表面活性剂驱及复合驱

表面活性剂驱及复合驱王健石油工程学院提高采收率研究室Tel：0817-2642749(O),2643544(h),13508091571E-mail:wangjannc-public.sc.cninfo水驱油采收率低的主要原因波及效率低水K1K2K3油K4K1K2K3K4垂向波及与平面波及图（1）垂向上存在层间非均质性（渗透率差异），易于产生舌进现象，垂向波及效率低。——调剖堵水。（2）平面上存在微观非均质性和油水粘度差，水的流度大，水驱油流度比高，易于产生粘性指进现象，平面波及效率低。——聚合物驱，弱凝胶和CD胶调驱。波及区内的驱油效率低PAPB油水油r1r2水PAPB水油波及区内微观上是并联毛细管模型，驱油速度不同，慢的留下残余油。Ganglia前进角θ1θ2后退角Pw1PoPw2残余油滴运动时存在动力滞后现象，产生附加毛管阻力附加毛管阻力：)cos(cos2cos2cos2)()(12222212121rrrPPPPPPwoo排驱残余油滴的条件：水驱油的压力附加毛管阻力。——表面活性剂驱降低界面张力σ，可启动残余油。如果实现有利的相态（混相），就消除界面和界面张力，驱油效率将大幅度提高。表面活性剂驱通过乳化实现有利的相态，而气体混相驱在一定条件下实现气体与油的混相。调剖堵水、聚合物驱、弱凝胶与CD胶调驱技术，主要启动低渗透层和改善层内流度比，提高波及效率气体混相驱是在一定条件下，实现注入气体与油的混相，消除驱油过程中的界面张力，提高驱油效率。表面活性剂驱及复合驱，降低油水界面张力，通过乳化实现有利的相态，提高波及区内的洗（驱）油效率——重点讲述表面活性剂驱及ASP复合驱提高驱油效率机理。提高水驱油采收率的主要途径水驱油后，油层中有油水两相，存在界面和界面张力，油水界面张力一般10-30mN/m。加入表面活性剂后，由于表活剂具有两亲特性，有效地改变了界面性质，降低了界面张力。选择适当的表面活性剂，可以使界面张力降至10-3mN/m数量级。油水界面与界面张力σσ降低，毛管数Nvc=μV/σ增大（提高速度潜力很小，聚合物粘度也仅能增加几十倍），Sor降低，驱油效率增高。SorNvc10-710-610-510-410-310-210-1那么，σ降低到什么程度油滴才能流动呢？（1）油滴启动的最高极限界面张力启动条件：水驱油压力梯度附加毛管阻力梯度dlrdxdpdxdpccos2cmMPadxdp/108.2)(4maxσ≤1.4×10-3mN/mσmax=1.4×10-3mN/m当界面张力降低至10-3mn/m时，达到超低界面张力（UltralowIFT)数量级，油滴才能启动。令：毛管半径r=10-4cm，油滴长度dl=10-2cm，强亲水θ=0，得：水驱（σ高）→活性水驱（加入少量的表活剂）→胶束溶液驱（Micellar，加入较多表活剂，浓度高时将缔结为胶束）→微乳液(Microemulsion)驱（多种组分共同作用，使σ达到超低值）。（2）降低界面张力的途径§1驱油用表面活性剂阴离子型(Anionic)阳离子型(Cationic)非离子型(Nonionic)两性离子型(Zwitterionic)EOR使用阴离子型(稳定性好、吸附量小、成本低)和非离子型（耐高矿化度，活性稍差）。一般不使用阳离子型（因为地层中吸附损失大）。极性端,non-polarportion（亲水）非极性端,polarportion（亲油）headtail阴离子表活剂的分子结构——石油磺酸盐（PetroleumSulfonates)界面张力：使不互溶流体界面产生新界面所需的单位长度的力。油水界面膜F0L1L2水油油水（液液）界面吸附表活剂，因表活剂的两亲性，改变界面性质，界面张力降低。油水加入表活剂表活剂降低界面张力：§2微乳液特性（BehaviorofMicroemulsions)油+水→不互溶——→形成一定分散程度的油水体系剧烈搅拌———→停止搅拌分层———————→加入活性剂，搅拌易形成稳定体系—————————→加入不同种类数量的表活剂形成不同性质的溶液（不同分散体系）1.乳状液油+水+少量表活剂—→乳状液。特性：外观不透明，分散液滴的尺寸大（1-10μm），体系σ大，需要在强烈的搅拌作用下才能生成，热力学不稳定体系。一.乳状液、胶束溶液、微乳液（1）水中加入活性剂a.浓度很小时，活性剂浓集于水表面水油+水+较多表活剂——→胶束溶液2.胶束溶液b.浓度增大，活性剂开始进入水中。水c.浓度进一步增大到CMC(Criticalmicelleconcentration)以上，活性剂非极性端缔结为胶束（因极性端亲水）。（2）再加入油油会溶解到非极性的胶束核心中去（增溶作用）。胶束溶液特性：外观透明，胶束直径小（0.001-0.01μm)，单相溶液，热力学稳定体系。油+水+较多活性剂+其他成分。特性：外观透明或半透明，胶束直径（0.01-0.1μm），体系界面张力低，甚至可达10-3mN/m以下，热力学稳定体系。3.微乳液1.组成油(hydrocarbon)+水(water)+活性剂(surfactant)+助剂(co-surfactant)+电解质(electrolytes)，按一定比例组成的高度分散的低张力体系。二.微乳液组成及性质油：模拟地层油（因有些原油成分复杂，给配制带来困难），0-80%（体积比）。水：蒸馏水，10-95%。活性剂：阴离子型，石油磺酸盐，1-15%。助剂：脂肪醇（改变体系性质），0-10%。电解质：NaCl，1-10%。a.配制一定浓度的盐水b.试取油：盐水=1：1，混合c.加入活性剂和醇震荡，搅拌，静置十几分钟到数小时。注：任何一种组份或含量改变，都会影响微乳液的生成和性质。2.微乳液的配制O过剩油M微乳液OM3.分类a.下相微乳液M微乳液W过剩水b.上相微乳液MWc.中相微乳液O过剩油M微乳液W过剩水OMWd.单相微乳液M微乳液Ma.下相微乳液σMO水包油结构oil-in-water,，水外相，含水相油+膜σo，水+膜σw，σoσw，按能量趋于最小的原则，胶束非极性端聚集。OMO4.微乳液的微观结构b.上相微乳液油包水结构water-in-oil，油外相，含油相油+膜σo，水+膜σw，σoσw，胶束极性端聚集。MWσMWWc.中相微乳液（有三种结构）水包油（O/W）OMW油包水（W/O）OMW层状结构，lamellarσo=σwOMW水油水（1）加醇作用a.稳定膜b.提高增溶参数单位体积活性剂增溶油或水的体积，Vo/Vs,Vw/Vs（2）加醇原则小分子醇有利于形成水包油型O/W。大分子醇有利于形成油包水型W/O。5.醇对微乳液性质的影响配制微乳液时，保持其它成分比例不变，仅改变含盐量。（1）相态OMWMW含盐量增加下相中相上相OM6.盐度对微乳液性质的影响（2）界面张力含盐量增加含盐量增加,σmo降低，σmw增加。当S=S*时，σmo=σmw，S*——最低界面张力含盐度。σmoσmw含盐量增加含盐量增加,Vo/Vs增大，Vw/Vs降低。当S=S*时，Vo/Vs+Vw/Vs最大，S*——最佳增溶参数盐度。Vo/VsVw/Vs（3）增溶参数(SolubilizationParameters)1.三元相图的性质和规则（1）性质ABC三.微乳液的相态特性(PhaseBehavior)体系由A、B、C三种组分组成。顶点组成是该组分含量100%（如A点含A100%，不含B和C）。对边是该含量为0，对边上的任一点由两组分组成（如BC边含A为0，仅由B和C组成）。相图内任一点P代表由A、B、C三种组分按一定比例组成的一个体系，并且：含A40%，含B20%，含C40%，它们之和为100%。ABC.P某体系组成从顶点C向对边移动时，表示该顶点物质浓度在不断减少。但直线上所有各点组成中，含A与B的比例保持不变，即：C1体系：含A为BN段，含B为AM段C2体系：含A为BH段，含B为AD段ADBHAMBNABCC1C’HNDMC2在平行于某一边的直线（A’B’）上，有一组体系，则它们含顶点物质（C）的百分含量相同。ABCA’B’a.直线规则(LineRule)：如果有两个三组分体系Q和Y混合，生成的新体系组成Z必然落在Q和Y的连线上。ABC.ZQ..Y(2)规则b.杠杆规则(Inverse-lever-armRule)：Q与Y混和得到新体系Z，则在Z体系中：Q的含量Y的含量=ZYQZc.重心规则ABC.HDEGF由D、E、F混合形成一新体系H？D与E生成GF与G生成HH位于D、E、F三质量的重心。2.微乳液拟三元相图WOS三个拟组分(pseudocomponents)：W：盐+水，O：油，S：活性剂+助剂油（1）取油：盐水=1：1，加入少量S，设生成下相微乳液。水油8ml4mlM110ml7ml10ml8ml4ml1ml油被增溶表活剂水油加入2mlS搅拌体系总组成a1通过实验绘制微乳液拟三元相图体系总组成a1：4mlW,40%4mlO，40%2mlS，20%微乳液组成M1：4mlW,57.2%1mlO，14.2%2mlS，28.6%WOSM1..a1M1与a1的连线过O点，为什么？(2)保持油水量不变，增加S用量，得到（a1，M1)，(a2，M2)，........，(an，Mn)。当S增加到某值时，an与Mn重合（单相）WOSMn（an）M2M1a2a1（3）改变油水比例，不断增加S含量，直至界面消失，得到Mn1，Mn2，....WOSMn（an）M2M1a2a1.Mn1.Mn2（4）连接WM1M2...MnMn1Mn2...O，得到下相微乳液相图。（1）ai点为体系的总组成点（包括微乳液和过剩油），Mi点为微乳液组成点。（2）WM1M2...MnMn1Mn2...O曲线称为双结点曲线，OMi连线称为系线。（3）双结点曲线将相图分为两个区：单相区(顶部）和两相区（底部）。下相微乳液系线的斜率为负，称为Ⅱ（-）型相图。3.相图点、线、面的含义WOSWOS下相，Ⅱ（-）型上相，Ⅱ（+）型中相，Ⅲ型WOS三相区两相区两相区单相区(1)Ⅱ型相图中，体系总组成点落在两相区内才是上、下相微乳液体系。（2）Ⅲ型相图中，只有体系总组成点落在三相区内才是中相微乳液体系。Note:4.利用相图性质与规则确定平衡相的含量WOSM*··B·Aab例：（1）考虑100ml总组成在图上A点表示的混合物。在体系达到平衡时，平衡相的组成和量是多少（组成用体积百分数表示）？（2）当体系总组成在图上B点时，平衡相的组成和量是多少？解：（1）该微乳液是上相微乳液，水与微乳液平衡共存，由相图可知：A点体系总组成为：表活剂19%（19ml），油20%(20ml),水61%（61ml），设表活剂完全溶在微乳液中，根据杠杆规则，从图上量得a,b段长度，得到：a/a+b=6/23过剩水量Vw=(6/23)×100=26ml微乳液总体积100-26=74ml，其中各量为：Vw=61-26=35ml,47.3%Vo=20ml，27.0%Vs=19ml，25.7%.（2）B点：该微乳液是三相微乳液体系，水、油和微乳液三相平衡共存，B点体系总组成为：表活剂9%（9ml），油31%（31ml），水60%（60ml）M*是微乳液组成点：表活剂23%，油38.5%，水38.5%。设表活剂全部在微乳液中，Vs=9ml，则有：0.23Vme=9,Vme=39ml微乳液中：Vo+Vw+Vs=39,又Vo=Vw,所以Vo=Vw=15ml。B体系中：微乳液：39ml，39%下相水：Vw=60-15=45ml,45%上相油：Vo=31-15=16ml，16%（1）活性组分含量对相态的影响设在油水体系E中逐渐加入表面活性体系S，试分析体系的相态变化规律。WOS.E油水体系5.相态变化规律该体系生成下相微乳液，过剩相为油相，油不断被增溶。S低时，生成两相溶液，部分混相。总组成为a，微乳液组成为M，O是过剩相。WOSMaE油水体系