普通稠油化學驅用表面活性劑研究

李隆杰,朱 杰,毛 源

(1.中國石油大學(華東) 石油工程學院,山東 青島 266580; 2.中石化勝利油田 河口采油廠,山東 東營 257299)

引言

地層溫度下黏度低于3 000 mPa·s的普通稠油可以采用注水方式開發(fā)。由于水油流度比高,注水開發(fā)過程中通常很快出現(xiàn)水竄問題?；瘜W驅是高含水期注水開發(fā)稠油油藏重要的接替技術之一。該技術通過在水中加入表面活性劑提高洗油效率,通過加入聚合物提高波及系數(shù)[1]。在常規(guī)原油化學驅中,界面張力是篩選表面活性劑的重要指標。通常認為油水界面張力降至10-3mN/m數(shù)量級,使毛管數(shù)提高至10-2,可大幅度提高殘余油的驅替效率[2],但進一步研究發(fā)現(xiàn),同樣能夠達到超低界面張力的表面活性劑,驅油效果卻有較大差異,這是因為表面活性劑的驅油機理除與有效降低油水界面張力有關外,還與乳化、潤濕反轉等界面現(xiàn)象[3-5]有關。大慶油田物模實驗結果表明,注入ASP(堿/表面活性劑/聚合物)段塞后,巖心出口端流出物出現(xiàn)乳化時,其提高采收率幅度比未乳化的高5%～6%[6],由此可見,乳化作用對低界面張力體系驅油的重要性。對于水驅后的稠油而言,殘余油不僅是由毛管阻力,更是由水的指進造成的[7]。因此,水驅后稠油油藏采收率的提高,應強化表面活性劑的乳化能力[8-11]。通過快速乳化,可以提高驅油劑對殘余油的剝離能力;乳化形成的乳狀液,可以通過捕集提高后續(xù)流體的波及系數(shù)。本文選取勝利油田孤東區(qū)塊普通稠油作為實驗油樣,擬系統(tǒng)研究界面張力、乳化性能以及潤濕性能對驅油效果的影響,從而為普通稠油化學驅驅油體系的設計提供指導。

1 實驗部分

1.1 實驗儀器、藥品與材料

主要實驗儀器:DTS-4C型石油密閉脫水儀(中國石油大學石儀科技實業(yè)發(fā)展公司)、WZS-1型阿貝折光儀(上海光學儀器廠)、DV-Ⅱ+Pro型旋轉黏度計(AMETEK Brookfield)、Texa-500型旋滴界面張力儀(美國德州大學)、DSA100型視頻光學接觸角測量儀以及稠油驅替裝置(海安縣石油科研儀器廠)。

藥品:油酸酰胺丙基羥磺基甜菜堿(OHSB,有效含量為22%)、油酸酰胺丙基甜菜堿(OAB,有效含量為35%)、脂肪醇聚氧乙烯醚羧酸鹽(AEC,有效含量為28%)、烷醇酰胺(6501,有效含量為30%)等,均為工業(yè)品,實驗過程中所用到的上述藥品均按照有效含量進行相關折算。

本文所用的原油為勝利油田孤東稠油,實驗前原油需要經過石油密閉脫水儀進行脫水處理,原油的基本性質如下:7.34 s-1下50 ℃時的黏度為820 mPa·s、原油酸值為0.805 mg/g、密度為0.961 5 g/cm3;實驗用水為去離子水配制的模擬地層水,其具體離子組成見表1;實驗用模擬地層砂的配比見表2。

表1 模擬地層水組成

表2 模擬地層砂的組成

1.2 實驗方法

1.2.1 油/水界面張力測定

采用旋滴法測定油水界面張力,實驗溫度為50 ℃。

1.2.2 表面活性劑乳化性能評價

(1)分散稠油能力評價

配制不同質量分數(shù)的表面活性劑溶液,與孤東脫水原油按質量比7∶3進行混合,密封放置在50 ℃恒溫箱內,2 h后取出,輕輕倒置試管幾次,觀察油水混合情況。

(2)乳化速率評價

采用乳化最小轉速定量表征表面活性劑乳化稠油的難易程度。乳化最小轉速由德國PHysica Messtechnik Gmbh公司的PHYSICA RHEOLAB MC1改造而成的裝置測得。測定方法如下:向玻璃容器中加入一定體積的表面活性劑溶液,再加入10 mL已預熱至50 ℃的脫水稠油;50 ℃預熱10 min后,以一定速率啟動攪拌,考察原油能否在10 min內完全分散進入水相。若原油能在10 min內分散進入水相,則將轉速降低25 r/min繼續(xù)實驗;否則,將轉速提高25 r/min繼續(xù)實驗,直到找出能使原油在水中分散所需的最小轉速,以此來表征表面活性劑對原油的乳化能力[12]。乳化速率測定實驗裝置如圖1所示。

圖1 乳化速率測定裝置

1.2.3 表面活性劑潤濕性能評價

為評價表面活性劑改變潤濕性的能力,可采用接觸角法測定潤濕角,具體實驗步驟如下:

①用1%HCl浸泡載玻片2 h以上,用模擬地層水沖洗干凈,然后放入干燥箱中烘干;

②用孤東原油浸泡載玻片24 h以上;

③用石油醚沖洗干凈,烘干,用DSA100型視頻光學接觸角測量儀測定載玻片與蒸餾水之間的接觸角;

④將載玻片浸泡在待測表面活性劑溶液中12 h,取出后烘干,再次測定接觸角。

1.2.4 表面活性劑洗油能力評價

將模擬油砂浸泡在驅油劑溶液內,以測試靜態(tài)洗油能力,具體實驗步驟如下:

①將孤東原油與配制好的模擬地層砂按質量比1∶4混合,放入50 ℃恒溫箱老化7 d,每天用玻璃棒攪拌1次;

②用模擬注入水配制質量分數(shù)為0.3%的驅油劑溶液100 g,攪拌均勻,取上層清液待測;

③稱量5 g左右的油砂放入廣口瓶中,記油砂和瓶總重為m1,精確至0.001 g;

④向廣口瓶中加入50 g驅油劑溶液,放入50 ℃恒溫箱中靜置48 h;

⑤取出后用干凈棉紗蘸出懸浮在溶液中和粘附在瓶壁的原油,倒出剩余的溶液,將廣口瓶放在烘箱中烘干,稱得剩余油砂和瓶質量為m2;

⑥往廣口瓶中倒入適量石油醚,洗下砂礫上的殘余油,反復洗脫,直到石油醚呈現(xiàn)無色。將洗脫完的廣口瓶烘干,稱得質量為m3;

根據(jù)

(1)

計算洗油率。式中:σ為洗油率,%;m1為廣口瓶與未洗油砂的總質量,g;m2為廣口瓶和洗油后剩余油砂的總質量,g;m3為廣口瓶和干凈地層砂的總質量,g。每個樣品測2次,最終結果取算術平均值。若2個樣品結果相差過大,需重新測量。

1.2.5 填砂管模型物理模擬驅替實驗

驅油實驗裝置如圖2所示。填砂管所用石英砂為80～100目,使用前需進行篩選、洗凈、烘干。通過稱量填砂前后填砂管和石英砂的質量計算孔隙體積。

填砂管物模驅替實驗具體步驟如下:

①用模擬注入水測定填砂管滲透率;

②在50 ℃恒溫箱內以0.05 mL/min的注入速度飽和原油,直至出口端沒有水流出;

③將飽和完油后的填砂管放置于50 ℃恒溫箱中老化48 h;

④一次水驅,驅至含水率98%以上,停止水驅;

⑤轉注0.5 PV化學驅段塞;

⑥二次水驅,驅至含水率達98%以上, 停止實驗。

1-平流泵; 2-中間容器罐; 3-閥門; 4-壓力表; 5-計算機;6-填砂管; 7-去離子水; 8-恒溫箱

2 結果與討論

2.1 超低界面張力體系構建

界面張力是篩選驅油體系的重要指標,從毛管數(shù)的角度出發(fā)考慮,要求驅油體系能使油水界面張力降至10-2mN/m以下。傳統(tǒng)的化學驅用表面活性劑以石油磺酸鹽為主[13],對于稠油來說,因其中含有較多的石油酸,在石油磺酸鹽中加入堿可以大幅降低油-水界面張力。但是,堿的加入會帶來破乳、結垢等問題,所以20世紀末開始無堿化學驅研究[14-15],發(fā)現(xiàn)甜菜堿類表面活性劑、烷醇酰胺類表面活性劑具有較好的降低油水界面張力效果[16-21]。考慮到這些表面活性劑在砂巖表面吸附量較高[22],本文收集了碳鏈較長的油酸酰胺丙基羥磺基甜菜堿(OHSB)、油酸酰胺丙基甜菜堿(OAB)、烷醇酰胺(6501),然后將它們分別與脂肪醇聚氧乙烯醚羧酸鹽(AEC)以一定的質量比復配來構建低界面張力體系。

(1)烷醇酰胺與醇醚羧酸鹽復配

將烷醇酰胺與醇醚羧酸鹽分別以質量比1∶1、1∶2復配,測定復合體系不同質量分數(shù)下的油水界面張力,結果如圖3和圖4所示。

圖3 6501/AEC(1∶1)不同質量分數(shù)下的油水界面張力

圖4 6501/AEC(1∶2)不同質量分數(shù)下的油水界面張力

由圖3、圖4可知,6501/AEC(1∶1)體系在質量分數(shù)0.075%～0.5%范圍內均能將油水界面張力降至超低,隨著復配體系質量分數(shù)升高,界面張力降至超低所需時間縮短;6501/AEC(1∶2)體系在質量分數(shù)0.075%～0.3%范圍內可將油水界面張力降至超低,但是相同質量分數(shù)時降低到超低界面張力所需要的時間均比1∶1體系要長,且當溶液質量分數(shù)高于0.5%時,復配體系的油水界面張力先降低后升高。綜合考慮,6501/AEC(1∶1)體系具有最佳降低油水界面張力效果。

(2)甜菜堿與醇醚羧酸鹽復配

將油酸酰胺丙基甜菜堿(OAB)、油酸酰胺丙基羥磺基甜菜堿(OHSB)分別與脂肪醇聚氧乙烯醚羧酸鹽(AEC)以質量比1∶1復配,測量它們與孤東原油的界面張力,結果如圖5和圖6所示。

圖5 OAB/AEC(1∶1)不同質量分數(shù)下的油水界面張力

圖6 OHSB/AEC(1∶1)不同質量分數(shù)下的油水界面張力

從圖5、圖6中可以看出,OAB/AEC(1∶1)的質量分數(shù)在0.05%～0.3%范圍時與原油界面張力可達超低(<10-3mN/m);OHSB/AEC(1∶1)體系質量分數(shù)為0.05%～0.3%時,與原油界面張力能夠降至超低(<10-3mN/m),質量分數(shù)為0.5%時,動態(tài)界面張力處于0.01～0.1 mN/m。對比兩種復配體系,OHSB/AEC(1∶1)的有效用量更低。

2.2 乳化能力測定

通過界面張力篩選,最終得到3種能夠達到超低界面張力的復配體系,分別為6501/AEC(1∶1)、OAB/AEC(1∶1)、OHSB/AEC(1∶1),下面對這些體系的乳化能力進行評價。

2.2.1 稠油分散能力測定

目前主要以乳狀液黏度、外觀顏色、穩(wěn)定性等指標來描述乳化作用。Chiang等發(fā)現(xiàn),浸在表面活性劑溶液中的石英表面的油滴會從球型變平,進而乳化成小油滴,于是他們將大油滴變成小油滴的時間定義為乳化時間,并由此來表征驅油劑的乳化能力[23]。2006年,Liu等將少量原油和驅油劑水溶液放在小瓶中,然后通過輕輕轉動瓶子對油水體系施以擾動,在這一過程中如果油相能分散在水相中或水相發(fā)黑,則認為驅油配方容易乳化原油。通過該法篩選的配方對5種黏度為650～18 000 mPa·s的稠油水驅之后的采收率增值達20%以上[24]。本文首先借鑒Liu的方法,評價了不同低界面張力體系對孤東稠油的分散能力,結果如圖7—圖9所示。

圖7 原油在不同質量分數(shù)的6501/AEC(1∶1)復合體系中的分散現(xiàn)象

圖8 原油在不同質量分數(shù)的OAB/AEC(1∶1)復合體系中的分散現(xiàn)象

圖9 原油在不同質量分數(shù)的OHSB/AEC(1∶1)復合體系中的分散現(xiàn)象

對比各組實驗結果可以發(fā)現(xiàn),雖然3個體系對孤東稠油都具有較好的降低油水界面張力的作用,但OAB/AEC復合體系對稠油的分散效果明顯好于6501/AEC、OHSB/AEC,該體系質量分數(shù)提高至0.3%時,油相在未受外力時也能在水相中分散。

2.2.2 乳化速率測定

為了進一步定量表示表面活性劑乳化稠油的難易程度,設計了乳化速率測定裝置,如圖1所示。測定時,攪拌片的攪動作用通過水相逐漸傳遞到油相中。對于乳化能力強的表面活性劑,在低轉速下即可觀察到油相一層層分散進入水相,而對于乳化能力較差的表面活性劑,則需在足夠高的攪拌速率下才可使原油一層層分散進入水相中。分別對上述實驗中篩選出的3個體系按照實驗方法進行乳化速率的測定,具體測定結果見表3。可以看出,0.3%OAB/AEC(1∶1)體系最容易將原油乳化。

表3 不同表面活性劑體系乳化性能對比

圖10是測定0.3%OAB/AEC(1∶1)乳化速率時拍攝的圖像。

圖10 0.3% OAB/AEC(1∶1)乳化孤東稠油在不同攪拌時間的圖像

在圖10中,(a)為沒有啟動攪拌時的現(xiàn)象;(b)為攪拌17 s時,原油開始在表面活性劑水溶液中出現(xiàn)拉絲,油絲下移、變長,隨著攪拌時間延長油絲不斷分散開來; (c)為攪拌18.06 s時, 油絲越來越分散;(d)為攪拌26.04 s時,油絲分散成細小的顆粒進入水中,溶液變成褐色,致使油層下液面上移。由此可以看出,對于乳化能力較好的0.3% OAB/AEC(1∶1),開始攪拌時,油相的中下部會很快一層層分散進入水中(由于越遠離攪拌片的地方,攪動作用越弱,因此剩余油的分散自然需要更長的時間)。

綜合上述評價可以看出,在6501/AEC(1∶1)、OAB/AEC(1∶1)、OHSB/AEC(1∶1) 3個體系中,OAB/AEC(1∶1)對稠油的乳化分散能力最強,OHSB/AEC(1∶1)對稠油的乳化分散能力最弱。

2.3 洗油能力影響因素研究

2.3.1 洗油率測定

評價了3組超低界面張力體系6501/AEC、OAB/AEC、OHSB/AEC的洗油能力,并將其與單一表面活性劑AEC進行了對比,實驗結果見表4。

表4 洗油能力實驗結果

從表4可以看出,驅油體系6501/AEC(1∶1)對油砂的洗油效果最佳,洗油率超過50%;其次是OHSB/AEC(1∶1),洗油率達45.22%;OAB/AEC(1∶1)雖然可達超低界面張力,乳化稠油能力也強,但洗油能力不佳,洗油率僅有29.45%。洗油后油水外觀如圖11所示,洗油后的油砂外觀如圖12所示。

圖11 洗油后油水外觀

2.3.2 潤濕性與洗油能力的關系

驅油用表面活性劑在流動過程中對儲層的潤濕性有著特殊的影響,它可以改變儲層的潤濕性。巖石潤濕性會影響采收率,劉中云等通過研究發(fā)現(xiàn),當巖心潤濕性由親水向親油轉變時,油相的相對滲透率開始下降,對比不同潤濕類型的巖心驅替實驗,結果表明弱親水型巖心的水驅采收率要遠高于強親油型巖心[25]。根據(jù)接觸角法測定驅油劑浸泡前后的載玻片表面接觸角的變化,研究上述幾種復配體系對載玻片潤濕性的影響,實驗結果見表5。

表5 不同復配體系浸泡后的載玻片與蒸餾水的接觸角

表5結果表明,驅油劑處理過的載玻片與水的接觸角發(fā)生了改變,說明這些體系不同程度地改變了載玻片的潤濕性。原油處理過的載玻片與蒸餾水的接觸角為80.63°,說明此時的載玻片是弱親水的。6501/AEC(1∶1)和OHSB/AEC(1∶1)浸泡后的載玻片與水的接觸角都低于浸泡前的載玻片與水的接觸角,說明這兩種體系增加了載玻片表面的親水性,且體系的質量分數(shù)越高,潤濕性的改變越大。OAB/AEC(1∶1)浸泡后的載玻片與水的接觸角增大,且體系質量分數(shù)達到0.3%時,載玻片與水接觸角大于90°,說明經過該體系處理過的載玻片的表面潤濕性由弱親水轉變?yōu)槿跤H油。油滴與載玻片的接觸角不同時,其剝離過程也不同,具體情況如圖13所示。從圖13可以看出,當油滴與固體表面的接觸角大于90°時,附著的油滴容易被完整剝離;當油滴與固體表面的接觸角小于90°時,即使通過驅油劑的剝離作用,仍然會有一部分油滴殘留在固體表面。

圖13 不同接觸角時的油滴剝離過程示意圖

2.4 驅油能力評價

為了研究驅油劑體系各項性能與原油采收率之間的關系,利用前述篩選出的3種驅油劑體系進行相關驅油物理模擬實驗。實驗使用長30 cm、內徑2.5 cm的填砂管進行驅油實驗。具體的填砂管參數(shù)見表6。為模擬實際儲層條件,整個實驗過程在50 ℃恒溫烘箱內完成,在飽和原油以及后續(xù)正常的驅油實驗過程中,裝有原油、模擬地層水或化學驅油劑等的中間容器罐預先在烘箱中放置48 h,以保證注入的液體與填砂管之間沒有溫度差。復合驅段塞設計初步采用0.5 PV的化學驅油劑段塞,后續(xù)跟進聚合物段塞,實驗所用原油為孤東脫水后原油,原油基本性質見前述。

表6 填砂管參數(shù)

對1#～4#填砂管分別采用不同的驅油體系進行相關的驅油實驗,具體驅油體系構成以及驅油實驗結果見表7,其中4#填砂管化學驅時僅注入等量聚合物作為空白對照組。

表7 驅油體系組成及驅油實驗結果

從表7可以發(fā)現(xiàn),2#與4#采收率增值相近,說明2#體系中驅油劑的加入沒有發(fā)揮明顯作用。1#～3#驅油體系都可使油水界面張力達到超低,按照驅油的經典理論,這類體系往往可以獲得較高的采收率,但具體實驗時發(fā)現(xiàn)只有1#體系采收率較高。綜合對比分析3種驅油劑的各項性能表征結果可以看出,界面張力低且在固體表面吸附后使?jié)櫇裥员３钟H水或弱親水的表面活性劑,洗油能力最好,驅油效率最高。表面活性劑的洗油能力和驅油效率直接相關,而乳化能力和洗油能力、驅油效率沒有必然聯(lián)系。

3 結 論

(1)0.3%6501/AEC(1∶1)、0.3%OAB/AEC( 1∶1)、0.3%OHSB/AEC(1∶1)3組體系與原油界面張力均可達10-3mN/m數(shù)量級。

(2)油水界面張力測定以及表面活性劑郛化性能評價結果表明,表面活性劑的乳化能力與界面張力沒有對應關系。3種超低界面張力體系中,乳化效果最好的是OAB/AEC(1∶1),其次是6501/AEC(1∶1),OHSB/AEC(1∶1)的乳化效果最差。

(3)填砂管驅油物理模擬實驗結果表明,3種復配驅油體系6501/AEC(1∶1)、OAB/AEC(1∶1)、OHSB/AEC(1∶1)的最終采收率分別為56.20%、40.85%、48.34%,較一次水驅采收率分別提高29.81%、15.41%、20.81%。6501/AEC復配體系的最終采收率和采收率提高幅度最大。

(4)界面張力低、在固體表面吸附后使其潤濕性保持親水或弱親水的表面活性劑,洗油能力最好,驅油效率最高。表面活性劑的洗油能力和驅油效率直接相關,而乳化能力和洗油能力、驅油效率之間沒有必然聯(lián)系。