熱引發(fā)的潤濕性轉(zhuǎn)換機理研究

編譯:侯冠中 (中國海洋石油監(jiān)督監(jiān)理技術(shù)公司)

侯秀蘭 (阿什卡集團)

康云 (勝利油田臨盤采油廠地質(zhì)所)

審校:劉志波 (中國石油大學(xué) (北京)石油天然氣工程學(xué)院)

熱引發(fā)的潤濕性轉(zhuǎn)換機理研究

編譯:侯冠中 (中國海洋石油監(jiān)督監(jiān)理技術(shù)公司)

侯秀蘭 (阿什卡集團)

康云 (勝利油田臨盤采油廠地質(zhì)所)

審校:劉志波 (中國石油大學(xué) (北京)石油天然氣工程學(xué)院)

潤濕性是共存于一個系統(tǒng)的一個流體在另一個流體存在時潤濕固體表面的相對趨勢。油濕巖石大部分是裂縫性碳酸鹽巖地層,如果巖石潤濕性改變,通過自然的滲吸其采油效率就能得到改進。在這一研究中,用接觸角測量結(jié)果來研究在原油中和暴露于蒸汽中的老化時間對方解石、云母、石英和玻璃表面潤濕性的影響。同時研究了用不同的溶劑沖洗老化的表面對潤濕性的影響,用此來檢查在這項工作中使用的方法和接觸角測量過程的準(zhǔn)確性。當(dāng)在原油中老化的礦物表面暴露于蒸汽時,觀察到潤濕性轉(zhuǎn)換的不同結(jié)果。石英、方解石和玻璃表面恢復(fù)到它們原來的水濕度,而云母表面顯示向增加的油濕狀態(tài)變化的趨勢。在這些試驗過的礦物中,當(dāng)暴露于蒸汽中時方解石表面的潤濕性轉(zhuǎn)換最小。同樣,應(yīng)用玻璃微模型研究注蒸汽和熱水對潤濕性的影響。在微模型中的流體分布和殘余油飽和度,當(dāng)注入蒸汽和熱水時潤濕性向水潤濕變化。

潤濕性 潤濕轉(zhuǎn)換 熱采 蒸汽 接觸角

1 引言

潤濕性是從非常規(guī)的和衰竭的石油資源中增加采油量的關(guān)鍵機理。在非裂縫性巖石中,從一個很強的潤濕狀態(tài)到一個適當(dāng)?shù)臐櫇駹顟B(tài) (中和的潤濕性)的潤濕性的改變導(dǎo)致更多的采油量。另一方面,由于毛細(xì)管滲吸作用的水進入到裂縫性巖石的基質(zhì),防止了油再滲吸進入相鄰的基質(zhì),因此,向更多水濕度的潤濕性轉(zhuǎn)換導(dǎo)致更高的采油量。在這種觀點中,如果潤濕性人工地改變到適合的取決于采油過程特性的狀態(tài),將會采出更多的油。

通過使用常規(guī)的提高采收率過程如熱采,潤濕性轉(zhuǎn)換是一個可行的方案,不過應(yīng)當(dāng)精確地了解改變的機理。熱引發(fā)的潤濕性轉(zhuǎn)換是幾個研究的核心,但是許多年來仍然是個難題。然而,關(guān)于溫度對潤濕性的影響仍然是不確定的:對溫度引發(fā)的潤濕性轉(zhuǎn)換是如何變化的不完全了解。Ayatollahi等人根據(jù)實驗顯示認(rèn)為,在這些不同技術(shù)性能中,由熱力采油方法引發(fā)的潤濕性轉(zhuǎn)換是主要原因。Rao認(rèn)為,在許多事例中,在較高的溫度下砂巖變得更為油濕而大部分碳酸鹽巖傾向于顯示水潤濕特性。Al-Hadhrami和Blunt同意Rao的看法,并得出結(jié)論:溫度的增加導(dǎo)致更多的水潤濕的碳酸鹽巖。他們指出,在中東裂縫性碳酸鹽巖儲層的基質(zhì)中,由毛管壓力截留的油的總量是相當(dāng)大的。通過實驗對比,貝雷砂巖和硅藻巖由于熱力采油溫度的增加可引起水潤濕。

除了懷疑溫度對潤濕性影響外,在高的溫度下潤濕性改變的機理仍然是高深莫測的。對潤濕性轉(zhuǎn)換機理比較好地了解,可清楚地解決許多現(xiàn)存的關(guān)于全過程的問題。得到廣泛認(rèn)可的是,最初水潤濕的巖石表面到油濕狀態(tài)的潤濕性轉(zhuǎn)換的發(fā)生是通過長期的有機碳水化合物的沉淀,這些礦物與原油和鹽水相接觸。儲集巖的潤濕性取決于吸附在巖石表面原油的極性組成。轉(zhuǎn)換主要通過四個不同的機理:①極性的交互作用 (極性有機分子的吸附作用);②表面沉淀 (主要是瀝青質(zhì));③酸基的交互作用 (表面的電荷);④離子結(jié)合 (鹽水中的多價離子)。每一種機理都有其特有的影響,并且都在特定的條件下出現(xiàn)。同時也發(fā)現(xiàn)每一種機理的潤濕性轉(zhuǎn)換取決于原油鹽水的組成、老化時間、溫度和壓力。瀝青質(zhì)是天然的餾分,在芳香族溶劑中是可溶解的,但不能在parrafine中溶解。從有機分子到吸附在礦物表面的沉淀物的趨勢可能在升高的溫度下改變,并且這些分子可能會從表面分開,這將再次引起潤濕性轉(zhuǎn)換到或多或少最初的水潤濕的狀態(tài)。對于沒有有機液相存在的潤濕性轉(zhuǎn)換也有報道。對砂巖和硅藻巖的其他建議是,油濕的細(xì)小的分離向水潤濕的潤濕性轉(zhuǎn)換。他們認(rèn)為,形成于礦物表面和吸附的烴類之間的復(fù)雜分子是穩(wěn)定的,并且其解吸附作用實際上是不可能的。

熱力提高采收率方法的成功應(yīng)用需要精確地了解潤濕性向水濕狀態(tài)的反轉(zhuǎn)機理。不同的礦物表面潤濕性轉(zhuǎn)換機理是本項研究的主題。對云母、方解石、石英和玻璃表面由于在原油中老化的時間和溫度而發(fā)生的潤濕性轉(zhuǎn)換進行了觀察試驗。另外,對在原油 (油濕的)中老化和熱力處理 (水濕的)的模型,在不同的玻璃微模型中仔細(xì)監(jiān)測流體分布。

2 潤濕性的實驗測定資料和方法

使用不同的方法來預(yù)測一個系統(tǒng)的表面潤濕性。這里根據(jù)實驗使用接觸角測量來研究潤濕性及其變換,這是眾所周知的精確方法。

在本項研究中,用地方礦物公司的薄玻璃滑板、光滑新鮮的方解石、云母和石英表面作為固相。這里使用的礦物是用于接觸角測量的薄表面,它們大體上代表了普通儲集巖組成。把蒸餾水、甲苯、正癸烷、煤油和環(huán)己烷當(dāng)作溶劑和參考介質(zhì)進行接觸角測量。伊朗陸上儲層的原油用于老化和潤濕性轉(zhuǎn)換誘導(dǎo)。原油的屬性如表1所示。

表1 原油的酸性和SARA組分

為了測量接觸角,在一個小的玻璃容器中放置礦物樣品,容器中充滿了煤油,然后在樣品上滴一滴蒸餾水。當(dāng)液滴在礦物表面穩(wěn)定后,通過精密的電子顯微鏡測量三個相 (蒸餾水、煤油和礦物表面)之間的接觸角 (圖1)。在實驗過程中,研究老化時間、溶劑類型和暴露于蒸汽對表面潤濕性的影響。為了檢驗多孔介質(zhì)接觸角測量的結(jié)果,在二維玻璃微模型中檢測不同狀態(tài)下的流體分布。

3 結(jié)果和討論

3.1 老化時間對潤濕性的影響

為了研究老化時間對潤濕性的影響,在大氣壓和80℃條件下把新鮮的礦物樣品在原油中浸泡不同的時間 (1、7、15和31天)。在老化過程的最后階段,用環(huán)己烷小心地沖洗樣品10 s,其后測量蒸餾水/煤油/礦物的接觸角。老化時間對方解石、玻璃、云母和石英樣品潤濕性的影響如圖2～圖5所示。注意,在清洗過程中環(huán)己烷不能沖洗表面的沉淀物和吸附的分子,主要去掉表面水濕的液體。如圖中所示,老化時間的增加導(dǎo)致礦物油濕特性的增加。由于樣品浸泡在原油中離開了水膜,在老化過程中要求潤濕性轉(zhuǎn)換的兩個機理:極性的交互作用和表面沉淀。由圖2～圖5可知,在原油中老化15天后,發(fā)現(xiàn)接觸角增加顯著,最有可能的原因是潤濕性轉(zhuǎn)換機理的變化。

圖1 接觸角測定儀器

圖2 老化時間對方解石潤濕性的影響

圖3 老化時間對玻璃潤濕性的影響

圖4 老化時間對云母潤濕性的影響

3.2 溶劑對潤濕性的影響

為了接觸角的精密測量,用環(huán)己烷小心地沖洗樣品以洗掉表面殘留的液體。也用正癸烷來沉淀固體表面含水原油膜中殘留的瀝青質(zhì)。另外,在接觸角測量中必須研究作為參考油相——煤油的影響。對分別用環(huán)己烷、正癸烷和煤油沖洗的樣品,測量水-煤油的接觸角。接觸角測量結(jié)果如表2所示,說明了每個溶劑對老化表面的影響。先前部分的結(jié)果顯示,在原油中老化7天以后的樣品大部分是中性潤濕或弱水濕的。與用環(huán)己烷沖洗的表面相比,用正癸烷和煤油沖洗的樣品測量的接觸角顯示較強的油濕狀態(tài),表明在7天老化過程中極性的交互作用是潤濕性轉(zhuǎn)換的主要機理。用環(huán)己烷小心地沖洗表面這個過程,有助于處理在每一階段用煤油作為油相的接觸角測量。

表2 溶劑對不同老化礦物接觸角的影響示例

圖5 老化時間對石英潤濕性的影響

3.3 蒸汽對潤濕性的影響

潤濕性轉(zhuǎn)換是熱力提高采收率方法的一個重要方面,然而變換的過程和程度對采油方案的成功與失敗起著重要的作用。例如,一個向更強的油濕狀態(tài)變化的不理想的潤濕性轉(zhuǎn)換將降低熱采方法的降黏效果,熱采方法通過巖石孔隙里面毛細(xì)管對殘余油滴進行截留。對不同樣品研究熱采方法下的礦物表面的潤濕性轉(zhuǎn)換。老化的樣品首先要用溶劑沖洗,然后暴露于大氣壓下120℃的蒸汽中50 min,接著在樣品冷卻到室溫后測量水-煤油的接觸角。

接觸角測量的結(jié)果如表3～表5所示。在新鮮的和老化的 (浸泡原油15天)樣品暴露于蒸汽后,用環(huán)己烷和煤油沖洗它們的結(jié)果顯示潤濕性恢復(fù)。結(jié)果同時也顯示,當(dāng)通過表面沉淀來改變潤濕狀態(tài)時,由于在熱采方法中洗去表面沉淀的瀝青質(zhì),由此蒸汽能夠反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換路線變向水潤濕的。研究結(jié)果也顯示,至少對于這里研究的四個不同的表面 (方解石、玻璃、云母和石英)來說,不管礦物是何類型這個機理都會發(fā)生。

當(dāng)用甲苯?jīng)_洗老化樣品時,得到了除云母表面外的同樣的結(jié)果 (表6)。云母樣品的結(jié)果顯示,當(dāng)老化的云母樣品暴露于蒸汽時它的潤濕性向親油方向變化。云母表面的復(fù)合層狀結(jié)構(gòu)和高的吸附容量可以認(rèn)為是這個觀察的主要原因。

表3 蒸汽對用環(huán)己烷沖洗的礦物樣品潤濕性的影響

表4 蒸汽對用正癸烷沖洗的礦物樣品潤濕性的影響

表5 蒸汽對用煤油沖洗的礦物樣品潤濕性的影響

表6 蒸汽對用甲苯?jīng)_洗的礦物樣品潤濕性的影響

3.4 微模型實驗

圖6 水潤濕的微模型中殘余油的分布

圖7 油濕的微模型 (老化15天)中殘余油的分布

均一的玻璃微模型最初裝滿了鹽水,然后用油代替鹽水在原生水狀態(tài)建立初始的油,接著用水驅(qū)微模型直至如圖6所示的殘余油飽和度。殘油滴和油水的分布?xì)w因于用于微模型的玻璃樣品的強的水濕度。在原油中老化15天的微模型具有同樣的結(jié)果 (圖7),末端的潤濕性轉(zhuǎn)換向油濕性變化。把未飽和的老化模型暴露于蒸汽來研究蒸汽對潤濕性的影響,并預(yù)測在熱處理的多孔介質(zhì)中油和水的飽和度分布。當(dāng)模型暴露于蒸汽中,潤濕性恢復(fù)到原始濕度的程度如圖8所示。原始濕度在接觸角測試中已經(jīng)顯示。

圖8 注蒸汽后油濕微模型中殘余油的分布

4 結(jié)論

研究了作為熱力提高采收率方法的注蒸汽對不同礦物表面潤濕性轉(zhuǎn)換的影響。老化時間和老化狀態(tài)的結(jié)果是首要考慮的,并且通過用選定的溶劑沖洗樣品來觀察其變化。在試驗過程中,接觸角測量和微模型中的流體分布是研究潤濕性和潤濕性轉(zhuǎn)換的方便工具。

(1)煤油-水在玻璃表面的接觸角和原油-鹽水在玻璃微模型中分布的相似結(jié)果說明,研究光滑礦物表面潤濕性轉(zhuǎn)換能夠代表真實狀態(tài),并對現(xiàn)實情況下決定潤濕性轉(zhuǎn)換機理的研究結(jié)果很有價值。

(2)在原油中老化 (浸潤)的礦物樣品改變表面的潤濕性,從水濕到油濕。在較短的老化時間內(nèi)通過極性交互作用機理使?jié)櫇裥缘玫礁淖儭Ｔ谠椭懈M一步地老化,由于表面瀝青質(zhì)的沉淀使表面更油濕。

(3)當(dāng)樣品暴露于蒸汽中,除了云母外,其他的礦物表現(xiàn)相同的向水潤濕的狀態(tài)。云母樣品的油濕狀態(tài)是由于極性的交互作用,與其初始的較弱的油濕狀態(tài)相比較,潤濕性轉(zhuǎn)換向更強的油濕狀態(tài)變化。另外,除了通過極性交互作用機理完成潤濕性轉(zhuǎn)換,當(dāng)暴露于蒸汽中時石英表面恢復(fù)水濕性的趨勢最低。事實證明,表面暴露于較高的溫度和蒸汽中時有機組成的解吸附作用是可行的,而這是以前其他研究人員所忽略的。

(4)如果初始的潤濕性是通過極性交互作用改變的,則在暴露于蒸汽后含有大量黏土和層狀硅酸鹽的巖石的潤濕性將向著更油濕的狀態(tài)轉(zhuǎn)變。

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.8.009

資料來源于美國《SPE 120354》

2009-03-31)