復(fù)合體系在超低界面張力狀態(tài)下對采收率的貢獻(xiàn)程度

尚丹森，侯吉瑞*

0 前言

復(fù)合體系是一種將2種及2種以上化學(xué)劑組合在一起的化學(xué)驅(qū)油體系，隸屬三次采油技術(shù)范疇。堿/活性劑/聚合物(ASP)三元復(fù)合驅(qū)和活性劑/聚合物(SP)二元復(fù)合驅(qū)統(tǒng)稱復(fù)合驅(qū)。在大慶油田、新疆油田、勝利油田開展的先導(dǎo)性試驗(yàn)和工業(yè)化生產(chǎn)試驗(yàn)證明，ASP三元復(fù)合驅(qū)是一種有效的提高采收率的方法，可在水驅(qū)基礎(chǔ)上提高采收率20%以上[1-4]。但在生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)ASP體系中的強(qiáng)堿NaOH會帶來結(jié)垢、腐蝕、采出液乳化嚴(yán)重、油水難以分離等問題[2-3,5]。為避免堿的弊端，SP二元復(fù)合驅(qū)逐步發(fā)展起來，并取得重要進(jìn)展。勝利油田、遼河油田、新疆油田等SP二元驅(qū)試驗(yàn)效果顯著[1,3,6]?？傮w來說，ASP三元和SP二元復(fù)合驅(qū)均能大幅提高采收率。

基于毛管數(shù)理論，剩余油飽和度隨毛管數(shù)的增大而降低，10-3mN/m(超低界面張力)數(shù)量級的界面張力能使毛管數(shù)增大3～4個數(shù)量級，從而大幅降低剩余油飽和度，這是復(fù)合驅(qū)提高采收率的重要機(jī)理之一[7-9]。但復(fù)合體系在地層運(yùn)移的過程中會產(chǎn)生色譜分離，其有效組分也會發(fā)生吸附、機(jī)械捕集、擴(kuò)散彌散、沉淀、降解等損失[10-12]，致使超低界面張力難以長距離維持。目前，對超低界面張力在地層中的有效作用距離已有部分研究[13-15]，但對其他數(shù)量級界面張力的有效作用距離及其對采收率的貢獻(xiàn)少有研究。為此，本文采用10 m超長物理驅(qū)油模型來研究復(fù)合驅(qū)各數(shù)量級界面張力的有效作用距離及其對采收率的貢獻(xiàn)，為復(fù)合驅(qū)優(yōu)化設(shè)計提供實(shí)驗(yàn)參考依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料和儀器

實(shí)驗(yàn)用油為大慶采油二廠脫氣脫水原油與煤油配制而成的模擬油，在45 ℃、剪切速率7.34 s-1的條件下黏度為7.9 mPa·s。

實(shí)驗(yàn)用水為模擬地層水，礦化度為6777.8 mg/L，離子組成(mg/L)：Na+2183、K+10.5、Ca2+23.1、Mg2+66.2、Cl-2363.5、HCO3-2054.4、SO42-77.1。

實(shí)驗(yàn)用表面活性劑為重烷基苯磺酸鹽(HABS)，屬陰離子表面活性劑，由大慶油田采油二廠提供，有效含量為50%。實(shí)驗(yàn)用聚合物為部分水解聚丙烯酰胺(HPAM)，由北京恒聚公司提供，相對分子量2500×104，水解度25%，固含量88%。堿劑NaOH和石油醚均為分析純。實(shí)驗(yàn)用二元(SP)和三元(ASP)復(fù)合體系配方及性能見表1。

實(shí)驗(yàn)所用人工填砂管直徑為2.5 cm，長度有30 cm、70 cm、80 cm、100 cm 4種規(guī)格，可以拼接出實(shí)驗(yàn)用不同長度的填砂管。實(shí)驗(yàn)用油砂由大慶油田天然巖心經(jīng)處理制成，目數(shù)40～100目不等。

主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備有：HW-Ⅱ型恒溫箱，HAS-100HSB型恒速恒壓泵，布氏黏度計，天平，Texas-500旋滴界面張力儀，UV2000型紫外分光光度計。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 界面張力和黏度

使用界面張力儀，在45 ℃、6000 r/min條件下測定界面張力(IFT)。使用布氏黏度計，在45 ℃、剪切速率7.34 s-1的條件下測定黏度。

2.2 驅(qū)油實(shí)驗(yàn)

10 m填砂管驅(qū)油實(shí)驗(yàn)。1)抽真空，飽和水，并水測滲透率。2)油驅(qū)水至出口不出水為止，計算初始含油飽和度，并老化48小時。3)水驅(qū)至出口含水98%以上為止，記錄注水體積。4)注入0.3倍孔隙體積的SP或ASP體系，之后二次水驅(qū)至出口含水98%以上為止。

其他長度填砂管驅(qū)油實(shí)驗(yàn)。注入水的體積和注入SP或ASP體系的體積均以10 m填砂管的注入量計，不同長度填砂管之間的滲透率誤差控制在5%以內(nèi)，以最大程度減小驅(qū)替過程中的誤差。其余步驟同10 m填砂管驅(qū)油實(shí)驗(yàn)。

所有的驅(qū)油實(shí)驗(yàn)均在45 ℃恒溫箱中進(jìn)行，注入速度0.4 mL/min。

2.3 剩余油飽和度

從每段填砂管中取出其油砂，測量總質(zhì)量M，從中取出10份質(zhì)量均為m的油砂。用石油醚清洗每份油砂中的剩余油，之后將油砂和含油石油醚分離，用紫外分光光度計測定每份含油石油醚的吸光度。對比標(biāo)準(zhǔn)曲線，計算出每份油砂中剩余油的體積，并算出這10份油砂中剩余油體積的平均值Va，則每段填砂管中剩余油的體積為Va×M/m。

2.4 各數(shù)量級界面張力作用距離及增油體積

參照10 m填砂管驅(qū)油實(shí)驗(yàn)步驟，自注入SP或ASP體系起，在出口進(jìn)行連續(xù)采樣，每次取樣10 mL，并測量樣品與油的界面張力。若出口測得某一數(shù)量級的界面張力，則將該數(shù)量級中測得的最低界面張力作為此距離下的界面張力。從1 m填砂管做起，每次增加0.5 m，找出10-3mN/m、10-2mN/m、10-1mN/m、100mN/m數(shù)量級界面張力的作用距離。

裝填填砂管，令每段填砂管的長度等于不同數(shù)量級界面張力的作用距離，并對每段填砂管分別抽真空、飽和水、飽和油，之后再把各段填砂管拼接成10 m。采用平行實(shí)驗(yàn)，裝填3組滲透率相當(dāng)?shù)奶钌肮?，一組填砂管用來測量水驅(qū)后的剩余油飽和度，另兩組填砂管分別用來測量SP驅(qū)或ASP驅(qū)后的剩余油飽和度和化學(xué)驅(qū)總增油體積，根據(jù)兩次測量的飽和度差值計算復(fù)合體系在各數(shù)量級界面張力下的增油體積。

表1 實(shí)驗(yàn)用二元和三元復(fù)合體系配方及性能Table 1 Composition of SP and ASP systems and its properties

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

3.1 誤差分析

對不同長度的填砂管進(jìn)行驅(qū)油實(shí)驗(yàn)，水驅(qū)至出口含水98%以上為止，用采收率計算剩余油體積(飽和油的體積減去采出油的體積即為剩余油體積)，并與用吸光度計算的體積進(jìn)行對比，結(jié)果見表2。由表2可知，用吸光度計算出的剩余油體積小于用采收率計算出的剩余油體積，二者的相對誤差在3%以內(nèi)，在允許誤差范圍內(nèi)，因此可以使用吸光度來計算剩余油體積。

裝填3組10 m填砂管，分別對每組填砂管抽真空、飽和水、飽和油、水驅(qū)油至出口含水98%以上為止，之后對第2組和第3組填砂管分別進(jìn)行SP驅(qū)和ASP驅(qū)。記錄各組填砂管的水測滲透率、飽和油量和水驅(qū)采收率，將第2、3組的結(jié)果與第1組進(jìn)行對比，結(jié)果見表3。由表3可知，飽和油體積和水驅(qū)采收率的相對誤差在5%以內(nèi)，最大誤差接近5%，在允許誤差范圍內(nèi)，可以使用這3組填砂管來開展平行實(shí)驗(yàn)。

表2 使用不同方法計算出的剩余油飽和度Table 2 Remaining oil saturation calculated by different methods

表3 各組填砂管滲透率、飽和油體積和水驅(qū)對采收率Table 3 Permeability, saturated oil volume and contribution of water flooding to oil recovery

圖1 NaOH的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對界面張力的影響Fig. 1 Effect of alkali on IFT

3.2 界面張力和剩余油分布

配置不同活性劑濃度的ASP體系，考察NaOH濃度對界面張力的影響，結(jié)果見圖1。由圖1可知，在實(shí)驗(yàn)的所有堿濃度條件下，均能使界面張力降至10-2mN/m數(shù)量級水平，最高值為0.0938 mN/m，活性劑濃度為0.3%時，在很寬的堿濃度范圍(0.3%～1.2%)內(nèi)，界面張力均能降至超低界面張力水平，最低值為0.0027 mN/m。

圖2 剩余油分布和界面張力隨距離的變化Fig. 2 Remaining oil distribution and variation of IFT with distance

剩余油分布和界面張力隨距離的變化如圖2所示。由圖2可知，水驅(qū)過后，剩余油飽和度隨距離呈階梯形變化，距離入口越遠(yuǎn)，剩余油飽和度越高。模型前2.5 m剩余油的飽和度在30%左右，2.5～7 m剩余油的飽和度在40%左右，7～10 m剩余油的飽和度在40%～50%之間，大部分剩余油集中在模型后半段(4 m以后)。這是因?yàn)樘钌肮芮岸丝拷肟?，水?qū)的相對注入量大，受水驅(qū)沖刷更徹底，并且水驅(qū)過程中水油流度比大，在模型的中后部形成了水流優(yōu)勢通道，模型中后部大部分油無法被有效驅(qū)替，因此模型前端剩余油的飽和度相對中部和后部更低。化學(xué)驅(qū)對模型前5 m剩余油的驅(qū)動程度較高。化學(xué)驅(qū)后，此范圍內(nèi)的剩余油飽和度降幅在15%左右。在SP驅(qū)和ASP驅(qū)中，超低界面張力在作用范圍可使剩余油飽和度分別降低15%和18%左右，化學(xué)驅(qū)后剩余油飽和度在11%左右，二者差別不大。界面張力處于10-2mN/m數(shù)量級時，盡管在SP驅(qū)和ASP驅(qū)中作用距離相等，但在該距離內(nèi)剩余油飽和度分別降低了15%和21%左右，差異明顯，這意味著堿可以提高界面張力在10-2mN/m數(shù)量級水平的洗油效率。

由圖2還可以看出，界面張力隨著運(yùn)移距離的增加而升高。這是由于活性劑顯著影響界面張力，活性劑在模型中運(yùn)移時，會發(fā)生不可避免的物理和化學(xué)吸附、相分離、彌散等損失，且這些損失隨著運(yùn)移距離增長而增大，因此隨著距離增大，界面張力不斷升高。從有效作用距離來看，超低界面張力在SP驅(qū)中的作用為2.5 m，占模型總長度的25%，而這一距離在ASP驅(qū)中為3.5 m，占模型總長度的35%，比SP驅(qū)的長約40%。ASP體系中增加了堿組分，堿不僅可與石油酸反應(yīng)生成新的表面活性物質(zhì)，與ASP中的其他活性劑產(chǎn)生協(xié)同作用，增加界面活性，降低界面張力，而且堿還能起到犧牲劑的作用，提高巖石表面的負(fù)電性，增加巖石表面與陰離子表面活性劑間的靜電斥力，減少活性劑的吸附損失[16-17]，因此超低界面張力在ASP驅(qū)中的作用距離比SP驅(qū)更長。但兩者的超低界面張力作用距離都沒有超過4 m。在其他數(shù)量級界面張力下，SP驅(qū)與ASP驅(qū)的有效作用距離無明顯差別，但ASP驅(qū)的界面張力均小于SP驅(qū)的界面張力。這是因?yàn)锳SP體系中的堿一方面能使活性劑更多地進(jìn)入油水界面，使其在油水界面上的排列更緊密，另一方面堿可與石油酸反應(yīng)生成新的表面活性物質(zhì)，與其他活性劑產(chǎn)生協(xié)同作用。在10-2mN/m數(shù)量級界面張力下，ASP驅(qū)能夠降低剩余油飽和度20%以上。

綜上所述，堿能夠降低界面張力，延長超低界面張力的作用距離，并能使體系在10-2mN/m數(shù)量級界面張力下的驅(qū)油效率大大提高，從這個角度來看，向復(fù)合體系中加入堿，有利于提高原油采收率。

3.3 超低界面張力狀態(tài)對采收率的貢獻(xiàn)

根據(jù)水驅(qū)和化學(xué)驅(qū)后剩余油飽和度差值計算增油體積，增油體積與總增油體積之比即為貢獻(xiàn)程度。復(fù)合體系在各級界面張力下對采收率的貢獻(xiàn)如圖3所示。由圖3可知，SP驅(qū)在10-3mN/m、10-2mN/m、10-1mN/m、100mN/m數(shù)量級界面張力下對采收率的貢獻(xiàn)程度分別為33%、33%、20%和14%左右，其中在10-3mN/m和10-2mN/m數(shù)量級界面張力下對采收率的貢獻(xiàn)程度相當(dāng)。ASP驅(qū)在各數(shù)量級界面張力下對采收率的貢獻(xiàn)程度分別為39%、35%、18%和8%左右，其中在10-3mN/m和10-2mN/m數(shù)量級界面張力下對采收率的貢獻(xiàn)程度基本相當(dāng)。在超低界面張力下ASP驅(qū)對采收率的貢獻(xiàn)程度比SP驅(qū)高6%左右，這得益于ASP驅(qū)中超低界面張力作用距離更長，作用范圍更廣，且界面張力更低。

圖3 不同數(shù)量級水平界面張力狀態(tài)對采收率的貢獻(xiàn)Fig. 3 Contribution of IFT state in different order of magnitude to EOR

根據(jù)圖2，模型后半段(4 m以后)剩余油飽和度較高，這部分應(yīng)該是超低界面張力的目標(biāo)區(qū)域。根據(jù)圖3，超低界面張力只能作用模型前3 m的距離，但這部分區(qū)域剩余油飽和度較低。也就是說超低界面張力實(shí)際上并沒有作用在理想的目標(biāo)區(qū)域，從某種程度上說是對超低界面張力的一種浪費(fèi)。未來若有可能，在經(jīng)濟(jì)技術(shù)允許的情況下，可以直接將復(fù)合體系輸送至理想的目標(biāo)區(qū)域，以充分發(fā)揮超低界面張力的優(yōu)勢。

可以明確的是，在SP驅(qū)和ASP驅(qū)中，復(fù)合體系在超低界面張力下對采收率的貢獻(xiàn)程度分別為30%和39%，均不超過40%，且超低界面張力作用在剩余油相對較少的區(qū)域，未能充分發(fā)揮其優(yōu)勢。復(fù)合驅(qū)中至少60%的增油量是在非超低界面張力狀態(tài)下被采出的。對比圖2和圖3不難發(fā)現(xiàn)，對10-2mN/m數(shù)量級的界面張力來說，盡管其作用距離僅集中在模型前2.5 m，但對采收率的貢獻(xiàn)程度卻不低于30%，甚至和超低界面張力狀態(tài)的貢獻(xiàn)程度相當(dāng)。因此，復(fù)合體系在非超低界面張力下的性質(zhì)也應(yīng)該受到重視，而且非超低界面張力比超低界面張力更容易維持，可供選擇的活性劑也更多。

4 結(jié)論

(1)水驅(qū)過后，剩余油飽和度隨距離呈階梯形變化。距離入口越遠(yuǎn)，剩余油飽和度越高，模型前2.5 m剩余油飽和度只有30%左右，大部分剩余油集中在模型后半段(4 m以后)。

(2)在SP二元和ASP三元復(fù)合驅(qū)中，復(fù)合體系在10-3mN/m、10-2mN/m、10-1mN/m、100mN/m數(shù)量級界面張力狀態(tài)下對采收率的貢獻(xiàn)程度分別為33%、33%、20%、14%左右和39%、35%、18%、8%左右。

(3)超低界面張力狀態(tài)在ASP三元復(fù)合驅(qū)中的作用距離和對采收率的貢獻(xiàn)程度分別比SP二元復(fù)合驅(qū)多40%和20%左右。堿能延長超低界面張力的作用距離，增加其對采收率的貢獻(xiàn)程度，提高復(fù)合體系在10-2mN/m數(shù)量級界面張力狀態(tài)下的驅(qū)油效率。

(4)復(fù)合驅(qū)中超低界面張力狀態(tài)僅能維持模型前2.5～3.5 m，且作用在剩余油較少的區(qū)域，對采收率的貢獻(xiàn)程度在30%～40%左右。復(fù)合體系在10-2mN/m數(shù)量級的界面張力狀態(tài)下對采收率的貢獻(xiàn)與超低界面張力狀態(tài)下基本相當(dāng)，復(fù)合體系在非超低界面張力下的性質(zhì)也應(yīng)受到重視。

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