衛(wèi) 龍,沈一丁,嚴(yán)海南,楊 劍,費(fèi)貴強(qiáng), 王海花
(1. 陜西科技大學(xué) 教育部輕化工助劑化學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710021;2. 中油廣西田東石油化工總廠有限公司,廣西 百色 531500;3.中國(guó)石油 長(zhǎng)慶油田分公司第一采油廠,陜西 延安 716000)
精細(xì)化工
高性能耐溫耐鹽陽(yáng)/陰離子表面活性劑復(fù)合型驅(qū)油體系性能的研究
衛(wèi) 龍1,沈一丁1,嚴(yán)海南2,楊 劍3,費(fèi)貴強(qiáng)1, 王?;?
(1. 陜西科技大學(xué) 教育部輕化工助劑化學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710021;2. 中油廣西田東石油化工總廠有限公司,廣西 百色 531500;3.中國(guó)石油 長(zhǎng)慶油田分公司第一采油廠,陜西 延安 716000)
采用十六烷基三甲基氯化銨(1631)、仲烷基磺酸鈉(SAS60)、脂肪醇聚氧乙烯醚(AEO-9)、乙醇和堿劑等制備陽(yáng)/陰離子表面活性劑復(fù)合型驅(qū)油體系(CA),考察了陽(yáng)/陰離子表面活性劑配比、用量、溫度、礦化度等因素對(duì)CA性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,表面活性劑的最佳配比為m(1631)∶m(SAS60)∶m(AEO-9)=1.5∶32∶8;45 ℃時(shí),CA耐NaCl達(dá)到110 g/L,耐Ca2+達(dá)到5 g/L;對(duì)CA含量為0.3%(w)的模擬地層水,在20~80 ℃下模擬地層水與模擬油的界面張力達(dá)到低界面張力范圍(0.01~0.001 mN/m),油砂吸附5 d后油水界面張力達(dá)0.002 8 mN/m,乳狀液靜置12 h后析水率僅為25%,在水驅(qū)基礎(chǔ)上提高采收率11%以上。
陽(yáng)/陰離子驅(qū)油體系;耐溫耐鹽;表面活性劑驅(qū);三次采油;驅(qū)油效率
表面活性劑驅(qū)在三次采油中占有重要的地位且發(fā)展?jié)摿薮?,是三次采油研究的熱點(diǎn)之一[1-4]。表面活性劑驅(qū)的作用機(jī)理是通過(guò)表面活性劑分子的兩親性作用降低油水界面張力,啟動(dòng)地層中的殘余油,殘余油啟動(dòng)后經(jīng)表面活性劑乳化捕集和攜帶而被采出,提高原油采收率。
表面活性劑的復(fù)配是降低油水界面張力的有效手段[5-7]。長(zhǎng)期以來(lái),常使用陰離子/非離子表面活性劑來(lái)制備超低界面張力驅(qū)油體系,而陽(yáng)離子表面活性劑由于吸附較強(qiáng),在驅(qū)油體系中基本被排除。但理論上,陽(yáng)離子與陰離子之間可形成離子對(duì),使驅(qū)油體系整體凈電荷量下降。這一特點(diǎn)使驅(qū)油體系可能具有較好的耐鹽性和較小的吸附滯留,又由于陽(yáng)陰離子對(duì)之間具有強(qiáng)烈的靜電作用,可使陽(yáng)離子表面活性劑和陰離子表面活性劑復(fù)配體系的表面活性大幅增加[8],有利于形成超低的油水界面張力[9-11]。但由于傳統(tǒng)觀念的束縛以及陽(yáng)離子表面活性劑和陰離子表面活性劑在復(fù)配及實(shí)際應(yīng)用中的復(fù)雜選擇性,故長(zhǎng)期以來(lái)鮮見(jiàn)在三次采油中涉及陽(yáng)離子表面活性劑應(yīng)用的報(bào)道。
本工作制備了陽(yáng)/陰離子表面活性劑復(fù)合型驅(qū)油體系(CA),考察了陽(yáng)/陰離子表面活性劑的配比、用量、溫度、礦化度等對(duì)CA性能的影響,以期制備溫度適應(yīng)范圍廣、乳化性好、適合低滲透高礦化度油藏用的驅(qū)油體系。
1.1 試劑
十六烷基三甲基氯化銨(1631):化學(xué)純,安徽奔馬先端科技有限公司;仲烷基磺酸鈉(SAS60):市售;脂肪酸聚氧乙烯醚(AEO-9):市售;乙醇:AR,天津市河?xùn)|區(qū)紅巖試劑廠;堿劑:AR,天津市福晨化學(xué)試劑廠 ;NaCl,CaCl2:AR,天津市申泰化學(xué)試劑有限公司;去離子水:自制。
油相為安塞王瑤某區(qū)塊脫水原油(室溫黏度約為35 mPa·s)與煤油按質(zhì)量比6∶4配制的模擬油。
模擬地層水為按照安塞王瑤某區(qū)塊的地層水組成(總礦化度63 g/L、鈣離子含量4.5 g/L)配制的礦化水。同時(shí),分別用NaCl和CaCl2配制不同含鹽量的NaCl溶液和CaCl2溶液,備用。
1.2 驅(qū)油體系的配制
將0~0.2 g 1631和1.5 g乙醇加入到100 mL燒杯中,用玻璃棒攪拌至1631完全溶解,之后向燒杯中依次加入0.8 g AEO-9、3.2 g SAS60、1 g堿劑、3.5~3.8 g去離子水并攪拌均勻,制得總表面活性劑含量為40%(w)的CA。
固定AEO-9的用量為0.8 g,通過(guò)改變1631用量制備系列不同m(1631)∶m(SAS60)的CA。 45℃下,將0.5 g CA溶于100 mL模擬地層水中,玻璃棒攪拌均勻后觀察CA在模擬地層水中的溶解性。
1.3 界面張力的測(cè)定
將CA用模擬地層水稀釋至0.3%(w),采用旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀測(cè)定不同溫度下CA溶液與模擬油的油水界面張力;將CA用NaCl含量為10,30,50,70,90,110 g/L的NaCl溶液,Ca2+含量為2,4,6,8 g/ L的CaCl2溶液分別稀釋至0.3%(w),測(cè)定CA溶液與模擬油的油水界面張力。
1.4 CA的油砂吸附實(shí)驗(yàn)
取中國(guó)石油某油田的油砂(粒徑0.15~0.18 mm)置于索氏提取器中用石油醚(沸程 60~90 ℃)萃取 48 h,再用去離子水沖洗至電導(dǎo)率不變,于105 ℃下烘干48 h,置于干燥器中備用。
將油砂與不同濃度的CA模擬地層水溶液按固液質(zhì)量比1∶5充分混合,置于恒溫振蕩水浴中在45℃下恒溫震蕩。每天取中層清液樣一次,45 ℃下測(cè)定中層清液與模擬油的界面張力,至界面張力值基本不變后,認(rèn)為CA在油砂表面達(dá)到吸附平衡,停止取樣測(cè)試。將吸附平衡后的界面張力與吸附前的界面張力值進(jìn)行比較,考察吸附后CA溶液降低界面張力的效果。
1.5 CA的乳化性能
將體積比1∶1的模擬油和CA模擬地層水溶液置于10 mL具塞量筒中,45 ℃恒溫一段時(shí)間后振蕩具塞量筒使油水兩相充分混合,再置于恒溫水?。?5 ℃)中,觀察乳狀液析水率隨時(shí)間的變化。以某一時(shí)刻乳狀液析出水的體積除以乳狀液中水的總體積計(jì)算析水率。
1.6 室內(nèi)巖心驅(qū)替效果
選用模擬地層水,在油藏溫度(45 ℃)下,取不同滲透率的人造巖心(φ 2.50 cm×5.82 cm),建立束縛水飽和度和含油飽和度,于45 ℃下恒溫老化2 d,之后將巖心放入夾持器中進(jìn)行水驅(qū)油,至巖心出口含水率達(dá)98%(w)時(shí),換CA模擬地層水溶液(w(CA)=0.3%)繼續(xù)驅(qū)油,至巖心出口含水率達(dá)98%(w)后終止,計(jì)算采收率。
2.1 陽(yáng)/陰離子表面活性劑配比對(duì)CA性能的影響
m(1631)∶m(SAS60)對(duì)CA溶解性的影響見(jiàn)表1。
表1 m(1631)∶m(SAS60)對(duì)CA溶解性的影響Table 1 Effect of m(1631)∶m(SAS60) on the solubility of CA
由表1可見(jiàn),當(dāng)m(1631)∶m(SAS60)≤1.5∶32時(shí),CA在模擬地層水中的溶解性較好。陽(yáng)離子表面活性劑和陰離子表面活性劑復(fù)配在一起,由于相互之間強(qiáng)烈的靜電作用可能導(dǎo)致發(fā)生沉淀或絮狀懸浮,使得表面活性劑水溶液的穩(wěn)定性降低[12-13]。因此,1631與SAS60復(fù)配的較佳配比為:m(1631)∶m(SAS60)≤1.5∶32。
m(1631)∶m(SAS60)對(duì)油水界面張力的影響見(jiàn)圖1。由圖1可見(jiàn),隨m(1631)∶m(SAS60)的增大,油水界面張力先減小而后增大;當(dāng)m(1631)∶m(SAS60)=1.5∶32時(shí),油水界面張力最低,達(dá)8×10-4mN/m。因?yàn)?,?dāng)m(1631)∶m(SAS60)≤1.5∶32時(shí),1631與SAS60之間有良好的協(xié)同作用,隨m(1631)∶m(SAS60)的增大,陽(yáng)陰離子之間協(xié)同效應(yīng)增強(qiáng),油水界面張力降低;當(dāng)m(1631)∶m(SAS60)>1.5∶32之后,隨m(1631)∶m(SAS60)的繼續(xù)增大,陽(yáng)陰離子之間的強(qiáng)靜電作用導(dǎo)致CA在模擬地層水中的溶解性降低(出現(xiàn)明顯渾濁),使得表面活性劑有效成分失效,因而油水界面張力增大。因此,CA中陽(yáng)/陰表面活性劑的最佳配比為m(1631)∶m(SAS60)∶m(AEO-9)=1.5∶32∶8。
圖1 m(1631)∶m(SAS60)對(duì)油水界面張力的影響Fig.1 Effect of m(1631)∶m(SAS60) on the oil-water interfacial tension. Conditions:45 ℃,w(CA)=0.5%,simulated formation water,simulated oil(mass ratio of crude oil to kerosene 6∶4 ),m(SAS60)∶m(AEO-9)=32∶8.w(CA):mass fraction of CA in the simulated formation water.
2.2 溫度對(duì)油水界面張力的影響
溫度對(duì)油水界面張力的影響見(jiàn)圖2。由圖2可見(jiàn),隨溫度的升高,油水界面張力逐漸降低,且降低到低界面張力范圍(0.01~0.001 mN/m)所需時(shí)間縮短;在20~80 ℃下,油水界面張力均可達(dá)到低界面張力范圍,這是因?yàn)殛?yáng)離子表面活性劑與陰離子表面活性劑復(fù)合后界面活性大幅提高,使得CA具有在較寬的溫度范圍內(nèi)降低油水界面張力的能力。
圖2 溫度對(duì)油水界面張力的影響Fig.2 Effects of temperature on the oil-water interfacial tension. Conditions:w(CA)=0.3%,simulated formation water,simulated oil,m(1631)∶m(SAS60)∶m(AEO-9)=1.5∶32∶8. Time:the test time of oil-water two-phase in spinning drop interfacial tension meter.Temperature/℃:20;40;60;80
2.3 含鹽量對(duì)油水界面張力的影響
NaCl和Ca2+對(duì)油水界面張力的影響分別見(jiàn)圖3和圖4。由圖3和圖4可見(jiàn), NaCl含量在10~110 g/L(或Ca2+含量2~5 g/L)之內(nèi)時(shí),油水界面張力均可達(dá)到低界面張力范圍;當(dāng)NaCl含量增至130 g/L(或Ca2+含量增至6 ~7 g/L)時(shí),油水界面張力值難以達(dá)到低界面張力范圍。這表明在45 ℃時(shí),CA耐NaCl達(dá)到110 g/L,耐Ca2+達(dá)到5 g/L。
CA這種較好的耐鹽性是由于陽(yáng)陰離子之間電荷的部分中和以及非離子型表面活性劑AEO-9的引入,使得CA受礦化水中無(wú)機(jī)鹽離子的影響減弱,抗鹽能力明顯提升。CA這種極好的抗鹽能力,能適應(yīng)油藏注水開(kāi)發(fā)導(dǎo)致的地層水含鹽量的變化,可滿足礦場(chǎng)需要。
當(dāng)NaCl含量為10~130 g/L(或Ca2+含量為2~5 g/L)時(shí),CA的NaCl溶液(或CaCl2溶液)在45 ℃下放置10 d一直保持透明狀且無(wú)沉淀析出;但當(dāng)CaCl2溶液中Ca2+含量為6~7 g/L時(shí),CA中陰離子表面活性劑的陰離子基團(tuán)與Ca2+發(fā)生較為劇烈的反應(yīng),導(dǎo)致溶液出現(xiàn)渾濁甚至少量沉淀。說(shuō)明在油田地層高鈣高鹽環(huán)境中,表面活性劑可能由于鹽析效應(yīng)或化學(xué)反應(yīng)而導(dǎo)致驅(qū)油劑性能的下降[14]。
圖3 NaCl含量對(duì)油水界面張力的影響Fig.3 Effects of NaCl content on the oil-water interfacial tension. Conditions:45 ℃,w(CA)=0.3%,simulated oil,m(1631)∶m(SAS60)∶m(AEO-9)=1.5∶32∶8.NaCl content/(g·L-1):10;30;50;70;90 ;110;□ 130
圖4 Ca2+含量對(duì)油水界面張力的影響Fig.4 Effect of Ca2+content on the oil-water interfacial tension. Conditions:45 ℃,w(CA)=0.3%,simulated oil,m (1631)∶m(SAS60)∶m(AEO-9)=1.5∶32∶8.
2.4 CA的油砂吸附實(shí)驗(yàn)
吸附時(shí)間對(duì)油水界面張力的影響見(jiàn)圖5。由圖5可見(jiàn),油砂吸附平衡前后界面張力均保持低界面張力范圍(0.01~0.001 mN/m),油砂吸附5 d后油水界面張力達(dá)0.002 8 mN/m(w(CA)=0.3%),說(shuō)明陽(yáng)陰離子對(duì)的存在增加了陽(yáng)離子表面活性劑在水溶液中的穩(wěn)定性,因?yàn)殛?yáng)陰離子對(duì)之間強(qiáng)烈的靜電吸引使CA整體上難以表現(xiàn)出相對(duì)獨(dú)立的個(gè)體性質(zhì),同時(shí)CA整體上凈電荷量相對(duì)減少,減弱了帶負(fù)電的油砂對(duì)CA中表面活性劑的靜電吸引,因而油砂吸附后CA溶液的油水界面張力仍保持低界面張力范圍,使CA在實(shí)際應(yīng)用中可體現(xiàn)出高效的驅(qū)油能力。
圖5 吸附時(shí)間對(duì)油水界面張力的影響Fig.5 Effects of adsorption time on the oil-water interfacial tension. Conditions:45 ℃,simulated formation water,simulated oil,mass ratio of oil sand to simulated formation wate 1∶5,m(1631)∶m(SAS60)∶m(AEO-9)=1.5∶32∶8.w(CA)/%:0.1;0.2;0.3
2.5 CA的乳化性
靜置時(shí)間對(duì)乳狀液析水率的影響見(jiàn)圖6。
圖6 靜置時(shí)間對(duì)乳狀液析水率的影響Fig.6 Effects of standing time on the water segregation rate of the emulsions.Conditions:45 ℃,simulated oil,m(1631)∶m(SAS60)∶m(AEO-9)=1.5∶32∶8.Emulsion: volume ratio of CA solution to simulated oil 1∶1.w(CA)/%:0.1;0.2;0.3;0.4;0.5
由圖6可見(jiàn),隨w(CA)的增大,析水率逐漸減小,說(shuō)明CA溶液對(duì)模擬油的乳化能力逐漸增強(qiáng);當(dāng)w(CA)=0.3%時(shí),乳狀液靜置12 h后析水率已達(dá)25%;當(dāng)w(CA)=0.5%時(shí),靜置12 h后析水率已降至9.8%。乳狀液的穩(wěn)定性與界面膜強(qiáng)度的大小密切相關(guān),界面膜強(qiáng)度受表面活性劑分子之間的作用力大小以及油水界面分子吸附強(qiáng)弱的影響,陽(yáng)陰離子之間強(qiáng)烈的靜電作用有助于高強(qiáng)度界面膜的形成,但w(CA)=0.1%~0.2%時(shí),CA溶液濃度較低,油水界面上表面活性劑分子吸附較少,界面膜強(qiáng)度小,乳狀液穩(wěn)定性較差;當(dāng)w(CA)增至0.3%以上時(shí),隨w(CA)的增大,油水界面上表面活性劑分子吸附增多,界面膜強(qiáng)度增大,乳狀液珠聚結(jié)阻力增大,乳狀液穩(wěn)定性增強(qiáng),析水率減小。
2.6 室內(nèi)巖心驅(qū)替效果
w(CA)對(duì)CA模擬地層水溶液室內(nèi)巖心驅(qū)替效率的影響見(jiàn)表2。
表2 w(CA)對(duì)CA模擬地層水溶液室內(nèi)巖心驅(qū)替效率的影響Table 2 Effects of w(CA) on the oil displacement efficiency of the CA simulated formation water solutions
由表2可見(jiàn),在低滲巖心中,w(CA)為0.3%,0.5%,0.7%的CA模擬地層水溶液均可在水驅(qū)基礎(chǔ)上提高采收率11%以上,且w(CA)越大,采收率提高的幅度越大,因?yàn)轵?qū)油劑的乳化作用是提高原油采收率的重要因素[15-16],當(dāng)CA溶液保持低界面張力范圍時(shí),乳化性對(duì)驅(qū)替效果的影響較大,CA溶液的濃度越高,乳化性越好,捕集和攜帶的模擬油就越多,采收率提高的幅度越大。
巖心滲透率對(duì)CA模擬地層水溶液室內(nèi)巖心驅(qū)替效率的影響見(jiàn)表3。由表3可見(jiàn),在滲透率(1.00~20.00)×10-3μm2的低滲巖心中,w(CA)= 0.3%的CA模擬地層水溶液在水驅(qū)基礎(chǔ)上可提高采收率11%以上,這說(shuō)明CA可適應(yīng)不同滲透率的低滲透儲(chǔ)層。
表3 巖心滲透率對(duì)CA模擬地層水溶液室內(nèi)巖心驅(qū)替效率的影響Table 3 Effect of core permeability on the oil displacement efficiency of the CA simulated formation water solutions
2.7 討論
由以上結(jié)果可知,采用最佳配比制得的陽(yáng)陰離子表面活性劑驅(qū)油體系CA具有耐溫范圍廣、耐鹽耐鈣性好、乳化性優(yōu)良的特點(diǎn),且經(jīng)油砂吸附后油水界面張力仍達(dá)低界面張力范圍,適用于高鹽低滲透油藏,對(duì)實(shí)際應(yīng)用具有指導(dǎo)和推廣意義。
1)配制CA的最佳陽(yáng)/陰離子表面活性劑的配比為m(1631)∶m(SAS60)∶m(AEO-9)=1.5∶32∶8,在最佳配比下制得的CA在模擬地層水中具有較好的溶解性,并使油水界面張力達(dá)到低界面張力范圍。
2)45 ℃,在最佳配比下制得的CA耐NaCl達(dá)110 g/L,耐Ca2+達(dá)5 g/L;在20~80 ℃下,CA的模擬地層水溶液可降低油水界面張力至低界面張力范圍,表明CA可用于高溫高鹽油藏。
3)CA溶液體現(xiàn)出離子對(duì)的性質(zhì),使得油砂對(duì)CA中陽(yáng)離子表面活性劑的吸附減弱,油砂吸附平衡后油水界面張力仍達(dá)低界面張力范圍(0.01~0.001 mN/m)。
4)CA具有較好的乳化性能,驅(qū)替過(guò)程中可對(duì)模擬油進(jìn)行乳化捕集和攜帶,有利于采收率的提高。
5)室內(nèi)巖心驅(qū)替效果表明,w(CA)=0.3%的CA模擬地層水溶液可在水驅(qū)基礎(chǔ)上提高低滲巖心的采收率11%以上,應(yīng)用前景較好。
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(編輯 李治泉)
Properties of Compound Flooding Systems with Temperature-Tolerant and Salt-Resistant Cationic/Anionic Surfactants
Wei Long1,Shen Yiding1,Yan Hainan2,Yang Jian3,F(xiàn)ei Guiqiang1,Wang Haihua1
(1. Key Laboratory of Auxiliary Chemistry & Technology for Chemical Industry,Shaanxi University of Science & Technology,Xi’an Shaanxi 710021,China;2. PetroChina Guangxi Tiandong Petrochemical Co. Ltd.,Baise Guangxi 531500,China;3. CNPC Changqing Oilfield Company Oil Production Plant No.1,Yan’an Shaanxi 716000,China)
Compound cationic/anionic surfactant flooding systems(CA) were prepared from cetyltrimethylammonium chloride(1631),secondary alkane sulfonate(SAS60),fatty alcohol polyoxyethylene ether(AEO-9),ethanol and alkaline agent. The effects of cationic/anionic ratio,temperature and degree of mineralization on the performances of CA were studied. The results showed that,under the optimal surfactant ratio of m(1631)∶m(SAS60)∶m(AEO-9) 1.5∶32∶8,the resistances of CA to NaCl and Ca2+were 110 g/L and 5 g/L at 45 ℃,respectively. In the simulated formation water with CA content 0.3%(w),the oil-water interfacial tension was low(0.01-0.001 mN/m) in the temperature range of 20-80 ℃. The oil-water interfacial tension reached 0.002 8 mN/m after the absorption of oil-sands 5 d. The water segregation rate of the emulsion prepared from CA and simulated oil was 25% after standing 12 h. The oil recovery can be improved by more than 11% through using the flooding system.
compound cationic/anionic flooding system;temperature-tolerance and saltresistance;surfactant flooding;tertiary oil recovery;oil displacement efficiency
1000 - 8144(2015)02 - 0206 - 06
TE 357.46
A
2014 - 07 - 12;[修改稿日期] 2014 - 10 - 30。
衛(wèi)龍(1987—),男,山西省運(yùn)城市人,碩士生,電話 15109290773,電郵 weilongsust@163.com。聯(lián)系人:沈一丁,電話13032947063,電郵 ydshen@sust.edu.cn。
國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51373091);教育部留學(xué)回國(guó)人員科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目([2012]1707)。