chapter3提高采收率原理

1、,根据毛管准数的定义：,驱替液粘度增加,油水界面张力降低,驱替液速度增加（增加驱替压力）,水驱时Nc在10-710-5范围之间， 实验结果表明：若使水驱效率 大于50%，Nc必须平均增大103 数量级，即Nc在10-410-2范围内。,驱替速度增加，虽能增加 毛管准数，但确减低了驱 替液的宏观波及程度。,大庆油田地下原油粘度为10mPa.s 左右，水的粘度约为0.7mPa.s，聚合 物浓度为0.12%时，地面测视粘度 达到40mPa.s。若不考虑粘度损失， 可使毛管准数提高101数量级。,水驱时，大庆油田油水的界面张力 为2030mN/m。若使毛管准数提高 103数量级，界面张力必须下降到 1

2、0-210-3mN/m。,第一节 表面活性剂溶液驱油,第二节 碱水驱油法,第三节 复合体系驱油法,第三章 表面活性剂、碱、复合体系驱油法,一、表面活性剂溶液驱油概述,二、表面活性剂的概念及类型,三、表面活性剂溶液驱油体系,四、表面活性剂溶液驱油机理,五、油田应用及发展趋势,第一节、表面活性剂溶液驱油,溶液驱油的研究历程：,胶束溶液驱油,微乳液驱油,稀体系多组分复配驱油,泡沫体系驱油,活性剂稀体系驱油,一、表面活性剂溶液驱油概述,1、概念,2、类型,3、亲油亲水平衡值,4、分配系数,二、表面活性剂的概念及类型,概念：分子具有两亲结构，可自发地浓集于相界面，显著降低界面张力的物质。,表面活性剂分子

3、结构,极性端,非极性端,1.表面活性剂的概念,离子型,非离子型,表面活性剂,阴离子型,阳离子型,两性型,2.表面活性剂的类型,阴离子型表面活性剂,活性剂在水中可以电离，电离后起活性作用的部分是阴离子。,常用的有：,羧酸盐：分子结构R-CO2-Na， 亲水基为-CO2Na， 憎水基R-,磺酸盐：分子结构R-SO3-Na， 亲水基为-SO3Na， 憎水基R-,成本低，但遇硬水， 易结垢、絮凝。,成本较高，抗硬 水的能力较强， 滞留量低， 常用于活性剂驱。,阳离子型表面活性剂,活性剂在水中可以电离，电离后起活性作用的部分是阳离子。,常用的有：,胺盐： 分子结构R1R2R3NHCl， 憎水基R1R2R

4、3NH+,季胺盐：分子结构R1R2R3R4NCl ， 憎水基R1R2R3R4N +,吡啶盐：分子结构R-NC5H5Cl ， 憎水基R-NC5H5 +,由于在地层中滞留量大，在采油中应用不甚广泛，主要应用于防蜡、抑制粘土膨胀等。,非离子型表面活性剂,活性剂在水中不电离，故不怕硬水，也不受PH值的影响。其亲水基主要是由具有一定数量的含氧基团（一般为醚基和羟基）构成。,常用的有：,醚键型 R-O-R CH3-O-C2H5 甲乙醚,酰胺键型,酯键型,胺键型,这类活性剂在采油中应用广泛，主要用于起泡、乳化、防蜡、缓蚀、油水井增产增注、提高原油采收率。,两性型表面活性剂,甜菜碱型:由季铵盐构成阳离子部分：

5、,类型：,非离子-阴离子型,阴离子-阳离子型,非离子-阳离子型,它主要应用于缓蚀、乳化、杀菌、抑制粘土膨胀和提高采收率。,概念：描述活性剂亲水亲油能力大小的物理量。简称HLB。,HLB一般介于140之间；10，活性剂亲水性强；10，活性剂亲油性强。,HLB值可通过乳化实验法、溶解度法、气相色谱法、核磁共振法等确定。,3.表面活性剂的亲水亲油平衡值,概念：是指活性剂在油相与水相中平衡浓度的比值。,4.表面活性剂的分配系数,三、表面活性剂溶液驱油体系,表面活性剂稀体系,胶束溶液,微乳液,泡沫驱油体系,（1）,（2）,（3）,（4）,开始形成胶束的表面活性剂浓度为临界胶束浓度CMC；含有胶束的活性剂

6、溶液为胶束溶液。,概念：表面活性剂浓度低于1%wt。,性质：可降低界面张力。,当水表面聚集的活性剂分子达到饱和时，在溶液内部，形成以烃链为内核、亲水基外露的分子聚集体，称为胶束。,1. 表面活性剂稀体系,2. 胶束溶液,胶束的形成与增溶示意图,CMC,表面活性剂单体浓度,表面活性剂浓度,2. 胶束溶液,开始形成胶束的表面活性剂浓度为临界胶束浓度CMC；含有胶束的活性剂溶液为胶束溶液。,概念：由油、水、表面活性剂、助表面活性剂（醇）、盐五种组分组成的，油水高度分散的体系（表面活性剂浓体系）。,性质：具有超低的界面张力。,相态：不同的配方，微乳液具有下相、中相、上相三种相态。,3. 微乳液,微乳液

7、的三种相态,上相,中相,下相,活性剂水溶液,活性剂水溶液,油,油,S,W,O,A,均相区 （水外相微乳）,两相区 （水外相微乳+油）,(a) 水溶性表面活性剂,S,W,O,B,均相区 （油外相微乳）,两相区 （油外相微乳+水）,(b) 油溶性表面活性剂,图3-1 微乳液的准三组分相图 (S表面活性剂与助表面活性剂；W-盐水；O-油),O,L,U,W,油,水外相微乳液 (下相微乳液，L),油外相微乳液 (上相微乳液，U),水,(A),(B),图3-2 图3-1中A、B两点的相态,概念：一种或几种液体以小液珠的形式，分散在另一种不能互溶的液体中所形成的分散体系。,性质：具有超低的界面张力。处于非平

8、衡状态的多分散体系，在长时间静置下会分层。 与微乳液及胶束溶液有很大区别。,组成：油、水、乳化剂组成。,4. 乳状液,乳状液、微乳液及胶束溶液的区别,概念：由不溶性气体分散在液体中所形成的粗分散体系。气体是分散相，液体是连续相。 组成：水、气、起泡剂（表面活性剂）。 还有聚合物（增加体相黏度）和盐（调整表面活性剂的亲水亲油平衡值）。,4. 泡沫驱油体系,四、表面活性剂溶液驱油机理,表面活性剂稀体系驱油机理,胶束溶液驱油机理,微乳液驱油机理,泡沫驱油体系驱油机理,（1）,（2）,（3）,（4）,表面活性剂稀体系驱油机理,1,（1）亲水模型中的微观渗流,（2）亲油模型中的微观渗流,（3）亲水模型中

9、的宏观动态,（4）稀体系驱油机理,（1）表面活性剂在亲水模型中的微观渗流,稀体系注入后，能使残余油变形拉成丝，丝的前端断裂成一颗颗小油珠。,（1）表面活性剂在亲水模型中的微观渗流,稀体系注入后，可看到油在壁上铺开，显示出润湿性由亲水向亲油转变的迹象。,（1）表面活性剂在亲水模型中的微观渗流,速度小的地方，形成W/O型乳状液。使油形成长片，稀体系夹带油珠和长片油向前渗流。,在驱替前缘形成油墙，油墙由W/O型乳状液和纯油组成。,稀溶液驱后残余油的形态以油珠为多，分散在孔道壁的各部分。,（2）表面活性剂在亲油模型中的微观渗流,当稀体系接触到孔喉处的油时，由于界面张力降低，毛管力也降低，使喉道中的油很

10、容易被驱出。,（2）表面活性剂在亲油模型中的微观渗流,稀体系可使残余油变形，处于流线上的油沿壁运移，积聚颗粒的驻点处，积多后变形拉长，桥接到另一颗粒上，最后成丝直至断裂，乳化成小油珠渗流。,（3）表面活性剂在亲水模型中的宏观动态,在稀体系驱油前方，形成一富集油墙，油墙宽度增加缓慢，由于指进现象，稀体系进入油墙。,（4）表面活性剂稀体系的驱油机理,1.降低油水界面张力减少油滴通过孔喉的阻力。 2.改变岩石的润湿性亲油变亲水，降低液固界面能。 3.乳化机理运移、分散、聚并，形成乳状液。,问题：存在表面活性剂损失及不利流度比。,2. 胶束溶液驱油机理,（1）胶束的增溶作用,（2）超低界面张力机理,3

11、 微乳液驱油机理,微乳液的超低界面张力可使驱替前缘与原油混相，消除渗流阻力。,4 泡沫体系驱油机理,4 泡沫体系驱油机理,具有活性水或胶束的性质。 （1）Jamin效应叠加，提高驱替介质的波及系数。,（2）泡沫依据孔道形状而变形，能有效驱出波及到的孔隙中的油，提高洗油效率。,五、表面活性剂驱油的影响因素,1）表面活性剂当量 研究表明，当量在200500之间的石油磺酸盐具有较好的降低界面张力的能力；当量越高，当量分布越宽，驱油效果越好。 2）表面活性剂分子结构 带支链的好于不带支链的。 基链长度为C12C16时最好。,3）表面活性剂浓度 4)无机盐浓度 最优含盐量时，油水界面张力达到最低。,5）

12、原油性质 不同分子结构的碳氢化合物与表面活性剂形成的界面张力不一样。 6）油藏温度 油藏温度过高，化学吸附增加，不利于驱油。 7）助表面活性剂 醇的加入有利于驱油。,六、表面活性剂在岩石表面的损失,（一）机理 吸附损失（物理吸附、化学吸附） 沉淀损失 离子交换（阳离子表活剂）,（二）影响因素 表活剂结构（引入支链，吸附减少） 岩石类型 （粘土矿物吸附量大） 无机盐 （NaCI 增加吸附；磷酸钠，减少 吸附。 温度 （温度增加，化学吸附量增加，物理吸附量减少） 值 （值增加，阴离子吸附量下降）,（三）减少吸附方法 1，吸附量下降。 2. 改变表活剂结构和活性剂复配。 3牺牲剂 木质素磺酸、三聚磷

13、酸钠。 4. 醇的作用 5. 鳌合剂的作用。降低Ca2+ 、Mg2+含量。,七、表面活性剂驱油法的 油田应用及发展方向,选择表面活性剂的原则,1,2,3,4,选择地层的原则,应用情况,发展方向,1.选择表面活性剂的原则,溶液的界面张力低； 吸附作用小； 与地层流体有好的可混溶性； 成本低。,2.选择地层的原则,砂岩油层； 油藏原油具有低密度、低粘度； 地层温度小于120； 地层水矿化度低； 地层渗透率大于0.02m2； 没有裂缝或高渗透贼层。,3.油田应用情况,不同表面活性剂驱油体系，在矿场上均有一定数量应用实例，但大部分仍停留在矿场试验阶段，并未进行工业化推广。 由于表面活性剂成本高，在地层

14、中损耗大，推广应用具有很大的风险性。,4.表面活性剂驱油的发展,扩大活性剂原料的来源，降低活性剂成本； 利用化学剂的协同效应，进行复配，形成多元驱油体系；,2. 碱水驱油机理,1. 碱剂的类型与性质,3. 碱水驱油的应用及发展前景,第二节 碱水驱油法,3. 硅酸钠（泡花碱）,2. 碳酸钠（苏打）,1. 氢氧化钠（烧碱）,一、碱剂的类型及性质,又名烧碱； 氢氧化钠为白色晶状固体，易溶于水，露置于空气中，容易吸收水分而潮解，故需密封保存； 是强碱，在水中完全电离； 有极强的腐蚀性，可与石英砂发生反应。 NaOH+SiO2=Na2SiO3（溶于水）+H2O,1.氢氧化钠,碳酸钠俗称苏打，工业上又叫纯

15、碱； 无水碳酸钠为白色晶体，易溶于水； 在水中完全电离，并能发生碱性水解。 Na2CO3=2Na+CO32- CO32-+H2O HCO3-+OH- HCO3-+H2O H2CO3+OH-,2.碳酸钠,工业上称泡花碱；水溶液称为水玻璃。 常按模数=SiO2：Na2O=35：1的配料比制备硅酸钠； 模数越小，碱性越强，越易溶解； 驱油中多选用弱减性的高模数水玻璃。,3.硅酸钠,1.降低界面张力,碱与原油中的有机酸反应生成表面活性物质，可使油水界面张力降至10-2 mN/m以下。,酸值：中和一克原油使其pH值等于7时所需的氢氧化钾的毫克数。 原油酸值应大于0.5 mg KOH / g 原油。,确定

16、原油特性是否适合碱水驱的一种指标。,二、 碱水驱油机理,2. 乳化-携带机理,活性物质可使原油乳化成小油珠，被碱水携带通过地层。,3. 乳化-捕集机理,剩余油被乳化，形成乳状液。流动过程中遇到比液滴小的孔隙吼道时，乳状液被捕集，从而增加了水的流动助力，即降低了水的流度，改善了流度比。,4.改变岩石的润湿性机理,（1）油湿转变为水湿：在高碱浓度与低盐浓度下，碱可通过改变吸附在岩石表面的油溶性活性物质在水中的溶解度而解吸，恢复岩石原来的亲水性，使岩石表面由油湿反转为水湿，从而提高了洗油效率。,（2）水湿转变为油湿：在高碱、高盐浓度下，碱与原油中的酸性成分反应，生成的活性物质主要分配在油相并吸附到岩

17、石表面上，使岩石表面从水湿转变为油湿。非连续的剩余油变成连续的油相被驱出。另外，可能形成油包水型乳状液，阻塞部分油流通道，扩大波及体积。,原油中含有结构复杂的胶质、沥青质等，部分物质具有表面活性，能自发地吸附在油水界面形成坚硬的界面薄膜，碱的存在可以增大这些物质的溶解性。,5 . 溶解坚硬的界面薄膜,1.岩石组成的影响,碱和岩石矿物之间相互作用，产生沉淀，损害地层。另外，消耗大量的碱。,2.原油酸值的影响,原油酸值是影响界面张力的重要因素，理想的原油酸值应= 0.5 mg KOH / g原油。,三、 碱水驱油的影响因素,3.溶液pH的影响,碱水溶液的pH值不同，其驱油机理也不同； pH值也影响

18、碱的消耗量。,4.油藏温度的影响,温度太高，会消耗大量的碱，而且形成的乳状液的稳定性会受到破坏。,三、 碱水驱油的影响因素,5.水质矿化度的影响,水质矿化度影响形成乳状液的类型和稳定性。矿化度增加，乳状液由水包油型向油包水型转变，乳状液更加稳定。,三、 碱水驱油的影响因素,1.碱水驱的筛选标准,2.碱驱的开发工艺,3.油田应用及发展前景,四、 碱水驱油的应用及发展前景,油层内不存在大的裂缝或漏失层，不带气顶。,砂岩油层，且石膏（CaSO4 .2H2O )的含量不得大于0.1%，高岭石 与蒙脱石的含量较低；,油层具有一定的注入能力；,原油酸值不能低于 0.2 mg KOH/g原油；,原油粘度必须

19、低于 200 mPa.s；,油层温度必须低于 93.3C；,油藏产出气中CO2含量小于1%，或产出水PH值高于 6.5。,1. 碱驱的筛选标准,碱驱中，常用的碱剂有苛性碱（NaOH）和碳酸钠（Na2CO3）；,碱溶液以0.10.25PV 的规模呈段塞形式注入，再用普通水来推进；,采用工作剂的浓度常为0.20.4%wt；但为改变岩石的润湿性，通常碱剂的浓度提高到 24%，特别在需要增加亲水性地层中，含盐量很高，更需使用高浓度碱液（45%）。,为了节约苛性碱，在其注入前。可先注碳酸钠 溶液，以软化地层水和注入水，并与地层相互 作用。,2. 碱驱的开发工艺,发展前景,碱水驱技术正向着表面活性剂与碱二

20、元复合体系驱油技术方向发展。,低pH值碱剂的表面活性剂强化碱水驱，不仅碱剂同油层矿物的化学反应比较弱，而且，在碱性条件下，表面活性剂的吸附损失下降。同时，经过大量的实验研究：碱与表面活性剂按一定比例复配，会产生超低界面张力，此作用被称为“协同效应”。,3. 油田应用及发展前景,碱驱油藏生产井结垢严重：常见的积垢是钙盐和镁盐，其次是钡盐和铁盐。,生产井产出液乳化严重，且乳化液很难破乳。,工艺问题,碱耗严重：地层水中含盐或岩石中含粘土就会大幅度增加碱耗量；,3. 油田应用及发展前景,油田应用 尽管用减水作为驱油介质成本较低，但由于碱耗严重，粘性指进、结垢等原因矿场实验数量较少，只有美国和前苏联有一

21、定数量的油田进行过矿场实验，虽然取得了成功，但也发现许多问题。,3. 油田应用及发展前景,一、二元复合体系驱油,二、三元复合体系驱油,三、泡沫复合体系驱油,第三节 复合体系驱油法,1. 碱-活性剂二元复合体系驱油,2. 活性剂-聚合物二元复合体系驱油,一、二元复合体系驱油,对于低酸值原油，只加入碱往往不能产生低界面张力，同时加入碱和活性剂，会使界面张力降到碱水本身或活性剂本身所达不到的超低效果，这种作用成为碱与表面活性剂的“协同效应”。,1、碱-活性剂二元复合体系驱油,（1）机理,碱与表面活性剂按一定比例混合在一个段塞中注入。利用碱与活性剂两者之间产生的协同效应，大幅度提高驱替效率。这种方式的

22、采收率比单独碱或单独的表面活性剂驱的效果好。,（2）注入方式,表面活性剂提高洗油效率，聚合物改善活性剂溶液不利的流度比。 目前此二元复合体系多采用胶束/聚合物溶液驱油。,2、活性剂-聚合物二元复合体系,（1）机理,前置液：清水，目的是降低地层水的矿化度。注入量可在01PV之间；,胶束/聚合物段塞：体积在0.050.2PV之间；,驱替液段：驱替液的目的是为了降低连续注入聚合物的成本。,流度缓冲液：水溶性聚合物的稀释液，目的是将胶束/聚合物段塞及聚集起来的流体驱向生产井；,（2）注入方式,1、三元复合体系驱油机理,2、色谱分离现象,3、三元复合体系的应用与发展,二、三元复合体系驱油机理,1） 降低界面张力：（1）P 保护S，使其不与水中二价离子反应；（2） A 与S之间的“协同效应”，拓宽表面活性剂的活性范围；（3） A与原油中的有机酸反应生成S，降低主剂S的用量。,3）降低化学剂的吸附：碱与钙、镁离子反应及与粘土发生离子交换，可减少阴离子型活性剂及聚合物的吸附损失。,2）较好的流度控制：聚合物溶液的存在，使体系具有高的黏度。,1. 碱/表面活性剂/聚合物三元复合驱驱油机理,定义：复合体系中各组分与地层岩石间的作用不同，使得三组分间产生的差速运移现象。,产生原因：竞争吸附、离子交换、分散作用、分配系数、渗透能力等