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      乳狀液對殘余油的微流調(diào)節(jié)啟動(dòng)機(jī)制及觸發(fā)條件

      2019-01-11 02:53:48馬云飛張宗勛侯吉瑞
      特種油氣藏 2018年6期
      關(guān)鍵詞:微流乳狀液驅(qū)油

      馬云飛,張宗勛,侯吉瑞

      (1.中國科學(xué)技術(shù)交流中心,北京 100045;2.北京德美高科科技有限責(zé)任公司,北京 100102;3.中國石油大學(xué)(北京),北京 102249)

      0 引 言

      提高驅(qū)油效率是復(fù)合驅(qū)技術(shù)提高采收率的一大優(yōu)勢[1-3]。乳化作用作為復(fù)合驅(qū)提高驅(qū)油效率的重要機(jī)理之一,是近年化學(xué)驅(qū)理論研究的熱點(diǎn)。室內(nèi)驅(qū)油實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,三元復(fù)合驅(qū)采出液觀察到乳化現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)組,其采收率可比未發(fā)生乳化的實(shí)驗(yàn)組高5%~6%[4]。礦場試驗(yàn)結(jié)果也可以證實(shí),復(fù)合驅(qū)油過程中發(fā)生原油乳化對采收率的提高有積極作用[5]。

      對于乳化作用驅(qū)油機(jī)理的研究,一般認(rèn)為乳狀液在微觀上對不同賦存狀態(tài)的殘余油均具備一定的攜帶作用[6-7],宏觀上可降低流度、控制黏性指進(jìn)[8-9]。目前對于乳化程度尚未形成統(tǒng)一的量化評價(jià)標(biāo)準(zhǔn),不同乳化程度對應(yīng)微觀殘余油啟動(dòng)機(jī)制的差別也有待于進(jìn)一步補(bǔ)充。中國大部分老油田的主力油層已進(jìn)入高含水期,地下巖石表面的潤濕性在長期的水驅(qū)過程中已發(fā)生了改變,殘余油的賦存狀態(tài)以孤島或粒間束縛態(tài)為主,膜狀、盲端狀和柱狀為輔[10-11]。以啟動(dòng)孤島或粒間束縛狀殘余油為主的乳化作用啟動(dòng)機(jī)理,較以啟動(dòng)盲端、膜狀殘余油為主的超低界面張力啟動(dòng)機(jī)理更加適應(yīng)高含水油田。能否充分有效地利用乳化作用提高驅(qū)油效率的能力,很大程度上決定了化學(xué)復(fù)合驅(qū)提高采收率的效果。因此,利用圖像處理軟件對不同乳化程度乳狀液的顯微照片進(jìn)行分析,并按照顆粒數(shù)密度這一主要指標(biāo)進(jìn)行量化表征,并以人工制備的不同乳化程度的乳狀液作為驅(qū)替劑,在玻璃刻蝕模型中進(jìn)行微觀驅(qū)油實(shí)驗(yàn),研究乳化作用啟動(dòng)微觀殘余油的機(jī)制,并確定乳化程度的影響。

      1 實(shí)驗(yàn)部分

      1.1 試劑和材料

      聚合物為部分水解聚丙烯酰胺(HPAM),分子質(zhì)量為2 500×104g/mol(中國石油大慶煉化公司);表面活性劑是重烷基苯磺酸鈉(HABS)(中國石油大慶煉化公司),有效物含量為40%;堿為分析純氫氧化鈉(NaOH)。

      實(shí)驗(yàn)用巖心為露頭砂壓制環(huán)氧樹脂膠結(jié)的人工巖心,規(guī)格為Φ2.5 cm×30 cm,平均氣測滲透率為782×10-3μm2。

      實(shí)驗(yàn)用油是大慶原油與航空煤油按比例稀釋配制的模擬油,45 ℃下模擬油黏度為5.6 mPa·s;實(shí)驗(yàn)用水是大慶油田模擬地層水,各礦物離子組成見表1。

      表1 模擬水礦物離子含量

      1.2 設(shè)備和儀器

      微觀模型驅(qū)油實(shí)驗(yàn)儀器主要包括:LSP01-1BH型微量計(jì)量泵(蘭格恒流泵有限公司,保定)、50 mL微型活塞式中間容器、Stemi 2000-C型光學(xué)顯微鏡(Carl Zeiss Jena, Germany)、T10 Basic高速分散機(jī)(IKA儀器設(shè)備有限公司,廣州)、玻璃刻蝕微觀模型、攝像機(jī)及圖像采集系統(tǒng)。

      玻璃刻蝕微觀模型與真實(shí)巖石的孔喉系統(tǒng)具備相似的幾何形狀和形態(tài)分布[12]。模擬大慶二類油層孔隙結(jié)構(gòu)和滲透率的玻璃刻蝕微觀模型,其平面有效規(guī)格為30 mm×18 mm,孔徑分布為5~100 μm,制作完成時(shí)內(nèi)表面的原始潤濕性為中性弱親水。

      巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)儀器主要包括:HW-II型恒溫箱(海安石油科研設(shè)備公司),HAS-100HSB型恒壓恒速泵(華安科研設(shè)備),TY-4型巖心夾持器(海安石油科研設(shè)備公司),數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(昆侖海岸),活塞式中間容器若干。

      1.3 步驟和方案

      制備驅(qū)替劑。為了判斷乳化程度對殘余油啟動(dòng)的影響,以相同配方的三元復(fù)合體系配制不同油水比乳狀液作為驅(qū)替劑。三元復(fù)合體系配方為:400 mg/L HPAM +0.3%HABS+1.2%NaOH,25 ℃下初始黏度為13.7 mPa·s。配制過程:準(zhǔn)確量取配制好的三元復(fù)合體系50 mL置于錐形瓶中,緩慢加入0~20 mL(根據(jù)顆粒數(shù)密度設(shè)計(jì)需求而定)模擬油,用高速分散機(jī)剪切10 min,攪拌速度為7 500 r/min,吸取乳化層液體作為驅(qū)替劑。對制備的乳狀液進(jìn)行顯微拍攝,放大比例為400∶1,將獲得的顯微照片以Image J軟件進(jìn)行處理,調(diào)整亮度、對比度、色彩飽和度、黑白平衡和閾值識別值,再利用軟件的顆粒分析功能對視野內(nèi)顆粒進(jìn)行計(jì)數(shù),并計(jì)算顆粒數(shù)密度,計(jì)算公式為:

      n=N/A

      (1)

      式中:n為顆粒數(shù)密度,mm-2;N為視野范圍內(nèi)有效顆粒數(shù);A為照片真實(shí)面積,mm2。

      以乳狀液顆粒數(shù)密度反映乳化程度,制備出不同顆粒數(shù)密度的乳狀液顯微照片(圖1)??梢钥吹?,實(shí)驗(yàn)制備的三元乳狀液都是O/W型。

      圖1 驅(qū)替用乳狀液顆粒數(shù)密度

      微觀驅(qū)油實(shí)驗(yàn)步驟:將微觀刻蝕模型置于密封容器內(nèi),用真空泵抽真空30 min;將模擬地層水注入密封容器,至完全沒過微觀模型,利用模型內(nèi)部負(fù)壓力飽和地層水;通過微量計(jì)量泵飽和模擬油,老化4 h;恒速水驅(qū)10 min,形成殘余油;恒速連續(xù)注入配制好的三元溶液(乳狀液),驅(qū)替40 min。實(shí)驗(yàn)在室溫下進(jìn)行,流體注入速度為50 μL/min。

      為考察不同乳化程度乳狀液在運(yùn)移過程中對壓力的影響,45 ℃下恒溫恒速進(jìn)行巖心注入實(shí)驗(yàn),流體注入速度為0.5 mL/min。實(shí)驗(yàn)步驟:①按照一般巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)連接實(shí)驗(yàn)裝置;②對巖心抽真空,飽和模擬地層水;③恒速連續(xù)注入配制好的不同乳化程度的乳狀液,至壓力基本穩(wěn)定后停止。三元復(fù)合體系配方為:1 000 mg/L HPAM+0.3%HABS+1.2%NaOH,45 ℃下初始黏度為31.9 mPa·s。

      2 結(jié)果與討論

      2.1 乳化作用啟動(dòng)殘余油機(jī)制

      利用三元復(fù)合體系乳化原油的能力,在驅(qū)替劑波及到殘余油的時(shí)刻,可迅速將大塊殘余油分散成直徑為微米級的小油滴,并隨流體而移動(dòng),該機(jī)制簡稱為分散啟動(dòng)。例如,大面積粒間束縛狀殘余油被乳化成小油滴,最終離開孔壁,隨流體一起流動(dòng)運(yùn)移;或大面積孤島狀殘余油被分散為小液滴,其中,部分仍然被束縛,部分轉(zhuǎn)化為可動(dòng)油,被流體攜帶運(yùn)移。在殘余油被乳化后,液流不再完全從孤島狀殘余油兩側(cè)繞流,而是一定程度分流通過孤島,攜帶走部分乳狀液顆粒。

      孤島狀殘余油通過乳狀液顆粒的堆積擠壓轉(zhuǎn)為可動(dòng),并被攜帶運(yùn)移,該機(jī)制可稱為攜帶啟動(dòng)。例如,孤島狀大油滴由于沒有處在主要流線上而不可動(dòng),隨著乳狀液顆粒的堆積和擠壓導(dǎo)致大油滴獲得彈性勢能,最終轉(zhuǎn)化為動(dòng)能,進(jìn)入到主要流線中并被攜帶(圖2)。

      顆粒數(shù)密度較高的乳狀液顆粒堆積與賈敏效應(yīng)的疊加可造成局部流動(dòng)阻力的升高,起到控制微觀流度的作用,該機(jī)制稱為微流調(diào)節(jié)啟動(dòng)。乳狀液在主要流動(dòng)通道的堆積堵塞導(dǎo)致了滲流阻力升高,迫使微觀液流轉(zhuǎn)向,從而波及并攜帶孤島狀殘余油(圖3)。

      圖2 孤島狀殘余油被攜帶移動(dòng)

      圖3 乳狀液的微流調(diào)節(jié)機(jī)制

      2.2 各啟動(dòng)機(jī)制的觸發(fā)條件

      以不同顆粒數(shù)密度的乳狀液作為驅(qū)替劑在玻璃刻蝕模型中進(jìn)行微觀驅(qū)油實(shí)驗(yàn),并以同黏度的三元復(fù)合體系(即顆粒數(shù)密度為0.0 mm-2的乳狀液)作為對照組,研究殘余油的啟動(dòng)情況。實(shí)驗(yàn)觀察到利用乳化作用啟動(dòng)殘余油的3種機(jī)理并非在任意條件下都能觸發(fā),而是對顆粒數(shù)密度有一定的選擇(表2)。直接注入三元復(fù)合體系,僅觀察到分散啟動(dòng)機(jī)制,并沒有攜帶啟動(dòng)和微流調(diào)節(jié)啟動(dòng);注入顆粒數(shù)密度為231.4 mm-2的乳狀液作為驅(qū)替劑,殘余油啟動(dòng)方式仍僅有分散啟動(dòng);注入顆粒數(shù)密度低于624.7 mm-2的乳狀液作為驅(qū)替劑,除了分散啟動(dòng),還觀察到攜帶啟動(dòng);而微流調(diào)節(jié)啟動(dòng),僅在顆粒數(shù)密度高于848.0 mm-2的乳狀液作為驅(qū)替劑時(shí)才能觀察到??梢?,攜帶啟動(dòng)和微流調(diào)節(jié)啟動(dòng)機(jī)制的觸發(fā)條件比較苛刻,尤其是后者,需要顆粒數(shù)密度較高的乳狀液才能實(shí)現(xiàn)。高顆粒數(shù)密度乳狀液的形成過程,其實(shí)也是三元復(fù)合體系運(yùn)移過程中分散啟動(dòng)和攜帶啟動(dòng)不斷發(fā)揮作用而累積的過程,因此,為了盡早發(fā)揮微流調(diào)節(jié)機(jī)制的效果,需盡早使三元復(fù)合體系溶液接觸到殘余油富集的區(qū)域。

      表2 乳狀液顆粒密度對殘余油啟動(dòng)的影響

      2.3 微流調(diào)節(jié)啟動(dòng)的宏觀影響

      為考察乳化作用啟動(dòng)殘余油的幾種機(jī)制在宏觀上的反映,以不同顆粒數(shù)密度乳狀液作為驅(qū)替劑進(jìn)行巖心注入實(shí)驗(yàn)(圖4)。由圖4可知:顆粒數(shù)密度不大于624.7 mm-2的乳狀液,其注入壓力的穩(wěn)定值與同黏度的三元復(fù)合體系溶液相差不大,說明分散啟動(dòng)機(jī)制和攜帶啟動(dòng)機(jī)制作用對注入壓力幾乎無影響,這2種機(jī)制可啟動(dòng)微觀殘余油,不會提升滲流阻力;顆粒數(shù)密度高于848.0 mm-2乳狀液,其注入壓力穩(wěn)定值明顯高于同黏度的三元復(fù)合體系溶液,也高于低顆粒數(shù)密度的乳狀液,說明微流調(diào)節(jié)啟動(dòng)機(jī)制在微觀層面上會累加,導(dǎo)致滲流阻力的提升,反映在宏觀層面上表現(xiàn)為壓力升高。此外,從壓力明顯的波動(dòng)上也可證實(shí)乳狀液的微流調(diào)節(jié)機(jī)制在發(fā)揮作用。顆粒在孔喉的堆積堵塞導(dǎo)致壓力升高,累積到極限值,乳狀液從孔喉突破導(dǎo)致壓力降低,由此不斷反復(fù),表現(xiàn)為壓力的頻繁波動(dòng)。

      圖4 不同顆粒數(shù)密度乳狀液的注入壓力

      微流調(diào)節(jié)機(jī)制可啟動(dòng)微觀殘余油,提高阻力,控制流度。為了充分發(fā)揮乳狀液提高驅(qū)油效率的能力,應(yīng)盡量觸發(fā)微流調(diào)節(jié)啟動(dòng)機(jī)制。形成高顆粒數(shù)密度的乳狀液的條件包括:①三元復(fù)合體系具有優(yōu)良的乳化能力,能迅速將殘余油分散成微米級顆粒,并在運(yùn)移過程中維持體系性能;②需充足的殘余油量,這是形成較高顆粒數(shù)密度乳狀液的必要條件;③需在運(yùn)移過程中不斷累積攜帶,顆粒數(shù)密度需要一個(gè)累積升高的過程,該過程越短,微流調(diào)節(jié)啟動(dòng)機(jī)制觸發(fā)的時(shí)機(jī)越早,則提高驅(qū)油效率的作用區(qū)域越廣。因此,在三元復(fù)合體系性能還處在優(yōu)良狀態(tài)時(shí)充分接觸高殘余油飽和度區(qū)域,對三元復(fù)合體系配方、注入量和注入時(shí)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化具有重要的意義。

      3 結(jié) 論

      (1) 利用微觀刻蝕模型驅(qū)替實(shí)驗(yàn),觀察到三元復(fù)合體系對原油的乳化作用啟動(dòng)殘余油機(jī)制大致可分為3種,即分散啟動(dòng)、攜帶啟動(dòng)和微流調(diào)節(jié)啟動(dòng)。攜帶啟動(dòng)和微流調(diào)節(jié)啟動(dòng)對乳狀液的顆粒數(shù)密度有一定要求,前者要求顆粒數(shù)密度不低于約400 mm-2,后者要求顆粒數(shù)密度大于850 mm-2。

      (2) 微流調(diào)節(jié)啟動(dòng)機(jī)制通過乳狀液顆粒的堆積和堵塞作用與賈敏效應(yīng)的疊加,可達(dá)到提高局部滲流阻力,改變微觀液流方向的效果。

      (3) 高顆粒數(shù)密度的乳狀液在巖心運(yùn)移時(shí)表現(xiàn)

      出壓力升高幅度增大和頻繁波動(dòng)的現(xiàn)象,說明微流調(diào)節(jié)的累加可起到在宏觀上控制流度的作用。為了充分發(fā)揮乳狀液提高驅(qū)油效率的能力,應(yīng)盡量觸發(fā)微流調(diào)節(jié)啟動(dòng)機(jī)制,并需要性能優(yōu)良的三元復(fù)合體系充分接觸高殘余油飽和度區(qū)域。

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