准确掌握表面活性剂降低油水界面张力的合理尺度，即 表面活性剂用于驱油时，特定条件下存在降低油水界面张力的最佳数值范围1 6 堪】。 ( 2 ) 乳化机理 表面活性剂体系对原油有较强的乳化能力，在水油两相流动剪切的条件下，能迅速 将岩石表面的原油分散、剥离，形成o w 型乳状液，从而改善油水两相的流度比，提 高波及效率。同时，由于表面活性剂在油滴表面的吸附使油滴表面荷电荷，油滴不易重 新粘回到地层表面，被活性水夹带着流向采油井【9 j 。 ( 3 ) 聚并形成油带机理 从地层表面洗下来的油滴越来越多，它们在向前移动时相互碰撞，聚并成油带，油 带又和更多的油珠合并，促使残余油向生产井进一步驱替 1 0 - 1 2 1 。 1 1 5 三元复合驱驱油机理 三元复合驱提高采收率是由三方面因素共同作用的结果，即进一步降低界面张力、 较好的流度控制和降低化学剂的吸刚1 3 - j 5 。 ( 1 ) 界面张力的降低 与其它驱替体系相比，三元复合驱体系( a l k a l i s u r f a c t a n t p o l y m e r ，a s p ) 与原油 接触后，界面张力能很快降到0 0 0 1 m n m 以下。当聚合物浓度适中时，a s p 体系比二 元体系能产生更低的界面张力【1 6 j 。这是由于聚合物，尤其是聚丙烯酰胺能够保护表面活 性剂，使其不与c a ：+ 、m 9 2 + 等高价阳离子反应，阻滞表面活性剂失去表面活性。同时， 表面活性剂和聚丙烯酰胺在油水界面上产生一定程度的吸附，形成混合吸附层，部分水 解聚丙烯酰胺分子链上的多个阴离子基可使混合膜具有更高的界面电荷，使界面张力大 幅降低。另外，碱可以推动表面活性剂前进，使最小界面张力区域迅速传播，这样既减 少了碱驱替原油的滞后过程，又保持长时间的低张力驱过程。 ( 2 ) 流度控制 在碱、表面活性剂、聚合物复合驱过程中，由于被驱替原油流度高，在油墙的前面 形成了低流度带，从而保证了较高的波及效率。由于较高的视粘度，也增加局部的毛细 数，提高了驱油效率。而且，a s p 体系中，表面活性剂和碱有效地保证了聚合物不受高 价阳离子的影响。加入表面活性剂可使聚丙烯酰胺的粘度增加1 0 - 2 5 ，加入碱可使 大连理j 【大学博士学位论文 聚丙烯酰胺的粘度增加2 2 - 、- 4 2 。在各种碱剂中，硅酸钠( n a 3 s i 0 4 ) 保护聚合物粘度的 性能最佳，碳酸钠( n a 2 c 0 3 ) 次之，氢氧化钠( n a o h ) 较差。 ( 3 ) 降低化学剂的损失 与二元驱替相比，a s p 驱能明显降低化学剂的吸附滞留损失，从而使复配体系发挥 出更充分的驱油作用。 在a s p 驱中，价格较低的碱剂主要作用是改变岩石表面的电荷性质，以减少价格 较高的表面活性剂和聚合物的吸附、滞留损失。因为碱存在时，溶液p h 值较高，岩石 表面的负电荷量较多，可减少荷负电荷的表面活性剂和石油酸皂的吸附，并能有效地排 斥荷负电荷的聚合物，减少其吸附。 为了克服聚合物驱提高采收率低、表面活性n 聚合物驱经济效益不佳以及碱水驱实 用效果差的缺陷，多年来人们进行了大量的研究发现，较廉价的碱与聚合物复合驱与单 独碱水驱或聚合物驱相比，驱油效果大为改善。如将碱、表面活性剂与聚合物复合驱， 则可在保持相近的驱油效果下，使昂贵的表面活性剂的用量降低很多。因而复合驱方法 可望在油田得到应用，并取得较好的驱油效果和经济效益【1 7 , 1 8 o 通过界面张力、粘度测定和驱油实验，可建立化学剂之间特殊的相互作用，三组分 的相互作用直接影响体系的界面张力。 ：茹、 聚合物( 聚丙烯酰胺) 具有抗硬水的作用，可防止表面活性剂转变成低活性的钙化 物。碱聚合物复合体系能使界面张力略微降低。碱表面活性n 聚合物三元复合体系无 论在软水中还是硬水中，都能降低界面张力。在硬水中，活性剂浓度为o 1 2 5 的三元 复合体系的界面张力，可与1 0 的表面活性剂在软水中的界面张力相当。这样就能降 低表面活性剂的用量，降低化学驱的成本。 聚合物对界面张力影响很小，但对体系粘度的影响是主要因素。表面活性剂的浓度 对液相粘度的影响很小。对聚丙烯酰胺来说，三元复合体系粘度低于二元体系的粘度。 由于聚丙烯酰胺对硬水和含盐量比较敏感，因此，为了提高液相粘度，必须进行仔细的 筛选。表面活性剂与聚合物互相作用普遍存在于a s p 复合驱油体系中，其作用的结果 会导致复合驱溶液中的聚合物相分离，使油、水界面张力升高，表面活性剂用量增加， 驱油效果降低。国内外对此进行了大量的研究工作，但缺乏相应的手段，对其微观分离 机理尚不十分清楚【9 j 。 提高石油采收率中使用的碱及碱式盐主要有n a o h 、n a 2 c 0 3 、n a h c 0 3 、n a 3 p 0 4 、 n a 4 s i 0 4 、和n a 2 s i 0 3 等。为减缓驱替液同岩石的反应，应尽量避免使用强碱( 如n a o h 和k o h 等) ，而应使用弱碱( 如n a 2 c 0 3 、n a h c 0 3 、( s i 0 2 ) 。n a 2 0 、n a s p 3 0 l o 和( n a p 0 3 ) 6 弱碱体系三元复合驱采出液分离技术及机理研究 等) 。为便于控制p h 值和离子强度，常采用强碱和弱碱进行适当比例的复配。 提高原油采收率中常用的表