甜菜碱表面活性剂聚丙烯酰胺二元复合体系的水驱油性能

甜菜碱表面活性剂聚丙烯酰胺二元复合体系的水驱油性能

在现场生产实践中，三元复合驱油法可提高采收率约20个百分点。但在三元复合驱工业化应用中出现了一些问题,如注入的含碱驱油体系能引起地层粘土分散和运移,导致地层渗透率下降;碱也与油层流体及岩石矿物反应,形成碱垢,对地层造成伤害并影响油井正常生产;碱还会大幅度降低聚合物的粘弹性,从而降低波及效率及驱油效率等。针对上述问题,许多学者考虑无碱二元驱提高采收率。李孟涛等进行了无碱二元复合体系驱油试验,使用的表面活性剂为阳离子的NEP,油藏条件下体系与油的界面张力达到10-2mN/m数量级。郭东红进行了阴离子型的石油磺酸盐OCS表面活性剂/聚合物二元体系提高聚驱后采收率的研究。吴文祥利用非离子型的表面活性剂研究了聚合物及表面活性剂二元复合体系驱油物理模拟实验。刘莉平研究了聚合物/表面活性剂二元复合驱油体系的性能,使用的表面活性剂为阴离子型的SDBS,油藏条件下体系与模拟油的界面张力为1.38×10-2mN/m。这些研究中聚合物/表面活性剂二元体系与油的界面张力不能达到超低(10-3mN/m),较大地影响了二元体系的驱油效果。笔者应用新研制的在无碱条件下达到超低界面张力的两性甜菜碱型表面活性剂,利用可视化的微观驱油实验和人造岩心驱油实验,研究聚合物/表面活性剂二元复合体系对刻蚀仿真岩心和人造岩心中水驱后残余油的作用机理。1二聚油挤出系统的组成和性能1.1表面活性剂的研制实验用油为大庆油田的脱气脱水原油配制的模拟油,在实验温度下的粘度为10mPa·s;表面活性剂为自行研制的羧基甜菜碱型的两性表面活性剂;聚丙烯酰胺(HPAM)为大庆助剂厂生产,相对分子质量为1.6×107;实验用水为矿化度3.7g/L的模拟盐水。1.2羧基甜菜碱两性表面活性剂单因素实验甜菜碱系两性表面活性剂中的一种,最早由Krüger从甜菜中分离出来。使用甜菜碱型两性表面活性剂能改善注入水流动性,有效降低油水界面张力。实验用羧基甜菜碱两性表面活性剂的分子结构中带有阴阳离子2种亲水基团,等电点处的pH值为6.8～7.0。该表面活性剂在水溶液中能电离,在某种介质条件下可以表现出阴离子表面活性剂的特性(高于等电点下的pH值),而在另一种介质条件下又可以表现出阳离子表面活性剂特性(低于等电点下的pH值)。通过改变亲油基结构,达到在无碱条件下形成超低界面张力的目的。羧基甜菜碱型表面活性剂结构为式中,R为长碳链烷基或烃基。1.3表面活性剂的选用可视化的微观驱油实验和人造岩心驱油实验的实验温度分别为30和45℃,在实验温度下模拟油的粘度均为10mPa·s,为了保证在30℃条件下二元体系与油的界面张力达到超低,对45℃条件下达到超低界面张力的表面活性剂的分子结构进行了设计,因此,微观驱油实验和人造岩心实验使用表面活性剂的浓度稍有不同,两类实验用驱油体系的配方见表1。1.4驱油体系的ph值用TX-500C旋滴界面张力仪测量了驱油体系与模拟油在稳定条件下的界面张力,用PHS-3C型数字式酸度计测量了驱油体系的pH值(表1)。由表1可以看出,无论是微观驱油实验还是人造岩心驱油实验所用的复合驱油体系的界面张力均达到了超低,pH值均高于表面活性剂等电点下的值,表现为阴离子性。1.5表面活性剂对聚合物质量指标的影响应用HAAKE150流变仪测量了聚合物/两性表面活性剂二元体系的流变性,受篇幅限制,只给出在人造岩心中驱油用的二元体系的流变性,并与相应的聚合物溶液的流变性进行了对比,实验温度为45℃,实验结果见图1和图2,其中,cp表示聚合物质量浓度,ws表示表面活性剂质量分数。由图1可见,质量浓度低的聚合物溶液中加入表面活性剂后,二元体系的粘度略低于聚合物溶液的粘度,聚合物质量浓度高的二元体系的粘度高于质量浓度低的二元体系的粘度。由图2可见,加入表面活性剂的二元体系的储能模量与未加表面活性剂的聚合物溶液的储能模量基本相同,即该活性剂对体系的粘弹性的影响不大,聚合物质量浓度高的二元体系的储能模量高于质量浓度低的二元体系的储能模量。结果表明,该甜菜碱表面活性剂对二元体系的粘弹性影响不大。2岩心驱油实验及其结果分析2.1元复合体系的驱油机理利用玻璃刻蚀的仿真岩心模型进行驱油实验,通过图像采集系统将驱油过程的图像转化为计算机的数值信号,采用图像分析技术研究聚合物/表面活性剂二元复合体系的微观驱油过程。实验设备、流程及实验步骤见文献和文献。2.2残余油的驱油效果为了对比二元驱油体系与单一的表面活性剂驱油体系和聚合物驱油体系在驱油效果上的差异,设定水驱20Vp和注入的化学剂量为20Vp(其中Vp为孔隙体积),是为了保证出口含水为100%及保证岩心中的剩余油全部为残余油,以研究注入的化学剂对水驱后残余油的作用效果。图3和图4中分别给出了水驱及再用表面活性剂驱、聚合物驱后的图片。图3中水驱采收率为55.8%,岩心中仍有大量的残余油,当用超低界面张力的表面活性剂体系驱替水驱残余油后,沿主流线方向出现了明显的指进现象,形成主流区域,然后此区域在对角线的基础上逐渐扩大,但在两侧边角区域仍有较大面积的连续油流区,这是由于该表面活性剂体系具有超低界面张力和改变岩石润湿性的特性,使水驱后的各类残余油重新启动,在下游区域富集,但由于两侧形成封闭边界,故两侧边角区域富集残余油较为明显。由图4可见,尽管聚合物溶液的界面张力较高,但由于聚合物溶液的粘弹性,使得波及效率和驱油效率均较高。图4中水驱后的采收率为50.1%,聚驱后的采收率为69.5%,聚合物驱替水驱残余油后其采收率增值达19.4%,这又进一步证明了聚合物溶液的粘弹性可以提高驱油效率。图5中给出了聚合物质量浓度分别为0.5和1.0g/L的具有超低界面张力的二元体系1和二元体系2驱替水驱后残余油的结果。可以看出,用二元体系对此水驱残余油继续驱替,无论是对水驱未波及到的连续油区,还是对束缚在孔隙中几类残余油(柱状、膜状、簇状),都具有很好的驱替效果。聚合物质量浓度为1.0g/L的二元体系2的最终采收率达到了95.5%,而聚合物浓度为0.5g/L的二元体系1的最终采收率达到了85.0%。当界面张力达到超低时,聚合物质量浓度低的二元体系的驱油效果好于质量浓度高的聚合物一元体系,聚合物质量浓度高的二元体系2的驱油效果好于质量浓度低的二元体系1的驱油效果。为便于分析界面张力和粘弹性对采收率的影响,以体系中HPAM相对分子质量1.6×107、质量浓度1.0g/L、相间界面张力达到10-2mN/m数量级的情况为中心节点,从中心节点位置出发,改变其中一个因素,固定其余两个因素,研究其驱油体系的粘弹性和界面张力对水驱后残余油的作用。结果表明,中心节点处的水驱最终采收率58.0%,然后采用二元体系驱油,其最终采收率达84.2%;当界面张力降低一个数量级,即由10-2mN/m降至10-3mN/m时,采收率由水驱的55.8%提高到95.5%;当界面张力不变,聚合物质量浓度由1.0g/L升至2.0g/L时,采收率由水驱的58.5%提高到89.8%;而当HPAM相对分子质量从1.6×107增至3.8×107时,采收率由55.9%提高到86.2%。可以看出,界面张力降低至超低、聚合物质量浓度和相对分子质量增加,都有利于采收率的提高。当界面张力由10-2mN/m降至10-3mN/m时的最终采收率均高于增加聚合物溶液的质量浓度和相对分子质量两种情况下的最终采收率。3油挤出试验及其结果分析3.1岩心驱油实验主要仪器有Riska数字驱动泵(美国),压力传感器(美国),80-B2型自动型自动组分收集器(上海泸东仪器厂)以及中间容器等。实验用的岩心为弱亲油的人造方形浇铸岩心(4.5cm×4.5cm×20cm),气测渗透率(kg)、孔隙度(φ)和含油饱和度(So)的数据见表2。实验步骤为:将饱和盐水的岩心放在恒温箱内恒温12h以上(45℃),油驱水至模型出口不出水为止,确定原始含油饱和度;水驱20Vp(Vp为孔隙体积)至模型出口含水率100%,计算水驱采收率;继续化学驱20Vp,计算采收率及其增值,实验方案见表2。3.2聚合物溶液驱油效果好于活性剂和水驱油由表2可见,方案1的单一活性剂体系驱替水驱后残余油的效果比方案2和3的聚合物驱油体系的驱替效果差一些。活性剂体系具有超低界面张力,洗油效果较好,对水驱后残余油的作用较为明显,但体系的流度控制能力较弱,而聚合物溶液尽管与油的界面张力较高,但体系的粘弹性作用可同时提高波及效率和驱油效率,使得聚合物溶液对水驱后残余油的作用效果好于超低界面张力的活性剂体系,聚合物驱替水驱后残余油的采收率增值高于活性剂的。为了同时发挥表面活性剂的洗油效率和聚合物溶液的流度控制能力,利用可形成超低界面张力的聚合物/表面活性剂二元体系(方案4,5),其效果明显高于单一聚合物体系和表面活性剂体系,且随着体系中聚合物质量浓度的增加,