三元复合驱中碱提高采收率作用机理

三元复合驱中碱提高采收率作用机理

三次采油是在20世纪80年代中后期发展起来的三次采油技术。本文针对弱碱三元复合驱,设计了界面张力、吸附、乳化、润湿性等多组单一变量对比实验及微观模型、天然岩心驱油实验,研究了碱的作用机理及提高采收率效应。为其在油田现场的应用提供了技术指导。1实验方法和材料1.1实验材料弱碱Na1.2实验设备界面张力仪SVT20N(测量范围:1×101.3实验步骤实验流程图如图1所示。1.3.1界面张力的测定(1)单独碱溶液:由注入水与弱碱Na(2)单独表面活性剂溶液:由注入水与表面活性剂烷基苯磺酸盐ABS配制了6种浓度(质量分数0.025%、0.05%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%)的表面活性剂溶液。利用界面张力仪测定6种溶液与大庆油田原油之间的界面张力。(3)聚表二元体系溶液:由注入水与表面活性剂烷基苯磺酸盐ABS配制了6种浓度(质量分数0.025%、0.05%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%)的表面活性剂溶液。用此6种表面活性剂溶液分别与聚合物HPAM以1种形式(相对分子量2500万、浓度1200mg/L)配制6种聚表二元体系溶液。利用界面张力仪测定6种溶液与大庆油田原油之间的界面张力。(4)三元复合体系溶液:由注入水与表面活性剂烷基苯磺酸盐ABS配制了6种浓度(质量分数0.025%、0.05%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%)的表面活性剂溶液;然后用此6种表面活性剂溶液分别与弱碱Na1.3.2油砂中表面活性剂检测(1)制备油砂:使油砂与原油充分搅拌,放置48h以使原油充分吸附到油砂上,在干燥箱里于45℃下烘4h,然后测定油砂质量m(2)配制表面活性剂溶液、碱/表面活性剂二元体系溶液:由注入水与表面活性剂烷基苯磺酸盐ABS配制了6种浓度w(3)将20g(m(4)利用紫外分光光度法测定含表面活性剂溶液与BTB缔合反应后溶液的吸光度来确定溶液中表面活性剂的浓度w式(1)中,A为表面活性剂吸附量,mg/g;w1.3.3碱-酚混合溶液碱-酚混合体系(1)配制碱-酚酞混合溶液:注入水与弱碱Na(2)配制碱-酚酞-模拟油混合溶液:将已配制的碱-酚酞混合溶液与模拟油各10mL装入量筒中,密封在静置,观察不同时刻的碱-酚酞混合溶液的颜色变化及模拟油乳化状态。1.3.4载玻片的动态接触角测定(1)将相同的2块载玻片分别用300mL的质量分数1%盐酸溶液浸泡24h,除去表面有机物,然后分别以500mL蒸馏水多次反复冲洗每块载玻片至中性,在恒温箱以45℃下烘干24h。(2)将此2块烘干后载玻片分别放入300mL的质量分数30%的甲基硅油溶液中浸泡72h,以使载玻片的表面处理成亲油润湿。(3)分别以500mL的模拟油冲洗2块载玻片表面,直至模拟油均匀吸附在其表面为止,在45℃恒温下烘干24h。(4)①未被碱溶液处理的载玻片和注入水的接触角的测定:用动态接触角分析仪测定1块载玻片与注入水之间的接触角。②被碱溶液处理的载玻片和注入水的接触角的测定:用500mL的质量分数1%Na(5)对比分析未被碱溶液处理的载玻片和被碱溶液处理的载玻片分别与注入水的接触角,进而确定碱溶液对润湿性改变作用。1.3.5微观模型检验模型(1)配制三元复合体系溶液:由注入水、烷基苯磺酸盐ABS表面活性剂、弱碱Na(2)配制二元复合体系溶液:由注入水、烷基苯磺酸盐ABS表面活性剂、聚合物HPAM(相对分子量2.5×10(3)微观刻蚀模型:用光刻法将岩心铸体薄片上的孔隙网络复制下来,经过制版、涂胶、光成像、化学刻蚀、烧结成型和润湿性处理等步骤,制成微观仿真透明孔隙模型。模型尺寸为62mm×62mm×3.0mm,平面上有效尺寸为45mm×32mm,模型孔隙直径0.1~100μm。模型为五点井网的四分之一,在对角线处分别打一小孔,作为注入井和采出井。(4)实验步骤:①饱和水:将微观刻蚀模型抽真空2h后、饱和地层水24h。②饱和油:用模拟油驱替地层水至出水量不再增加为止,并稳定24h。③水驱:以0.3mL/min水驱油至含水率100%为止,形成水驱剩余油。④注化学复合驱:在室温下注入0.3PV的二元体系驱替残余油;待稳定后,注入0.3PV的三元体系驱替残余油。⑤在由高速摄像机、显微镜、计算机组成的摄录系统下记录驱替过程动态图像。⑥实验结束,用石油醚清洗微观模型。1.3.6岩心驱油效果(1)配制溶液:与1.3.5节相同。(2)在45℃烘箱中,将流动实验的设备连接好,如图1所示。(3)对2块天然岩心,并饱和油,测定出水量,当试管中水的体积在3h内基本不再增加,认为饱和油完全,计算原始含油饱和度S(4)注入水以2.0m/D(现场平均水驱速度)对2块天然岩心分别进行水驱油,测定不同时刻采收率。直到每块岩心的含水率达到98%时(现场产出液含水率),停止水驱,计算最终水驱油采收率。(5)以注入液量0.3孔隙体积倍数(PV),注入速度为2.0m/D的实验条件向2块天然岩心内分别注入二元复合体系、三元复合体系溶液,测定采收率。待化学剂注入完后,继续水驱,然后计算化学剂驱后的最终采收率。分组如表1所示。(6)将测定出的含水率、注入压力、采收率等数据,绘制出曲线。2结果与分析2.1碱/聚合物/表面活性剂三元复合体系由图2看出,随着弱碱浓度的增大,界面张力逐渐减小,其中界面张力由最初24.67mN/m降低至最终5.78mN/m,说明弱碱Na由4图看出,沿左上角点至右下角点方向,图版呈现三线四区域格局,图版从左下向右上方向看,此次出现4区域,其界面张力数量级以此为10综合可得,在碱/聚合物/表面活性剂三元复合体系中,聚合物无法降低界面张力,碱可小幅度地降低界面张力,表面活性剂可大幅度地降低界面张力。三元复合体系依靠表面活性剂和碱来达到降低界面张力的效果,其中以表面活性剂为主,碱为辅,二者可协同大幅度地降低界面张力。碱与表面活性剂协同降低界面张力的机理:一方面,油水两相接触后,水相中的碱能够快速地扩散到油水界面,与原油中有机酸等组分发生反应,生成烷烃链羧酸皂、环烷酸皂等表面活性剂,并快速地吸附在油水界面上;另一方面,碱作为一种“盐”迫使更多的外加表面活性剂进入油水界面,从而增加了界面层中表面活性剂浓度;由此达到了碱与外加表面活性剂协同降低油水界面张力效果。2.2储层基质表面活性物质的吸附机理由图5横向上看出,随着表面活性剂浓度的增大,吸附量先增大至最大值,然后缓慢减小。在相同量的储层基质的条件下,当表面活性剂浓度较小时,表面活性剂分子以单层吸附的形式吸附在储层基质上,且无法使储层基质达到单层吸附饱和状态,故吸附量随着表面活性剂浓度的增大而增大;当表面活性剂浓度较大时,溶液内表面活性剂分子较快地使储层基质表面达到单层吸附饱和状态,同时其他表面活性剂分子较快地缔合成胶束,胶束和储层基质表面的吸附层共同争夺溶液内单个活性表面活性剂分子,且胶束和吸附层也产生了静电排斥作用,最终体系形成单个表面活性剂分子-胶束-吸附层之间的动态平衡,故吸附量随着表面活性剂浓度增大而减小;当表面活性剂浓度处于分界值时,溶液内表面活性剂分子正处于将要形成胶束的状态,而储层基质表面已经实现单层吸附饱和状态,正进行多层吸附,故此时的吸附量值最大。由图5纵向上看出,有碱和无碱条件下烷基苯磺酸盐表面活性剂在油砂上的吸附等温线基本形态无明显的变化,但表面活性剂溶液中加入碱后,使基质对表面活性剂的吸附量下降。弱碱Na2.3时间对水相中碱的影响由图6看出,从左边向右,第1个为碱-酚酞混合溶液,其他为碱-酚酞-模拟油混合溶液随时间变化图。随着时间的延续,水相的粉红色逐渐越浅,说明水相中碱逐渐被消耗;油水界面的清晰程度逐渐模糊,且形成的乳状液逐渐增多,说明碱与油相成分反应生成了表面活性剂,进而对油相乳化,乳化程度不断加大,碱具备乳化原油效应。2.4表面嘴唇型由图7看出,对于未被碱溶液处理的亲油表面,水滴与亲油表面的左接触角为135.2°,右接触角为134.7°,整体上,水滴以球状矗立于表面;对于被碱溶液处理的亲油表面,水滴与亲油表面的左接触角为54.9°,右接触角为53.7°,整体上,水滴坍塌于表面;说明经过碱溶液处理,亲油表面由憎水亲油变成了亲水憎油,碱改变了润湿性。由于油藏储层表面极粗糙,油藏储层表面的油膜是不完整的,经过水驱开发,油膜的不完整性进一步强化,储层表面出现油膜脱落区。碱与原油反应产生的表面活性剂会在靠近油膜附近的油膜脱落区的储层表面上吸附形成超薄膜,进一步扩散至油膜边缘,在流动剪切作用下,表面活性剂分子不断渗入油膜与储层表面之间,进而改变改变油/储层基质间界面张力、水/储层基质间界面张力,使原本油藏内油/水、油/储层基质和水/储层基质3种界面张力之间的平衡遭到破坏,最终使储层润湿性由憎水亲油变成了亲水憎油,实现油膜脱离储层表面变为可流动状态,进而提高驱油效率。2.5碱岩心驱油能力为了直观观察及量化衡量三元复合体系在提高采收率方面的效应,先后开展了无碱二元复合体系和弱碱三元复合体系的微观可视驱油实验及天然岩心驱油实验。由图8看出,弱碱三元复合体系驱替出了微观模型中无碱二元复合体系无法驱替出的残余油,说明加入碱的复合体系,使残余油变形能力增强,启动残余油能力更强,提高采收率幅度更大。由图9~图11看出,对于弱碱三元复合体系和无碱二元复合体系两实验组,在水驱驱油阶段中,二者的注入压力、含水率、采收率曲线都高度重合,其中弱碱三元复合体系实验组水驱采收率为49.72%,无碱二元复合体系实验组为49.36%,说明对物性参数相同的岩心,二者水驱过程具有一致性;在复合体系驱油阶段中,弱碱三元复合体系实验组注入压力增大幅度、含水率下降幅度、采收率增大幅度都比无碱二元复合体系实验组大,其中弱碱三元复合体系实验组最终采收率为75.36%,无碱二元复合体系实验组最终采收率为70.46%,碱的加入提高采收率幅度可达近5%,说明碱具备提高采收率的效应。三元复合驱中碱对提高采收率作用机理:碱与表面活性剂协同降低界面张力、减少储层基质对表面活性剂吸附量、强化乳化原油、使储层表面润湿性由憎水亲油变成了亲水憎油。碱的这些作用使碱具备提高采收率的效应。3储层基质表面活性剂作用机理(1)油水两相接触后,水相中的碱能够快速地扩散到油水界面,与原油中有机酸等组分发生反应,生成烷烃链羧酸皂、环烷酸皂等表面活性剂,并快速地吸附在油水界面上;碱作为一种“盐”迫使更多的外加表面活性剂进入油水界面,从而增加了界面层中表面活性剂浓度;由此达到了碱与外加表面活性剂协同降低油水界面张力效果。(2)碱电离产生的阴离子与表面活性剂分子在储层基质表面发生竞争吸附,阴离子增加了储层基质表面负电荷,使基质表面对外加表面活性剂分子静电斥力加大,使外加表面活性剂在基质表面实际吸附量降低;同时阴离子与水相中多价金属阳离子发生快速反应,减少了外加表面活性剂分子与多价金属阳离子的反应量,减少了外加表面活性剂的消耗。由此表面活性剂整体吸附量降低。(3)碱与油相成分反应生成了表面活性剂,进而对油相乳化,碱具备乳化原油效应。(4)碱与原油反应产生的表面活性剂会在靠近油膜附近的油膜脱落区的储层表面上吸附形成超薄膜,进一步扩散至油膜边缘,在流动剪切作用