碱/表面活性剂/聚合物相互作用对河间油藏油水界面张力特征的影响

田小兰,李华斌,程柯扬,黄小会,乔 林

(1.成都理工大学,四川成都 610059; 2.油气藏地质及开发工程国家重点实验室(成都理工大学),四川成都 610059)

碱/表面活性剂/聚合物相互作用对河间油藏油水界面张力特征的影响

田小兰1,李华斌2,程柯扬1,黄小会1,乔 林1

(1.成都理工大学,四川成都 610059; 2.油气藏地质及开发工程国家重点实验室(成都理工大学),四川成都 610059)

在任丘油田河间油藏油层及流体性质(90℃温度、矿化度为5 192.2 mg/L的采出水和5 682.6 mg/L的注入水、河间原油)的条件下,研究了表面活性剂、碱和聚合物相互作用对油水界面张力的影响。结果表明,单一石油磺酸盐CDS -1在有效浓度为0.01%～0.3%范围内,瞬时动态界面张力和平衡界面张力降低到10-2mN/m数量级。向浓度为0.05%的CDS-1溶液中加入Na2CO3,瞬时动态界面张力和平衡界面张力变化不大,仍在10-2mN/m数量级;与Na2CO3高浓度相比,当Na2CO3浓度为0.5%时,平衡界面张力和瞬时界面张力降低明显,瞬时动态界面张力最低值低至10-3mN/m数量级。分别在浓度为0.05%的CDS-1溶液和0.5%Na2CO3/0.05%CDS-1二元体系中加入不同浓度(浓度在500～2 500 mg/L范围内)的部分水解聚丙烯酰胺聚合物M2500,瞬时动态界面张力和平衡界面张力无明显变化,仍在10-2mN/m数量级。该实验结果为河间油藏表面活性剂复合驱油配方的筛选提供了重要依据。

碱;表面活性剂;聚合物;化学剂相互作用;界面张力特征

复合驱是既可以提高驱油效率又可以提高波及效率的高效三次采油方法,是未来提高采收率技术的发展方向。理论和实践表明,油水界面张力及其特征是影响驱油效率的重要因素。

已有的研究结果表明,复合驱的关键技术条件和指标是油水平衡界面张力必须达到10-3mN/m超低值时[1-3],才可以活化残余油滴而提高驱油效率。事实上,这是在大庆油田特定油层性质、特殊流体条件下的结果。对于任丘油田河间东营油藏来说,由于岩石孔隙结构,油层润湿性以及残余油的形态不同,因而活化残余油的最低界面张力值也不同。在复合驱中,由于化学剂之间的相互作用,不仅影响驱油体系的表观黏度、油层岩石的润湿性,还影响活化残余油的最低界面张力值。如果化学剂相互作用使界面张力降低至活化残余油的最低值,则有利于驱油效率的提高,相反则不利。所以研究化学剂相互作用对油水界面张力特征的影响,对驱油体系的筛选具有重要意义。

1 实验

1.1 实验药品及仪器

碱为Na2CO3;表面活性剂为石油磺酸盐(CDS-1)(有效物含量50%);聚合物为部分水解聚丙烯酰胺M2500(相对分子质量2 500× 104);Na2CO3、CDS-1和M2500的母液都用河间油藏的注入水(矿化度为5 682.6 mg/L)配制,其中Na2CO3母液浓度为5%,CDS-1母液浓度为0.3%,M2500母液浓度为5 000 mg/L;实验用的低浓度溶液全部用采出水(矿化度为5 192.2 mg/L)稀释。实验用油为任丘油田河间油藏实际原油,岩心及薄片为河间东营油藏天然岩心。界面张力由上海中晨数字技术设备有限公司生产的JJ2008旋转滴界面张力仪测定。

1.2 实验方法

实验中首先测定石油磺酸盐CDS-1溶液在不同浓度条件下的油水瞬时动态界面张力和平衡界面张力;然后将Na2CO3加入CDS-1溶液中,测定不同碱浓度条件下的油水瞬时动态界面张力和平衡界面张力,分析Na2CO3/CDS-1相互作用对界面张力特征的影响;将M2500加入浓度为0.05%的CDS-1溶液中,测定不同M2500浓度条件下的油水瞬时动态界面张力和平衡界面张力,分析CDS-1/M2500相互作用对界面张力特征的影响;将M2500加入0.5%Na2CO3/0.05%CDS-1复合体系中,研究不同M2500浓度对油水瞬时界面张力和平衡界面张力的影响,分析三种化学剂相互作用对油水界面张力特征的影响规律。

2 实验结果与讨论

2.1 CDS-1溶液与河间东营原油的界面张力特征

2.1.1 瞬时界面张力

表面活性剂降低油水界面张力是由于表面活性剂分子在油水界面上的吸附。显然,溶液中表面活性剂分子由水相吸附到油水界面处的速度将影响瞬时动态界面张力变化的规律和特征[4]。图1给出了CDS-1浓度对瞬时动态界面张力特征的影响。实验结果表明,当CDS-1浓度为0.3%和0.25%时,界面张力在10 min上升到了2.5×10-2mN/m左右,之后随时间增加变化不明显;当CDS -1浓度为0.15%时,界面张力随时间基本没有变化,保持在4×10-2mN/m左右;当CDS-1浓度为0.1%时,界面张力随时间变化不大,在15 min时降至最低,为1.94×10-2mN/m;当CDS-1浓度为0.03%时和0.025%时,在20 min内界面张力变化复杂,最终在4.4×10-2mN/m左右平衡;当CDS-1浓度为0.05%和0.01%时界面张力随时间的增加而降低直至趋于平衡,其中浓度为0.01%时界面张力在50 min时达到平衡,界面张力从10-1mN/m降低到10-2mN/m。而浓度为0.05%时界面张力在20 min时就可趋于动态平衡,且瞬时界面很低,在2×10-2mN/m左右。结果显示,瞬时动态界面张力由于CDS-1浓度的不同而随时间变化复杂多样。

2.1.2 平衡界面张力

图2给出了CDS-1浓度对平衡界面张力特征的影响。结果表明:在浓度为0～0.01%的范围内,平衡界面张力急速下降,由100mN/m降低至10-2mN/m,下降了两个数量级。CDS-1对界面张力的影响趋势是先随其浓度的增加而降低,当降低到最低值2.1×10-2mN/m时,CDS-1浓度为0.05%;此后界面张力随浓度的增大而增加,但幅度不大,且在10-2mN/m数量级。研究表明CDS-1在低浓度0.01%时分子由水相吸附到油水界面处的速度以及在界面上的排列方式和紧密程度和高浓度差不多,因此油水平衡界面张力变化不大。

图1 石油磺酸盐CDS-1浓度对瞬时界面张力的影响Fig.1 Effect of the sulfonate CDS-1 activity on dynamic IFTs

图2 石油磺酸盐CDS-1浓度对平衡界面张力的影响Fig.2 Effect of the sulfonate CDS-1 activity on equilibrium IFTs

2.2 碱/表面活性剂相互作用对界面张力的影响

2.2.1 Na2CO3浓度对瞬时动态界面张力的影响

图3给出了Na2CO3浓度对0.05%CDS-1溶液瞬时动态界面张力特征的影响。与0.05% CDS-1溶液相比,加入浓度为0.75%的Na2CO3,由于Na+离子的引入使低界面张力窗口偏移,导致界面张力略有增加,但仍在10-2mN/ m数量级;加入1%和1.25%的Na2CO3,界面张力变化不大;而加入0.5%的Na2CO3,界面张力有所降低且瞬时界面张力最低值降到10-3mN/ m超低数量级。

图3 在CDS-1浓度为0.05%时,Na2CO3浓度对瞬时界面张力的影响Fig.3 Effect of the Na2CO3alkality on dynamic IFTs between 0.05%CDS-1 alkali solution and crude oil

2.2.2 Na2CO3对平衡界面张力的影响

图4给出了将不同浓度Na2CO3加入到不同浓度CDS-1的溶液中,平衡界面张力随浓度的变化特征。结果表明,Na2CO3不同浓度对平衡界面张力变化复杂,但变化幅度不大,在10-2mN/ m数量级。其中,0.5%Na2CO3加入0.05%CDS -1溶液中,平衡界面张力降至最低,为1.3× 10-2mN/m。界面张力变化多样的原因是由于原油中含有有机酸,加入碱剂后,生成具有表面活性的石油酸皂,有降低油水界面张力或使原油中的极性有机物质的极性更强,使其活性更强,油水界面张力更低。另外,还由于引入了大量的Na+离子,从而使油水界面张力的变化更加复杂。

图4 Na2CO3浓度和CDS-1浓度对平衡界面张力的影响Fig.4 Effect of the Na2CO3alkality and sulfonate CDS-1 activity on equilibrium IFTs

2.3 聚合物对界面张力的影响

2.3.1 聚合物浓度对瞬时动态界面张力的影响

在复合驱提高采收率中,另一个关键是提高油层波及体积。为此,驱油体系中通常需加入增黏的聚合物。而聚合物的加入,必然影响驱油体系与原油界面张力,进而影响驱油效率。因此,确定表面活性剂和聚合物相互作用对油水界面张力的影响具有重要意义。

图5给出了不同浓度M2500加入0.05%的 CDS-1溶液中对瞬时界面张力特征的影响。结果表明,与浓度为0.05%的CDS-1溶液相比, M2500的加入对油水瞬时动态界面张力值影响不大,但由于CDS-1吸附到油水界面处的速度变慢使得瞬时动态界面张力达到最低值的时间有所增加。例如,0.05%的CDS-1溶液测定的瞬时动态界面张力在20 min后趋于动态平衡,而加入2 000 mg/L的M2500后,界面张力需在35 min后才趋于平衡。

图5 聚合物M2500浓度对0.05%CDS-1/M2500体系瞬时界面张力的影响Fig.5 Effect of the concentration of M2500 on dynamic IFTs between 0.05%CDS-1/M2500 brine and crude oil

图6给出了不同浓度M2500对0.5% Na2CO3/0.05%CDS-1复合体系和原油瞬时界面张力特征的影响。对比图3、图5和图6的结果可见,M2500的加入,没有使0.5%Na2CO3/ 0.05%CDS-1复合配方的油水瞬时动态界面张力有明显的变化。

图6 CDS-1浓度为0.05%以及Na2CO3浓度为0.5%时,聚合物M2500浓度对瞬时界面张力的影响Fig.6 Effect of the concentration of M2500 on dynamic IFTs between ASP and crude oil at 0.05%CDS-1 and 0.5%Na2CO3

2.3.2 聚合物浓度对平衡界面张力的影响

图7给出了M2500浓度在500～2 500 mg/L范围内,聚合物浓度对0.05%CDS-1/M2500二元体系或0.5%Na2CO3/0.05%CDS-1/M2500三元体系界面张力特征的影响。实验结果表明, M2500浓度在500 mg/L内,界面张力随聚合物浓度的增加而增加,但增加幅度不大,仍在10-2mN/m数量级。当M2500浓度高于500 mg/L,界面张力随浓度的增加变化复杂,但均在10-2mN/m数量级。

图7 CDS-1浓度为0.05%时,聚合物对无碱体系和碳酸钠浓度为0.5%时的平衡界面张力的影响Fig.7 The effect of M2500 concentration on equilibrium IFTs at sulfonate CDS-1 0.05%without alkaline or 0.5%Na2CO3

3 结论

在河间地层温度90℃条件下,运用河间矿化度为5 192.2 mg/L采出水和矿化度为5 682.6 mg/L的注入水配制了Na2CO3、表面活性剂CDS -1和聚合物M2500溶液以及AS、SP和ASP溶液,测定了化学剂溶液和河间原油间的界面张力。由实验结果可知:CDS-1在有效浓度0.01%～0.3%低而宽的范围内界面张力可以降低到10-2mN/m数量级。Na2CO3对CDS-1溶液与原油的界面张力影响不大,瞬时动态界面张力最低值降到10-3mN/m数量级。M2500与CDS-1相互作用,界面张力略有增加,但仍在10-2mN/m数量级;将M2500加入Na2CO3/CDS-1的复合配方中,三种化学剂相互作用,对界面张力没有明显的影响。在CDS-1浓度低而宽的范围内, Na2CO3或/和M2500的加入对界面张力值影响不大,仍在10-2mN/m数量级。

[1]卢祥国,戚连庆,牛金刚.低活性剂浓度三元复合体系驱油效果实验研究[J].石油学报,2002,23(5):59-63.

[2]廖广志,杨振宇,刘奕.三元复合驱中超低界面张力影响因素研究[J].大庆石油地质与开发,2001,20(1):40-42.

[3]沈平平,袁士义,邓宝荣,等.非均质油藏化学驱波及效率和驱替效率的作用[J].石油学报,2004,25(5):54-59.

[4]李华斌.三元复合驱新进展及矿场试验[M].北京:科学出版社,2007:59-60.

Influence of alkaline/surfactant/polymer interaction on characteristics of interfacial tension in Hejian reservoir

Tian Xiaolan1,Li Huabin2,Cheng Keyang1,Huang Xiaohui1,Qiao Lin1
(1.Chengdu University of Technology,Chengdu610059;2.State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation(Chengdu University of Technology),Chengdu610059)

The interfacial tension(IFT)characteristics are caused by the interactions among alkaline, surfactant and polymer were investigated in Hejian reservoir(reservoir temperature is 90℃,the total salinity of produced water is 5 192.2 mg/L,the total salinity of flood water is 5 682.6 mg/L,Hejian crude oil).The results demonstrated that the both dynamic and equilibrium IFTs could be lowered to the ultralow magnitude of 10-2mN/m as the active concentration of sulfonate CDS-1 was in the range from 0.01%to 0.3%,Unfortunately,the characteristics were diversity if Na2CO3is dissolved in 0.05%CDS-1 solution.The equilibrium IFTs increase or decrease unobviously with the increase of alkalinity and could be lowered to the ultra-low magnitude of 10-2mN/m.The dynamic IFTs were in the magnitude of 10-3mN/m as alkalinity is 0.5%in the alkali CDS-1 solution.The dynamic and equilibrium IFTs increase or decrease unobviously as well as HPAM M2500 is dissolved in the sulfonate CDS-1 or 0.5%Na2CO3/ 0.05%CDS-1 brine.The results provided the basis of selecting surfactant flooding formula in Hejian reservoir.

alkaline;surfactant;polymer;chemicals interaction;interfacial tension characteristics

book=2,ebook=22

TE357.46

A

10.3969/j.issn.1008-2336.2010.02.077

1008-2336(2010)02-0077-05

2010-03-02;改回日期:2010-04-06

田小兰,1985年生,女,油气田开发工程连读硕士研究生,主要从事化学驱提高采收率技术研究。E-mail:tianxiaolan123@163. com。