石先亞 鄶婧文 王冠華 丁名臣 徐國(guó)瑞 陳五花 薛新房 王業(yè)飛

(1. 中海油田服務(wù)股份有限公司 天津 300459; 2. 中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院 山東青島 266580;3. 山東省油田化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 山東青島 266580)

稠油黏度高、流動(dòng)性差的特點(diǎn)嚴(yán)重制約了其工業(yè)化開采[1-3]。因此實(shí)現(xiàn)稠油的有效開采,必須降低稠油黏度,改善其流動(dòng)性[4-5]。目前,針對(duì)原油黏度較高的稠油油藏,通常采用蒸汽吞吐或蒸汽驅(qū)的熱采方式降低稠油黏度提高采收率;但對(duì)于地下原油黏度不高,特別是黏度為200 ～1000mPa·s的普通稠油油藏,如何實(shí)現(xiàn)有效的冷采開發(fā)是現(xiàn)階段研究熱點(diǎn)[6-9],同時(shí)也是實(shí)現(xiàn)普通稠油開發(fā)“綠色轉(zhuǎn)型”的重要途徑。因此,作為冷采技術(shù)的化學(xué)驅(qū)油技術(shù)成為普通稠油高效開發(fā)的重要研究方向[10]。針對(duì)普通稠油油藏化學(xué)驅(qū),已經(jīng)證實(shí)聚合物驅(qū)和聚合物/表面活性劑二元復(fù)合驅(qū)是有效方法。特別是二元復(fù)合驅(qū)油體系在提高水相黏度的同時(shí),還能明顯提高洗油效率,提高采收率幅度可達(dá)10%以上[11-13]。但是二元復(fù)合驅(qū)油體系仍然存在阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)不高、流度控制能力不強(qiáng)等問題,驅(qū)替普通稠油時(shí)指進(jìn)現(xiàn)象嚴(yán)重,導(dǎo)致提高采收率有限。雖然泡沫驅(qū)能夠改善體系對(duì)普通稠油的不利流度比,提高波及系數(shù),但普通泡沫直徑大、注入性不好;遇油消泡、穩(wěn)定性差[14]。筆者通過調(diào)研和前期研究[15-19],在篩選二元復(fù)合驅(qū)油體系的基礎(chǔ)上,采用溶氣法構(gòu)建了微氣泡增效二元復(fù)合驅(qū)油體系,并對(duì)其驅(qū)油效果和相關(guān)機(jī)理進(jìn)行了研究,為微氣泡增效二元復(fù)合驅(qū)提高普通稠油采收率進(jìn)行了探索。

1 微氣泡增效二元復(fù)合體系構(gòu)建

1.1 二元復(fù)合體系的優(yōu)選

1) 實(shí)驗(yàn)材料與條件。

實(shí)驗(yàn)所用稠油為渤海某油田普通稠油(7.34 s-1剪切條件下,50、65 ℃下的黏度分別為398、206 mPa·s),實(shí)驗(yàn)所用模擬水,其離子組成及含量組成見表1,模擬水總礦化度為8 094.0 mg/L。

表1 模擬水分析結(jié)果

實(shí)驗(yàn)藥品有部分水解聚丙烯酰胺干粉(HPAM),固含量不小于89%,水解度27.5%,由大慶煉化公司生產(chǎn);表面活性劑有聚氧乙烯辛基苯酚醚(OP-8),十六烷基苯磺酸鈉(ABS),均為工業(yè)品,由山東索爾化工有限公司生產(chǎn)。

實(shí)驗(yàn)溫度為渤海某油田儲(chǔ)層溫度65 ℃。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備有Anton Paar流變儀,TX-500C旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀。

2) 實(shí)驗(yàn)方案。

①聚丙烯酰胺溶液質(zhì)量濃度的確定使用模擬水配制不同質(zhì)量濃度(500～3 000 mg/L)的聚丙烯酰胺溶液,應(yīng)用Anton Paar流變儀在7.34 s-1剪速下測(cè)定不同質(zhì)量濃度聚合物溶液的黏度,根據(jù)聚合物溶液的黏-濃關(guān)系確定體系所用的聚丙烯酰胺溶液質(zhì)量濃度。

②二元復(fù)合驅(qū)體系中表面活性劑及其質(zhì)量濃度的確定使用模擬水配制不同表面活性劑(OP-8、ABS)、不同質(zhì)量濃度(1 000～2 000 mg/L)溶液,用TX-500C旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀測(cè)定溶液與稠油之間的界面張力,取界面張力達(dá)到超低(小于0.01 mN·m-1)的表面活性劑配方即可。同時(shí)考察聚合物的加入對(duì)界面張力的影響。

3) 二元復(fù)合體系優(yōu)選結(jié)果。

不同質(zhì)量濃度的聚丙烯酰胺溶液的黏度如圖1所示。從圖中可以看出,65℃條件下,2 000 mg/L聚丙烯酰胺溶液的黏度達(dá)到了28.9 mPa·s。參考該區(qū)塊注聚的聚合物質(zhì)量濃度(1 750 mg/L),兼顧體系的注入性與經(jīng)濟(jì)性等[20-23],選擇配方中聚合物的質(zhì)量濃度為2 000 mg/L。

圖1 HPAM溶液黏-濃曲線

65 ℃條件下,單獨(dú)的OP-8或ABS均不能使油水界面張力達(dá)到超低。由圖2可知,不同濃度表面活性劑復(fù)配體系與稠油的界面張力顯著不同,只有1 000 mg/L OP-8與2 000 mg/L ABS的復(fù)配體系與稠油的界面張力能滿足超低要求,且在20 min后可保持穩(wěn)定的超低界面張力值。

圖2 不同濃度復(fù)配表面活性劑溶液與稠油的動(dòng)態(tài)界面張力

在1 000 mg/L OP-8、2 000 mg/L ABS混合表面活性劑溶液中加入2 000 mg/L聚合物,65 ℃下分別測(cè)量體系黏度和油水界面張力穩(wěn)定值,結(jié)果見表2。從表2可以看出,表面活性劑和聚合物配伍性良好,此二元復(fù)合體系既有較高的黏度,又有很高的活性,因此選擇2 000 mg/L HPAM+1 000 mg/L OP-8+2 000 mg/L ABS作為高效二元復(fù)合體系配方,以此為基液,繼續(xù)展開下述研究。

表2 二元復(fù)合驅(qū)體系和聚合物的性能對(duì)比

1.2 微氣泡增效二元復(fù)合體系構(gòu)筑

1) 實(shí)驗(yàn)流程和實(shí)驗(yàn)方法。

按圖3流程連接相關(guān)設(shè)備,并通過該微觀觀察系統(tǒng)研究微氣泡體系中微氣泡的大小。其中微氣泡發(fā)生器(Nano微納米氣泡發(fā)生系統(tǒng)LF1500,上海行恒科技有限公司)利用溶氣釋放法產(chǎn)生微氣泡,其原理是:通過兩個(gè)端口同時(shí)吸入液體(上述優(yōu)選的二元復(fù)合體系)和空氣后再加壓,使空氣溶解在液體中;然后在出口端減壓,使氣體釋放逸出,便會(huì)產(chǎn)生奶白色的微氣泡[14-16]。為阻止微氣泡的進(jìn)一步聚并和消失,本文嘗試將微氣泡注入到儲(chǔ)備巖心3(一種填砂管,直徑2.5 cm,長(zhǎng)度100 cm,滲透率為2500mD)進(jìn)行保壓儲(chǔ)存,以方便后期表征和驅(qū)油時(shí)使用。微氣泡在聚合物和表面活性劑的穩(wěn)定作用下,能較穩(wěn)定的存在。

圖3 微觀觀察系統(tǒng)

將微氣泡注入到承壓可視化微模型5中進(jìn)行觀察和分析。微氣泡的圖像獲取由Olympus BX53生物顯微鏡完成,其觀測(cè)精度為0.1 μm。

2) 微氣泡特征分析。

圖4是使用溶氣法產(chǎn)生微氣泡增效二元復(fù)合體系的外觀。由于聚合物和表面活性劑的穩(wěn)定作用,這種方法產(chǎn)生的微氣泡在燒杯中的半衰期可達(dá)到50 min,如將其注入到儲(chǔ)備巖心中,則可以儲(chǔ)存較長(zhǎng)時(shí)間而不發(fā)生粒徑變化。圖5是氣液比為0.25時(shí)的微氣泡顯微圖像。根據(jù)前期研究,微氣泡的直徑大小與氣液比密切相關(guān)[24],而微泡沫直徑與地層孔隙平均直徑存在某種匹配關(guān)系時(shí)才會(huì)有好的注入性和深部調(diào)驅(qū)能力。由于模擬驅(qū)油實(shí)驗(yàn)使用的填砂管滲透率為2 000 mD左右,因此選擇氣液比0.25時(shí)產(chǎn)生的微氣泡是合適的。

圖4 溶氣釋放法產(chǎn)生微氣泡前后的外觀

圖5 微氣泡顯微圖像

可以看到,產(chǎn)生的微氣泡顆粒細(xì)小、均勻。由于氣體體積分?jǐn)?shù)小,顆粒之間存在大量的液體,因此體系穩(wěn)定性好。使用Image-J軟件的閾值法處理拍攝的微氣泡顯微圖像,該軟件可對(duì)每一個(gè)微氣泡進(jìn)行識(shí)別和處理計(jì)算,從而計(jì)算出微氣泡的平均直徑(26.7 μm)。

3) 體系流度控制能力。

體系的高流度控制能力是保證高效驅(qū)替稠油的前提?？梢杂米枇ο禂?shù)和殘余阻力系數(shù)的大小來衡量,其值越大,說明體系流度控制能力越強(qiáng)。利用前文篩選的微氣泡增效二元復(fù)合驅(qū)體系(氣液比為0.25),參照文獻(xiàn)[25],在填砂管模型上測(cè)定對(duì)比了二元復(fù)合體系和微氣泡增效二元復(fù)合體系的阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)。實(shí)驗(yàn)溫度65 ℃,注入速度為0.5 mL/min,回壓5.0 MPa;填砂管直徑2.5 cm,長(zhǎng)度100 cm,滲透率為2 000 mD。注入泵選用ISCO高壓高精度柱塞泵(精度0.01 mL/min)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3,可以看到,與單純二元復(fù)合體系相比,微氣泡增效二元復(fù)合體系的阻力系數(shù)和殘余系數(shù)都大幅度提高了,說明該體系具有更好的深部調(diào)驅(qū)效果。

表3 兩種體系的阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)對(duì)比

2 模擬驅(qū)油實(shí)驗(yàn)

2.1 與二元復(fù)合體系的驅(qū)油效果的對(duì)比

1) 實(shí)驗(yàn)方案與實(shí)驗(yàn)條件。

實(shí)驗(yàn)采用雙管非均質(zhì)模擬驅(qū)油系統(tǒng)(圖6,包括ISCO高壓高精度柱塞泵(精度0.01 mL/min)等組成)。實(shí)驗(yàn)溫度為65 ℃,體系注入速度為0.5 mL/min,回壓5.0 MPa。分別將高、低滲透率填砂管(滲透率分別是2 500 mD和1 250 mD,滲透率級(jí)差為2.0)飽和模擬水,然后再用普通稠油驅(qū)替至束縛水后老化24 h。先進(jìn)行水驅(qū),至含水率達(dá)到98%后注入0.3 PV微氣泡增效二元復(fù)合體系,再進(jìn)行后續(xù)水驅(qū)至含水率再次達(dá)到98%,確定采收率。同時(shí)進(jìn)行平行實(shí)驗(yàn),對(duì)比注入0.3 PV二元復(fù)合體系的驅(qū)油效果。

圖6 雙管模擬驅(qū)油系統(tǒng)

2)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

對(duì)比驅(qū)油實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到,與常規(guī)二元復(fù)合驅(qū)油體系相比,微氣泡增效體系提高采收率效果更好,降低含水率更為明顯(圖7)。微氣泡的引入,比常規(guī)高效二元復(fù)合驅(qū)油體系提高采收率高出12個(gè)百分點(diǎn)。這顯然是微氣泡增效體系流度控制能力更強(qiáng)等原因帶來的必然結(jié)果。

圖7 不同體系的模擬驅(qū)油曲線

2.2 驅(qū)油機(jī)理分析

1) 實(shí)驗(yàn)方法。

使用可視化模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)來研究微氣泡增效二元復(fù)合體系的微觀驅(qū)油作用機(jī)理(參見圖3,其中的玻璃蝕刻微模型大小為5 cm×5 cm,蝕刻孔道的深度和寬度均約為100 μm,孔隙度和滲透率分別約為0.50、2.50 D)。

微模型抽真空后飽和普通稠油,老化24 h后使用模擬水進(jìn)行水驅(qū),保持回壓5.0 MPa,注入速度為0.01 mL/min。驅(qū)替1.0 PV后切換為微氣泡增效體系驅(qū)替,注入速度與水驅(qū)速度保持一致。微氣泡增效體系選擇前文所述氣液比為0.25的體系。通過捕捉不同驅(qū)替時(shí)刻的動(dòng)態(tài)圖像來分析微氣泡增效體系的驅(qū)油機(jī)理[26]。

2) 結(jié)果分析。

宏觀上來講,由于微氣泡增效體系流度控制能力強(qiáng),在非均質(zhì)條件下有更好的波及能力。微觀上,通過玻璃蝕刻模型驅(qū)油動(dòng)態(tài)圖像的觀察,微氣泡增效二元復(fù)合體系除觀察到常見二元復(fù)合驅(qū)的機(jī)理外,還有兩個(gè)機(jī)理起了獨(dú)特的作用,它們是賈敏效應(yīng)疊加機(jī)理和氣泡協(xié)同增效的乳化攜帶機(jī)理。

微氣泡在孔喉中由于賈敏效應(yīng)的疊加效應(yīng)產(chǎn)生了更大的阻力,從而起到了一定的封堵作用,使部分滯留在其他孔喉中的原油得以啟動(dòng),從而提高波及體積而提高采收率[18-19]。

微氣泡協(xié)同增效的乳化攜帶機(jī)理可用圖8進(jìn)行說明。該機(jī)理主要針對(duì)孔隙、喉道間和盲端的殘余油滴、油膜起作用。微氣泡遇油之后,原油和氣泡之間的疏水作用,使氣泡能容易粘附在原油表面,并導(dǎo)致部分原油脫離大塊油滴或巖石壁面;同時(shí),體系中的高效表面活性劑通過降低油水界面張力及軟化油膜作用,使油滴或油膜被乳化、拉長(zhǎng)、拉斷,形成油絲或更小的乳化油滴,進(jìn)而粘附在微氣泡表面而被攜帶流出。由于稠油形成乳狀液后,流動(dòng)性增加,因此更易被產(chǎn)出。

圖8 微氣泡協(xié)同乳化攜帶稠油

3 結(jié)論

1) 探索了一種溶氣法產(chǎn)生微氣泡的方法,該法通過在常規(guī)二元復(fù)合驅(qū)體系中形成微氣泡來構(gòu)建微氣泡增效二元復(fù)合驅(qū)油新體系。構(gòu)建的微氣泡相對(duì)均勻分散在液體體系中,平均粒徑為26.7 μm。

2) 微氣泡增效體系有相對(duì)較高的殘余阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù),且注入性好;提高普通稠油采收率效果好。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ头蔷|(zhì)條件下,與常規(guī)高效二元復(fù)合驅(qū)相比,采收率可以再增加12個(gè)百分點(diǎn)。

3) 除存在常規(guī)二元復(fù)合驅(qū)的采收率機(jī)理外,微氣泡增效二元復(fù)合驅(qū)體系由于微氣泡的賈敏效應(yīng)疊加擴(kuò)大波及系數(shù)、協(xié)同乳化攜帶提高洗油效率對(duì)體系提高普通稠油采收率做出了獨(dú)特的貢獻(xiàn),為普通稠油化學(xué)驅(qū)提供了很好的技術(shù)思路。