chapter3提高采收率原理

根据毛管准数的定义：wcVLpkNcN驱替液粘度增加油水界面张力降低驱替液速度增加（增加驱替压力）水驱时Nc在10-7~10-5范围之间，实验结果表明：若使水驱效率大于50%，Nc必须平均增大103数量级，即Nc在10-4~10-2范围内。驱替速度增加，虽能增加毛管准数，但确减低了驱替液的宏观波及程度。大庆油田地下原油粘度为10mPa.s左右，水的粘度约为0.7mPa.s，聚合物浓度为0.12%时，地面测视粘度达到40mPa.s。若不考虑粘度损失，可使毛管准数提高101数量级。水驱时，大庆油田油水的界面张力为20~30mN/m。若使毛管准数提高103数量级，界面张力必须下降到10-2~10-3mN/m。第一节表面活性剂溶液驱油第二节碱水驱油法第三节复合体系驱油法第三章表面活性剂、碱、复合体系驱油法一、表面活性剂溶液驱油概述二、表面活性剂的概念及类型三、表面活性剂溶液驱油体系四、表面活性剂溶液驱油机理五、油田应用及发展趋势第一节、表面活性剂溶液驱油溶液驱油的研究历程：胶束溶液驱油微乳液驱油稀体系多组分复配驱油泡沫体系驱油活性剂稀体系驱油一、表面活性剂溶液驱油概述1、概念2、类型3、亲油亲水平衡值4、分配系数二、表面活性剂的概念及类型概念：分子具有两亲结构，可自发地浓集于相界面，显著降低界面张力的物质。表面活性剂分子结构极性端非极性端1.表面活性剂的概念离子型非离子型表面活性剂阴离子型阳离子型两性型2.表面活性剂的类型阴离子型表面活性剂活性剂在水中可以电离，电离后起活性作用的部分是阴离子。常用的有：羧酸盐：分子结构R-CO2-Na，亲水基为-CO2Na，憎水基R-磺酸盐：分子结构R-SO3-Na，亲水基为-SO3Na，憎水基R-成本低，但遇硬水，易结垢、絮凝。成本较高，抗硬水的能力较强，滞留量低，常用于活性剂驱。阳离子型表面活性剂活性剂在水中可以电离，电离后起活性作用的部分是阳离子。常用的有：胺盐：分子结构[R1R2R3NH]Cl，憎水基[R1R2R3NH]+季胺盐：分子结构[R1R2R3R4N]Cl，憎水基[R1R2R3R4N]+吡啶盐：分子结构[R-NC5H5]Cl，憎水基[R-NC5H5]+由于在地层中滞留量大，在采油中应用不甚广泛，主要应用于防蜡、抑制粘土膨胀等。非离子型表面活性剂活性剂在水中不电离，故不怕硬水，也不受PH值的影响。其亲水基主要是由具有一定数量的含氧基团（一般为醚基和羟基）构成。常用的有：醚键型R-O-R′CH3-O-C2H5甲乙醚酰胺键型酯键型胺键型这类活性剂在采油中应用广泛，主要用于起泡、乳化、防蜡、缓蚀、油水井增产增注、提高原油采收率。两性型表面活性剂甜菜碱型:由季铵盐构成阳离子部分：类型：非离子-阴离子型阴离子-阳离子型非离子-阳离子型它主要应用于缓蚀、乳化、杀菌、抑制粘土膨胀和提高采收率。概念：描述活性剂亲水亲油能力大小的物理量。简称HLB。HLB一般介于1~40之间；10，活性剂亲水性强；10，活性剂亲油性强。HLB值可通过乳化实验法、溶解度法、气相色谱法、核磁共振法等确定。3.表面活性剂的亲水亲油平衡值概念：是指活性剂在油相与水相中平衡浓度的比值。4.表面活性剂的分配系数三、表面活性剂溶液驱油体系表面活性剂稀体系胶束溶液微乳液泡沫驱油体系（1）（2）（3）（4）开始形成胶束的表面活性剂浓度为临界胶束浓度CMC；含有胶束的活性剂溶液为胶束溶液。概念：表面活性剂浓度低于1%wt。性质：可降低界面张力。当水表面聚集的活性剂分子达到饱和时，在溶液内部，形成以烃链为内核、亲水基外露的分子聚集体，称为胶束。1.表面活性剂稀体系2.胶束溶液胶束的形成与增溶示意图CMC表面活性剂单体浓度表面活性剂浓度2.胶束溶液开始形成胶束的表面活性剂浓度为临界胶束浓度CMC；含有胶束的活性剂溶液为胶束溶液。概念：由油、水、表面活性剂、助表面活性剂（醇）、盐五种组分组成的，油水高度分散的体系（表面活性剂浓体系）。性质：具有超低的界面张力。相态：不同的配方，微乳液具有下相、中相、上相三种相态。3.微乳液微乳液的三种相态上相中相下相活性剂水溶液活性剂水溶液油油SWOA均相区（水外相微乳）两相区（水外相微乳+油）(a)水溶性表面活性剂SWOB均相区（油外相微乳）两相区（油外相微乳+水）(b)油溶性表面活性剂图3-1微乳液的准三组分相图(S—表面活性剂与助表面活性剂；W---盐水；O---油)OLUW油水外相微乳液(下相微乳液，L)油外相微乳液(上相微乳液，U)水(A)(B)图3-2图3-1中A、B两点的相态概念：一种或几种液体以小液珠的形式，分散在另一种不能互溶的液体中所形成的分散体系。性质：具有超低的界面张力。处于非平衡状态的多分散体系，在长时间静置下会分层。与微乳液及胶束溶液有很大区别。组成：油、水、乳化剂组成。4.乳状液乳状液微乳液胶束溶液颗粒大小大于0.1μm不均匀0.01~0.1μm均匀小于0.01μm均匀透光性不透明半透明、透明透明稳定性不稳定稳定稳定组份O、W、S（少量）O、W、S、盐、醇S、W性质高界面张力超低界面张力低界面张力与油水混溶性O/W型与水混溶W/O型与油混溶在一定范围与油、水可混溶未达到饱和，可溶解O、W乳状液、微乳液及胶束溶液的区别概念：由不溶性气体分散在液体中所形成的粗分散体系。气体是分散相，液体是连续相。组成：水、气、起泡剂（表面活性剂）。还有聚合物（增加体相黏度）和盐（调整表面活性剂的亲水亲油平衡值）。4.泡沫驱油体系四、表面活性剂溶液驱油机理表面活性剂稀体系驱油机理胶束溶液驱油机理微乳液驱油机理泡沫驱油体系驱油机理（1）（2）（3）（4）表面活性剂稀体系驱油机理1（1）亲水模型中的微观渗流（2）亲油模型中的微观渗流（3）亲水模型中的宏观动态（4）稀体系驱油机理（1）表面活性剂在亲水模型中的微观渗流稀体系注入后，能使残余油变形拉成丝，丝的前端断裂成一颗颗小油珠。（1）表面活性剂在亲水模型中的微观渗流稀体系注入后，可看到油在壁上铺开，显示出润湿性由亲水向亲油转变的迹象。（1）表面活性剂在亲水模型中的微观渗流速度小的地方，形成W/O型乳状液。使油形成长片，稀体系夹带油珠和长片油向前渗流。在驱替前缘形成油墙，油墙由W/O型乳状液和纯油组成。稀溶液驱后残余油的形态以油珠为多，分散在孔道壁的各部分。（2）表面活性剂在亲油模型中的微观渗流当稀体系接触到孔喉处的油时，由于界面张力降低，毛管力也降低，使喉道中的油很容易被驱出。（2）表面活性剂在亲油模型中的微观渗流稀体系可使残余油变形，处于流线上的油沿壁运移，积聚颗粒的驻点处，积多后变形拉长，桥接到另一颗粒上，最后成丝直至断裂，乳化成小油珠渗流。（3）表面活性剂在亲水模型中的宏观动态在稀体系驱油前方，形成一富集油墙，油墙宽度增加缓慢，由于指进现象，稀体系进入油墙。（4）表面活性剂稀体系的驱油机理1.降低油水界面张力—减少油滴通过孔喉的阻力。2.改变岩石的润湿性—亲油变亲水，降低液固界面能。3.乳化机理—运移、分散、聚并，形成乳状液。问题：存在表面活性剂损失及不利流度比。2.胶束溶液驱油机理（1）胶束的增溶作用（2）超低界面张力机理3微乳液驱油机理微乳液的超低界面张力可使驱替前缘与原油混相，消除渗流阻力。4泡沫体系驱油机理4泡沫体系驱油机理具有活性水或胶束的性质。（1）Jamin效应叠加，提高驱替介质的波及系数。（2）泡沫依据孔道形状而变形，能有效驱出波及到的孔隙中的油，提高洗油效率。五、表面活性剂驱油的影响因素1）表面活性剂当量研究表明，当量在200—500之间的石油磺酸盐具有较好的降低界面张力的能力；当量越高，当量分布越宽，驱油效果越好。2）表面活性剂分子结构①带支链的好于不带支链的。②基链长度为C12—C16时最好。3）表面活性剂浓度4)无机盐浓度最优含盐量时，油水界面张力达到最低。5）原油性质不同分子结构的碳氢化合物与表面活性剂形成的界面张力不一样。6）油藏温度油藏温度过高，化学吸附增加，不利于驱油。7）助表面活性剂醇的加入有利于驱油。六、表面活性剂在岩石表面的损失（一）机理１．吸附损失（物理吸附、化学吸附）２．沉淀损失３．离子交换（阳离子表活剂）（二）影响因素１．表活剂结构（引入支链，吸附减少）２．岩石类型（粘土矿物吸附量大）３．无机盐（NaCI增加吸附；磷酸钠，减少吸附。４．温度（温度增加，化学吸附量增加，物理吸附量减少）５．ＰＨ值（ＰＨ值增加，阴离子吸附量下降）（三）减少吸附方法1．ＰＨ﹥１０，吸附量下降。2.改变表活剂结构和活性剂复配。3．牺牲剂木质素磺酸、三聚磷酸钠。4.醇的作用5.鳌合剂的作用。降低Ca2+、Mg2+含量。七、表面活性剂驱油法的油田应用及发展方向选择表面活性剂的原则1234选择地层的原则应用情况发展方向1.选择表面活性剂的原则溶液的界面张力低；吸附作用小；与地层流体有好的可混溶性；成本低。2.选择地层的原则砂岩油层；油藏原油具有低密度、低粘度；地层温度小于120℃；地层水矿化度低；地层渗透率大于0.02m2；没有裂缝或高渗透贼层。3.油田应用情况不同表面活性剂驱油体系，在矿场上均有一定数量应用实例，但大部分仍停留在矿场试验阶段，并未进行工业化推广。由于表面活性剂成本高，在地层中损耗大，推广应用具有很大的风险性。4.表面活性剂驱油的发展扩大活性剂原料的来源，降低活性剂成本；利用化学剂的协同效应，进行复配，形成多元驱油体系；2.碱水驱油机理1.碱剂的类型与性质3.碱水驱油的应用及发展前景第二节碱水驱油法3.硅酸钠（泡花碱）2.碳酸钠（苏打）1.氢氧化钠（烧碱）一、碱剂的类型及性质又名烧碱；氢氧化钠为白色晶状固体，易溶于水，露置于空气中，容易吸收水分而潮解，故需密封保存；是强碱，在水中完全电离；有极强的腐蚀性，可与石英砂发生反应。NaOH+SiO2=Na2SiO3（溶于水）+H2O1.氢氧化钠碳酸钠俗称苏打，工业上又叫纯碱；无水碳酸钠为白色晶体，易溶于水；在水中完全电离，并能发生碱性水解。Na2CO3=2Na++CO32-CO32-+H2OHCO3-+OH-HCO3-+H2OH2CO3+OH-2.碳酸钠工业上称泡花碱；水溶液称为水玻璃。常按模数=SiO2：Na2O=3~5：1的配料比制备硅酸钠；模数越小，碱性越强，越易溶解；驱油中多选用弱减性的高模数水玻璃。3.硅酸钠1.降低界面张力碱与原油中的有机酸反应生成表面活性物质，可使油水界面张力降至10-2mN/m以下。酸值：中和一克原油使其pH值等于7时所需的氢氧化钾的毫克数。原油酸值应大于0.5mgKOH/g原油。确定原油特性是否适合碱水驱的一种指标。二、碱水驱油机理2.乳化-携带机理活性物质可使原油乳化成小油珠，被碱水携带通过地层。3.乳化-捕集机理剩余油被乳化，形成乳状液。流动过程中遇到比液滴小的孔隙吼道时，乳状液被捕集，从而增加了水的流动助力，即降低了水的流度，改善了流度比。4.改变岩石的润湿性机理（1）油湿转变为水湿：在高碱浓度与低盐浓度下，碱可通过改变吸附在岩石表面的油溶性活性物质在水中的溶解度而解吸，恢复岩石原来的亲水性，使岩石表面由油湿反转为水湿，从而提高了洗油效率。（2）水湿转变为油湿：在高碱、高盐浓度下，碱与原油中的酸性成分反应，生成的活性物质主要分配在油相并吸附到岩石表面上，使岩石表面从水湿转变为油湿。非连续的剩余油变成连续的油相被驱出。另外，可能形成油包水型乳状液，阻塞部分油流通道，扩大波及体积。原油中含有结构复杂的胶质、沥青质等，部分物质具有表面活性，能自发地吸附在油水界面形成坚硬的界面薄膜，碱的存在可以增大这些物质的溶解性。5.溶解坚硬的界面薄膜1.岩石组成的影响碱和岩石矿物之间相互作用，产生沉淀，损害地层。另外，消耗大量的碱。2.原油酸值的影响原油酸值是影响界面张力的重要因素，理想的原油酸值应》=0.5mgKOH/g原油。三、碱水驱油的影响因素3.溶液pH的影响碱水溶液的pH值不同，其驱油机理也不同；pH值也影响碱的消耗量。4.油藏温度的影响温度太高，会消耗大量