抗垢堿提高稠油采收率機(jī)理研究

湯明光，劉清華，張貴才，陳立峰

（1.中海石油（中國）有限公司湛江分公司，廣東湛江524057；2.中國石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東青島266580）

抗垢堿提高稠油采收率機(jī)理研究

湯明光1，劉清華1，張貴才2，陳立峰2

（1.中海石油（中國）有限公司湛江分公司，廣東湛江524057；2.中國石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東青島266580）

針對勝利油田夏八區(qū)塊稠油油藏地層水鈣鎂離子濃度高，使用常規(guī)堿劑如氫氧化鈉和碳酸鈉等進(jìn)行驅(qū)油均會產(chǎn)生結(jié)垢問題，開展了具有抗垢作用的驅(qū)油用堿研究。選用具有良好耐垢性能的偏硼酸鈉（NaBO2）進(jìn)行了室內(nèi)研究，并使用填砂管驅(qū)替實(shí)驗(yàn)評價了其驅(qū)油效果。結(jié)果表明：雖然NaBO2溶液降低油水界面張力的效果不好，但其驅(qū)油效果較好。驅(qū)替過程中，在較高的堿溶液濃度下出現(xiàn)了大的壓差響應(yīng)，且提高采收率的幅度隨著堿溶液濃度的增加而增大。NaBO2溶液提高稠油采收率的微觀機(jī)理為：堿溶液易侵入原油中并形成分散液滴，這些液滴隨即轉(zhuǎn)變?yōu)閃/O型乳狀液，封堵高滲流通道，抑制黏性指進(jìn)，從而提高波及系數(shù)。

稠油；抗垢用堿；W/O型乳狀液；提高采收率

0 引言

稠油油藏具有較高的黏度，油水間不利的流度比使得注水開發(fā)只能采出原油地質(zhì)儲量的5%～10%［1］。因此，許多通過降低原油黏度、減小水油流度比的熱采方法被采用。但有些油藏埋藏淺，油層薄，熱量損失嚴(yán)重，導(dǎo)致不適合采用熱采方法。國內(nèi)外在關(guān)于化學(xué)驅(qū)對稠油采收率的影響方面做了大量的研究［2-3］。從前人的研究工作［4-5］中可得出，堿驅(qū)方法能顯著地提高稠油采收率。稠油通常含有高的酸值［6］，堿劑通過與稠油中的石油酸發(fā)生反應(yīng)，生成原位表面活性劑，這些表面活性劑吸附在油水界面上，能明顯地降低界面張力，促使原油乳化，而乳化是堿驅(qū)提高采收率的重要機(jī)理。Pei等［7］認(rèn)為在堿驅(qū)過程中形成的油包水（W/O）型乳狀液對提高稠油采收率起到了很大的作用，堿溶液先侵入油相中，形成液滴，隨后轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂泻芨唣ざ鹊腤/O型乳狀液，可阻塞水驅(qū)過程中形成的高滲流通道，使波及系數(shù)提高，從而增加稠油采收率。Arhuoma等［8］考察了稠油油藏堿驅(qū)中壓差和采收率的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)壓差隨著注入堿濃度的增大而增大，同時，經(jīng)微觀照片分析發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)出液為黏度較高的W/O型乳狀液，可封堵高滲流通道，迫使注入液體轉(zhuǎn)向，從而提高波及系數(shù)。這從表觀上表現(xiàn)為驅(qū)替壓差升高，因此采收率表現(xiàn)為隨著壓差的增大而增加。

堿對二價離子比較敏感，堿溶液用水中的Ca2+和Mg2+可引起注入系統(tǒng)和近井地帶結(jié)垢。Jennings等［9］總結(jié)出，鈣離子的存在增加了水的硬度，可以使形成的原位表面活性劑失去活性，因此在配置堿溶液時，需要移除鈣離子。Berger等［10］將三元復(fù)合驅(qū)（ASP驅(qū)）中的無機(jī)堿換成有機(jī)堿進(jìn)行了研究，考察了有機(jī)堿對OASP驅(qū)（含有機(jī)堿的復(fù)合驅(qū)）中界面張力、黏度和吸附的影響，并與常規(guī)的ASP驅(qū)進(jìn)行了對比。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，有機(jī)堿不受水硬度的影響，而且加強(qiáng)了聚合物在增加黏度方面的能力，總體效果優(yōu)于常規(guī)的ASP驅(qū)。

偏硼酸鈉（NaBO2）是一種堿性金屬硼酸鹽，水溶液顯堿性。B原子具有空軌道，可以螯合Ca2+和Mg2+，減小其對界面張力的影響。Flaaten等［11］發(fā)現(xiàn)含有NaBO2的表面活性劑配方在硬水中表現(xiàn)出好的驅(qū)油效果。Zhang等［12］所做的二氧化硅和碳酸鹽加強(qiáng)滲吸驅(qū)油實(shí)驗(yàn)表明，NaBO2性能優(yōu)于Na2CO3，且發(fā)現(xiàn)NaBO2可耐6 000×10-6的Ca2+和Mg2+，在提高采收率和改變巖石表面化學(xué)性質(zhì)方面與Na2CO3效果相似，但NaBO2既可提供高pH值，也能耐鹽水中高濃度的二價陽離子，因而在提高原油采收率方面具有巨大潛力。

筆者利用填砂管模型考察NaBO2對勝利油田稠油油藏的驅(qū)油效果，并利用微觀模型研究其提高采收率的機(jī)理。

1 驅(qū)替實(shí)驗(yàn)

1.1 材料和藥品

實(shí)驗(yàn)所用原油取自勝利油田夏八區(qū)塊，其基本參數(shù)如表1所列。實(shí)驗(yàn)中所用溶液均選用夏八區(qū)塊模擬地層水配制，地層水組成如表2所列。

表1 夏八區(qū)塊原油的基本參數(shù)Table1Basic parameters of crude oil in Xiaba block

表2 夏八區(qū)塊地層水離子組成Table 2Ionic composition of the formation water in Xiaba block mg/L

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

1.2.1 界面張力測量

按照旋滴法測定了堿性耐垢體系溶液和夏八區(qū)塊稠油之間的動態(tài)界面張力，并采用Texas-500界面張力儀在50℃溫度條件下測定了油與不同溶液間的界面張力。首先在樣品管中加入形成界面的油水兩相，然后在儀器的帶動下使樣品管以一定的角速度快速旋轉(zhuǎn)，在離心力、重力及界面張力的綜合作用下，密度較小的油相在密度較大的水相中逐漸被拉成一呈長橢球體的液滴。假設(shè)液滴的長軸直徑為L，短軸直徑為D，當(dāng)L/D≥4時［13］，界面張力（IFT）的計(jì)算公式為

式中：Δρ為油水密度差，kg/m3；ω為樣品管轉(zhuǎn)動的角速度，rad/s；r為液滴短軸半徑，m。

在實(shí)驗(yàn)過程中，通常測定的是液滴的表觀直徑d，這是因?yàn)橛^測到的液滴是經(jīng)過放大的，而不是實(shí)際尺寸，因此式（1）可變?yōu)?/p>

式中：σ為界面張力，mN/m；ρw為水相密度，g/cm3；ρo為油相密度，g/cm3；ω′為轉(zhuǎn)速，rad/min；D為液滴寬度，mm；L為液滴長度，mm；n為水相折光率。

界面張力儀中安裝了照片采集和分析軟件，可自動計(jì)算和記錄動態(tài)界面張力。

1.2.2 填砂管驅(qū)替實(shí)驗(yàn)

夏八區(qū)塊油層埋藏深度為1 460～1 520 m，地層溫度為50～57℃，儲層孔隙度平均為32%，屬于中孔、中滲稠油油藏。實(shí)驗(yàn)所用填砂管長度為30 cm，直徑為2.6 cm。制作填砂管的步驟為：將洗凈并干燥好的石英砂按照篩網(wǎng)孔徑分為150～180 μm和120～150 μm，將前后二者按照3∶1的比例混合均勻后進(jìn)行填制。按照此比例制作的填砂管，孔隙度和滲透率均接近實(shí)際地層條件。

將填砂管垂直放置，每次加入適量的石英砂和夏八區(qū)塊地層水，然后振蕩填砂管，使砂子夯實(shí)。在整個過程中，確保水面高于砂子表面，以防止空氣進(jìn)入。

填砂管驅(qū)替裝置如圖1所示。填砂管驅(qū)替過程如下：①填砂管填砂完成后，選用夏八區(qū)塊地層水進(jìn)行飽和，然后測定滲透率，并計(jì)算孔隙度；②將夏八區(qū)塊原油以恒定速度注入填砂管，直至出口端含水率小于2%，計(jì)算原油飽和度；③水驅(qū)至產(chǎn)出液體含油率小于2%，然后注入0.3 PV的化學(xué)劑段塞，轉(zhuǎn)后續(xù)水驅(qū)，直到產(chǎn)出油可忽略不計(jì)（含油率小于2%）；④產(chǎn)出液中加入破乳劑，放置于50℃溫度條件下，直到油和水完全分離，讀出油的體積，最后計(jì)算出采收率。如無特殊情況，驅(qū)替過程中地層水和化學(xué)劑段塞均以0.5 mL/min的速度注入。

圖1 填砂管驅(qū)替裝置1.蒸餾水；2.平流泵；3.壓力表；4.鹽水容器罐；5.原油容器罐；6.堿液容器罐；7.壓力采集系統(tǒng)；8.填砂管模型Fig.1The equipment for sandpack displacement

1.2.3 微觀可視化實(shí)驗(yàn)

微觀驅(qū)替實(shí)驗(yàn)中所用模型為親水性的玻璃刻蝕模型，孔隙體積為0.012 mL，孔隙度為36.83%。微觀驅(qū)替實(shí)驗(yàn)的步驟為：①模型抽真空后，飽和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的NaCl（為了便于觀察驅(qū)替中的現(xiàn)象，溶液中加入了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%的曙紅）；②向玻璃模型中注入夏八區(qū)塊原油，驅(qū)替出模型中的鹽水；③以0.003 mL/min的速度進(jìn)行驅(qū)替，錄制整個驅(qū)替過程；④分析圖像。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 NaBO2驅(qū)油效果研究

NaBO2是一種弱堿，0.1%～1.0%NaBO2的pH值為9～11。之所以選擇NaBO2作為驅(qū)油劑，主要是基于2個方面的考慮：一方面是由于夏八區(qū)塊稠油的酸值較高，達(dá)到4.66 mg KOH/g；另一方面是由于夏八區(qū)塊地層水中的鈣鎂離子含量較高，使用NaOH和Na2CO3等堿劑會產(chǎn)生結(jié)垢等問題，進(jìn)而影響驅(qū)油體系的注入。由于NaBO2對鈣鎂離子具有較強(qiáng)的螯合能力，因此，與夏八區(qū)塊地層水進(jìn)行配置時不會出現(xiàn)結(jié)垢問題（圖2）。

圖2 不同堿液與夏八區(qū)塊地層水配伍性研究Fig.2Compatibility of different alkali with formation water in Xiaba block

考慮到NaBO2同鈣鎂離子反應(yīng)可能會生成聚合物類硼酸鹽，因此使用Brookfield DV-2型黏度計(jì)分別測定了用蒸餾水和地層水配制的0.5%NaBO2溶液的黏度，其值分別為1.59 mPa·s和1.79 mPa·s。選用地層水時的黏度稍有增加，增加幅度約為12.6%。由此可以得出，生成的聚合物類硼酸鹽不會起到抑制黏性指進(jìn)的作用。

在50℃溫度條件下，共進(jìn)行5組驅(qū)替實(shí)驗(yàn)考察了NaBO2溶液的驅(qū)油效果。填砂管參數(shù)、化學(xué)劑段塞組成及驅(qū)替結(jié)果如表3所列。

在水驅(qū)后注入0.3 PV的NaBO2溶液，并評價了不同含量NaBO2溶液的驅(qū)油效果（圖3）。從圖3可以看出：0.3%～1.0%NaBO2溶液均顯示出了好的驅(qū)油效果；NaBO2含量越高，采收率增加幅度越大；其中1.0%NaBO2溶液采收率增幅可達(dá)到27.1%。

圖4為NaBO2溶液與夏八區(qū)塊原油間的動態(tài)界面張力。從圖4可看出，單純的NaBO2溶液降低油水界面張力的效果不好，說明NaBO2溶液并不是通過提高洗油效率來提高采收率的。Zhang等［14］的研究表明，在提高采收率方面，增加水相黏度比降低界面張力更為有效，這也進(jìn)一步驗(yàn)證了界面張力大小不是評價稠油堿驅(qū)的重要標(biāo)準(zhǔn)。

表3 填砂管驅(qū)替總結(jié)Table 3Summaries of sandpack displacement

圖3 NaBO2溶液濃度對驅(qū)油效率的影響Fig.3Influence of NaBO2concentration on the displacement efficiency

圖4 NaBO2溶液與夏八區(qū)塊原油間的動態(tài)界面張力Fig.4The curves of dynamic IFT between NaBO2solution and heavy oil

圖5 為填砂管驅(qū)替實(shí)驗(yàn)中注入NaBO2溶液的壓力曲線。從圖5可看出：水驅(qū)后注入NaBO2溶液，注入壓力會明顯上升；NaBO2溶液濃度越高，注入壓力上升越明顯，采收率提高的幅度也越大。一般來講，由于稠油的黏度遠(yuǎn)高于水的黏度，因此水驅(qū)過程中存在嚴(yán)重指進(jìn)現(xiàn)象。一旦注入水突破填砂管，注水壓力會明顯降低；之后，注入水主要沿水流通道竄流，導(dǎo)致注入水波及系數(shù)降低。在水驅(qū)后的填砂管中注入NaBO2溶液后，注入壓力明顯上升，說明NaBO2溶液對水流通道產(chǎn)生了封堵作用，迫使注入水流向富油區(qū)，從而提高了波及系數(shù)。

圖5 注入NaBO2溶液期間壓力變化Fig.5Pressure changes during NaBO2solution flooding

2.2NaBO2微觀驅(qū)油機(jī)理研究

為了深入研究NaBO2封堵高滲透層的機(jī)理，采用微觀可視化實(shí)驗(yàn)考察了NaBO2在孔隙介質(zhì)中的滲流行為。

使用0.5%鹽水進(jìn)行了微觀可視化驅(qū)替實(shí)驗(yàn)。從圖6（a）可觀察到：當(dāng)鹽水進(jìn)入模型后，沿對角線快速突破，一旦鹽水突破后，驅(qū)替過程中的波及體積基本不會增加，導(dǎo)致模型對角線兩側(cè)大量的稠油未被波及到。這是由于稠油黏度大，水油流度比較高，使得稠油水驅(qū)時指進(jìn)現(xiàn)象嚴(yán)重，突破后形成水流大通道，導(dǎo)致大量的稠油留在模型中。因此，水驅(qū)采收率低主要?dú)w因于不利的流度比。

同樣使用0.5%NaBO2進(jìn)行了微觀可視化驅(qū)替實(shí)驗(yàn)。從圖6（b）可以看出，NaBO2與夏八區(qū)塊原油接觸后，NaBO2溶液易侵入到原油中并形成表面包含油膜的液滴［圖6（c）、圖6（d）］，這個過程相當(dāng)于液滴在油相中發(fā)生膨脹，使得孔隙中的原油被頂替出。根據(jù)液滴膨脹機(jī)理，堿液突破時，波及體積明顯比水突破時要大，這也可以解釋在堿驅(qū)過程中表現(xiàn)出的堿液突破慢、壓力上升快的現(xiàn)象。此外，從填砂管堿驅(qū)產(chǎn)出液（圖7）可看出：注堿及后續(xù)水驅(qū)中油相表現(xiàn)出W/O型乳狀液的特征，其中圖7（b）中第一根試管中的油相含有大量水滴，這些現(xiàn)象與微觀驅(qū)替實(shí)驗(yàn)結(jié)果是對應(yīng)的。W/O型乳狀液黏度較高，聚并形成油墻，封堵了高滲流通道，迫使注入液體轉(zhuǎn)向，從而增加了波及系數(shù)。

圖6 水驅(qū)和堿驅(qū)過程中油相分布微觀圖像（a，b放大1.5倍，c，d放大3倍）Fig.6Microcosmic images of oil phase after water flooding and alkaline flooding

圖7 填砂管堿驅(qū)產(chǎn)出液圖片（均為破乳前的圖片）Fig.7Images of produced fluid from sandpacks

通過對以上2種驅(qū)油體系的微觀圖像進(jìn)行分析和計(jì)算，得出了各體系突破和結(jié)束時刻的波及系數(shù)與采收率（表4）。從表4可看出，當(dāng)驅(qū)油結(jié)束時，堿溶液的波及系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鹽水驅(qū)替的波及系數(shù)。

表4 各體系的采收率與波及系數(shù)Table 4Oil recovery and sweep efficiency of different systems

對于堿液為什么會侵入到原油中，Pei等［15］認(rèn)為這與堿和原油的界面反應(yīng)有關(guān)。高酸值的稠油含有較多的有機(jī)酸，可以與堿液反應(yīng)而生成原位表面活性劑。在這些表面活性劑的作用下，界面張力瞬時降低，從而使堿溶液侵入到原油中。此外，界面反應(yīng)可以加劇油水界面處原位表面活性劑的不均勻富集，使包含水柱的油膜變得不穩(wěn)定，而使得在驅(qū)替過程中水柱分裂成許多不連續(xù)的水滴。這些界面現(xiàn)象有力地促進(jìn)了液滴流的形成和隨后產(chǎn)生W/O型乳狀液。

因此，堿驅(qū)提高稠油采收率的微觀機(jī)理為：堿溶液侵入原油中并形成油膜包裹的液滴，阻塞水流通道，抑制黏性指進(jìn)，從而提高波及系數(shù)。

3 結(jié)論

（1）NaBO2具有良好的抗垢性能，其溶液與原油間的動態(tài)界面張力很高，但填砂管驅(qū)替實(shí)驗(yàn)顯示出其較好的驅(qū)油效果。1.0%NaBO2可提高采收率27.1%，提高采收率的幅度隨堿溶液濃度的增加而增大，驅(qū)替過程中出現(xiàn)的壓差與采收率增幅呈正相關(guān)關(guān)系。

（2）NaBO2提高稠油采收率的微觀機(jī)理為：堿溶液侵入原油中，形成油膜包裹的液滴，這些液滴隨即轉(zhuǎn)變?yōu)閃/O型乳狀液，阻塞水流通道，抑制黏性指進(jìn)，從而提高波及系數(shù)。

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（本文編輯：王會玲）

Study on enhancing heavy oil recovery mechanism of antiscaling alkali

TANG Mingguang1，LIU Qinghua1，ZHANG Guicai2，CHEN Lifeng2
（1.Zhanjiang Branch of CNOOC Ltd.，Zhanjiang 524057，Guangdong，China；2.College of Petroleum Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266580，Shandong，China）

The content of calcium and magnesium ions in the formation water in Xiaba block is relatively high,so scaling problem will occur when use conventional alkali agent such as sodium hydroxide and sodium carbonate.This paper investigated the alkaline which has antiscaling effect,and chose NaBO2which has strong chelating capacity for calcium and magnesium ions to do indoor research and used sandpacks to evaluate its displacement efficiency.The results show that although the dynamic interfacial tension is high,the displacement efficiency during the sandpacks tests is good. During the displacement process,a large differential pressure response appeared when the alkali concentration is high, and the incremental oil recovery increased with the increase of alkali concentration.Microscopic mechanism shows that the alkaline solution penetrates into the crude oil to form water drops inside the oil phase,and those water drops turn into W/O emulsions subsequently,which could block the water channel and inhibit the viscous fingering,leading to the improvement of sweep efficiency.

heavyoil；antiscalingalkali；W/Oemulsion；enhancedoilrecovery

TE357.46

A

1673-8926（2014）03-0125-06

2014-02-15；

2014-03-05

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“化學(xué)驅(qū)油體系油水界面流變性及其對毛管數(shù)模型作用機(jī)制研究”（編號：51104170）與霍英東教育基金會資助項(xiàng)目“稠油油藏表面活性劑驅(qū)技術(shù)研究”（編號：114016）聯(lián)合資助

湯明光（1986-），男，碩士，主要從事油田化學(xué)與提高采收率方面的研究工作。地址：（524057）廣東省湛江市坡頭區(qū)中海油湛江分公司研究院商業(yè)樓。E-mail：tangguang119@163.com。