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,油的流動機(jī)理以橋接、拉絲為主。同時,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,使原來不能流動的殘余油處于可流動的狀態(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個點(diǎn)分別鉆2個小孔洞,這2個小孔洞作為模擬生產(chǎn)井和注水井。微觀模型制作成型時為親水模型,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)象和整個驅(qū)替過程。

4)分析圖像,計算此時驅(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溶液流動方向,可以看到,SLH-Ⅲ溶液貼著孔隙壁表面流動,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,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,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(見圖5)。圖中箭頭所指為被拉長的殘余油,油被拉長后又會斷裂形成油珠(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,而油則沿孔道壁流動(見圖7),箭頭所指方向?yàn)镾LH-Ⅲ溶液流動方向。當(dāng)SLH-Ⅲ溶液繼續(xù)進(jìn)入孔隙中,在水驅(qū)過程中驅(qū)不動的殘余油隨著SLH-Ⅲ溶液的流動也開始參與流動,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,巖石顆粒下端的油膜逐漸搭到下一個巖石顆粒的上端,像一座橋一樣連接2個巖石顆粒,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。在油水流動的方向,巖石顆粒下游聚集的油膜除了形成液橋,還會拉出很長的細(xì)絲(見圖9)。油絲前端會被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被夾帶流走。同時,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,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,但還會存在乳化現(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,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溶液的流動而流動。

在親油模型中,殘余油順著顆粒表面流動。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)油過程中會產(chǎn)生油膜橋接,同時會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,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,同時乳化改變了驅(qū)動力、附著力、毛管力等力的相互關(guān)系,使水驅(qū)油后不能流動的殘余油可以隨著表面活性聚合物SLH-Ⅲ溶液的流動而采出。

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)動開采出來,從而有利于原油采收率的提高。

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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。