程杰成,夏惠芬,馬文國,丁玉敬

(1.大慶油田有限責任公司,黑龍江大慶 163453;2.東北石油大學教育部提高油氣采收率重點實驗室,黑龍江大慶 163318; 3.大慶油田第二采油廠,黑龍江大慶 163414)

三元體系的界面特性對驅油效率的影響機制

程杰成1,夏惠芬2,馬文國2,丁玉敬3

(1.大慶油田有限責任公司,黑龍江大慶 163453;2.東北石油大學教育部提高油氣采收率重點實驗室,黑龍江大慶 163318; 3.大慶油田第二采油廠,黑龍江大慶 163414)

大量實驗表明,不同堿濃度、相同界面張力的三元驅油體系的驅油效果不同。除了體系黏彈性差異之外,影響驅油效果的因素還可能與界面黏彈性有關。針對這一現(xiàn)象,分別使用相同界面張力、不同界面黏彈性的三元復合體系和相同界面黏彈性、不同界面張力的三元復合體系進行微觀驅油實驗,通過實驗分析油水界面黏彈性、界面張力對驅油效率的影響機制。結果表明:三元體系的界面張力、界面黏彈性均對驅油效率有影響,降低界面張力和界面黏彈性均有利于殘余油乳化及驅油效率的提高;三元體系的界面張力低、界面黏彈性低,驅油效率高;隨著界面張力和界面黏彈性的降低,三元復合體系對殘余油的乳化作用由乳化油滴向乳化油絲轉變。上述規(guī)律與貝雷巖心實驗結果一致。

界面張力;界面黏彈性;微觀驅替實驗;驅油效率

Key words:interfacial tension;interfacial viscoelastic characteristic;microscopic oil displacement experiment;oil displacement efficiency

基于毛管數(shù)理論,呂平[1]通過理論和實驗研究得到大幅度提高采收率需要油水界面張力達到超低的結論,在此基礎上,夏惠芬等[2]通過增加驅油體系黏度,界面張力達到1×10-2mN/m就可以大幅度提高采收率;陳中華等[3]認為平衡界面張力不必達到1×10-3mN/m數(shù)量級,只要瞬間界面張力達到超低就可以大幅度提高采收率。毛管數(shù)理論認為相同黏度和相同界面張力的三元體系在相同的驅替條件下驅油效果是相同的,但不同堿濃度、相同界面張力的三元驅油體系的驅油效果不同。對三元復合驅過程中的乳化等現(xiàn)象涉及界面的動態(tài)變化過程,僅僅用界面張力或吸附之類的平衡狀態(tài)描述是不合理的。事實上,對于此類動態(tài)過程,界面對擾動的反應或是其趨向于平衡的途徑比平衡本身更為重要,因此對非平衡情況下體系的界面性質和規(guī)律的研究顯得更為重要[4]。界面黏彈性反映的是界面膜阻滯和恢復形變的能力。孫濤壘等[5]研究了伊朗重質原油中分離的兩個不同平均相對分子質量的原油界面活性組分在正癸烷/水界面的擴張黏彈性行為以及溫度對體系擴張黏彈性的影響。彭勃等[6]研究了伊朗重質減渣餾分油/水界面膜的擴張黏彈性。方洪波等[7]研究了勝利原油各組分對界面膜擴張流變性的影響。竇立霞等[8]研究了油-水界面擴張模量的測量,考察了測量過程中的控制因素。羅瀾等[9]采用小幅低頻振蕩方法,研究了復合驅體系化學劑對原油活性組分界面膜擴張黏彈性質的影響和界面擴張模量及相角的變化規(guī)律。張磊等[10]研究了不同結構三取代烷基苯磺酸鈉的表/界面擴張性質,得出磺酸根間位的長鏈烷基對表面擴張模量貢獻較大,表面活性劑分子大小對界面擴張模量影響較大的結論。宋新旺等[11]研究了鏈長變化和疏水基支鏈化對烷基苯磺酸鹽油水界面擴張黏彈性質的影響。司友華等[12]研究了大慶原油含氮組分的界面擴張黏彈性質。當前對界面擴張黏彈性的研究多為原油組分或體系中添加劑(表面活性劑、堿、聚合物等)對界面擴張模量的影響及振蕩頻率對界面擴張黏彈性的影響,筆者通過微觀驅替實驗,綜合考慮界面黏彈性和界面張力分析其對驅替效率的作用機制。

1 實驗材料及條件

(1)實驗藥品。聚合物:大慶煉化公司生產,相對分子質量1600×104;堿:氫氧化鈉、碳酸鈉,分析純;模擬鹽水的礦化度為508 mg/L;實驗用油為脫氣、脫水原油與航空煤油按一定比例配制的模擬油,黏度為10 mPa·s(45℃,˙γ=10 s-1);石油磺酸鹽:有效含量41.2%;重烷基苯磺酸鹽:有效含量50.23%。

(2)實驗儀器包括TX500C界面張力儀,Tracker全自動液滴表面張力儀,微觀可視化驅油系統(tǒng),哈克RS-150流變儀,巖心驅油系統(tǒng)。

(3)實驗巖心為玻璃刻蝕的仿真模型(4 cm×4 cm),貝雷巖心。

(4)實驗溫度為45℃(大慶油田地層溫度)。

2 三元驅油體系界面特性和黏彈性

根據實驗要求選取合適的三元復合體系,表1給出了三元復合體系的組成及界面張力穩(wěn)定值。其中表面活性劑分別為重烷基苯磺酸鹽和石油磺酸鹽,聚合物質量濃度分別為1500和1680 mg/L。

使用TX500C界面張力儀測定表1中三元復合體系的油水界面張力,結果見圖1(a)。通過改變表面活性劑和堿的含量和類型,使三元復合體系的界面張力分布在10-1、10-2和10-3mN/m 3個數(shù)量級。

利用Tracker全自動液滴表面張力儀測定油水界面模量。圖1(b)給出了4個三元復合體系的界面模量曲線。界面黏彈性反映的是界面膜阻滯和恢復變形的能力[6],界面模量越小,越容易發(fā)生形變,測量時難度越大。在表1給出的三元復合體系中,體系4和體系6因為界面模量太小無法測量(使用振蕩氣泡法測量體系4、6的界面黏彈性時,由于界面模量太小,液滴在重力作用下迅速拉成油絲,無法測量),體系1、2、3、5的界面模量主要集中在5、10 mN/m。

表1 三元復合體系組成Table 1 Components of ASP solution

堿能夠協(xié)同表面活性劑降低界面張力、與原油反應生成表面活性物質和溶蝕界面膜,這是其降低界面張力的原因[13]。加入堿后,溶液中電解質質量分數(shù)增大從而加強了表面活性劑分子在體相及界面間的擴散交換作用,降低界面黏彈性。體系4在體系3的基礎上增加了堿的質量分數(shù),界面張力和界面黏彈性都得到了降低。體系2和體系5改變了表面活性劑的類型,兩個體系的界面張力和界面模量存在很大差別:表面活性劑使用重烷基苯磺酸鹽的體系降低界面模量能力強而降低界面張力作用弱;表面活性劑使用石油磺酸鹽的體系降低界面張力作用強而降低界面模量能力弱。這種差別與表面活性劑的結構及其在界面上的相互作用方式有關:表面活性劑分子在界面上吸附的濃度高,則界面張力降低的多;吸附在界面上的表面活性劑之間及表面活性劑與界面膜上其他物質之間的相互作用和弛豫過程決定了界面模量[10]。

油水界面性質方面,6個三元復合體系具有以下特點(使用高、中、低表示相對大小):體系1界面張力高,界面模量適中;體系2、3界面張力和界面模量都適中;體系5界面張力低而界面模量高,體系4、6的界面張力低,界面模量也低。

體系1、2、3可以構成界面張力不同而黏彈性相同的對比實驗;體系4、5、6可以構成界面張力相同而界面黏彈性不同的對比實驗。以上給出的6個三元復合體系在界面張力和界面黏彈性方面滿足實驗要求。

三元復合體系的黏度和黏彈性是體系的重要性質,提高體系的黏度可以擴大驅替相的波及效率從而提高采收率。使用哈克RS-150流變儀測定三元復合體系的黏度和黏彈性(圖2)。表1中6個三元復合體系黏度比較接近。三元復合體系的黏度主要由聚合物質量濃度和堿質量分數(shù)決定,體系1～5聚合物質量濃度相同,體系1、2、3、5堿質量分數(shù)相同,最終體系1、2、3、5黏度相同,體系4、6黏度略小,但是差別不大(圖2(a))。三元復合體系的黏彈模量與黏度的規(guī)律一致(圖2(b))。6個三元復合體系體相流變性(黏度、黏彈性)相近,體系黏度對驅替結果的差別可以忽略不計。

圖1 三元復合體系的界面性質Fig.1 Interfacial characteristic of ASP solution

圖2 三元復合體系的流變性Fig.2 Rheology of ASP solution

3 實驗現(xiàn)象分析

微觀實驗過程通過錄像系統(tǒng)可以實時采集圖片,根據多次實驗的過程及結果,總結三元復合體系驅替殘余油的機制。

3.1 殘余油啟動運移規(guī)律

針對表1中的6種三元復合體系,分別討論界面黏彈性和界面張力對殘余油的作用。

(1)相同界面黏彈性、不同界面張力的三元體系對殘余油的作用。圖3給出了體系1～3驅替過程中殘余油啟動運移的形式,體系1界面張力在10-1mN/m數(shù)量級,體系2、3界面張力在10-2mN/m數(shù)量級,3個體系的界面黏彈性相同。體系1驅替時殘余油乳化作用最弱,體系2、3都能將殘余油大量的乳化成油滴,由此可以得到在界面黏彈性相同的情況下,降低界面張力有利于乳化作用的發(fā)生。

圖3 相同界面黏彈性、不同界面張力的三元體系對殘余油的作用Fig.3 Effect of ASP solution with different interfacial tension and same interfacial viscoelastic on residuel oil

(2)相同界面張力、不同界面黏彈性的三元體系對殘余油的作用。體系4、5、6界面張力都能達到超低,體系5的界面黏彈性大,體系4、6的界面黏彈性小。圖4給出了3個體系驅替時殘余油的啟動運移情況:體系5乳化油滴少且大;體系4、6乳化的油滴小且多,同時出現(xiàn)了乳化油絲現(xiàn)象。說明界面張力相同的情況下,降低界面黏彈性有利于殘余油乳化。

體系4、6使用了不同的表面活性劑與堿,體系的界面張力與界面黏彈性相近,在驅替過程中殘余油的啟動運移方式相近,說明改變堿型與表面活性劑類型后只要體系性質一致,其驅替殘余油的機制相同。

圖4 相同界面張力、不同界面黏彈性的三元體系對殘余油的作用Fig.4 Effect of ASP solution with same interfacial tension and different interfacial viscoelastic on residuel oil

3.2 界面張力和界面黏彈性與殘余油乳化的關系

三元復合驅時的一個顯著現(xiàn)象是乳化,乳化油滴是三元復合體系將殘余油一點一點采出的過程,由于這個過程是局部的,所以殘余油受到的阻力要比整體啟動時的阻力小很多,界面張力和界面黏彈性都對乳化作用有影響,殘余油受到的黏滯力等作用足夠克服界面張力時殘余油才有可能發(fā)生形變,界面黏彈性決定了殘余油形變大小和保持形變的難易程度。

通過微觀驅替結果發(fā)現(xiàn),三元復合體系對殘余油的乳化隨著界面張力和界面黏彈性的改變而改變。界面張力10-1mN/m數(shù)量級,界面黏彈性在3～4 mN/m之間的條件下,由于界面張力較大,形變發(fā)生的先決條件沒有滿足,殘余油很難乳化(圖3 (a));界面張力超低,界面黏彈性大于10 mN/m時油水界面膜可以發(fā)生形變,在高界面模量的作用下,形變很小并且很容易恢復原狀,殘余油的乳化作用微弱增強(圖4(b));界面張力達到10-2mN/m并且界面黏彈性在3～4 mN/m的條件下,滿足了界面膜發(fā)生形變的條件、形變的難度小、發(fā)生形變后不易恢復原狀,形變超過一定的程度,在界面張力的作用下殘余油極易乳化出油滴(圖3(b)、(c));界面張力超低,界面黏彈性很小無法測量的條件下,油水界面膜極易發(fā)生形變,形變后基本不會恢復,油水界面張力低從而界面膜的收縮作用很弱,導致殘余油在形變很大時也不會發(fā)生界面膜的斷裂,表現(xiàn)為乳化油絲(圖4(a)、(c))。

從三元體系2、3與體系5的對比中可以看出:界面張力達到10-2mN/m數(shù)量級的體系2、3的界面黏彈性較低,驅油過程中產生的小油滴較多,而超低界面張力的體系5因界面黏彈性較高,驅油過程中產生的油滴較大,如圖3(b)、(c)與圖4(b)所示。說明界面張力和界面模量影響三元復合體系對殘余油的乳化作用,界面張力和界面模量越低,乳化作用越強。

4 驅替效率分析

4.1 微觀驅替結果對比

三元復合驅結束后殘余油分布見圖5、6。

4.1.1 不同界面張力

(1)界面黏彈性相同。圖5給出了不同界面張力、相同界面黏彈性的三元體系驅后殘余油分布狀況。10-1mN/m界面張力的體系1驅替后殘余油量較多,10-2mN/m界面張力的體系2、體系3驅替后殘余油量較少,表明降低三元復合體系的界面張力有利于提高驅油效率。

(2)界面黏彈性不同。對比三元體系2、3與體系4、5、6的驅油后的殘余油量可以看出:三元體系的界面張力低于10-2mN/m數(shù)量級后,界面黏彈性低,殘余油量少,表明低界面張力的三元體系的界面模量低,驅油效率好。

圖5 不同界面張力、相同界面黏彈性的三元驅后殘余油分布Fig.5 Distribution of residual oil after ASP flooding of different interfacial tension and same interfacial viscoelastic

圖6 相同界面張力、不同界面黏彈性的三元驅后殘余油分布Fig.6 Distribution of residual oil after ASP flooding of same interfacial tension and different interfacial viscoelastic

4.1.2 相同界面張力、不同界面黏彈性

圖6給出了界面張力相同(10-3mN/m)、界面黏彈性不同的三元復合驅后殘余油分布狀況。體系4、6在驅替結束后殘余油量少,體系5驅替結束后殘余油量多。因此,降低界面黏彈性有利于水驅殘余油的采出。

4.2 界面張力和界面模量與驅替效率的關系

根據毛管數(shù)理論,保持驅替相流速和驅替相黏度一定的情況下,驅替相的界面張力相同則驅替效率近似,驅替相的界面張力越低則驅替效率越高。在實驗過程中出現(xiàn)了毛管數(shù)理論解釋不了的情況:界面張力超低的一種三元復合體系的驅替效率比界面張力在10-2mN/m數(shù)量級的三元復合體系的驅替效率低,并且界面張力相同(10-3mN/m)的三元復合體系的驅替效率不相同。

通過微觀驅替結果發(fā)現(xiàn)三元復合體系的驅替效率受殘余油乳化作用強弱的影響。乳化作用很弱或無乳化時,殘余油驅替以整體啟動運移為主,啟動運移過程中受到的阻力大,驅替效率低;殘余油乳化作用較強,可以乳化出油滴時,乳化出的油滴在從殘余油斷裂之前會拖拽滯留的殘余油,殘余油的驅替以乳化攜帶為主,驅替效率很高(圖5(b)、(c));乳化作用很強時三元復合體系乳化殘余油形成油絲。

因此,界面張力和界面黏彈性在殘余油驅替過程中存在協(xié)同作用,兩者共同決定乳化作用發(fā)生的難易及強烈程度,單純的低界面張力或低界面模量的三元體系對殘余油的乳化作用都較弱,而乳化作用對最終三元復合體系的驅替效率有影響,從而界面張力和界面黏彈性可以影響三元復合體系的驅替效率。

4.3 不同界面黏彈性的三元體系在貝雷巖心中的驅油效果

分析表明,驅油體系的界面黏彈性在驅油過程中起著非常重要的作用。利用聚合物(相對分子質量為1600×104)、石油磺酸鹽(質量分數(shù)為0.3%)和重烷基苯磺酸鹽表面活性劑,分別配制不同堿類型、相同界面張力數(shù)量級、不同界面黏彈性的等黏度(40 mPa·s)三元體系,在貝雷巖心中進行驅油實驗。注入段塞為:0.3VP三元+0.2VP的聚合物保護段塞(黏度為40 mPa·s,VP為孔隙體積);均質貝雷巖心的規(guī)格為4.5 cm×4.5 cm×30 cm,孔隙度、滲透率見表2。

4.3.1 實驗步驟

①選取巖心;②將巖心抽空4 h,飽和地層水,測量孔隙體積;③將巖心置于45℃恒溫箱中加熱15 h;④巖心飽和原油,飽和完后將巖心置于45℃恒溫箱中加熱20 h;⑤水驅油至出口含水率達98%時結束,計算水驅后的驅油效率;⑥注入三元溶液0.3VP+聚合物溶液0.2VP;繼續(xù)水驅至出口含水率達98%時結束,計算化學驅的驅油效率。

4.3.2 實驗結果與分析

表2給出了貝雷巖心中注入不同三元體系下的驅油實驗結果。在不同的堿質量分數(shù)條件下,三元體系的界面黏彈性不同,堿質量分數(shù)低的三元體系的界面黏彈性較高。由表2可知,堿質量分數(shù)為1.2%的三元體系的驅油效果均好于低堿質量分數(shù)的三元體系的驅油效果,說明界面黏彈性低的驅油體系可以獲得較好的驅油效果,而界面張力低但界面黏彈性高的驅油體系的驅油效果低,進一步說明低界面黏彈性在驅油中的作用非常重要。

表2 不同界面黏彈性的三元體系的驅油效果Table 2 Flooding oil efficiency of ASP solution with different interfacial viscoelasticity

5 結 論

(1)毛管數(shù)理論不能完全解釋三元復合體系提高采收率的原因,三元復合體系乳化殘余油的作用對驅替效率產生影響,而界面黏彈性和界面張力在殘余油乳化中起重要作用。

(2)隨著界面張力和界面黏彈性的降低,殘余油乳化作用增強,乳化形式從乳化油滴向乳化油絲轉變。

(3)界面張力低于1×10-2mN/m后,降低界面張力和界面模量均有利于殘余油乳化及驅油效率的提高。

(4)低界面張力、低界面黏彈性的三元體系的驅油效率高,界面黏彈性在驅油中的作用不能忽略。

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(編輯 劉為清)

Mechanism of interfacial characteristics of ASP-system on oil displacement efficiency

CHENG Jiecheng1,XIA Huifen2,MA Wenguo2,DING Yujing3
(1.Daqing Oilfield Limited Company,Daqing 163453,China; 2.Ministry of Education Key Laboratory for Improving Oil and Gas Recovery in Northeast Petroleum University, Daqing 163318,China; 3.2nd Oil Production Plant of Daqing Oilfield,Daqing 163414,China)

It is known that the effect of alkaline/surfactant/polymer(ASP)compound solution with the same interfacial tension at different alkali concentrations on residual oil is different.In addition to the difference of the ASP-solution viscoelasticity,factors affecting oil displacement efficiency could also be related to the interfacial viscoelasticity.In view of this phenomenon,the influences of ASP-system with the same interfacial viscoelastic modulus but different interfacial tension and the same interfacial tension but different interfacial viscoelastic modulus on residual oil displacement efficiency were studied using microscopic oil displacement experiment.It is indicated that the interfacial viscoelasticity and interfacial tension make contribution to the residual oil displacement efficiency.The ASP-system with low interfacial tension and low interfacial viscoelasticity has high oil displacement efficiency.Reducing interfacial viscoelasticity and interfacial tension plays an important role in enhancing oil displacement efficiency.The emulsification effect for the residual oil changes from emulsified oil droplets to emulsified oil silk along with the decrease of interfacial tension and interfacial viscoelastic modulus.The results of displacement experiment in Berea Rock Core are in agreement with the above understanding.

TE 357

A

1673-5005(2014)04-0162-07

10.3969/j.issn.1673-5005.2014.04.024

2013-12-01

國家自然科學基金項目(51374076)

程杰成(1962-),男,教授級高工,博士,主要從事油田提高采收率原理與技術方面的研究。E-mail:xiahuifen1948@126.com。

程杰成,夏惠芬,馬文國,等.三元體系的界面特性對驅油效率的影響機制[J].中國石油大學學報:自然科學版,2014,38(4):162-168.

CHENG Jiecheng,XIA Huifen,MA Wenguo,et al.Mechanism of interfacial characteristics of ASP-system on oil displacement efficiency[J].Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2014,38(4):162-168.