CO2乳液的界面特性对其渗流特征的影响

李兆敏, 刘己全, 李松岩, 王 鹏, 卢培华, 陈庆国

(1.中国石油大学石油工程学院,山东青岛 266580; 2.中国石油塔里木油田分公司油气工程研究院,新疆库尔勒 841000)

CO2乳液的界面特性对其渗流特征的影响

李兆敏1, 刘己全2, 李松岩1, 王 鹏2, 卢培华2, 陈庆国2

(1.中国石油大学石油工程学院,山东青岛 266580; 2.中国石油塔里木油田分公司油气工程研究院,新疆库尔勒 841000)

CO2乳液在驱油过程中能够有效控制CO2流度,大幅改善CO2驱油效果,提高采收率。选择AOT作为CO2乳液用表面活性剂,通过TRACKER-H界面流变仪测定AOT水溶液与CO2体系在不同温度压力条件下的界面特性,通过岩心实验测定不同温度压力条件下CO2乳液的封堵和调剖分流效果。结果表明:随着压力的增大,CO2乳液界面张力随之降低,界面黏弹性随之增大;随着温度的增加,CO2乳液界面张力增加,界面黏弹性降低;温度越高越不利于乳液的封堵,压力越高越有利于乳液的封堵,这与体系界面特性研究所得的结果相对应,说明CO2乳液的封堵效果与其界面特性有关;温度和压力通过影响CO2乳液的界面特性从而影响其渗流特征,CO2乳液的强度越高、体系界面张力越低、界面黏弹性越好,其分流效果也会越明显。

CO2乳液; 界面特性; 岩心封堵; 调剖分流

在油藏条件下,CO2一般处于超临界状态(31.26 ℃,7.38 MPa以上),超临界CO2密度接近液体,与水溶液形成的分散体系称为乳液更为合适,驱油过程中将超临界CO2和表面活性剂水溶液形成超临界CO2乳液是控制CO2流度的有效方法[1-6],能够大幅改善CO2驱油效果[8-9]。在超临界CO2乳液驱替过程中,CO2乳液的界面特性会直接影响其稳定性,从而影响CO2乳液在驱替过程中的封堵效果[7-10]。目前,对CO2乳液的研究主要集中在反相微乳萃取分离、酶催化和纳米材料制备等方面[11-13]。笔者通过实验研究不同温度、压力条件下CO2乳液界面特性及其封堵效果。

1 实 验

1.1 实验材料与仪器

主要实验材料:选用2-(2-乙基己基)-磺酸琥珀酸钠(AOT)为表面活性剂;实验用CO2纯度为99.9%;实验用水为蒸馏水;实验岩心为填砂管模型,规格参数:600 mm×Φ25 mm。表1、2所给出的回压值即为岩心中流体所处的最低压力,只有高于该回压值,流体才可以流动。

表1 单岩心实验参数Table 1 Parameters of single core displace experiment

表2 并联岩心实验参数

主要实验仪器:TRACKER-H型界面流变仪(法国TECLIS公司),温度和压力上限分别为150 ℃和25 MPa。

1.2 实验方法

1.2.1 CO2乳液界面性能实验

利用TRACKER-H型界面流变仪测量不同温度、压力条件下CO2与表面活性剂水溶液的界面扩张模量(ε),温度为25～70 ℃,压力为2～12 MPa。

图1 界面张力实验装置流程Fig.1 Workflow of interfacial viscoelasticity experiment

实验流程如图1所示。实验步骤:①清洗注射器和高温高压容器;②测试高温高压系统密封性;③将装满表面活性剂水溶液的注射器安装在高温高压容器中,调节好可视窗位置,并用CO2气体排空高温高压容器中的空气;④将预先加压的CO2气体注入到高温高压容器中并加温2 h,待温度压力稳定后,驱动马达,在注射器针尖上形成一个悬滴;⑤采用测量软件对液滴与CO2界面扩张模量进行测量;⑥每个条件下液滴的界面扩张模量均测量3次,保证实验有较好的重复性;⑦导出数据并进行分析。

1.2.2 CO2乳液岩心封堵实验

实验步骤:①利用不同目数的石英砂填制渗透率约为400×10-3μm2的填砂管模型,初测气测渗透率,满足要求后测定水测渗透率,测定渗透率为(350～450)×10-3μm2时合格,可进行下一步实验,称取岩心管干重M0;②利用真空泵对填砂管抽真空3 h,饱和水后称取岩心管湿重M1,则孔隙体积V=(M1-M0)/ρW;③按照图2所示流程图连接实验装置,并依据实验方案设定恒温箱温度,恒温4 h;④依据实验方案设定回压,水驱时速度设定为1.5 mL/min,CO2乳液驱时表面活性剂水溶液及CO2注入速度分别设定为0.5 和1 mL/min,即设定气液比为2∶1;⑤实验过程中记录注入端压力变化;⑥并联岩心驱替实验与单岩心驱替实验类似,总流量设定为5 mL/min。

图2 并联岩心驱替实验装置流程Fig.2 Flow chart of parallel cores displacement experiment

2 实验结果分析

2.1 体系界面流变性

2.1.1 CO2乳液体系界面张力实验

表面活性剂水溶液的密度与纯水体系相近,其密度根据饱和水蒸气温度-压力-密度-热力学参数对照表确定,CO2密度与压力温度的关系见图3。

图3 不同温度下CO2压力随温度的变化Fig.3 Changes of pressure of CO2 with its density under different temperatures

表面活性剂水溶液液滴在CO2中的形状随温度变化较小,随压力变化关系见图4。

图4 液滴形状随压力的变化Fig.4 Droplet shape with pressure

悬滴法测定液体的表面和界面张力原理见图5。其中，de为悬滴最大直径；d10为离顶点距离为de处悬滴截面直径。

(1)

式中,b为悬滴底端(轴x)的曲率半径;R为悬滴轮廓上一点p(x,z)在纸平面上的主曲率半径;φ为轮廓线上p(x,z)点处的切线与x轴的夹角;β为体系的Bond number,称为液滴的形状因子,因为它的值直接决定了液滴的形状。

(2)

γ=Δρgα2.

(3)

式中,Δρ为液滴相与周围相之间的密度差;g为重力加速度;γ为表面/界面张力;α为体系的毛细管常数。

一个悬滴在达到静力(界面张力对重力)平衡时,其轮廓可通过悬滴底端的曲率半径b和液滴的形状因子β来确定。TRACKER-H型界面流变仪就是利用该原理对图像进行计算处理得出界面相关参数。

(1)压力对界面张力的影响。压力对界面张力的影响见图6。可以看出,CO2-AOT体系的界面张力随着压力的升高逐渐降低,约在8 MPa时体系界面张力开始达到最低,之后压力继续升高,体系界面张力趋于稳定。原因在于压力的升高会导致CO2-AOT两相的密度差减小,有利于体系界面张力的降低;同时高压使得AOT在CO2中的溶解度增加,使得CO2在两相界面上吸引更多的表面活性剂分子,有利于表面活性剂降低界面张力。当压力增加到8 MPa时,此时压力继续增加,两相的密度差和CO2的溶解度系数均增加缓慢,导致界面张力趋于稳定[1]。

图5 悬点法测定界面张力示意图Fig.5 Hanging point method

图6 不同温度下压力对平衡界面张力的影响Fig.6 Effect of pressure on IFT under different temperatures

(2)温度对界面张力的影响。温度对界面张力的影响见图6。可以看出,当体系压力一定,体系界面张力随着温度的升高而增大,说明温度的升高不利于体系界面张力的降低。原因在于CO2乳液是热力学不稳定体系,随着温度的升高,CO2本身的溶解度系数和密度均有所降低,分子热运动的加剧也不利于界面上AOT分子的吸附,导致界面处的AOT分子数目降低,最终导致体系界面张力升高[1-2]。

2.1.2 CO2乳液体系界面黏弹性实验

乳液的稳定性很大程度上取决于界面膜的性质,而界面黏弹性是表征界面膜机械强度的重要参数,通常用界面扩张模量(ε)表征界面黏弹性的强弱,定义为界面张力变化与相对界面面积变化的比值,即

ε=dγ/dlnA.

(4)

式中,γ为界面张力;A为界面面积。

(1)压力对界面黏弹性的影响。压力对CO2-AOT水溶液体系扩张模量的影响见图7。界面的扩张模量与实验的振荡频率有关,实验选取0.1 Hz为振荡频率,振荡频率在实验过程中保持不变,排出振荡频率的影响。可以看出,CO2-AOT水溶液体系扩张模量随着压力的增加而增大,当压力升高至8 MPa后体系的扩张模量趋于稳定。这是因为压力的增加会导致CO2-AOT界面处的黏度增加,流体变稠,界面面积的变化需要更大的力;同时压力升高导致CO2的密度增加,范德华力增加,对界面处的AOT分子有更大的吸引力,使得AOT分子在界面处更紧密的排列,使得界面黏弹性大大增加,但是压力升高至8 MPa后,压力的升高使流体变稠的能力减弱,扩张模量趋于稳定[2,4]。

图7 不同温度下扩张模量随压力的变化关系Fig.7 Relationship of expansion modulus and pressure under different temperatures

(2)温度对界面黏弹性的影响。从图7也可得出温度对CO2-AOT水溶液体系扩张模量的影响规律。CO2-AOT水溶液体系的扩张模量随着温度的升高逐渐降低,说明升高温度对体系界面黏弹性具有不利影响。其机制在于温度升高使得CO2对界面处AOT分子的吸引力减弱,不利于AOT分子在界面处的排列,也不利于AOT分子在界面处的吸附,从而导致界面扩张模量降低,界面膜的强度下降[4]。

2.2 CO2乳液岩心封堵实验结果

2.2.1 CO2乳液单岩心封堵实验结果

(1)温度的影响。AOT水溶液可以与CO2形成稳定的CO2乳液,在室内条件下完成了实验1#～4#(表1),实验结果如图8所示。由图8可知,温度对AOT稳定的CO2乳液有一定的影响,随着温度的增加,驱替压差降低,乳液驱替过程中的阻力因子有所降低,残余阻力因子也随之降低。尤其当温度由20 ℃升高至80 ℃时,CO2乳液驱替过程中的阻力因子由154降至124,降低幅度为19.5%;残余阻力因子由91降至40,降低幅度为55.1%。这是因为CO2乳液在岩心中停留过程中会向地层内流体扩散,AOT也会被地层流体稀释,导致残余阻力因子相对于阻力因子下降。之所以残余阻力因子的降低幅度大于阻力因子,这是由于高温下的CO2乳液界面黏弹性较低,相对于低温下的CO2乳液更容易扩散,不利于CO2乳液的存在及稳定。

由图8可知,温度不仅影响CO2乳液的封堵压差,也对最高压差的出现时刻有所影响。主要因为低温下的CO2乳液密度更高,相同气液比情况下CO2乳液内含的CO2量更多,向储层内流体的扩散效果更弱,同时有更高的界面黏弹性和更大的机械强度,在岩心驱替过程中可以更好地封堵地层,乳液也更早实现高强度封堵[6-10]。

图8 1#～4#实验组结果Fig.8 Experimental results for 1#～4#

(2)压力的影响。通过AOT与CO2的界面特性的研究发现,压力是影响CO2乳液界面黏弹性的重要因素。因此进行了实验5#～10#,研究在岩心驱替过程中不同压力条件下CO2乳液的封堵能力,实验结果如图9所示。

图9 5#～10#实验组结果Fig.9 Experimental results for 5#～10#

从图9可以看出,随着压力的升高,阻力因子和残余阻力因子均逐渐增强,说明形成的乳液性质大幅提高,之后随压力的升高增幅变小。这是由于随着压力的升高,CO2乳液界面黏弹性增加,乳液稳定性增强,乳液的强度及抗冲刷能力提高,且CO2密度也随着压力的升高而增大,因此乳液的表观黏度增加较为明显,从而提高了乳液的封堵能力。

从图9可以看出,压力由4 MPa升至8 MPa过程中,阻力因子有大幅增加,此过程中CO2由非超临界状态转变为超临界状态,结合CO2乳液界面黏弹性分析,说明高压有利于CO2乳液的封堵,超临界CO2乳液的封堵效果优于非超临界CO2乳液,压力的升高使岩心封堵过程中的最高压差提前出现[3,5-6]。

2.2.2 CO2乳液双岩心调剖封堵实验结果

为进一步研究温度及压力对乳液体系并联岩心封堵性能的影响,分别进行了4组实验(表2)。

相比于高渗岩心,低渗岩心中由于毛管力较大,使得CO2乳液液滴与液膜之间的压差大,导致CO2乳液易发生破裂而形成气窜,减弱了CO2乳液的封堵性能,从而降低了流动阻力,同时乳液更倾向于进入高渗岩心,在岩心渗流过程中叠加的贾敏效应会使高渗岩心的渗流阻力不断增加,直至大于低渗岩心的渗流阻力,依据这一机制CO2乳液能够实现分流作用。

CO2乳液的强度越高、界面黏弹性越好,其分流效果也会越明显。从图10(a)可以看出,在注入CO2乳液过程中,高渗岩心出口端产液量逐渐降低,低渗岩心出口端产液量逐渐增加,但是增加幅度很小,低渗最高分流量约为1.3 mL/min,这说明该实验条件下CO2乳液能够起到一定的分流作用,但是分流效果较差。对比图10(a)、(b)、(c),相同温度下,随着压力的升高,CO2乳液的调剖分流效果越来越明显,低渗岩心的分流量从1.3 mL/min升至2.3 mL/min,说明压力的升高有利于CO2乳液的调剖分流,可应用于深井和超深井等高压条件的CO2乳液调剖分流。

对比图10(c)、(d),当温度为20 ℃时,高渗岩心与低渗岩心出口端产液量基本持平;温度升高至60 ℃后,低渗岩心的分流量从2.5 mL/min降至2.2 mL/min,说明温度也是影响CO2乳液调剖分流效果的主要因素,应用CO2乳液的调剖分流时应考虑不同井深的温度场对CO2乳液稳定性和有效期的影响[10-13]。

图10 并联岩心实验组结果Fig.10 Experimental results for parallel sandpacks displacement

3 结 论

(1)随着压力的增大,CO2-AOT体系的界面张力降低,扩张模量和界面黏弹性增大,液膜强度增大,压力增大到一定程度时,体系的界面张力降低的幅度和扩张模量增加速率变缓;随着温度的升高,体系的界面张力增加,扩张模量和界面黏弹性降低,液膜强度减小。

(2)温度对AOT稳定的CO2乳液有一定的影响,随着温度的增加,驱替压差降低,乳液驱替过程中的阻力因子有所降低,残余阻力因子也随之降低;低温下的CO2乳液向储层内流体的扩散效果更弱,拥有更高的界面黏弹性和更大的机械强度,在岩心驱替过程中可以更好地封堵地层,也更早实现高强度封堵。

(3)随着压力的升高,阻力因子和残余阻力因子均逐渐增加,在压力由4 MPa升至8 MPa过程中,阻力因子大幅增加,压力的升高使岩心封堵过程中的最高压差提前出现。

(4)高压低温条件下CO2乳液的界面张力低、强度高、界面黏弹性好,其分流调剖效果也越明显。温度和压力均影响CO2乳液调剖分流效果。

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(编辑 刘为清)

InfluenceofCO2emulsioninterfacialcharacterizationonporousflow

LI Zhaomin1, LIU Jiquan2, LI Songyan1, WANG Peng2, LU Peihua2, CHEN Qingguo2

(1.SchoolofPetroleumEngineeringinChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580,China; 2.ResearchInstituteofOilandGasEngineering,TarimOilfieldCompany,Korla841000,China)

In the process of oil displacement, CO2emulsion can effectively control the mobility of CO2which significantly improves the CO2flooding effect and EOR. The AOT was selected as surfactants for CO2emulsion. And the interfacial property of AOT aqueous solution and CO2was characterized through TRACKER-H interfacial rheometer at different temperatures and pressures. Then the CO2emulsion plugging and profile control shunt effect were evaluated through the core plugging experiment under different temperatures and pressures. It is found that with the increase of pressure, the interfacial tension of CO2emulsion decreases, while the interfacial viscoelasticity increases. And with the increase of temperature, the interfacial tension of CO2emulsion increases, but the interfacial viscoelasticity decreases. It is also concluded that the high temperature is unfavorable to the emulsion plugging, while the high pressure is favorable to the emulsion plugging, which corresponds to the interfacial viscoelasticity, indicating CO2emulsion plugging effect is related to its interfacial viscoelasticity. The results show that the temperature and pressure can affect the porous flow of CO2emulsion via influencing its interfacial properties. Higher the strength of the CO2emulsion, lower interfacial tension and better viscoelasticity can lead to signficant shunt effect.

CO2emulsion; interfacial characterization; core plugging; profile shunt

2016-12-22

国家自然科学基金项目(51304229)；教育部博士点基金项目(20120133110008)；中央高校基本科研业务费专项(14CX02043A，14CX02185A)

李兆敏(1965-)，男，教授，博士，博士生导师，研究方向为泡沫流体及稠油开采。E-mail: lizhm@upc.edu.cn。

1673-5005(2017)05-0110-07

10.3969/j.issn.1673-5005.2017.05.013

TE 357.46

A

李兆敏,刘己全,李松岩,等.CO2乳液的界面特性对其渗流特征的影响[J].中国石油大学学报(自然科学版),2017,41(5):110-116.

LI Zhaomin, LIU Jiquan, LI Songyan, et al. Influence of CO2emulsion interfacial characterization on porous flow[J].Journal of China University of Petroleum (Edition of Natural Science),2017,41(5):110-116.