chapter3提高采收率原理

1、,根據(jù)毛管準數(shù)的定義：,,驅(qū)替液粘度增加,油水界面張力降低,驅(qū)替液速度增加（增加驅(qū)替壓力）,水驅(qū)時Nc在10-7~10-5范圍之間，實驗結(jié)果表明：若使水驅(qū)效率大于50%，Nc必須平均增大103 數(shù)量級，即Nc在10-4~10-2范圍內(nèi)。,驅(qū)替速度增加，雖能增加毛管準數(shù)，但確減低了驅(qū)替液的宏觀波及程度。,大慶油田地下原油粘度為10mPa.s左右，水的粘度約為0.7mPa.s，聚合物濃度為0.12%時，地面測視粘度達

2、到40mPa.s。若不考慮粘度損失，可使毛管準數(shù)提高101數(shù)量級。,水驅(qū)時，大慶油田油水的界面張力為20~30mN/m。若使毛管準數(shù)提高103數(shù)量級，界面張力必須下降到10-2~10-3mN/m。,,第一節(jié) 表面活性劑溶液驅(qū)油,第二節(jié) 堿水驅(qū)油法,第三節(jié) 復合體系驅(qū)油法,第三章 表面活性劑、堿、復合體系驅(qū)油法,一、表面活性劑溶液驅(qū)油概述,二、表面活性劑的概念及類型,三、表面活性劑溶液驅(qū)油體系,四、表面活性劑溶液驅(qū)油

3、機理,五、油田應用及發(fā)展趨勢,第一節(jié)、表面活性劑溶液驅(qū)油,溶液驅(qū)油的研究歷程：,膠束溶液驅(qū)油,微乳液驅(qū)油,稀體系多組分復配驅(qū)油,泡沫體系驅(qū)油,活性劑稀體系驅(qū)油,,,,,,一、表面活性劑溶液驅(qū)油概述,1、概念,2、類型,3、親油親水平衡值,4、分配系數(shù),二、表面活性劑的概念及類型,概念：分子具有兩親結(jié)構，可自發(fā)地濃集于相界面，顯著降低界面張力的物質(zhì)。,,表面活性劑分子結(jié)構,,,極性端,非極性端,1.表面活性劑的概念,離子型,非離子型,表面

4、活性劑,,,陰離子型,陽離子型,兩性型,2.表面活性劑的類型,陰離子型表面活性劑,活性劑在水中可以電離，電離后起活性作用的部分是陰離子。,常用的有：,,羧酸鹽：分子結(jié)構R-CO2-Na， 親水基為-CO2Na， 憎水基R-,磺酸鹽：分子結(jié)構R-SO3-Na， 親水基為-SO3Na， 憎水基R-,成本低，但遇硬水，易結(jié)

5、垢、絮凝。,成本較高，抗硬水的能力較強，滯留量低，常用于活性劑驅(qū)。,陽離子型表面活性劑,活性劑在水中可以電離，電離后起活性作用的部分是陽離子。,常用的有：,,胺鹽： 分子結(jié)構[R1R2R3NH]Cl， 憎水基[R1R2R3NH]+,季胺鹽：分子結(jié)構[R1R2R3R4N]Cl ， 憎水基[R1R2R3R4N] +,吡啶鹽：分子結(jié)構[R-NC5H5]Cl ，

6、 憎水基[R-NC5H5] +,由于在地層中滯留量大，在采油中應用不甚廣泛，主要應用于防蠟、抑制粘土膨脹等。,非離子型表面活性劑,活性劑在水中不電離，故不怕硬水，也不受PH值的影響。其親水基主要是由具有一定數(shù)量的含氧基團（一般為醚基和羥基）構成。,常用的有：,,醚鍵型 R-O-R′ CH3-O-C2H5 甲乙醚,酰胺鍵型,酯鍵型,胺鍵型,這類活性劑在采油中應用廣泛，主要用于起泡、乳化、防蠟、緩蝕、油水井增產(chǎn)增注、提高原油采收

7、率。,兩性型表面活性劑,甜菜堿型:由季銨鹽構成陽離子部分：,類型：,,非離子-陰離子型,陰離子-陽離子型,非離子-陽離子型,它主要應用于緩蝕、乳化、殺菌、抑制粘土膨脹和提高采收率。,概念：描述活性劑親水親油能力大小的物理量。簡稱HLB。,HLB一般介于1~40之間；>10，活性劑親水性強；<10，活性劑親油性強。,HLB值可通過乳化實驗法、溶解度法、氣相色譜法、核磁共振法等確定。,3.表面活性劑的親水親油平衡值,概念：是指活

8、性劑在油相與水相中平衡濃度的比值。,4.表面活性劑的分配系數(shù),三、表面活性劑溶液驅(qū)油體系,表面活性劑稀體系,膠束溶液,微乳液,泡沫驅(qū)油體系,（1）,（2）,（3）,（4）,開始形成膠束的表面活性劑濃度為臨界膠束濃度CMC；含有膠束的活性劑溶液為膠束溶液。,,概念：表面活性劑濃度低于1%wt。,性質(zhì)：可降低界面張力。,當水表面聚集的活性劑分子達到飽和時，在溶液內(nèi)部，形成以烴鏈為內(nèi)核、親水基外露的分子聚集體，稱為膠束。,1. 表面活性劑稀體

9、系,2. 膠束溶液,膠束的形成與增溶示意圖,,,,,,CMC,表面活性劑單體濃度,表面活性劑濃度,2. 膠束溶液,開始形成膠束的表面活性劑濃度為臨界膠束濃度CMC；含有膠束的活性劑溶液為膠束溶液。,概念：由油、水、表面活性劑、助表面活性劑（醇）、鹽五種組分組成的，油水高度分散的體系（表面活性劑濃體系）。,性質(zhì)：具有超低的界面張力。,相態(tài)：不同的配方，微乳液具有下相、中相、上相三種相態(tài)。,3. 微乳液,微乳液的三種相態(tài),,,,,,,,,上

10、相,中相,下相,活性劑水溶液,活性劑水溶液,油,油,,,,,,,S,W,O,A,,,均相區(qū)（水外相微乳）,兩相區(qū)（水外相微乳+油）,(a) 水溶性表面活性劑,,,,,S,W,O,B,,均相區(qū)（油外相微乳）,兩相區(qū)（油外相微乳+水）,,(b) 油溶性表面活性劑,圖3-1 微乳液的準三組分相圖 (S—表面活性劑與助表面活性劑；W---鹽水；O---油),,,,,,,,,O,L,U,W,油,水外相微乳液

11、(下相微乳液，L),油外相微乳液(上相微乳液，U),水,(A),(B),圖3-2 圖3-1中A、B兩點的相態(tài),概念：一種或幾種液體以小液珠的形式，分散在另一種不能互溶的液體中所形成的分散體系。,性質(zhì)：具有超低的界面張力。處于非平衡狀態(tài)的多分散體系，在長時間靜置下會分層。 與微乳液及膠束溶液有很大區(qū)別。,組成：油、水、乳化劑組成。,4. 乳狀液,乳狀液、微乳液及膠束溶液的區(qū)別,概念：由不溶性氣體分散在液體

12、中所形成的粗分散體系。氣體是分散相，液體是連續(xù)相。組成：水、氣、起泡劑（表面活性劑）。 還有聚合物（增加體相黏度）和鹽（調(diào)整表面活性劑的親水親油平衡值）。,4. 泡沫驅(qū)油體系,四、表面活性劑溶液驅(qū)油機理,表面活性劑稀體系驅(qū)油機理,膠束溶液驅(qū)油機理,微乳液驅(qū)油機理,泡沫驅(qū)油體系驅(qū)油機理,（1）,（2）,（3）,（4）,表面活性劑稀體系驅(qū)油機理,1,（1）親水模型中的微觀滲流,（2）親油模型中的微觀滲流,（3）親

13、水模型中的宏觀動態(tài),（4）稀體系驅(qū)油機理,,,（1）表面活性劑在親水模型中的微觀滲流,稀體系注入后，能使殘余油變形拉成絲，絲的前端斷裂成一顆顆小油珠。,（1）表面活性劑在親水模型中的微觀滲流,稀體系注入后，可看到油在壁上鋪開，顯示出潤濕性由親水向親油轉(zhuǎn)變的跡象。,（1）表面活性劑在親水模型中的微觀滲流,速度小的地方，形成W/O型乳狀液。使油形成長片，稀體系夾帶油珠和長片油向前滲流。,在驅(qū)替前緣形成油墻，油墻由W/O型乳狀液和純油組成。,

14、,稀溶液驅(qū)后殘余油的形態(tài)以油珠為多，分散在孔道壁的各部分。,,（2）表面活性劑在親油模型中的微觀滲流,當稀體系接觸到孔喉處的油時，由于界面張力降低，毛管力也降低，使喉道中的油很容易被驅(qū)出。,（2）表面活性劑在親油模型中的微觀滲流,稀體系可使殘余油變形，處于流線上的油沿壁運移，積聚顆粒的駐點處，積多后變形拉長，橋接到另一顆粒上，最后成絲直至斷裂，乳化成小油珠滲流。,,（3）表面活性劑在親水模型中的宏觀動態(tài),在稀體系驅(qū)油前方，形成一富集油墻

15、，油墻寬度增加緩慢，由于指進現(xiàn)象，稀體系進入油墻。,（4）表面活性劑稀體系的驅(qū)油機理,1.降低油水界面張力—減少油滴通過孔喉的阻力。2.改變巖石的潤濕性—親油變親水，降低液固界面能。3.乳化機理—運移、分散、聚并，形成乳狀液。,問題：存在表面活性劑損失及不利流度比。,2. 膠束溶液驅(qū)油機理,,（1）膠束的增溶作用,（2）超低界面張力機理,3 微乳液驅(qū)油機理,微乳液的超低界面張力可使驅(qū)替前緣與原油混相，消除滲流阻力。,4 泡

16、沫體系驅(qū)油機理,4 泡沫體系驅(qū)油機理,具有活性水或膠束的性質(zhì)。（1）Jamin效應疊加，提高驅(qū)替介質(zhì)的波及系數(shù)。,（2）泡沫依據(jù)孔道形狀而變形，能有效驅(qū)出波及到的孔隙中的油，提高洗油效率。,五、表面活性劑驅(qū)油的影響因素,1）表面活性劑當量 　　研究表明，當量在200—500之間的石油磺酸鹽具有較好的降低界面張力的能力；當量越高，當量分布越寬，驅(qū)油效果越好。2）表面活性劑分子結(jié)構 ①帶支鏈的好于不帶支鏈的。 ②基

17、鏈長度為C12—C16時最好。,,,3）表面活性劑濃度4)無機鹽濃度 最優(yōu)含鹽量時，油水界面張力達到最低。,5）原油性質(zhì) 不同分子結(jié)構的碳氫化合物與表面活性劑形成的界面張力不一樣。 6）油藏溫度 油藏溫度過高，化學吸附增加，不利于驅(qū)油。 7）助表面活性劑 醇的加入有利于驅(qū)油。,六、表面活性劑在巖石表面的損失,（一）機理　　　　 １．吸附損失（物理吸附、化學吸附）　　　?。玻恋頁p失 　

18、　　?。常x子交換（陽離子表活劑）,（二）影響因素　?。保砘顒┙Y(jié)構（引入支鏈，吸附減少）　?。玻畮r石類型 （粘土礦物吸附量大）　?。常疅o機鹽 （NaCI 增加吸附；磷酸鈉，減少 吸附?！　。矗疁囟?（溫度增加，化學吸附量增加，物理吸附量減少）　　５．ＰＨ值 （ＰＨ值增加，陰離子吸附量下降）,（三）減少吸附方法　　1．ＰＨ﹥１０，吸附量下降。　　2. 改變表活劑結(jié)構和活性劑復配。 3．犧牲劑

19、 木質(zhì)素磺酸、三聚磷酸鈉?！　?4. 醇的作用 5. 鰲合劑的作用。降低Ca2+ 、Mg2+含量。,七、表面活性劑驅(qū)油法的油田應用及發(fā)展方向,選擇表面活性劑的原則,1,2,3,4,選擇地層的原則,應用情況,發(fā)展方向,1.選擇表面活性劑的原則,溶液的界面張力低；吸附作用??；與地層流體有好的可混溶性；成本低。,2.選擇地層的原則,砂巖油層；油藏原油具有低密度、低粘度；地層溫度小于

20、120℃；地層水礦化度低；地層滲透率大于0.02?m2；沒有裂縫或高滲透賊層。,3.油田應用情況,不同表面活性劑驅(qū)油體系，在礦場上均有一定數(shù)量應用實例，但大部分仍停留在礦場試驗階段，并未進行工業(yè)化推廣。由于表面活性劑成本高，在地層中損耗大，推廣應用具有很大的風險性。,4.表面活性劑驅(qū)油的發(fā)展,擴大活性劑原料的來源，降低活性劑成本；利用化學劑的協(xié)同效應，進行復配，形成多元驅(qū)油體系；,2. 堿水驅(qū)油機理,1. 堿劑的類型與性質(zhì)

21、,3. 堿水驅(qū)油的應用及發(fā)展前景,第二節(jié) 堿水驅(qū)油法,3. 硅酸鈉（泡花堿）,2. 碳酸鈉（蘇打）,1. 氫氧化鈉（燒堿）,一、堿劑的類型及性質(zhì),又名燒堿；氫氧化鈉為白色晶狀固體，易溶于水，露置于空氣中，容易吸收水分而潮解，故需密封保存；是強堿，在水中完全電離；有極強的腐蝕性，可與石英砂發(fā)生反應。 NaOH+SiO2=Na2SiO3（溶于水）+H2O,1.氫氧化鈉,碳酸鈉俗稱蘇打，工業(yè)上又叫純堿；無水碳酸鈉為白色晶體

22、，易溶于水；在水中完全電離，并能發(fā)生堿性水解。Na2CO3=2Na++CO32-CO32-+H2O ? HCO3-+OH-HCO3-+H2O ? H2CO3+OH-,2.碳酸鈉,工業(yè)上稱泡花堿；水溶液稱為水玻璃。常按模數(shù)=SiO2：Na2O=3~5：1的配料比制備硅酸鈉；模數(shù)越小，堿性越強，越易溶解；驅(qū)油中多選用弱減性的高模數(shù)水玻璃。,3.硅酸鈉,1.降低界面張力,堿與原油中的有機酸反應生成表面活性物質(zhì)，可使油水

23、界面張力降至10-2 mN/m以下。,酸值：中和一克原油使其pH值等于7時所需的氫氧化鉀的毫克數(shù)。原油酸值應大于0.5 mg KOH / g 原油。,確定原油特性是否適合堿水驅(qū)的一種指標。,二、 堿水驅(qū)油機理,2. 乳化-攜帶機理,活性物質(zhì)可使原油乳化成小油珠，被堿水攜帶通過地層。,3. 乳化-捕集機理,剩余油被乳化，形成乳狀液。流動過程中遇到比液滴小的孔隙吼道時，乳狀液被捕集，從而增加了水的流動助力，即降低了水的流度，改善了流度比

24、。,4.改變巖石的潤濕性機理,（1）油濕轉(zhuǎn)變?yōu)樗疂瘢涸诟邏A濃度與低鹽濃度下，堿可通過改變吸附在巖石表面的油溶性活性物質(zhì)在水中的溶解度而解吸，恢復巖石原來的親水性，使巖石表面由油濕反轉(zhuǎn)為水濕，從而提高了洗油效率。,（2）水濕轉(zhuǎn)變?yōu)橛蜐瘢涸诟邏A、高鹽濃度下，堿與原油中的酸性成分反應，生成的活性物質(zhì)主要分配在油相并吸附到巖石表面上，使巖石表面從水濕轉(zhuǎn)變?yōu)橛蜐?。非連續(xù)的剩余油變成連續(xù)的油相被驅(qū)出。另外，可能形成油包水型乳狀液，阻塞部分油流通道，

25、擴大波及體積。,原油中含有結(jié)構復雜的膠質(zhì)、瀝青質(zhì)等，部分物質(zhì)具有表面活性，能自發(fā)地吸附在油水界面形成堅硬的界面薄膜，堿的存在可以增大這些物質(zhì)的溶解性。,,5 . 溶解堅硬的界面薄膜,1.巖石組成的影響,堿和巖石礦物之間相互作用，產(chǎn)生沉淀，損害地層。另外，消耗大量的堿。,2.原油酸值的影響,原油酸值是影響界面張力的重要因素，理想的原油酸值應》= 0.5 mg KOH / g原油。,三、 堿水驅(qū)油的影響因素,3.溶液pH的影響,堿水溶液的p

26、H值不同，其驅(qū)油機理也不同； pH值也影響堿的消耗量。,,4.油藏溫度的影響,溫度太高，會消耗大量的堿，而且形成的乳狀液的穩(wěn)定性會受到破壞。,三、 堿水驅(qū)油的影響因素,5.水質(zhì)礦化度的影響,,水質(zhì)礦化度影響形成乳狀液的類型和穩(wěn)定性。礦化度增加，乳狀液由水包油型向油包水型轉(zhuǎn)變，乳狀液更加穩(wěn)定。,三、 堿水驅(qū)油的影響因素,1.堿水驅(qū)的篩選標準,2.堿驅(qū)的開發(fā)工藝,3.油田應用及發(fā)展前景,四、 堿水驅(qū)油的應用及發(fā)展前景,油層內(nèi)不存在大的裂縫或

27、漏失層，不帶氣頂。,砂巖油層，且石膏（CaSO4 .2H2O )的含量不得大于0.1%，高嶺石 與蒙脫石的含量較低；,油層具有一定的注入能力；,原油酸值不能低于 0.2 mg KOH/g原油；,原油粘度必須低于 200 mPa.s；,油層溫度必須低于 93.3°C；,油藏產(chǎn)出氣中CO2含量小于1%，或產(chǎn)出水PH值高于 6.5。,1. 堿驅(qū)的篩選標準,堿驅(qū)中，常用的堿劑有苛性堿（NaOH）和碳酸鈉（Na2CO3）；,堿溶液以0

28、.1~0.25PV 的規(guī)模呈段塞形式注入，再用普通水來推進；,采用工作劑的濃度常為0.2~0.4%wt；但為改變巖石的潤濕性，通常堿劑的濃度提高到 2~4%，特別在需要增加親水性地層中，含鹽量很高，更需使用高濃度堿液（4~5%）。,為了節(jié)約苛性堿，在其注入前。可先注碳酸鈉 溶液，以軟化地層水和注入水，并與地層相互 作用。,2. 堿驅(qū)的開發(fā)工藝,發(fā)展前景,堿水驅(qū)技術正向著表面活性劑與堿二元復合體系驅(qū)油技術方向發(fā)展。,低pH值堿劑的表面

29、活性劑強化堿水驅(qū)，不僅堿劑同油層礦物的化學反應比較弱，而且，在堿性條件下，表面活性劑的吸附損失下降。同時，經(jīng)過大量的實驗研究：堿與表面活性劑按一定比例復配，會產(chǎn)生超低界面張力，此作用被稱為“協(xié)同效應”。,3. 油田應用及發(fā)展前景,堿驅(qū)油藏生產(chǎn)井結(jié)垢嚴重：常見的積垢是鈣鹽和鎂鹽，其次是鋇鹽和鐵鹽。,生產(chǎn)井產(chǎn)出液乳化嚴重，且乳化液很難破乳。,工藝問題,堿耗嚴重：地層水中含鹽或巖石中含粘土就會大幅度增加堿耗量；,3. 油田應用及發(fā)展前景,油田

30、應用 盡管用減水作為驅(qū)油介質(zhì)成本較低，但由于堿耗嚴重，粘性指進、結(jié)垢等原因礦場實驗數(shù)量較少，只有美國和前蘇聯(lián)有一定數(shù)量的油田進行過礦場實驗，雖然取得了成功，但也發(fā)現(xiàn)許多問題。,3. 油田應用及發(fā)展前景,一、二元復合體系驅(qū)油,二、三元復合體系驅(qū)油,三、泡沫復合體系驅(qū)油,第三節(jié) 復合體系驅(qū)油法,1. 堿-活性劑二元復合體系驅(qū)油,2. 活性劑-聚合物二元復合體系驅(qū)油,一、二元復合體系驅(qū)油,,對于低酸值原油，只加入堿往往不

31、能產(chǎn)生低界面張力，同時加入堿和活性劑，會使界面張力降到堿水本身或活性劑本身所達不到的超低效果，這種作用成為堿與表面活性劑的“協(xié)同效應”。,1、堿-活性劑二元復合體系驅(qū)油,（1）機理,堿與表面活性劑按一定比例混合在一個段塞中注入。利用堿與活性劑兩者之間產(chǎn)生的協(xié)同效應，大幅度提高驅(qū)替效率。這種方式的采收率比單獨堿或單獨的表面活性劑驅(qū)的效果好。,（2）注入方式,,表面活性劑提高洗油效率，聚合物改善活性劑溶液不利的流度比。目前此二元復合體系多

32、采用膠束/聚合物溶液驅(qū)油。,2、活性劑-聚合物二元復合體系,（1）機理,,前置液：清水，目的是降低地層水的礦化度。注入量可在0~1PV之間；,膠束/聚合物段塞：體積在0.05~0.2PV之間；,驅(qū)替液段：驅(qū)替液的目的是為了降低連續(xù)注入聚合物的成本。,流度緩沖液：水溶性聚合物的稀釋液，目的是將膠束/聚合物段塞及聚集起來的流體驅(qū)向生產(chǎn)井；,（2）注入方式,,1、三元復合體系驅(qū)油機理,2、色譜分離現(xiàn)象,3、三元復合體系的應用與發(fā)展,二、三元復

33、合體系驅(qū)油機理,1） 降低界面張力：（1）P 保護S，使其不與水中二價離子反應；（2） A 與S之間的“協(xié)同效應”，拓寬表面活性劑的活性范圍；（3） A與原油中的有機酸反應生成S，降低主劑S的用量。,3）降低化學劑的吸附：堿與鈣、鎂離子反應及與粘土發(fā)生離子交換，可減少陰離子型活性劑及聚合物的吸附損失。,2）較好的流度控制：聚合物溶液的存在，使體系具有高的黏度。,1. 堿/表面活性劑/聚合物三元復合驅(qū)驅(qū)油機理,定義：復合體系中各組分與地層

34、巖石間的作用不同，使得三組分間產(chǎn)生的差速運移現(xiàn)象。,產(chǎn)生原因：競爭吸附、離子交換、分散作用、分配系數(shù)、滲透能力等。,2. 色譜分離現(xiàn)象,國外三元復合驅(qū)的礦場試驗不多，比較完整的是美國懷俄明州Crook地區(qū) Kiehl 油田三元復合驅(qū)項目，使采收率提高近15%。,國內(nèi)通過“八五”、“九五”大量室內(nèi)及礦場試驗研究，以將三元復合驅(qū)技術作為大慶油田接替穩(wěn)產(chǎn)的技術之一。,目前正在研究通過改變注入方式、優(yōu)選復合體系配方及注入犧牲劑等方式，以減少色譜

35、分離現(xiàn)象。,,3. 三元復合體系驅(qū)油應用及發(fā)展前景,1、泡沫復合體系驅(qū)油機理,,2、泡沫驅(qū)油體系的發(fā)展前景,三、泡沫復合體系驅(qū)油機理,（1）泡沫中含有表面活性劑，可降低界面張力，改變巖石的潤濕性，并乳化原油使殘余油流動；,（2）聚合物的存在，增加體系黏度，起到穩(wěn)泡劑的作用。,（3）遇油消泡，遇水穩(wěn)泡，起堵水不堵油作用；,（4）泡沫在高滲層中，粘度大，低滲層中粘度小，具有堵大不堵小功能。,1. 泡沫復合體系驅(qū)油機理,1）發(fā)泡體積Vf

36、 發(fā)泡體積反映體系的起泡能力，其大小與發(fā)泡劑性能、穩(wěn)泡劑性能、液相粘度等因素有關，其中最主要的是發(fā)泡劑的起泡能力。,2.評價泡沫性能的指標,2）半衰期t1/2 半衰期：泡沫高度降低一半時所用時間（產(chǎn)生泡沫的液體析出一半時所用時間）。 半衰期越長，說明泡沫中液體析出越慢，泡沫的穩(wěn)定性就越好。,3）泡沫的綜合指數(shù) 為了考慮泡沫質(zhì)量和泡沫半衰期對泡沫性能的綜合影響，提出了泡沫綜合指數(shù)的概念。,2.評價泡沫性能的指