石玲 (重慶科技學(xué)院石油與天然氣工程學(xué)院,重慶 401331)

竇景平 (中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院,河北廊坊 065007)

王均,劉佳,張利亞 (重慶科技學(xué)院石油與天然氣工程學(xué)院,重慶 401331)

表面活性聚合物溶液微觀驅(qū)油機(jī)理研究

石玲 (重慶科技學(xué)院石油與天然氣工程學(xué)院,重慶 401331)

竇景平 (中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院,河北廊坊 065007)

王均,劉佳,張利亞 (重慶科技學(xué)院石油與天然氣工程學(xué)院,重慶 401331)

在室內(nèi)一定條件下應(yīng)用仿真微觀模型進(jìn)行了表面活性聚合物SLH-Ⅲ溶液驅(qū)油試驗(yàn)。在驅(qū)油的過程中,由于潤濕性的不同,顯示出了不同的驅(qū)油機(jī)理。在親水模型中,油的流動(dòng)機(jī)理以剪切夾帶為主,通過SLH-Ⅲ溶液的增黏性和黏彈性可以提高波及系數(shù)和驅(qū)油效率,并且SLH-Ⅲ溶液可以降低油水界面張力,使殘余油滴易于變形、分散和乳化;在親油模型中,油的流動(dòng)機(jī)理以橋接、拉絲為主。同時(shí),表面活性聚合物SLH-Ⅲ溶液具有乳化性,乳化后的殘余油在儲層中的存在狀態(tài)發(fā)生了變化,并且使各種作用力的相互關(guān)系發(fā)生了變化,使原來不能流動(dòng)的殘余油處于可流動(dòng)的狀態(tài)。試驗(yàn)結(jié)果表明,經(jīng)過SLH-Ⅲ溶液驅(qū)替后,水驅(qū)油形成的殘余油減少了,采收率得到了提高。

表面活性聚合物;微觀模型;驅(qū)油機(jī)理

通過應(yīng)用分子設(shè)計(jì)理論,以碳?xì)滏湠楣羌?引入功能單體進(jìn)行共聚制得了一種支鏈上含有季銨鹽表面活性基團(tuán)的驅(qū)油用聚合物SLH-Ⅲ。筆者利用微觀仿真模型進(jìn)行驅(qū)油試驗(yàn),模擬和研究SLH-Ⅲ進(jìn)行3次采油的過程,分析其微觀驅(qū)油機(jī)理。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

試驗(yàn)中采用的驅(qū)油模型是一種仿真模型,即是參照天然巖心鑄體薄片的孔隙結(jié)構(gòu),運(yùn)用光化學(xué)刻蝕手段,精密地刻蝕到平面玻璃上制成的微觀模型,所以試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛢?nèi)部的空間結(jié)構(gòu)模擬了天然油氣藏巖石的真實(shí)孔隙結(jié)構(gòu)系統(tǒng),具有相似的空間分布和孔隙形狀,而且具備可視性[1],透光度好,可以清楚地觀察到孔喉中各種流體的分布,及流體之間的界面現(xiàn)象和相互作用機(jī)理。試驗(yàn)所用模型分為2種:親水和弱親油模型,尺寸為40mm×40mm,孔隙直徑為0.1～100μm。在對角線的2個(gè)點(diǎn)分別鉆2個(gè)小孔洞,這2個(gè)小孔洞作為模擬生產(chǎn)井和注水井。微觀模型制作成型時(shí)為親水模型,然后注入0.008%二甲基二氯硅烷苯(C2H6Cl2Si)溶液到模型中并放置24h,可以得到弱親油模型[2]。

1.2 試驗(yàn)試劑

表面活性聚合物SLH-Ⅲ(分子量為1000×104,實(shí)驗(yàn)室自制溶液);模擬地層水(總礦化度為350mg/L,其中(Ca2++Mg2+)為25mg/L);原油(密度0.893g/cm3;黏度22.3mPa·s;蠟質(zhì)含量28.8%;膠質(zhì)瀝青質(zhì)含量23.2%;酸值0.21mg KOH/g);配制的模擬油(黏度10 m Pa·s,25℃)。

1.3 試驗(yàn)流程

微觀驅(qū)替試驗(yàn)裝置包括微量驅(qū)替泵、樣品容器、微觀仿真模型、高精度體視顯微鏡、數(shù)碼攝像頭和內(nèi)裝視頻采集軟件的計(jì)算機(jī)等。試驗(yàn)流程如圖1所示。

1.4 試驗(yàn)步驟

1)先將微觀模型(親水)抽真空,然后飽和模擬地層水,接著向微觀模型中注入原油,驅(qū)替地層水,并形成束縛水。

2)向微觀模型中注入地層水,驅(qū)替原油,模型的出口端不出油時(shí)停止驅(qū)替。

3)注入表面活性聚合物SLH-Ⅲ溶液驅(qū)替殘余油,用顯微攝影機(jī)觀察并記錄試驗(yàn)中的各種滲流現(xiàn)象和整個(gè)驅(qū)替過程。

4)分析圖像,計(jì)算此時(shí)驅(qū)替條件下的驅(qū)油效率[3]。

5)換取親油微觀模型,重復(fù)步驟1)～4)。

6)清洗模型,結(jié)束試驗(yàn)。

圖1 微觀驅(qū)油示意圖

2 表面活性聚合物在親水摸型中的驅(qū)油過程

把表面活性聚合物SLH-Ⅲ注入親水微觀模型內(nèi),進(jìn)行驅(qū)油的試驗(yàn)研究。圖2為SLH-Ⅲ溶液剛開始入孔的圖像。圖中箭頭所指方向即為SLH-Ⅲ溶液流動(dòng)方向,可以看到,SLH-Ⅲ溶液貼著孔隙壁表面流動(dòng),先進(jìn)入到滲透性比較好的大孔隙中,然后再進(jìn)入到滲透性比較差的小孔隙中,這種現(xiàn)象稱為“爬行機(jī)理”[4]。當(dāng)殘余油隨著SLH-Ⅲ溶液的攜帶進(jìn)入較狹窄的喉道時(shí),殘余油先伸長形成長絲狀通過喉道,然后通過喉道的長絲狀殘余油前端被乳化成一顆顆細(xì)小的油珠(見圖3)。同時(shí),觀察到殘余油界面被軟化,使油滴的變形能力加強(qiáng),可以順利通過窄小的喉道,這樣在通過喉道時(shí)即有小油珠,也有變形的大油珠(見圖4)。并且,在滲流過程中,原本黏附在固體顆粒壁上的油被SLH-Ⅲ溶液夾帶流動(dòng)(見圖5)。圖中箭頭所指為被拉長的殘余油,油被拉長后又會(huì)斷裂形成油珠(見圖6)。這種夾帶-乳化滲流的方式一直進(jìn)行到全部的殘余油脫離孔壁為止。

圖2 表面活性聚合物SLH-Ⅲ進(jìn)入孔隙

圖3 殘余油在喉道中形成長絲和乳化

圖4 通過喉道的殘余油

圖5 孔道表面上的油被夾帶滲流的過程

圖6 孔道表面上的油被乳化的過程

3 表面活性聚合物在親油模型中的驅(qū)油過程

從表面活性聚合物SLH-Ⅲ溶液在弱親油模型內(nèi)的驅(qū)油過程可以看到,SLH-Ⅲ溶液沿孔道的中軸部位運(yùn)動(dòng),而油則沿孔道壁流動(dòng)(見圖7),箭頭所指方向?yàn)镾LH-Ⅲ溶液流動(dòng)方向。當(dāng)SLH-Ⅲ溶液繼續(xù)進(jìn)入孔隙中,在水驅(qū)過程中驅(qū)不動(dòng)的殘余油隨著SLH-Ⅲ溶液的流動(dòng)也開始參與流動(dòng),這些殘余油順著孔隙壁流向下游,并在巖石顆粒下端聚集形成油膜,油膜越集越厚,隨著SLH-Ⅲ溶液的流動(dòng),巖石顆粒下端的油膜逐漸搭到下一個(gè)巖石顆粒的上端,像一座橋一樣連接2個(gè)巖石顆粒,這是一種橋接現(xiàn)象[5-6](見圖8)。

通過橋接作用,使得上游的殘余油逐步被運(yùn)移到下游,最終提高了采收率。在油水流動(dòng)的方向,巖石顆粒下游聚集的油膜除了形成液橋,還會(huì)拉出很長的細(xì)絲(見圖9)。油絲前端會(huì)被SLH-Ⅲ溶液剪切形成小油滴并隨著表面活性聚合物溶液的流動(dòng)被夾帶流走。同時(shí),部分油膜還被乳化成一顆顆的小油珠(見圖10)。乳化形成的小油珠有的聚并到下游巖石顆粒的油膜上,隨著液橋繼續(xù)流動(dòng),有的隨著SLH-Ⅲ溶液流走。在微觀驅(qū)油進(jìn)行到一定階段后,巖石顆粒上的殘余油基本不參與流動(dòng),但還會(huì)存在乳化現(xiàn)象。

圖7 親油模型SLH-Ⅲ進(jìn)入孔隙

圖8 油膜橋接現(xiàn)象

圖9 殘余油被拉成長絲

圖10 乳化現(xiàn)象

4 表面活性聚合物驅(qū)油后微觀模型中的殘余油分布

圖11 親水模型SLH-Ⅲ驅(qū)后殘余油分布

圖12 親油模型SLH-Ⅲ驅(qū)后殘余油分布

在親水模型中,SLH-Ⅲ溶液驅(qū)油后殘余油飽和度降低,在表面活性聚合物驅(qū)油前分布在孔隙和喉道中的大部分殘余油有的隨著SLH-Ⅲ溶液的流動(dòng)被剪切夾帶流走,有的先被乳化成小油珠,繼而被溶液SLH-Ⅲ溶液夾帶流走,只留下一些驅(qū)不動(dòng)的小油珠,在盲端和不連通的孔道中還留有剩余油。水驅(qū)油后剩余油的分布形式主要以條帶狀[7]、網(wǎng)狀的形式為主,SLH-Ⅲ溶液驅(qū)油后殘余油的形態(tài)主要以小油珠為主(見圖11),還有一些油絲、油柱分布于孔隙的交匯口、H形喉道中或被小孔隙包圍的較大孔隙內(nèi),同時(shí)存在盲端的小油塊以及孔道壁上的油膜。

親油模型中,SLH-Ⅲ溶液驅(qū)油后,孔道中原來分布的大塊殘余油大部分都被驅(qū)走,僅剩一些很薄的油膜和細(xì)小的油珠(見圖12)。

小油珠主要分布于喉道的交匯口處,油膜則附著在巖石顆粒表面,除此之外,H形喉道中的殘余油也比較多,但是盲端殘余油的變化不是很大。

5 表面活性聚合物驅(qū)油機(jī)理

在親水模型中,表面活性聚合物SLH-Ⅲ溶液的驅(qū)油機(jī)理首先是SLH-Ⅲ溶液具有黏彈性,通過推拉的作用使水驅(qū)后的殘余油開始流動(dòng),增強(qiáng)了溶液對殘余油的攜帶能力,SLH-Ⅲ溶液的黏彈性不同程度的降低各類殘余油量,即減少了微觀模型中的殘余油飽和度,提高了驅(qū)油效率;其次SLH-Ⅲ溶液具有增黏性,通過使油水界面黏度增加,降低了油水流度比,從而提高了波及系數(shù);然后,表面活性聚合物SLH-Ⅲ溶液還可以降低油水界面張力,使殘余油易于變形,并乳化成小油珠,也就是使大塊殘余油分散成易于流動(dòng)小油珠,使原來水驅(qū)后殘余殘留在微觀模型中的油隨同SLH-Ⅲ溶液的流動(dòng)而流動(dòng)。

在親油模型中,殘余油順著顆粒表面流動(dòng)。由于表面活性聚合物SLH-Ⅲ溶液具有黏彈性和增黏性,所以其法向應(yīng)力和與原油界面上的剪切應(yīng)力的增加,使得驅(qū)油過程中會(huì)產(chǎn)生油膜橋接,同時(shí)會(huì)使部分顆粒下端伸出來的油膜還沒來得及形成橋接就被拉成細(xì)絲,有利于油通過喉道向前運(yùn)移,其機(jī)理與普通聚合物一樣。通過這種橋接及拉絲使殘余油逐漸被運(yùn)移到下游并富集,最終被開采出來。同時(shí),表面活性聚合物SLH-Ⅲ溶液具有乳化性。在微觀驅(qū)油試驗(yàn)研究過程中,產(chǎn)生了乳化現(xiàn)象,殘余油被乳化成小油珠,易于被SLH-Ⅲ溶液夾帶流走,同時(shí)乳化改變了驅(qū)動(dòng)力、附著力、毛管力等力的相互關(guān)系,使水驅(qū)油后不能流動(dòng)的殘余油可以隨著表面活性聚合物SLH-Ⅲ溶液的流動(dòng)而采出。

表1為表面活性聚合物SLH-Ⅲ溶液微觀模型驅(qū)油試驗(yàn)的結(jié)果,可見經(jīng)過SLH-Ⅲ溶液驅(qū)替后,驅(qū)油效率得到了提高。

表1 表面活性聚合物SLH-Ⅲ溶液微觀模型驅(qū)油試驗(yàn)的結(jié)果

6 結(jié)論

1)微觀驅(qū)油試驗(yàn)結(jié)果表明,水驅(qū)油后進(jìn)行表面活性聚合物SLH-Ⅲ溶液驅(qū)油,不論是在親水模型還是在親油模型中,均可減少水驅(qū)殘余油。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),表面活性聚合物SLH-Ⅲ溶液提高驅(qū)油效率的機(jī)理既有別于表面活性劑,也不同于聚合物。

2)通過溶液的增黏性和黏彈性可以提高波及系數(shù)和驅(qū)油效率,減少水驅(qū)殘余油飽和度,說明SLH-Ⅲ溶液具有一般聚合物的特性。

3)SLH-Ⅲ溶液還可以降低油水界面張力,使油膜、油絲等乳化成易于流動(dòng)的小油珠,使原本水驅(qū)后采不出來的油可隨SLH-Ⅲ溶液的驅(qū)動(dòng)開采出來,從而有利于原油采收率的提高。

[1]馮慶賢,邰廬山,騰克孟,等.應(yīng)用微觀透明模型研究微生物驅(qū)油機(jī)理[J].油田化學(xué),2001,18(3):260-263.

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[編輯] 辛長靜

TE357

A

1673-1409(2014)16- 0086- 04

2013- 10-20

國家科技重大專項(xiàng)(2011ZX05013-006)。

石玲(1982-),女,助理實(shí)驗(yàn)師,現(xiàn)主要從事油氣田開發(fā)方面的研究工作。