三元复合驱强化采油技术X陈忠 罗蛰潭 沈明道 蒲华英(成都理工学院,成都610059) (西南石油学院)
摘要 三元复合驱强化采油是化学驱技术的最新发展,文中论述了三元复合驱替剂体系中各组分的作用机理及优缺点,并结合油田生产实际,指出了在复合驱室内研究与矿场试验中急需解决的问题。主题词 提高采收率;化学驱;注碱水;注表面活性剂;注聚合物中图分类号 TE357.43
引 言
通过一、二次采油还有40%~60%IOOP的原油滞留于地下储层中,提高原油采收率(EOR)是石油工业发展的当务之急[1]。滞留于地下孔喉中的原油从微观上讲以原油边界层的形式束缚在储层矿物岩石的表面和孔喉壁上,以及滞留于微孔微喉和大孔小喉中[2];从宏观上讲主要以残余油带和剩余油带的形式存在。要提高原油采收率一方面必须破坏原油边界层,把被束缚的原油解脱出来成为游离态;另一方面驱替流体必须波及到残余油带或剩余油带。驱替剂的微观驱油效率、宏观驱扫效率及孔隙动用率是决定原油采收率的三大因素,要同时满足这三大因素,只有使用最新的化学驱油技术)))三元复合驱强化采油。
图1 化学驱强化采油技术的演化过程1 三元复合驱强化采油技术的产生三元复合驱强化采油技术产生于本世纪80年代,来源于单一、二元化学驱,以多种驱
第19卷 第4期 西南石油学院学报 Vol.19 No.41997年 11月 JournalofSouthwestPetroleumInstitute Nov 1997
X1997)05)28收稿94-98国家攀登(B)计划/复合驱中重大基础性研究0部分内容陈忠,男,1970年生,博士研究生,主要从事油气田开发地质研究替剂的协同效应为基础。目前在室内实验和矿场试验研究中常用的驱替剂有:碱剂(A),表面活性剂(S),聚合物(P);三者协同使用就是碱剂-表面活性剂-聚合物驱(ASP)(图1)[1]。
2 三元复合驱强化采油技术的驱油机理三元复合驱替剂体系中各种驱替剂在储层中的行为和作用决定了其驱油机理:2.1 碱剂在三元复合驱中的作用(1)降低相间界面张力决定单位油层体积中潜在产量的能力可用毛管数(Nca)来描述,毛管数越大则采收率越高,一般毛管数需在10-3至10-2左右,而毛管数Nca有如下的定义[3]: Nca=vp/(L@R)(1)
式中: vp/L)))已知长度(L)上的压力降(105Pa/m); R)))油水界面张力(mN/m)
对于正常水而言,毛管数仅为10-6至10-5,可见要把毛管数增大到10-3至10-2单靠增加压力降是不行的,而必须降低界面张力R。碱和表面活性剂都可显著降低油/水界面张力,因此利于采油。界面张力降低后主要以两种方式来提高原油采收率:一种是乳化和挟带,油和水间的界面被破坏,形成水包油,随流动的水带出地层;第二种是捕集,油滴聚并成大油滴,进而形成可流动的连续油带,提高油的流度,降低水的流度,从而提高驱替剂驱油能力与波及效率,达到提高原油采收率的目的。进一步研究表明对每种原油,只在一个很窄的、特定碱浓度范围内才能显著降低油/水界面张力;二价金属离子、温度、碱液中的NaCl含量、稳定时间等因素对特定原油的油/水界面张力有影响。二价金属离子将提高最低油/水界面张力值,而NaCl的含量可降低此值。温度升高可使碱液与原油相互作用的速度激剧增大,反应生成的天然表面活性剂在体相中的溶解度增加,在表面相中的分布减少,使油/水界面张力值增大,但使油/水界面张力达到动态平衡所需的时间大大缩短。0.!.列宾捷尔院士指出,界面张力的变化是随时间变化的物理-化学动力学过程,这就要求在考察油/水界面张力时必须考虑到它是一个动态变化过程。(2)溶解坚硬的界面薄膜及原油的乳化大量的研究数据表明水和一些油滴界面处存在坚硬的薄膜结构。沥青质、胶质、卟啉、和石蜡都是产生坚硬界面薄膜的原油成分。该界面膜使油滴相互孤离,缩小孔喉,限制原油在孔喉中的连续流动[2]。而碱水溶液可溶解这些薄膜,促使原油乳化聚并,提高油的流动性和产出量。这个机理可以说与油/水界面张力的降低并不完全独立。乳化现象在含碱剂驱油过程中广泛存在,油/水界面张力越低(小于0.01mN/m)则薄膜越容易破裂,乳化越容易形成。当乳化液形成后,则可发生油滴的捕集、挟带、聚并,提高水相的粘度,滞留于大孔隙的喉部,降低驱替液的流动能力来提高波及范围和波及效率。(3)/原油-岩石-地层水0系统中岩石润湿性的变化储集岩的润湿性决定了其内部残余油的分布特点。在亲水的储集层中,水以束缚水薄
45第4期 陈忠等: 三元复合驱强化采油技术膜的形式分布于矿物、岩石颗粒表面,而油以连续的形式滞留于大孔隙的中央;在亲油的储集层中,原油沿岩石、矿物颗粒表面呈薄膜状分布,形成前面提及的边界层,此部分原油基本上处于束缚不可动状态,使可动油饱和度大大降低。当碱水进入后,不但可与边界层中的表面活性组分发生反应,破坏边界层,而且可改变矿物、岩石的表面特性,使之由亲油向亲水转化,一个非常特征的现象是碱水对石英表面的润湿比普通水要好得多(瓦格耐尔,季奇等)。对此,..奥列尼克曾作过原油-水相-玻璃表面界面上润湿角的测量(表1),证实了碱液可使水相润湿接触角变小,对水的润湿性增强。表1 溶液中碱液的浓度及溶液的矿化度 对润湿接触角(b)变化的影响 (..奥列尼克等.1985)
成分接触角浓度溶液中NaOH的浓度,%00.060.100.50NaOH46.46.410.014.2NaOH1%NaCl-14.211.418.8
NaOH1%MgCl21%CaCl2113.077.253.0
(4)提高驱替剂的波及效率凡是有乳化挟带、捕集、聚并产生则可以提高驱替液的波及效率。此外,作者认为碱剂注入储层中会和地层水中的二价离子(Ca2+,Mg2+)发生反应生成沉淀,会和广泛存在的硅质矿物,岩石;铝硅酸盐矿物等长期作用形成含硅、铝元素的胶体或絮凝状物质,随着驱替液流动,并在小孔喉处停下,堵塞喉道。这种现象的发生一方面虽然降低了储层渗透率,伤害了储层,但另一方面它又改变了驱替剂的流经孔喉网络,提高了驱替液的波及效率,起到了积极的效应。2.2 表面活性剂在三元复合驱中的作用表面活性剂的双亲基团结构(亲水基、亲油基)决定了它的性质与作用。表面活性剂溶液注入地下,它的双亲基团会在液/固接触面,液/液界面及体相的溶液中发生定向分布。极性的亲水基团在体相中和水分子结合,在固/液界面上和极性的矿物岩石表面结合;非极性的亲油基团逃离极性的水分子和矿物、岩石颗粒表面,而与非极性的原油分子基团相结合。当极性基团与矿物、岩石的表面结合时就会破坏原油边界层,把边界层中束缚的原油解脱出来,成为可流动的原油,极性的水分子或亲水基团就会占据颗粒表面,从而使矿物、岩石表面由油湿变为水湿,当然也会出现前面碱剂造成的界面张力降低,乳化,聚并等现象,使原油采收率得以提高。在室内研究和油田矿场试验中常用的有阴离子表面活性剂(石油磺酸盐等)和非离子表面活性剂(OP-10等)。2.3 聚合物在三元复合驱中的作用聚合物是大量的简单分子(单体)缩聚而成的分子量很大(百万)的天然或人工合成的高分子化合物。配成水溶液时,聚合物分子在水中伸展开,把水分子捕获到自己的链间结合,从而把水溶液的粘度增大2~5个数量级,剧烈降低驱替液的流度,减小驱替液和被驱替的油间流度差异,显著提高驱替液的波及效率。聚合物的驱油机理较简单,效果良好,但它在洗油能力方面较差,并且会在多孔介质中发生吸附、滞留及捕集,当压差太大时会发生机械降解,还会发生化学降解和生物降解等,
46西南石油学院学报 1997年使聚合物失去增粘的作用。目前使用的聚合物一般为聚丙烯酰胺(PAM)和部分水解聚丙烯酰胺(HPAM)。由碱剂,表面活性剂和聚合物的作用来看,它们都各有优缺点。除聚合物外,其余两类化学驱替剂很少单独使用,一般都是相互配合,取长补短,以充分利用它们间的协同效应,即:碱剂价格低廉,会和原油酸组分反应生成天然表面活性剂,减少人工表面活剂的损失,协助表面活性剂使油/水界面张力达到超低值,但它要和储层流体、固体发生作用,自身受到消耗与伤害储层;表面活性剂虽然会降低油/水界面张力,改变岩石润湿性,破坏原油边界层,提高驱油能力,但它价格昂贵,而且容易发生吸附、滞留等现象而受到消耗,并且它与碱剂一样缺乏适当的流度控制,波及效率较差。聚合物可显著降低驱替液的流度,提高驱扫效率,但它又缺乏破坏边界层的能力,并且要发生滞留,捕集与降解等。扬长避短,相互配合使用,可达到最佳驱油效果。因此,各种驱替剂的优缺点就注定三元复合驱强化采油技术的产生(图1)。
3 三元复合驱强化采油技术中存在的问题目前,三元复合驱强化采油技术还处于室内实验研究和小型的矿场试验阶段,离工业生产还有较远的距离。近二十年来,对驱替剂自身的特性、驱替剂-储层流体的作用机理研究较多,理论比较成熟,而对于驱替剂与储层固相的矿物岩石间的作用及其后果研究很少,特别是对碱剂在地下对储层岩性、物性引起的长期改变研究更少,要成功地进行化学驱,实现三元复合驱强化采油技术的工业化生产必须考虑在驱替过程中储层特征的动态变化,以储层特征的动态变化为依据进行化学驱工程方案优化设计;此外,还必须解决如下的三大问题:¹剩余油带或残余油带的预测:储层中剩余油或残余油的分布由储层中原油的最初分
布形态和后来的钻井、开发施工措施共同决定。º采收率的提高:优化改善驱替剂的配方,使三种驱替剂在驱油效率、驱扫效率、孔隙
动用率方面,和在经济技术效益方面达到最佳的协同效应。»对采出来的原油进行破乳、脱水和脱去其中混合的化学驱替剂。
4 结束语三元复合驱强化采油是颇具发展远景的强化采油技术之一,但是其驱油机理较为复杂,特别是化学驱替剂与储层固相的作用研究很少,机理还不清楚,弄清复合驱过程中储层特征的动态变化是化学驱成功的关键。在矿场试验中急需解决剩余油带或残余油带的预测,原油采收率的提高,以及对采出流体的分离工艺研究等三方面的问题。
参考文献1 BAVIEREM.BasicConceptsinEnhancedOilRecoveryProcesses.PublishedbyELSEVIEREAPPLIEDSCIENCE,19912 马尔哈辛等著,李殿文译.油层物理化学机理.北京:石油工业出版社,19873 格尔布洛夫,布钦柯夫.碱水驱.北京:石油工业出版社,1995(编辑 张鸾清)
47第4期 陈忠等: 三元复合驱强化采油技术