堿 /表面活性劑驅(qū)對稠油開采的作用

編譯:趙賢 (吉林油田分公司修井作業(yè)公司工藝研究所)

審校:郭學(xué)彥 (吉林油田分公司修井作業(yè)公司工藝研究所)

堿 /表面活性劑驅(qū)對稠油開采的作用

編譯:趙賢 (吉林油田分公司修井作業(yè)公司工藝研究所)

審校:郭學(xué)彥 (吉林油田分公司修井作業(yè)公司工藝研究所)

介紹了一種能夠在稠油 (11 500 mPa·s)地層中使用的堿/表面活性劑(AS)注水技術(shù)。該技術(shù)研究分析了AS注入如何產(chǎn)生能提高波及效率和采收率的水包油 (OIW)浮狀液。根據(jù)弱場核磁共振(NMR)進(jìn)行的現(xiàn)場飽和度試驗(yàn),從巖心驅(qū)替中獲得了數(shù)據(jù)。巖心驅(qū)替表明乳化作用對堵水和提高注水波及效率是最有效的。

稠油開采 堿/表面活性劑驅(qū)注水 提高采收率

1 前言

一些國家,如加拿大和委內(nèi)瑞拉,存在著大量的稠油和瀝青沉積,這些油砂巖都是高孔隙度、高滲透率的疏松油藏。在油藏條件下原油的黏度變化范圍從幾十到幾百萬mPa·s,其密度接近或高于水的密度。

目前預(yù)計(jì)把一次稠油開采規(guī)定為原油地質(zhì)儲量(OOIP)的5%,而剩余的儲量由二次采油和三次采油來開采。然而,加拿大的很多油藏都相對小并且儲層薄,在一次采油過程中就可能受到限制了。因此,對于昂貴的熱采或油氣溶劑增油技術(shù)來說,這些油藏不是很好的選擇。所以,就要考慮較經(jīng)濟(jì)的原油開采方法。

先期的研究主要應(yīng)用注水和AS注水改進(jìn)稠油開采。研究發(fā)現(xiàn),在稠油注水過程中,由于不利的水/油流度比導(dǎo)致黏度不穩(wěn)定,水會在注入的早期突破。水突破后,連續(xù)的水道貫穿了油藏。

在稠油注水的后期,毛細(xì)管力和水吸滲驅(qū)替是主要的開采機(jī)理。在較低的注入速率下,盡管含水較高,但水突破后仍能開采出大量的稠油。在一次采油和二次采油過程中都可以使用AS注入?？傊?結(jié)合注水和AS注入能夠在一次采油后極大地提高原油采收率。對壓力和開采數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,以便推測化學(xué)注入是如何工作的,對礫石充填部分流體的NMR圖譜進(jìn)行監(jiān)測來分析巖心的潤濕性。

2 化學(xué)劑注入

表面活性劑是一種既親油又親水的特殊分子結(jié)構(gòu),該特性使其能穩(wěn)定地存在于油水界面。這樣,非混相油水分子就被從界面中驅(qū)替出來,導(dǎo)致了油水界面表面張力 (IFT)的降低。堿驅(qū)是表面活性劑驅(qū)油的一個(gè)附屬系統(tǒng),由此,表面活性劑通過油中有機(jī)酸和注入的堿溶液反應(yīng)在地層中產(chǎn)生。在常規(guī)注水的非混相驅(qū)替中,剩余油以不連續(xù)的殘余油滴形式存在,通過毛細(xì)管力圈閉。降低油水界面表面張力能夠增加毛細(xì)管數(shù)及原油開采量。表面活性劑的影響會導(dǎo)致流體的乳化作用并且可能在潤濕性中發(fā)生變化。在常規(guī)油系統(tǒng)中,從水潤到油潤的潤濕性變化能夠改變油的相對滲透率并通過薄膜排驅(qū)在較低的飽和度上進(jìn)行原油開采?；瘜W(xué)劑注入現(xiàn)場應(yīng)用的挑戰(zhàn)與化學(xué)劑漏失到巖石表面有關(guān),但是,原油開采機(jī)理已經(jīng)進(jìn)行了明確界定。

在稠油油藏中,注水后期未開采原油由于不利的油水流度比未被波及。因此,這里的油仍然是連續(xù)的并且可以流動,但流動速率要根據(jù)巖石壓力梯度和滲透率來確定。一個(gè)簡單的油水界面表面張力降低機(jī)理與常規(guī)增油開采機(jī)理類似,在驅(qū)油的過程中是無效的。然而,注入的化學(xué)劑一定會提高油水流度比,將油更穩(wěn)定地驅(qū)替到生產(chǎn)井。

3 乳狀液和稠油開采

在一定條件下,OIW乳狀液在水中表面活性劑或堿混合物的條件下形成。這些以水為連續(xù)相的乳狀液黏度估計(jì)要低于以油為連續(xù)相的乳狀液黏度。因此,油的乳化和攜帶已經(jīng)考慮作為原油的開采機(jī)理,這樣油就以低黏度的OIW乳狀液產(chǎn)出。在AS注入稠油的微模型研究中觀察到這一乳化反應(yīng),但是在巖心驅(qū)替產(chǎn)出的流體中沒有觀察到實(shí)際的OIW乳狀液。因此,對于流動的OIW乳狀液而建議的機(jī)理是它們首先在含水相中彌散、攜帶,然后重新聚集形成一個(gè)油帶。

當(dāng)OIW乳狀液或WIO(油包水)乳狀液形成時(shí),液滴的乳化和圈閉就能提高原油開采率。甚至在低的表面張力條件下,這些液滴可能通過多孔介質(zhì)中的毛細(xì)管力圈閉,壓力驅(qū)替這些液滴是很明顯的。如果這些乳狀液液滴能夠在黏性指進(jìn)的過程中堵塞水道,那么波及效率就能提高。很多專家都已經(jīng)注意到,在黏油系統(tǒng)中,改進(jìn)波及效率比降低微觀剩余油飽和度有著更重要的影響。

4 潤濕性和稠油開采

堿或表面活性劑注入多孔介質(zhì)的另一個(gè)作用是能夠吸附于巖石上,改變巖石的潤濕性。通常,在具有相反電荷的巖石和表面活性劑油藏中,表面活性劑的吸附作用將得到促進(jìn)。然而,即使具有相同電荷的表面活性劑和巖石,一些吸附和潤濕性改變也會發(fā)生。在常規(guī)系統(tǒng)中,將油藏改變?yōu)橛H油狀態(tài)會導(dǎo)致油膜排水并改善流動,然而在稠油系統(tǒng)并非如此。在稠油油藏中,水突破后的原油開采是由于水的滲吸,因此油藏必須是親水的。如果化學(xué)劑注入改變了潤濕性,油就會黏附于巖石表面,那么AS注入后的進(jìn)一步注水就不再可行了。

對油藏潤濕性的了解是解釋化學(xué)劑注入效果的基礎(chǔ),然而這個(gè)參數(shù)是不容易測量的。通常,必須要做個(gè)假設(shè),因?yàn)樯皫r是天然親水的,所以油藏就傾向于親水。親水性可以通過薄膜穩(wěn)定性的理論計(jì)算得以證實(shí),然而只有少量實(shí)驗(yàn)證實(shí)砂巖一直是親水的。監(jiān)測潤濕性和潤濕性變化都是必要的。

如果稠油系統(tǒng)中乳化作用對提高原油采收率有影響,那么巖石潤濕性對形成乳狀液的作用就應(yīng)該考慮。接觸角分析對多孔介質(zhì)中流體不容易解釋,因?yàn)榭紫恫皇瞧矫?。因?在該研究中,弱場NMR用于了解AS注入過程中潤濕性是如何變化的。

5 通過去離子AS注入提高原油采收率

在全液研究中,據(jù)觀察當(dāng)去離子 (DI)水中出現(xiàn)化學(xué)劑時(shí),OIW乳狀液就會形成。然而,當(dāng)含水相含有水和2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的NaCl(鹽水)時(shí),只有黏性的WIO乳狀液形成。因此,通過注入去離子AS溶液,預(yù)計(jì)OIW乳化作用就會發(fā)生,而鹽水-AS注入會產(chǎn)生WIO乳狀液。這個(gè)作用在產(chǎn)出液和地層油和水的NMR圖譜中都得到了證實(shí)。圖1顯示了AS注入的注入壓力剖面和采油剖面的一個(gè)實(shí)例。在注水早期,以穩(wěn)定的速率注水,但黏性的油不能以相同的速率產(chǎn)出,壓力在巖心中建立。最終水將通過出口指進(jìn),當(dāng)水可以通過水道快速流動后,壓力快速下降。在注入大約5孔隙體積 (PV)水后,AS注入 (0.1%的表面活性劑, 0.5%的Na2CO3的去離子水)以相同的速率開始。AS溶液注入后,巖心受到增長壓力的影響。由于巖心中壓力增加,產(chǎn)出液主要是水。當(dāng)壓力達(dá)到最大值后,出水量降低,原油采收率提高。

圖1 AS注入后進(jìn)行注水的壓力和采收率剖面圖 (RF=采收率系數(shù))

在以較高的速率注入到低滲透率多孔介質(zhì)的過程中,流體剪切范圍較高。在較高的剪切條件下,較小的乳狀液液滴形成并且可以通過巖石孔隙流動。在這些條件下,對實(shí)際產(chǎn)出的OIW乳狀液進(jìn)行了測量。當(dāng)油作為一種OIW乳狀液產(chǎn)出后,乳狀液中的油餾分相對較少。相比之下,在較低的剪切條件下,當(dāng)油滴不能通過巖石孔隙時(shí),油就會堵塞水道,就會導(dǎo)致流路的重新分布及額外的原油開采。

早期的工作觀察到,更有效的AS注入具有較低、有效的AS溶液與黏油的流度比。圖2顯示了較低AS注入速率引起了較低有效流度比的注入,產(chǎn)生了更有效的原油開采。試驗(yàn)結(jié)果證明,較低的無因次剪切值反應(yīng)出較低的有效流度性比并改善了整個(gè)注入動態(tài)。巖心驅(qū)替的結(jié)果證明,最理想的原油開采效果來自于液滴的乳化作用和圈閉而不是由于攜帶和流動。

圖2 最小有效流度比和AS驅(qū)效果之間的關(guān)系

6 AS注入過程中的潤濕性變化

除了要評價(jià)降低AS注入速率對無因次剪切和注入效率的影響,第二個(gè)目的是要利用弱場NMR監(jiān)測油和水在地層中的位置。砂巖不含氫,因此NMR信號只能來自于巖心中的油和水。然而,流體張弛時(shí)間由流體特性 (如黏度)及流體所在孔隙空間的表面積/體積比控制。

試驗(yàn)證明在化學(xué)劑注入過程中不斷地形成了WIO乳狀液,并且這些乳狀液至少部分地反應(yīng)出這些注入過程中測得的壓力響應(yīng)。然而,注水圖譜分析顯示,即使觀察到的WIO乳化作用水平較低,巖石仍然是親水的。而且,表面活性劑吸附是一個(gè)隨時(shí)間變化的過程;因此,在較慢的AS注入過程中或巖石接觸表面活性劑較長時(shí)間的情況下,潤濕變化的可能性就會增長。所以,對最低注入速度 (0.045 m/d)的DI-AS注入進(jìn)行了更詳細(xì)的分析。在這個(gè)注入速度下,1 PV注入需要大約120 h。因此,提供給了表面活性劑吸附和可能的潤濕性變化更長的時(shí)間。

在低速稠油注水過程中,滲吸是主要采油機(jī)理,薄膜中的含水飽和度隨時(shí)間增長。水膜增厚是巖石親水特性和滲吸過程的證明。如圖3所示,DI -AS流體注入后,巖心中壓力升高,界面水的體積下降并且WIO乳狀液增加。因此,存在于孔隙中的水在油中被乳化了。在圖3中,另一個(gè)對系統(tǒng)潤濕性的觀察是通過水膜飽和度測試獲得的。在注水過程中所做的直接觀察中,注入的水膜飽和度始終是恒定的,因此,沒有注入流體能夠通過水膜流動。

圖3 低速DI-AS注入過程中水飽和度在不同位置的變化

在DI-AS注入的后期,如果巖石已經(jīng)是親水的并且WIO乳狀液已經(jīng)形成,那么進(jìn)行其他的鹽水-AS注入或注水將是無益的。鹽水-AS注入將要設(shè)計(jì)產(chǎn)生一個(gè)具有較高WIO乳狀液水平的親水巖心,這種情況在低速DI-AS注入后已經(jīng)存在了。同樣,在稠油注水開發(fā)過程中由于水的滲吸油被采出,這個(gè)機(jī)理就不再存在于油濕巖心或低IFT的巖心中。為進(jìn)行更深入的調(diào)查,在DI-AS注入后進(jìn)行注水。

巖心仍然含有表面活性劑溶液,所以注水響應(yīng)只有當(dāng)表面活性劑從系統(tǒng)中沖刷出來后才能確定。為了快速排出表面活性劑,DI水以接近1 PV的一個(gè)相對較快的前緣速度 (0.27 m/d)注入。在這一過程中,低滲透率巖心中壓力明顯提高,這會引起很高的無因次剪切。于是,油像OIW乳狀液一樣產(chǎn)出,這會引起產(chǎn)量2%OOIP的額外增長。注水前緣速度被低到0.045 m/d后,巖心中的壓力快速下降。在大約2 PV的水注入后,系統(tǒng)壓力更低并且表面活性劑也已經(jīng)被從巖心中沖刷出來。在這點(diǎn)上,注水響應(yīng)可以確定。

在下一個(gè)2.5 PV的水注入后,只有額外1%的OOIP采出。因此,注水明顯比在DI-AS注入前效率減少,再一次表明了一個(gè)更親油的條件。在大約5 PV的水注入后,在同一注入速度下,一種表面活性劑驅(qū)油方式形成。表面活性劑單獨(dú)不能影響低的IFT,但是在全液研究中,它使玻璃更加親水;因此,表面活性劑注入可以恢復(fù)巖石最初的潤濕性。在考慮不同位置 (乳狀液、孔隙和薄膜)的水飽和度時(shí),就會很好地了解注入響應(yīng)。在注水過程中,WIO乳狀液飽和度緩慢降低,界面 (孔隙)水飽和度增加。因此,低速的注水會突破乳狀液并再次形成水道,導(dǎo)致沒有額外的油產(chǎn)出。注入0.1%表面活性劑溶液,觀察到了同樣的趨勢。然而,建議關(guān)閉巖心后注入,界面水飽和度急劇增加并且乳狀液飽和度降低到0。同樣,還測得水膜飽和度增加。

現(xiàn)在還不知道為什么鹽水-AS溶液不能將潤濕性轉(zhuǎn)化為親油條件。相反,這個(gè)溶液看起來可以通過水道簡單地循環(huán),基本上沒有額外的油產(chǎn)出。然而,在表面活性劑注入和侵潤或可能的長期低速注水的條件下,巖心可能恢復(fù)到它的親水狀態(tài)。因此,額外的注水開采也許是可行的,這是未來研究的重點(diǎn)。

資料來源于美國《J PT》2009年1月

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.9.008

2009-05-04)