李兆敏,劉己全,李松巖,葉金橋,范恒杰
(1.中國石油大學(xué),山東 青島 266580;2.中海石油(中國)有限公司上海分公司,上海 200030)
二氧化碳乳液微觀穩(wěn)定性實驗研究
李兆敏1,劉己全1,李松巖1,葉金橋1,范恒杰2
(1.中國石油大學(xué),山東 青島 266580;2.中海石油(中國)有限公司上海分公司,上海 200030)
實驗優(yōu)選了AOT作為CO2乳液表面活性劑,利用高溫高壓反應(yīng)釜測定了AOT水溶液與CO2在不同溫度、壓力下的乳液析液半衰期,并通過微觀實驗測定了溫度、壓力對CO2乳液微觀穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明,隨著壓力的增大,CO2乳液穩(wěn)定性隨之增大;隨著溫度的增加,CO2乳液穩(wěn)定性隨之降低,低壓下溫度的影響不明顯,隨著壓力的增加,溫度的影響越來越明顯。微觀實驗顯示,溫度越高越不利于乳液的穩(wěn)定,壓力越高越有利于乳液的穩(wěn)定,這與高溫高壓反應(yīng)釜所得的結(jié)果相對應(yīng),說明CO2乳液的穩(wěn)定性主要取決于乳液的擴散、聚并、排液、破滅等機理。CO2乳液在驅(qū)油過程中能有效控制CO2流度,大幅改善CO2驅(qū)油效果,提高采收率。
CO2乳液;表面活性劑;乳液半衰期;微觀穩(wěn)定性
注CO2提高原油采收率技術(shù)的發(fā)展已有50多年的歷史,目前已經(jīng)成為一種重要的提高原油采收率技術(shù),得到廣泛應(yīng)用[1-3]。由于中國大部分油田屬于陸相沉積儲層,非均質(zhì)性嚴重,原油黏度較大,且礦場試驗過程中對CO2與地層之間的相互作用關(guān)系、CO2驅(qū)油生產(chǎn)特征認識不夠全面,從而導(dǎo)致礦場試驗CO2驅(qū)黏性指進嚴重,氣體易發(fā)生氣竄,原油產(chǎn)量大幅下降。在油藏條件下,CO2一般處于超臨界狀態(tài)(31.26℃,7.38 MPa以上),驅(qū)油過程中超臨界CO2和表面活性劑水溶液形成超臨界CO2乳液是控制CO2流度的有效方法[4-7],能夠大幅改善CO2驅(qū)油效果[8-9]。在超臨界CO2乳液驅(qū)油過程中,油藏的溫度、壓力等因素都會影響CO2乳液的穩(wěn)定性[10-12]。目前,國內(nèi)外對CO2乳液的研究主要集中在萃取分離、酶催化和納米材料制備3個方面,針對超臨界CO2乳液微觀穩(wěn)定機理方面的研究較少,一些關(guān)鍵問題還沒有完全解決[13-16]。為此,開展了表面活性劑的篩選及溫度、壓力對CO2乳液微觀穩(wěn)定性影響的實驗研究,研究結(jié)果可為CO2乳液在油氣田開發(fā)中的應(yīng)用提供一定的理論指導(dǎo)。
1.1 實驗材料與儀器
主要實驗材料:實驗選用油田常用的幾種表面活性劑(表1);實驗用CO2純度為99.9%;實驗用水為蒸餾水。表1中L35、L64、F38、F68的平均分子質(zhì)量分別為1 900、2 900、6 300、8 350。
主要實驗儀器:油藏條件下微觀實驗設(shè)備,溫度、壓力上限分別為180℃、30 MPa;高溫高壓磁攪拌反應(yīng)釜(海安石油科研有限公司),反應(yīng)釜容積為500mL,內(nèi)部帶有電磁耦合攪拌裝置,溫度、壓力上限分別為180℃、25 MPa。
1.2 實驗方法
1.2.1 CO2乳液穩(wěn)定性能實驗
利用高溫高壓磁攪拌反應(yīng)釜測量不同溫度、壓力條件下CO2與表面活性劑水溶液形成的乳液體積和半衰期。通過測量乳液含水率隨時間變化來評價乳液的性能。實驗溫度為25~70℃,壓力為2~12 MPa。
表1 實驗用表面活性劑
實驗步驟:①向反應(yīng)釜中泵入50 mL表面活性劑水溶液;②將反應(yīng)釜加熱至所需實驗溫度;③向反應(yīng)釜中充入CO2氣體,達到實驗壓力為準;④將攪拌器轉(zhuǎn)速調(diào)至1 000 r/min,攪拌180 s后,記錄初始乳液高度,然后每隔30 min記錄乳液的高度,并記錄析液半衰期。
1.2.2 CO2乳液微觀實驗
通過高倍光學(xué)顯微鏡觀察CO2乳液在多孔介質(zhì)中的運移、聚并、擴散驅(qū)油機理。采用孔道直徑約為100 μm的40 mm×40 mm微觀仿真光刻玻璃模型模擬地層多孔介質(zhì)。主要儀器包括顯微攝像系統(tǒng)一套(顯微鏡與計算機),雙柱塞泵以及計算機成像軟件(Tsview)等。將微觀模型夾持裝置加至實驗溫度和壓力,將仿真光刻玻璃模型抽真空,進行實驗研究。
2.1 表面活性劑優(yōu)選
實驗得出含氟表面活性劑、磺酸琥珀酸鈉和聚氧乙烯聚氧丙烯醚所產(chǎn)生CO2乳液的表面活性劑性能較好,在表面活性劑的幫助下可形成超臨界乳液,但含氟表面活性劑有毒且成本相對較高,不適于油田大規(guī)模應(yīng)用,因此,選取磺酸琥珀酸鈉和不同分子質(zhì)量聚氧乙烯聚氧丙烯醚的表面活性劑進行優(yōu)選。采用Waring Blender法評價乳液性能,該方法用藥品量少,使用條件受到的約束少,實驗周期短。實驗結(jié)果見圖1。
圖1 不同類型表面活性劑乳化體積、析液半衰期和綜合性能指數(shù)與濃度的關(guān)系
由于乳液在地層中的流度調(diào)整能力受半衰期和乳化體積的綜合影響,評價表面活性劑的乳化性能必須兩者兼顧。因此,在實驗中引進了乳液綜合性能指數(shù)來綜合反映表面活性劑的穩(wěn)定性和乳化性。乳液綜合性能指數(shù):
式中:F為乳液綜合性能指數(shù),mL·s;V0為乳化體積,mL;T1/2為半衰期,s。
常用乳液乳化體積和膨脹倍數(shù)來表示乳液的氣泡能力。實驗采用乳液乳化體積來評價其發(fā)泡能力。由圖1a可知,乳化體積隨濃度的增大先增大,直至乳化體積達到最大值,之后隨著濃度的升高,乳化體積變化不大,維持在一定范圍內(nèi);F-38和AOT的乳化能力最好,F(xiàn)-68、OS和C12E9P3次之,L-35和L-64的乳化能力最差。
乳液的半衰期是衡量和評價乳液體系穩(wěn)定性的一個十分重要的參數(shù)。由圖1b可知,所有乳液體系的半衰期均隨表面活性劑濃度的增加而逐漸增加,進一步的分析可得出,相同表面活性劑濃度下,AOT、OS和C12E9P3的乳液半衰期比較長,F(xiàn)-38、F-68、L-35和L-64的乳液半衰期比較短;當(dāng)表面活性劑濃度達到一定值后,隨著表面活性劑濃度的增加,乳液半衰期略有下降。這是由于當(dāng)表面活性劑濃度小于臨界膠束濃度時,乳液流體的黏度隨表面活性劑濃度的增加而顯著增加;而當(dāng)表面活性劑濃度繼續(xù)增加,超過臨界膠束濃度后,由于界面張力略有增加,乳液穩(wěn)定性有所下降,半衰期縮短。
通過分析乳液綜合性能指數(shù)可以得出,AOT的性能最優(yōu),可以作為后續(xù)實驗的表面活性劑。確定最優(yōu)濃度為0.6%。對比以上7種表面活性劑,具有雙尾鏈結(jié)構(gòu)的陰離子表面活性劑AOT的綜合性能優(yōu)于單尾鏈結(jié)構(gòu)的陰離子表面活性劑OS和雙尾鏈的非離子表面活性劑聚氧乙烯聚氧丙烯醚,說明CO2乳液用表面活性劑需具備雙尾鏈結(jié)構(gòu),且表面活性劑屬于陰離子型,這與超臨界CO2乳液用表面活性劑類似,可用于油田篩選表面活性劑和復(fù)配CO2乳液用表面活性劑。
2.2 CO2乳液穩(wěn)定性能實驗結(jié)果
溫度和壓力對CO2與AOT水溶液形成的乳液的穩(wěn)定性影響規(guī)律見圖2。由圖2可知,隨著壓力的升高,乳液排液速度減慢,乳液的穩(wěn)定性增強。這是由于隨著壓力增大,導(dǎo)致乳液的液滴半徑減小,液膜變薄,從而使排液速率降低,同時由于CO2的密度增大,對液膜的支撐力增大,重力排液作用影響減小,乳液的穩(wěn)定性增大。當(dāng)壓力由6 MPa升至8 MPa時,CO2乳液的析液半衰期明顯提升,隨著壓力的繼續(xù)增加,乳液的析液半衰期增加緩慢。這主要是因為在CO2由6 MPa升至8 MPa時,CO2的相態(tài)、密度和溶解度系數(shù)均發(fā)生明顯變化,由氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)或者超臨界狀態(tài),密度也由氣體密度變?yōu)橐后w密度。隨著壓力繼續(xù)增加,該作用的增幅有所降低。隨著溫度升高,乳液的析液半衰期明顯變短,乳液的穩(wěn)定性降低。
圖2 不同溫度、壓力下CO2與AOT水溶液形成的乳液穩(wěn)定性
2.3 CO2乳液微觀穩(wěn)定性實驗結(jié)果
2.3.1 CO2乳液的流動形態(tài)
定義乳液直徑大小:小乳液(直徑小于孔隙直徑的1/5)、中乳液(直徑為孔隙直徑的1/5~1)、大乳液(可占據(jù)整個孔隙)。大乳液可沿液膜移動,具有較高的洗油效率,但是注入阻力較大;中乳液大多在孔道中間,其本身主要通過孔隙取代及擠壓小乳液進行驅(qū)油;小乳液大多在乳液間及壁面處,氣液比較大時,大多沿著壁面移動,具有較高的洗油效率和彈性壓能,此時類似段塞流,但乳液歧化比較嚴重,液膜較薄,易破滅,不穩(wěn)定,2個小乳液從接觸到合并僅需10 s。
2.3.2 溫度壓力對乳液微觀穩(wěn)定性的影響
優(yōu)選氣液比為2∶1的CO2乳液,對CO2乳液在不同溫度壓力下的乳液穩(wěn)定性進行實驗研究,結(jié)果見圖3。由圖3可知,CO2乳液的穩(wěn)定性受溫度、壓力等因素的影響。CO2乳液越致密均勻,穩(wěn)定性越好;25℃的CO2乳液穩(wěn)定性優(yōu)于40℃的CO2乳液穩(wěn)定性,8 MPa下的CO2乳液穩(wěn)定性優(yōu)于4 MPa下的CO2乳液穩(wěn)定性。
圖3 CO2乳液微觀穩(wěn)定性
由以上實驗現(xiàn)象可知乳液越致密均勻,穩(wěn)定性越好;溫度越高越不利于乳液的穩(wěn)定,壓力越高越有利于乳液的穩(wěn)定。這主要是因為隨著壓力增大,乳液的液滴半徑減小,液膜相對變厚,乳液的歧化作用越弱,同時由于CO2的密度增大,對液膜的支撐力增大,重力排液作用影響減小,乳液的排液和氣體擴散作用減弱,乳液不易聚并,乳液的穩(wěn)定性增加。
隨著溫度的升高,乳液穩(wěn)定性降低。一方面是由于溫度的升高導(dǎo)致分子熱運動加劇,CO2透過液膜的聚并速度增加;另一方面是因為溫度的升高會導(dǎo)致液膜表面黏度降低,液膜的黏彈性和強度下降,同時溫度的升高加劇了液膜液體的蒸發(fā),液膜變薄,易發(fā)生乳液聚并和破滅,從而會使排液速率進一步加快,乳液穩(wěn)定性降低。
(1)優(yōu)選AOT作為CO2乳液用表面活性劑,濃度為0.6%,具有雙尾鏈結(jié)構(gòu)的陰離子表面活性劑AOT的綜合性能優(yōu)于單尾鏈結(jié)構(gòu)的陰離子表面活性劑OS和雙尾鏈的非離子表面活性劑聚氧乙烯聚氧丙烯醚。
(2)隨著壓力的升高,CO2乳液排液速度減慢,乳液的析液半衰期增加,乳液穩(wěn)定性增加。當(dāng)壓力由6 MPa升至8 MPa時,CO2乳液的析液半衰期明顯提升,隨著壓力的繼續(xù)增加,乳液的析液半衰期增加緩慢。隨著溫度的升高,乳液穩(wěn)定性降低。
(3)CO2乳液根據(jù)與孔喉直徑的大小分為大、中、小乳液,對應(yīng)相應(yīng)的流動形態(tài),大乳液液膜較薄,歧化作用嚴重,易發(fā)生聚并;微觀條件下的CO2乳液穩(wěn)定性與乳液的析液半衰期規(guī)律一致,溫度越高越不利于乳液的穩(wěn)定,壓力越高越有利于乳液的穩(wěn)定。
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編輯王 昱
TE357.45
A
1006-6535(2015)05-0082-04
20150528;改回日期:20150803
國家自然科學(xué)基金“油藏條件下超臨界CO2乳液轉(zhuǎn)相乳化規(guī)律及滲流特征”(51304229);教育部博士點基金“添加改性納米二氧化硅的CO2泡沫體系穩(wěn)定機理及滲流特征”(20120133110008);中央高?;究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金“油藏條件下超臨界CO2乳液轉(zhuǎn)相乳化規(guī)律及滲流特征”(14CX02043A)和“青年教師人才建設(shè)工程資助項目”(14CX02185A)
李兆敏(1965-),男,教授,1985年畢業(yè)于上海機械學(xué)院傳熱、傳質(zhì)及流體動力學(xué)專業(yè),1995年畢業(yè)于石油大學(xué)(北京)油氣井工程專業(yè),獲博士學(xué)位,現(xiàn)為中國石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院博士生導(dǎo)師,主要從事泡沫流體及稠油開采方面的教學(xué)與科研工作。
10.3969/j.issn.1006-6535.2015.05.017