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稠油碱驱中液滴流提高采收率机理

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稠油碱驱中液 滴流 提高 收率 机理
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 第 33卷第 4期2012年 7月石 油 学 报ACTA PETROLEI SINICAVol.33JulyNo.42012基金项目 :国家自然科学基金项目 (No.51104170)、霍英东教育基金会资助项目 (114016)、山东省泰山学者建设工程项目 (TS0070704)、中央高校基本科研业务费专项资金 (12CX06024A)和中国石油大学 (华东 )优秀博士学位论文培育计划项目 (LW110203A)资助 。第一作者 :裴海华 ,男 ,1984年 8月生 ,2007年毕业于中国石油大学 (华东 ),现为中国石油大学 (华东 )博士研究生 ,主要从事油气田开发与提高原油采收率方面的研究 。Email:peihaihua2008@126.com通讯作者 :张贵才 ,男 ,1966年 3月生 ,1988年毕业于石油大学 (华东 ),现为中国石油大学 (华东 )教授 、博士生导师 ,主要从事油田化学与提高原油采收率的教学和科研工作 。Email:13706368080@vip.163.com文章编号 :0253-2697(2012)04-0663-07稠油碱驱中液滴流提高采收率机理裴海华张贵才葛际江蒋平(中国石油大学石油工程学院山东青岛266580)摘要 :利用微观可视化实验和岩心驱替实验 ,研究了碱驱提高稠油采收率的驱油机理 。微观实验结果表明 ,在稠油碱驱过程中 ,碱液能够渗入原油中 ,形成外面包含一层油膜的 “水柱 ”和 “小水滴 ”,出现液滴流现象 。依靠液滴流的高黏度和产生的贾敏效应 ,可以有效抑制驱替液的指进 ,从而增大了波及系数 ,且随着碱浓度的上升 ,液滴流现象越明显 ,波及系数就越大 。岩心驱替实验结果表明 ,随着碱浓度增加 ,采收率增值和压力降均上升 ,这与微观实验得出波及系数随碱浓度的上升而增大规律相吻合 。因此 ,碱驱液滴流增大波及系数是提高稠油采收率的主要作用机理 。关键词 :稠油 ;碱驱 ;液滴流 ;波及系数 ;采收率中图分类号 :TE357.4    文献标识码 :AMechanism of“droplet flow”in alkaline flooding for enhancing heavy-oil recoveryPEI Haihua ZHANG Guicai GE Jijiang JIANG Ping(College ofPetroleum Engineering,China UniversityofPetroleum,Qingdao 266580,China)Abstract:The displacement mechanism of alkaline flooding to enhance the heavy-oil recovery was studied by the microscopic visualiza-tion test and core flooding test.The micromodel test indicated that during alkaline flooding of heavy oil,the alkaline solution couldpenetrate into crude oil and subsequently form a“water column”or“water droplet”coated with oil film,giving a“droplet flow”.Through the high viscosity of“droplet flow”and the Jamin effect produced thereafter,the fingering of displacement fluid could besignificantly inhibited so as to increase the sweep efficiency.With increasing the alkaline concentration,the more frequently the“droplet flow”phenomenon occurs,the greater the sweep efficiency is.The core flooding result showed that both the oil recoveryand the pressure drop of alkaline flooding increased with increasing the alkaline concentration,this is consistent with the rule ob-tained from the micromodel test that the sweep efficiency increases with increasing the alkaline concentration.Therefore,the incre-ment of the sweep efficiency due to the“droplet flow”in alkaline flooding is the main mechanism to enhance the heavy-oil recovery.Keywords:heavy oil;alkaline flooding;droplet flow;sweep efficiency;oil recovery中国稠油资源丰富 ,其中采用注水开发动用的普通稠油储量占稠油总储量的30.1%[1-2],但注水开发普通稠油油藏的采收率比常规油田至少低10%[3-4]。因此 ,如何进一步提高采收率是这类稠油油藏开发中亟待解决的技术难题 。目前有两个接替技术 ,一个是转热采 ,该方法对于油层太薄 、埋藏太深或存在边底水油藏不适应[5-6];另一个是化学驱 。早在1942年 ,Sub-know[7]提出了用乳化剂开采重油或沥青的方法 ,此后 ,化学驱成为稠油油藏提高采收率重点研究的技术之一[8-10]。低界面张力是作为选择驱油体系的重要指标 。Dong和Liu等人[11-13]虽以较强乳化能力和降低油水界面张力为指标构建出复合碱和低浓度表面活性剂为主要成分的驱油体系 ,但直接使用该驱油体系效果并不理想 ;而使用单纯的碱体系 ,即使对于黏度达到2 000 mPa·s的稠油 ,碱驱都取得了较好的提高采收率效果[14-16]。这是聚合物通过降低水油流度比很难实现的一个结果 。笔者通过微观可视化实验和岩心驱替实验来探明碱驱提高稠油采收率的作用机理 ,为稠油化学驱中高效驱油体系的构建提供指导 。1 实验1.1 仪器和药品仪器包括Texa-500旋转滴界面张力仪 ,WZS-1型阿贝折光仪 ,石油密度计 ,微观可视化实验装置 (微664  石   油   学   报 2012年  第 33卷  量泵 ,显微镜以及图像采集软件 ),岩心驱替实验装置(岩心夹持器 ,中间容器以及恒温箱 )等 。药品包括NaOH、Na2CO3和NaCl。实验用油取自胜利油田桩西106区块的脱气脱水原油 ,在55℃下黏度为325 mPa·s,密度为930.2 kg/m3,酸值为0.80mgKOH/g,胶 质 和 沥 青 质 含 量 分 别 为19.7%和0.835%。所有实验均使用0.5%NaCl盐水来模拟桩西106区块地层水 。1.2 实验方法1.2.1 界面张力的测定利用Texas-500旋转滴界面张力仪测量55℃下桩西原油与不同质量分数的碱溶液的界面张力 。测定时首先用石油密度计测量原油与碱溶液的密度 ,用WZS-1型阿贝折光仪测量碱溶液的折光率 ,然后通过界面张力仪测量油珠在碱溶液中的拉伸长度及直径 ,并利用自主开发的软件进行图像采集和分析 ,从而计算出油水界面张力 。根据Texa-500界面张力仪的使用说明 ,当油柱长度大于其直径4倍时 ,界面张力的计算公式为σ=1.233 6Δρ(D/n)3ω2(1)当油柱长度小于其直径4倍时 ,界面张力的计算公式为σ=1.233 6Δρ(D/n)3 f(L/D)ω2(2)式中 :σ为油水界面张力 ,10-3 N/m;Δρ为油水密度差 ,g/cm3;D为油柱直径 ,10-4 m;L为油柱长度 ,10-4m;ω为转速 ,r/min;n为水相折光率 ;f(L/D)为校正因子 ,可查表得到 。1.2.2 微观可视化实验微观可视化实验装置及流程见图1。微观实验所用设备主要包括微观玻璃刻蚀模型 (外观尺寸为60mm×60 mm、孔道直径为50~800μm)、数字显微摄像系统 、微量注入泵等 。微观实验中所用的玻璃模型为亲水模型 ,实验前首先用石油醚 、乙醇 、蒸馏水清洗玻璃模型 ,然后按以下步骤进行微观驱油实验 :①将清洗干净的微观模型抽真空后 ,饱和模拟地层水 ;②55℃条件下在模型中饱和原油 ,并于此温度条件下静置老化24h;③以0.003mL/min的驱替速度向模型中注入驱替水相 ,采集实验过程图像 ;④分析驱替图像 ,计算采收率 ;⑤改变实验方案 ,重复步骤①—④。图 1微观驱油实验装置Fig.1 Schematic of microscopic oil displacement experimental apparatus1.2.3 岩心驱替实验为了验证微观可视化实验中发现的驱油机理 ,进一步开展了稠油碱驱岩心物理模拟实验 。所有的岩心驱替实验都采用人造亲水岩心 ,长度为12~14cm,直径为2.5 cm。实验步骤如下 :①岩心室温下饱和水后 ,测定渗透率 ,计算孔隙体积 ;②55℃条件下用模拟地层水顶替岩心2.0PV后饱和油 ,计算原始含油饱和度 ;③用模拟地层水驱替岩心至产出液含水率达到98%;④注入0.5 PV的碱液段塞 ,最后继续水驱一直到出口端产出液含水率达到98%后结束实验 ;⑤计算整个驱替过程中的原油采收率 ,含水率 。在驱替实验中除特殊说明外 ,注入速度均为0.1 mL/min。2 结果与讨论2.1 稠油碱驱中液滴流现象及驱油机理2.1.1 碱 /原油的动态界面张力选择NaOH与Na2CO3以质量比为1∶1构成的复合碱体系作为桩西稠油碱驱配方 。图2为55℃下不同质量分数复合碱溶液与桩西稠油的动态界面张力曲线 。由图2可知 ,当复合碱质量分数为0.1%和0.2%时 ,碱水 /原油的界面张力表现出明显的动态行为 ,且油水界面张力平衡值较高 (大于1.0×10-3 N/m); 第 4期 裴海华等 :稠油碱驱中液滴流提高采收率机理 665当复合碱质量分数大于0.2%以后 ,碱水 /原油的界面张力基本没有动态行为 ,一直处于稳定状态 。随着复合碱浓度的增大 ,油水界面张力平衡值先减小后增大 ,当 其 浓 度 为0.4%时 ,达 到 最 小 值0.04×10-3 N/m,然后随着浓度继续增大界面张力值基本保持不变 。图 2不同浓度下复合碱与稠油的动态界面张力曲线Fig.2 Dynamic interfacial tension between heavyoil andcompound alkali with different concentration2.1.2 稠油水驱微观驱替实验为了研究稠油碱驱的微观驱油机理 ,首先对稠油水驱进行微观物理模拟研究 ,探明稠油水驱后剩余油的分布状况 。笔者采用0.5%的NaCl模拟盐水进行稠油水驱微观可视化驱油实验 。图3显示的是孔隙尺度下稠油水驱在不同时刻时油水分布的微观图像 。通过小油滴形状变为球形及通过接触角的直接观察 ,可以判断该模型的润湿性为强水湿性的 。由于多孔介质为亲水性 ,可以观察到注入水大部分沿着孔隙壁面上的水膜层流动 ,即出现注入水沿着孔隙壁面窜进的现象 [图3(a)]。当水膜层没有连通而提供水能通过水膜层流动的条件时 ,孔隙中就会出现活塞式驱替方式 ,即注入水沿着孔道中心突入 [图3(b)]。由图3(c)显示 ,注入水沿模型对角线方向指进明显 ,当模型出口开始见水 (注入水发生突破 )时 ,模型中沿对角线方向形成明显水流通道 [图3(d)]。此后虽然注入大量的水 ,模型中仍有大量未波及的剩余油 [图3(e)]。这是由于稠油黏度较大 ,水油流度比较高 ,使得稠油水驱时发生明显的指进现象 ,突破后便形成水流大通道 ,导致大量的稠油未波及到 [图3(f)]。图 3稠油水驱在不同时刻的微观图像Fig.3 Microscopic images of waterfloodingat different stages图4为稠油水驱后的剩余油分布状态 。由图4可以看出 ,稠油水驱后剩余油主要以3种形式存在 :第1种是在中心区域由于水的绕流而剩余的大片油区 [图4(a)];第2种是模型边角处未波及到的大片油区 [图4(b)];第3种是注入水波及区域内由于毛管力残余下的大的油滴 ,且这些大的油滴主要位于玻璃模型中吼道与吼道交叉的大孔隙当中 [图4(c)]。稠油水驱之后剩余油的分布主要以大片未波及到的连续大片油为主 ,且饱和度较高 。因此 ,要提高稠油水驱后的采收率关键是提高驱油体系的波及系数 ,使得驱油体系能与连续分布的剩余油进行充分接触 ,才能最终提高采收率 。2.1.3 稠油碱驱微观驱油机理利用0.6%复合碱和0.5%NaCl溶液进行稠油碱驱微观驱油实验 ,碱驱微观驱油图像见图5。由图5可见 ,当碱液开始接触到原油时 ,碱液能够渗入到原油中 [图5(a)],形成外面包含一层油膜的水柱或水滴666  石   油   学   报 2012年  第 33卷  [图5(b)]。该水柱或大水滴以段塞的形式向前驱动油流 ,驱替前沿较为平整 ,无明显指进现象 。当水柱经过小的孔道时 ,由于贾敏效应 ,液流速度明显变慢 ;当水柱流经小的孔喉时 ,水柱便会分裂 ,形成小水滴 [图5(c)]。由于油膜的存在 ,这些水柱或小水滴较为稳定 ,从而在驱动过程中形成了油顶水 、水推油的液滴流现象 [图5(d)]。液滴流的形成可以抑制低黏度驱油体系的指进 ,可以起到很好的液流转向作用 ,从而提高整体的波及效果 [图5(g)]。图5(h)显示的是碱水前缘到达出口端时的油水分布状态 ,注入碱水波及到了整个平面 ,而没有沿着主对角线方向指进 ,使得两侧的稠油能与碱液充分接触 ,提高了波及系数 。正是由于碱驱过程中液滴流的形成 ,使得碱驱过程中碱液突破前的波及系数明显高于水驱 。图 4稠油水驱后剩余油的分布状态Fig.4 Microscopic images of residual oil distribution after waterfloodingof heavyoil图 5复合碱质量分数为 0.6%在驱替过程中的液滴流现象Fig.5 Microscopic images of“droplet flow”duringthe course of injection of 0.6%compound alkali 第 4期 裴海华等 :稠油碱驱中液滴流提高采收率机理 667将上述稠油碱驱过程中液滴流现象与国外学者观察到的结果进行了对比分析 。Bryan[17-19]用低场核磁共振 (NMR)对碱-表面活性剂驱替稠油过程进行了实时检测 ,认为即使在室内相态实验中易形成水包油乳状液的驱油体系 ,在驱替稠油的过程中也会在岩心的前端形成油包水乳状液 。按照胶体化学理论难以解释该现象 ,但依照观察到的液滴流现象可以很好地解释 ,Bryan通过低场核磁共振 (NMR)观察到的油包水乳状液 ,事实上并不是水在油中形成的分散体系 ,而是驱油体系在驱油过程中出现的水渗入原油的现象 ,由此在驱替过程中形成了不连续的 “水滴 ”。由于这些 “水滴 ”外面为油膜所包围 ,因此弛豫时间较长 。同时 ,Ding和Zhang[20]认为 ,在稠油碱驱微观实验过程中出现的事实上是大的 、被分散的水滴 ,而不是真实传统意义的油包水乳状液 。通过分析微观图像还可以发现 ,液滴流和乳状液是稠油碱驱过程中不同阶段出现的现象 ,碱水渗入原油形成的水柱或水滴往往发生在碱液刚与原油接触的阶段 [图5(a)—(d)],随碱驱的进行 ,这些水柱 (或水滴 )或者反转为水包油乳状液 [图5(e)],或者以油包水乳状液的形式聚集 [图5(f)]。一旦这些水柱或水滴转变为水包油乳状液 ,其流动阻力变小 ,封堵能力将会大幅度降低 ;而一旦形成油包水乳状液 ,由于其黏度较大 ,可起到封堵作用 ,从而增大波及系数 。但该部分原油 流 动 能 力 差 ,在驱替结束后往往成为残余油[图5(i)]。由此将液滴流和传统意义的乳状液在提高稠油采收率中的作用完善地统一起来 。2.1.4 不同浓度的碱驱微观驱油效果为了研究不同质量分数的复合碱对桩西稠油的碱驱效 果 ,分 别 以 质 量 分 数 为0.1%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%的复合碱体系进行微观驱油实验 。图6显示的是当碱水到达模型出口端时 (突破时刻 )油水的分布情况 。由图6可以看出 ,随着碱的浓度上升 ,碱液向原油中渗入的能力就越强 ,在油中形成的棕褐色水柱越多 ,碱驱过程中出现的液滴流越明显 ,突破时刻波及面积越大 ,驱油效果越好 。同时发现 ,随着碱浓度的升高 ,突破时注入碱的PV数增加 ,延长了碱水的突破时间 。这说明碱浓度越高 ,液滴流的流动阻力越大 ,越能有效抑制低黏度驱替液的指进 ,对提高波及系数作用就越大 。图 6不同浓度碱驱在突破时刻的微观图像Fig.6 Microscopic images of alkaline floodingwith different concentration at the breakthrough time2.2 稠油碱驱岩心物理模拟实验为了验证上述稠油碱驱中液滴流现象提高采收率机理 ,分别用0.5%NaCl模拟盐水配制质量分数为0.1%,0.2%,0.4%,0.6%,0.8%和1.0%的复合碱体系进行了6次岩心驱替实验 ,驱替结果见表1。由表1可以看出 ,当注入的复合碱质量分数很小 (0.1%668  石   油   学   报 2012年  第 33卷  和0.2%)时 ,采收率增值很小 ,说明驱替过程中注入碱生成的液滴流较少 [见图6(a),(b)];随着复合碱质量分数的增大 ,液滴流现象越加明显 [图6(c)—(f)],采收率增值也相应升高 。图7显示的是1.0%复合碱驱过程中的采收率 、含水率和驱替压差曲线 。由图7可观察到在开始水驱时 ,驱替压力迅速上升达到一个峰值 ,当水突破后注入压力迅速降低 ,一直降低到最小值 ,说明岩心中已经形成了水流通道 ,此时的含水率达到98%以上 ,水驱采收率仅为32.19%。然后开始转注0.5 PV的复合碱段塞 ,此时压力降开始迅速上升 ,并出现了一个明显峰值 ,同时含水率也开始下降 ,这说明碱驱产生的液滴流增加了驱替液的流动阻力 ,并有效封堵了原先水驱形成的水流通道 ,使驱替液进入未波及的原油富集区 ,改善了水驱的驱替效果 。因此 ,采收率可在水驱的基础上提高31.94%,总采收率可以达到64.13%。图8给出了不同质量分数复合碱在岩心驱替过程中压力降随注入体积的变化关系 。表 1碱驱岩心驱替结果Table 1 Summaryof alkaline floodingtests in cores长度 /cm直径 /cm孔隙度 /%渗透率 /mD初始含油饱和度 /%水驱采收率 /%复合碱质量分数 /%段塞大小 /PV碱驱采收率 /%最终采收率 /%13.7 2.5  26.63  577  87.22  30.89  0.1  0.5  3.28  34.1712.6 2.5  26.45  558  88.65  30.34  0.2  0.5  7.59  37.9313.4 2.5  26.18  570  89.01  31.04  0.4  0.5  22.90  53.9413.8 2.5  26.87  588  88.42  31.66  0.6  0.5  26.67  58.3314.1 2.5  26.64  570  87.98  31.12  0.8  0.5  29.69  60.8113.7 2.5  26.63  577  88.81  32.19  1.0  0.5  31.94  64.13图 7复合碱质量分数为 1.0%时岩心驱替结果Fig.7 Results of core test with 1.0%compoundalkali flooding由图8可知 ,注碱过程中原油采收率的增加伴随着压力降的升高 ,且随着复合碱浓度上升 ,压力降升高的幅度增加 ,采收率增值也越大 。由此可以验证在微观实验中发现的稠油碱驱机理 ,由于碱液渗入到原油中形成了液滴流现象 ,依靠其高黏度和贾敏效应 ,增大了驱替液的流动阻力 ,降低了水相的流度 ,将水驱替到未波及的区域 ,增大了波及系数 ,从而提高了采收率 。综上结果表明 ,尽管碱液的黏度远低于稠油 ,但稠油碱驱却具有较高的波及系数 ,原因在于碱液渗入到稠油中形成的水柱不断分裂而产生液滴流现象 。所以 ,稠油化学驱中驱油体系的设计思路上须改变传统上依靠化学剂降低油水界面张力或乳化降低稠油黏度图 8不同质量分数复合碱驱过程中压力降变化Fig.8 Pressure dropduringalkaline floodingwith differentcompound alkaline concentration的设计思想 ,更加注重化学剂提高波及系数的能力 。虽然碱驱展示了良好提高稠油采收率的前景 ,但油田现场直接应用碱驱存在结垢等诸多问题 ,致使目前油田一般都采用无碱驱油体系 。因此 ,应以稠油碱驱液滴流波及增效机理为指导 ,开发具有类似碱驱液滴流机理的表面活性剂和其他无碱驱油体系 。3 结论(1)稠油水驱时 ,由于稠油的黏度较大 ,水油流度比较高 ,使得稠油水驱时发生严重的指进现象 ,导致水驱波及系数较低 ,且稠油水驱后剩余油的分布是连续的且含油饱和度较高 。(2)碱驱提高稠油采收率的机理是碱液能够渗入 第 4期 裴海华等 :稠油碱驱中液滴流提高采收率机理 669原油中形成液滴流现象 ,依靠其高黏度和贾敏效应 ,可以有效抑制驱替液的指进 ,增大波及系数 ,从而提高采收率 。同时 ,复合碱浓度越高 ,液滴流现象越明显 ,波及系数越大 。(3)对不同浓度复合碱体系进行岩心物理模拟实验发现 ,随复合碱浓度上升 ,采收率增值和压力降都升高 ,驱油效果变好 ,这与微观实验波及系数随碱剂浓度的变化规律一致 ,说明了碱驱液滴流增大波及系数是提高稠油采收率的主要作用机理 。参 考 文 献[1]谢文彦 ,李晓光 ,陈振岩 ,等 .辽河油区稠油及高凝油勘探开发技术综述 [J].石油学报 ,2007,28(4):145-150.Xie Wenyan,Li Xiaoguang,Chen Zhenyan,et al.Review of ex-ploration and development technologies for heavy oil and highpour-point oil in Liaohe oil region[J].Acta Petrolei Sinica,2007,28(4):145-150.[2]辛寅昌 ,董晓燕 ,卞介萍 ,等 .高矿化度稠油流动的影响因素及改善原油流动的方法 [J].石油学报 ,2010,31(3):480-485.Xin Yinchang,Dong Xiaoyan,Bian Jieping,et al.Affecting factors 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Fuels,2010,24(12):6346-6352.(收稿日期2011-11-25 改回日期 2012-03-25 责任编辑黄小娟 )
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