微氣泡增效二元復合驅提高普通稠油采收率實驗*

石先亞 鄶婧文 王冠華 丁名臣 徐國瑞 陳五花 薛新房 王業飛

(1. 中海油田服務股份有限公司 天津 300459; 2. 中國石油大學(華東)石油工程學院 山東青島 266580;3. 山東省油田化學重點實驗室 山東青島 266580)

稠油黏度高、流動性差的特點嚴重制約了其工業化開采[1-3]。因此實現稠油的有效開采,必須降低稠油黏度,改善其流動性[4-5]。目前,針對原油黏度較高的稠油油藏,通常采用蒸汽吞吐或蒸汽驅的熱采方式降低稠油黏度提高采收率;但對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,如何實現有效的冷采開發是現階段研究熱點[6-9],同時也是實現普通稠油開發“綠色轉型”的重要途徑。因此,作為冷采技術的化學驅油技術成為普通稠油高效開發的重要研究方向[10]。針對普通稠油油藏化學驅,已經證實聚合物驅和聚合物/表面活性劑二元復合驅是有效方法。特別是二元復合驅油體系在提高水相黏度的同時,還能明顯提高洗油效率,提高采收率幅度可達10%以上[11-13]。但是二元復合驅油體系仍然存在阻力系數和殘余阻力系數不高、流度控制能力不強等問題,驅替普通稠油時指進現象嚴重,導致提高采收率有限。雖然泡沫驅能夠改善體系對普通稠油的不利流度比,提高波及系數,但普通泡沫直徑大、注入性不好;遇油消泡、穩定性差[14]。筆者通過調研和前期研究[15-19],在篩選二元復合驅油體系的基礎上,采用溶氣法構建了微氣泡增效二元復合驅油體系,并對其驅油效果和相關機理進行了研究,為微氣泡增效二元復合驅提高普通稠油采收率進行了探索。

1 微氣泡增效二元復合體系構建

1.1 二元復合體系的優選

1) 實驗材料與條件。

實驗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),實驗所用模擬水,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 模擬水分析結果

實驗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;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),均為工業品,由山東索爾化工有限公司生產。

實驗溫度為渤海某油田儲層溫度65 ℃。

實驗設備有Anton Paar流變儀,TX-500C旋轉滴界面張力儀。

2) 實驗方案。

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

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

3) 二元復合體系優選結果。

不同質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到了28.9 mPa·s。參考該區塊注聚的聚合物質量濃度(1 750 mg/L),兼顧體系的注入性與經濟性等[20-23],選擇配方中聚合物的質量濃度為2 000 mg/L。

圖1 HPAM溶液黏-濃曲線

65 ℃條件下,單獨的OP-8或ABS均不能使油水界面張力達到超低。由圖2可知,不同濃度表面活性劑復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后可保持穩定的超低界面張力值。

圖2 不同濃度復配表面活性劑溶液與稠油的動態界面張力

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 ℃下分別測量體系黏度和油水界面張力穩定值,結果見表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作為高效二元復合體系配方,以此為基液,繼續展開下述研究。

表2 二元復合驅體系和聚合物的性能對比

1.2 微氣泡增效二元復合體系構筑

1) 實驗流程和實驗方法。

按圖3流程連接相關設備,并通過該微觀觀察系統研究微氣泡體系中微氣泡的大小。其中微氣泡發生器(Nano微納米氣泡發生系統LF1500,上海行恒科技有限公司)利用溶氣釋放法產生微氣泡,其原理是:通過兩個端口同時吸入液體(上述優選的二元復合體系)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,便會產生奶白色的微氣泡[14-16]。為阻止微氣泡的進一步聚并和消失,本文嘗試將微氣泡注入到儲備巖心3(一種填砂管,直徑2.5 cm,長度100 cm,滲透率為2500mD)進行保壓儲存,以方便后期表征和驅油時使用。微氣泡在聚合物和表面活性劑的穩定作用下,能較穩定的存在。

圖3 微觀觀察系統

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

2) 微氣泡特征分析。

圖4是使用溶氣法產生微氣泡增效二元復合體系的外觀。由于聚合物和表面活性劑的穩定作用,這種方法產生的微氣泡在燒杯中的半衰期可達到50 min,如將其注入到儲備巖心中,則可以儲存較長時間而不發生粒徑變化。圖5是氣液比為0.25時的微氣泡顯微圖像。根據前期研究,微氣泡的直徑大小與氣液比密切相關[24],而微泡沫直徑與地層孔隙平均直徑存在某種匹配關系時才會有好的注入性和深部調驅能力。由于模擬驅油實驗使用的填砂管滲透率為2 000 mD左右,因此選擇氣液比0.25時產生的微氣泡是合適的。

圖4 溶氣釋放法產生微氣泡前后的外觀

圖5 微氣泡顯微圖像

可以看到,產生的微氣泡顆粒細小、均勻。由于氣體體積分數小,顆粒之間存在大量的液體,因此體系穩定性好。使用Image-J軟件的閾值法處理拍攝的微氣泡顯微圖像,該軟件可對每一個微氣泡進行識別和處理計算,從而計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替稠油的前提?？梢杂米枇ο禂岛蜌堄嘧枇ο禂档拇笮砗饬?其值越大,說明體系流度控制能力越強。利用前文篩選的微氣泡增效二元復合驅體系(氣液比為0.25),參照文獻[25],在填砂管模型上測定對比了二元復合體系和微氣泡增效二元復合體系的阻力系數和殘余阻力系數。實驗溫度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)。

實驗結果見表3,可以看到,與單純二元復合體系相比,微氣泡增效二元復合體系的阻力系數和殘余系數都大幅度提高了,說明該體系具有更好的深部調驅效果。

表3 兩種體系的阻力系數和殘余阻力系數對比

2 模擬驅油實驗

2.1 與二元復合體系的驅油效果的對比

1) 實驗方案與實驗條件。

實驗采用雙管非均質模擬驅油系統(圖6,包括ISCO高壓高精度柱塞泵(精度0.01 mL/min)等組成)。實驗溫度為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,滲透率級差為2.0)飽和模擬水,然后再用普通稠油驅替至束縛水后老化24 h。先進行水驅,至含水率達到98%后注入0.3 PV微氣泡增效二元復合體系,再進行后續水驅至含水率再次達到98%,確定采收率。同時進行平行實驗,對比注入0.3 PV二元復合體系的驅油效果。

圖6 雙管模擬驅油系統

2)實驗結果。

對比驅油實驗結果可以看到,與常規二元復合驅油體系相比,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,比常規高效二元復合驅油體系提高采收率高出12個百分點。這顯然是微氣泡增效體系流度控制能力更強等原因帶來的必然結果。

圖7 不同體系的模擬驅油曲線

2.2 驅油機理分析

1) 實驗方法。

使用可視化模擬實驗系統來研究微氣泡增效二元復合體系的微觀驅油作用機理(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后使用模擬水進行水驅,保持回壓5.0 MPa,注入速度為0.01 mL/min。驅替1.0 PV后切換為微氣泡增效體系驅替,注入速度與水驅速度保持一致。微氣泡增效體系選擇前文所述氣液比為0.25的體系。通過捕捉不同驅替時刻的動態圖像來分析微氣泡增效體系的驅油機理[26]。

2) 結果分析。

宏觀上來講,由于微氣泡增效體系流度控制能力強,在非均質條件下有更好的波及能力。微觀上,通過玻璃蝕刻模型驅油動態圖像的觀察,微氣泡增效二元復合體系除觀察到常見二元復合驅的機理外,還有兩個機理起了獨特的作用,它們是賈敏效應疊加機理和氣泡協同增效的乳化攜帶機理。

微氣泡在孔喉中由于賈敏效應的疊加效應產生了更大的阻力,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,從而提高波及體積而提高采收率[18-19]。

微氣泡協同增效的乳化攜帶機理可用圖8進行說明。該機理主要針對孔隙、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,并導致部分原油脫離大塊油滴或巖石壁面;同時,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、拉斷,形成油絲或更小的乳化油滴,進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,流動性增加,因此更易被產出。

圖8 微氣泡協同乳化攜帶稠油

3 結論

1) 探索了一種溶氣法產生微氣泡的方法,該法通過在常規二元復合驅體系中形成微氣泡來構建微氣泡增效二元復合驅油新體系。構建的微氣泡相對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較高的殘余阻力系數和殘余阻力系數,且注入性好;提高普通稠油采收率效果好。實驗模型非均質條件下,與常規高效二元復合驅相比,采收率可以再增加12個百分點。

3) 除存在常規二元復合驅的采收率機理外,微氣泡增效二元復合驅體系由于微氣泡的賈敏效應疊加擴大波及系數、協同乳化攜帶提高洗油效率對體系提高普通稠油采收率做出了獨特的貢獻,為普通稠油化學驅提供了很好的技術思路。