表面活性聚合物溶液微观驱油机理研究

石玲 (重庆科技学院石油与天然气工程学院,重庆 401331)

窦景平 (中国石油勘探开发研究院廊坊分院,河北廊坊 065007)

王均,刘佳,张利亚 (重庆科技学院石油与天然气工程学院,重庆 401331)

表面活性聚合物溶液微观驱油机理研究

石玲 (重庆科技学院石油与天然气工程学院,重庆 401331)

窦景平 (中国石油勘探开发研究院廊坊分院,河北廊坊 065007)

王均,刘佳,张利亚 (重庆科技学院石油与天然气工程学院,重庆 401331)

在室内一定条件下应用仿真微观模型进行了表面活性聚合物SLH-Ⅲ溶液驱油试验。在驱油的过程中,由于润湿性的不同,显示出了不同的驱油机理。在亲水模型中,油的流动机理以剪切夹带为主,通过SLH-Ⅲ溶液的增黏性和黏弹性可以提高波及系数和驱油效率,并且SLH-Ⅲ溶液可以降低油水界面张力,使残余油滴易于变形、分散和乳化;在亲油模型中,油的流动机理以桥接、拉丝为主。同时,表面活性聚合物SLH-Ⅲ溶液具有乳化性,乳化后的残余油在储层中的存在状态发生了变化,并且使各种作用力的相互关系发生了变化,使原来不能流动的残余油处于可流动的状态。试验结果表明,经过SLH-Ⅲ溶液驱替后,水驱油形成的残余油减少了,采收率得到了提高。

表面活性聚合物;微观模型;驱油机理

通过应用分子设计理论,以碳氢链为骨架,引入功能单体进行共聚制得了一种支链上含有季铵盐表面活性基团的驱油用聚合物SLH-Ⅲ。笔者利用微观仿真模型进行驱油试验,模拟和研究SLH-Ⅲ进行3次采油的过程,分析其微观驱油机理。

1 试验

1.1 试验模型

试验中采用的驱油模型是一种仿真模型,即是参照天然岩心铸体薄片的孔隙结构,运用光化学刻蚀手段,精密地刻蚀到平面玻璃上制成的微观模型,所以试验模型内部的空间结构模拟了天然油气藏岩石的真实孔隙结构系统,具有相似的空间分布和孔隙形状,而且具备可视性[1],透光度好,可以清楚地观察到孔喉中各种流体的分布,及流体之间的界面现象和相互作用机理。试验所用模型分为2种:亲水和弱亲油模型,尺寸为40mm×40mm,孔隙直径为0.1～100μm。在对角线的2个点分别钻2个小孔洞,这2个小孔洞作为模拟生产井和注水井。微观模型制作成型时为亲水模型,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,可以得到弱亲油模型[2]。

1.2 试验试剂

表面活性聚合物SLH-Ⅲ(分子量为1000×104,实验室自制溶液);模拟地层水(总矿化度为350mg/L,其中(Ca2++Mg2+)为25mg/L);原油(密度0.893g/cm3;黏度22.3mPa·s;蜡质含量28.8%;胶质沥青质含量23.2%;酸值0.21mg KOH/g);配制的模拟油(黏度10 m Pa·s,25℃)。

1.3 试验流程

微观驱替试验装置包括微量驱替泵、样品容器、微观仿真模型、高精度体视显微镜、数码摄像头和内装视频采集软件的计算机等。试验流程如图1所示。

1.4 试验步骤

1)先将微观模型(亲水)抽真空,然后饱和模拟地层水,接着向微观模型中注入原油,驱替地层水,并形成束缚水。

2)向微观模型中注入地层水,驱替原油,模型的出口端不出油时停止驱替。

3)注入表面活性聚合物SLH-Ⅲ溶液驱替残余油,用显微摄影机观察并记录试验中的各种渗流现象和整个驱替过程。

4)分析图像,计算此时驱替条件下的驱油效率[3]。

5)换取亲油微观模型,重复步骤1)～4)。

6)清洗模型,结束试验。

图1 微观驱油示意图

2 表面活性聚合物在亲水摸型中的驱油过程

把表面活性聚合物SLH-Ⅲ注入亲水微观模型内,进行驱油的试验研究。图2为SLH-Ⅲ溶液刚开始入孔的图像。图中箭头所指方向即为SLH-Ⅲ溶液流动方向,可以看到,SLH-Ⅲ溶液贴着孔隙壁表面流动,先进入到渗透性比较好的大孔隙中,然后再进入到渗透性比较差的小孔隙中,这种现象称为“爬行机理”[4]。当残余油随着SLH-Ⅲ溶液的携带进入较狭窄的喉道时,残余油先伸长形成长丝状通过喉道,然后通过喉道的长丝状残余油前端被乳化成一颗颗细小的油珠(见图3)。同时,观察到残余油界面被软化,使油滴的变形能力加强,可以顺利通过窄小的喉道,这样在通过喉道时即有小油珠,也有变形的大油珠(见图4)。并且,在渗流过程中,原本黏附在固体颗粒壁上的油被SLH-Ⅲ溶液夹带流动(见图5)。图中箭头所指为被拉长的残余油,油被拉长后又会断裂形成油珠(见图6)。这种夹带-乳化渗流的方式一直进行到全部的残余油脱离孔壁为止。

图2 表面活性聚合物SLH-Ⅲ进入孔隙

图3 残余油在喉道中形成长丝和乳化

图4 通过喉道的残余油

图5 孔道表面上的油被夹带渗流的过程

图6 孔道表面上的油被乳化的过程

3 表面活性聚合物在亲油模型中的驱油过程

从表面活性聚合物SLH-Ⅲ溶液在弱亲油模型内的驱油过程可以看到,SLH-Ⅲ溶液沿孔道的中轴部位运动,而油则沿孔道壁流动(见图7),箭头所指方向为SLH-Ⅲ溶液流动方向。当SLH-Ⅲ溶液继续进入孔隙中,在水驱过程中驱不动的残余油随着SLH-Ⅲ溶液的流动也开始参与流动,这些残余油顺着孔隙壁流向下游,并在岩石颗粒下端聚集形成油膜,油膜越集越厚,随着SLH-Ⅲ溶液的流动,岩石颗粒下端的油膜逐渐搭到下一个岩石颗粒的上端,像一座桥一样连接2个岩石颗粒,这是一种桥接现象[5-6](见图8)。

通过桥接作用,使得上游的残余油逐步被运移到下游,最终提高了采收率。在油水流动的方向,岩石颗粒下游聚集的油膜除了形成液桥,还会拉出很长的细丝(见图9)。油丝前端会被SLH-Ⅲ溶液剪切形成小油滴并随着表面活性聚合物溶液的流动被夹带流走。同时,部分油膜还被乳化成一颗颗的小油珠(见图10)。乳化形成的小油珠有的聚并到下游岩石颗粒的油膜上,随着液桥继续流动,有的随着SLH-Ⅲ溶液流走。在微观驱油进行到一定阶段后,岩石颗粒上的残余油基本不参与流动,但还会存在乳化现象。

图7 亲油模型SLH-Ⅲ进入孔隙

图8 油膜桥接现象

图9 残余油被拉成长丝

图10 乳化现象

4 表面活性聚合物驱油后微观模型中的残余油分布

图11 亲水模型SLH-Ⅲ驱后残余油分布

图12 亲油模型SLH-Ⅲ驱后残余油分布

在亲水模型中,SLH-Ⅲ溶液驱油后残余油饱和度降低,在表面活性聚合物驱油前分布在孔隙和喉道中的大部分残余油有的随着SLH-Ⅲ溶液的流动被剪切夹带流走,有的先被乳化成小油珠,继而被溶液SLH-Ⅲ溶液夹带流走,只留下一些驱不动的小油珠,在盲端和不连通的孔道中还留有剩余油。水驱油后剩余油的分布形式主要以条带状[7]、网状的形式为主,SLH-Ⅲ溶液驱油后残余油的形态主要以小油珠为主(见图11),还有一些油丝、油柱分布于孔隙的交汇口、H形喉道中或被小孔隙包围的较大孔隙内,同时存在盲端的小油块以及孔道壁上的油膜。

亲油模型中,SLH-Ⅲ溶液驱油后,孔道中原来分布的大块残余油大部分都被驱走,仅剩一些很薄的油膜和细小的油珠(见图12)。

小油珠主要分布于喉道的交汇口处,油膜则附着在岩石颗粒表面,除此之外,H形喉道中的残余油也比较多,但是盲端残余油的变化不是很大。

5 表面活性聚合物驱油机理

在亲水模型中,表面活性聚合物SLH-Ⅲ溶液的驱油机理首先是SLH-Ⅲ溶液具有黏弹性,通过推拉的作用使水驱后的残余油开始流动,增强了溶液对残余油的携带能力,SLH-Ⅲ溶液的黏弹性不同程度的降低各类残余油量,即减少了微观模型中的残余油饱和度,提高了驱油效率;其次SLH-Ⅲ溶液具有增黏性,通过使油水界面黏度增加,降低了油水流度比,从而提高了波及系数;然后,表面活性聚合物SLH-Ⅲ溶液还可以降低油水界面张力,使残余油易于变形,并乳化成小油珠,也就是使大块残余油分散成易于流动小油珠,使原来水驱后残余残留在微观模型中的油随同SLH-Ⅲ溶液的流动而流动。

在亲油模型中,残余油顺着颗粒表面流动。由于表面活性聚合物SLH-Ⅲ溶液具有黏弹性和增黏性,所以其法向应力和与原油界面上的剪切应力的增加,使得驱油过程中会产生油膜桥接,同时会使部分颗粒下端伸出来的油膜还没来得及形成桥接就被拉成细丝,有利于油通过喉道向前运移,其机理与普通聚合物一样。通过这种桥接及拉丝使残余油逐渐被运移到下游并富集,最终被开采出来。同时,表面活性聚合物SLH-Ⅲ溶液具有乳化性。在微观驱油试验研究过程中,产生了乳化现象,残余油被乳化成小油珠,易于被SLH-Ⅲ溶液夹带流走,同时乳化改变了驱动力、附着力、毛管力等力的相互关系,使水驱油后不能流动的残余油可以随着表面活性聚合物SLH-Ⅲ溶液的流动而采出。

表1为表面活性聚合物SLH-Ⅲ溶液微观模型驱油试验的结果,可见经过SLH-Ⅲ溶液驱替后,驱油效率得到了提高。

表1 表面活性聚合物SLH-Ⅲ溶液微观模型驱油试验的结果

6 结论

1)微观驱油试验结果表明,水驱油后进行表面活性聚合物SLH-Ⅲ溶液驱油,不论是在亲水模型还是在亲油模型中,均可减少水驱残余油。通过试验发现,表面活性聚合物SLH-Ⅲ溶液提高驱油效率的机理既有别于表面活性剂,也不同于聚合物。

2)通过溶液的增黏性和黏弹性可以提高波及系数和驱油效率,减少水驱残余油饱和度,说明SLH-Ⅲ溶液具有一般聚合物的特性。

3)SLH-Ⅲ溶液还可以降低油水界面张力,使油膜、油丝等乳化成易于流动的小油珠,使原本水驱后采不出来的油可随SLH-Ⅲ溶液的驱动开采出来,从而有利于原油采收率的提高。

[1]冯庆贤,邰庐山,腾克孟,等.应用微观透明模型研究微生物驱油机理[J].油田化学,2001,18(3):260-263.

[2]黄延章,于大森.微观渗流试验力学及其应用[M].北京:石油工业出版社,2001.

[3]王凤琴,曲志浩,孔令荣.利用微观模型研究乳状液驱油机理[J].石油勘探与开发,2006,33(2):222.

[4]贾忠伟,杨清彦,兰玉波,等.水驱油微观物理模拟试验研究[J].大庆石油地质与开发,2002,21(1):46-49.

[5]夏惠芬,王德民,刘中春.黏弹性聚合物溶液提高微观驱油效率的机理研究[J].石油学报,2001,22(4):60-65.

[6]王德民,程杰成,杨清彦.黏弹性聚合物溶液能提高岩心的微观驱油效率[J].石油学报,2002,23(5):48-52.

[7]王克文,孙建孟,关继腾,等.聚合物驱后微观剩余油分布的网络模型模拟[J].中国石油大学学报(自然科学版),2006, 30(1):72-76.

[编辑] 辛长静

TE357

A

1673-1409(2014)16- 0086- 04

2013- 10-20

国家科技重大专项(2011ZX05013-006)。

石玲(1982-),女,助理实验师,现主要从事油气田开发方面的研究工作。