CO2乳液的界面特性對其滲流特征的影響

李兆敏, 劉己全, 李松巖, 王 鵬, 盧培華, 陳慶國

(1.中國石油大學(xué)石油工程學(xué)院,山東青島 266580; 2.中國石油塔里木油田分公司油氣工程研究院,新疆庫爾勒 841000)

CO2乳液的界面特性對其滲流特征的影響

李兆敏1, 劉己全2, 李松巖1, 王 鵬2, 盧培華2, 陳慶國2

(1.中國石油大學(xué)石油工程學(xué)院,山東青島 266580; 2.中國石油塔里木油田分公司油氣工程研究院,新疆庫爾勒 841000)

CO2乳液在驅(qū)油過程中能夠有效控制CO2流度,大幅改善CO2驅(qū)油效果,提高采收率。選擇AOT作為CO2乳液用表面活性劑,通過TRACKER-H界面流變儀測定AOT水溶液與CO2體系在不同溫度壓力條件下的界面特性,通過巖心實驗測定不同溫度壓力條件下CO2乳液的封堵和調(diào)剖分流效果。結(jié)果表明:隨著壓力的增大,CO2乳液界面張力隨之降低,界面黏彈性隨之增大;隨著溫度的增加,CO2乳液界面張力增加,界面黏彈性降低;溫度越高越不利于乳液的封堵,壓力越高越有利于乳液的封堵,這與體系界面特性研究所得的結(jié)果相對應(yīng),說明CO2乳液的封堵效果與其界面特性有關(guān);溫度和壓力通過影響CO2乳液的界面特性從而影響其滲流特征,CO2乳液的強度越高、體系界面張力越低、界面黏彈性越好,其分流效果也會越明顯。

CO2乳液; 界面特性; 巖心封堵; 調(diào)剖分流

在油藏條件下,CO2一般處于超臨界狀態(tài)(31.26 ℃,7.38 MPa以上),超臨界CO2密度接近液體,與水溶液形成的分散體系稱為乳液更為合適,驅(qū)油過程中將超臨界CO2和表面活性劑水溶液形成超臨界CO2乳液是控制CO2流度的有效方法[1-6],能夠大幅改善CO2驅(qū)油效果[8-9]。在超臨界CO2乳液驅(qū)替過程中,CO2乳液的界面特性會直接影響其穩(wěn)定性,從而影響CO2乳液在驅(qū)替過程中的封堵效果[7-10]。目前,對CO2乳液的研究主要集中在反相微乳萃取分離、酶催化和納米材料制備等方面[11-13]。筆者通過實驗研究不同溫度、壓力條件下CO2乳液界面特性及其封堵效果。

1 實 驗

1.1 實驗材料與儀器

主要實驗材料:選用2-(2-乙基己基)-磺酸琥珀酸鈉(AOT)為表面活性劑;實驗用CO2純度為99.9%;實驗用水為蒸餾水;實驗巖心為填砂管模型,規(guī)格參數(shù):600 mm×Φ25 mm。表1、2所給出的回壓值即為巖心中流體所處的最低壓力,只有高于該回壓值,流體才可以流動。

表1 單巖心實驗參數(shù)Table 1 Parameters of single core displace experiment

表2 并聯(lián)巖心實驗參數(shù)

主要實驗儀器:TRACKER-H型界面流變儀(法國TECLIS公司),溫度和壓力上限分別為150 ℃和25 MPa。

1.2 實驗方法

1.2.1 CO2乳液界面性能實驗

利用TRACKER-H型界面流變儀測量不同溫度、壓力條件下CO2與表面活性劑水溶液的界面擴張模量(ε),溫度為25～70 ℃,壓力為2～12 MPa。

圖1 界面張力實驗裝置流程Fig.1 Workflow of interfacial viscoelasticity experiment

實驗流程如圖1所示。實驗步驟:①清洗注射器和高溫高壓容器;②測試高溫高壓系統(tǒng)密封性;③將裝滿表面活性劑水溶液的注射器安裝在高溫高壓容器中,調(diào)節(jié)好可視窗位置,并用CO2氣體排空高溫高壓容器中的空氣;④將預(yù)先加壓的CO2氣體注入到高溫高壓容器中并加溫2 h,待溫度壓力穩(wěn)定后,驅(qū)動馬達(dá),在注射器針尖上形成一個懸滴;⑤采用測量軟件對液滴與CO2界面擴張模量進(jìn)行測量;⑥每個條件下液滴的界面擴張模量均測量3次,保證實驗有較好的重復(fù)性;⑦導(dǎo)出數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析。

1.2.2 CO2乳液巖心封堵實驗

實驗步驟:①利用不同目數(shù)的石英砂填制滲透率約為400×10-3μm2的填砂管模型,初測氣測滲透率,滿足要求后測定水測滲透率,測定滲透率為(350～450)×10-3μm2時合格,可進(jìn)行下一步實驗,稱取巖心管干重M0;②利用真空泵對填砂管抽真空3 h,飽和水后稱取巖心管濕重M1,則孔隙體積V=(M1-M0)/ρW;③按照圖2所示流程圖連接實驗裝置,并依據(jù)實驗方案設(shè)定恒溫箱溫度,恒溫4 h;④依據(jù)實驗方案設(shè)定回壓,水驅(qū)時速度設(shè)定為1.5 mL/min,CO2乳液驅(qū)時表面活性劑水溶液及CO2注入速度分別設(shè)定為0.5 和1 mL/min,即設(shè)定氣液比為2∶1;⑤實驗過程中記錄注入端壓力變化;⑥并聯(lián)巖心驅(qū)替實驗與單巖心驅(qū)替實驗類似,總流量設(shè)定為5 mL/min。

圖2 并聯(lián)巖心驅(qū)替實驗裝置流程Fig.2 Flow chart of parallel cores displacement experiment

2 實驗結(jié)果分析

2.1 體系界面流變性

2.1.1 CO2乳液體系界面張力實驗

表面活性劑水溶液的密度與純水體系相近,其密度根據(jù)飽和水蒸氣溫度-壓力-密度-熱力學(xué)參數(shù)對照表確定,CO2密度與壓力溫度的關(guān)系見圖3。

圖3 不同溫度下CO2壓力隨溫度的變化Fig.3 Changes of pressure of CO2 with its density under different temperatures

表面活性劑水溶液液滴在CO2中的形狀隨溫度變化較小,隨壓力變化關(guān)系見圖4。

圖4 液滴形狀隨壓力的變化Fig.4 Droplet shape with pressure

懸滴法測定液體的表面和界面張力原理見圖5。其中，de為懸滴最大直徑；d10為離頂點距離為de處懸滴截面直徑。

(1)

式中,b為懸滴底端(軸x)的曲率半徑;R為懸滴輪廓上一點p(x,z)在紙平面上的主曲率半徑;φ為輪廓線上p(x,z)點處的切線與x軸的夾角;β為體系的Bond number,稱為液滴的形狀因子,因為它的值直接決定了液滴的形狀。

(2)

γ=Δρgα2.

(3)

式中,Δρ為液滴相與周圍相之間的密度差;g為重力加速度;γ為表面/界面張力;α為體系的毛細(xì)管常數(shù)。

一個懸滴在達(dá)到靜力(界面張力對重力)平衡時,其輪廓可通過懸滴底端的曲率半徑b和液滴的形狀因子β來確定。TRACKER-H型界面流變儀就是利用該原理對圖像進(jìn)行計算處理得出界面相關(guān)參數(shù)。

(1)壓力對界面張力的影響。壓力對界面張力的影響見圖6?？梢钥闯?CO2-AOT體系的界面張力隨著壓力的升高逐漸降低,約在8 MPa時體系界面張力開始達(dá)到最低,之后壓力繼續(xù)升高,體系界面張力趨于穩(wěn)定。原因在于壓力的升高會導(dǎo)致CO2-AOT兩相的密度差減小,有利于體系界面張力的降低;同時高壓使得AOT在CO2中的溶解度增加,使得CO2在兩相界面上吸引更多的表面活性劑分子,有利于表面活性劑降低界面張力。當(dāng)壓力增加到8 MPa時,此時壓力繼續(xù)增加,兩相的密度差和CO2的溶解度系數(shù)均增加緩慢,導(dǎo)致界面張力趨于穩(wěn)定[1]。

圖5 懸點法測定界面張力示意圖Fig.5 Hanging point method

圖6 不同溫度下壓力對平衡界面張力的影響Fig.6 Effect of pressure on IFT under different temperatures

(2)溫度對界面張力的影響。溫度對界面張力的影響見圖6?？梢钥闯?當(dāng)體系壓力一定,體系界面張力隨著溫度的升高而增大,說明溫度的升高不利于體系界面張力的降低。原因在于CO2乳液是熱力學(xué)不穩(wěn)定體系,隨著溫度的升高,CO2本身的溶解度系數(shù)和密度均有所降低,分子熱運動的加劇也不利于界面上AOT分子的吸附,導(dǎo)致界面處的AOT分子數(shù)目降低,最終導(dǎo)致體系界面張力升高[1-2]。

2.1.2 CO2乳液體系界面黏彈性實驗

乳液的穩(wěn)定性很大程度上取決于界面膜的性質(zhì),而界面黏彈性是表征界面膜機械強度的重要參數(shù),通常用界面擴張模量(ε)表征界面黏彈性的強弱,定義為界面張力變化與相對界面面積變化的比值,即

ε=dγ/dlnA.

(4)

式中,γ為界面張力;A為界面面積。

(1)壓力對界面黏彈性的影響。壓力對CO2-AOT水溶液體系擴張模量的影響見圖7。界面的擴張模量與實驗的振蕩頻率有關(guān),實驗選取0.1 Hz為振蕩頻率,振蕩頻率在實驗過程中保持不變,排出振蕩頻率的影響?？梢钥闯?CO2-AOT水溶液體系擴張模量隨著壓力的增加而增大,當(dāng)壓力升高至8 MPa后體系的擴張模量趨于穩(wěn)定。這是因為壓力的增加會導(dǎo)致CO2-AOT界面處的黏度增加,流體變稠,界面面積的變化需要更大的力;同時壓力升高導(dǎo)致CO2的密度增加,范德華力增加,對界面處的AOT分子有更大的吸引力,使得AOT分子在界面處更緊密的排列,使得界面黏彈性大大增加,但是壓力升高至8 MPa后,壓力的升高使流體變稠的能力減弱,擴張模量趨于穩(wěn)定[2,4]。

圖7 不同溫度下擴張模量隨壓力的變化關(guān)系Fig.7 Relationship of expansion modulus and pressure under different temperatures

(2)溫度對界面黏彈性的影響。從圖7也可得出溫度對CO2-AOT水溶液體系擴張模量的影響規(guī)律。CO2-AOT水溶液體系的擴張模量隨著溫度的升高逐漸降低,說明升高溫度對體系界面黏彈性具有不利影響。其機制在于溫度升高使得CO2對界面處AOT分子的吸引力減弱,不利于AOT分子在界面處的排列,也不利于AOT分子在界面處的吸附,從而導(dǎo)致界面擴張模量降低,界面膜的強度下降[4]。

2.2 CO2乳液巖心封堵實驗結(jié)果

2.2.1 CO2乳液單巖心封堵實驗結(jié)果

(1)溫度的影響。AOT水溶液可以與CO2形成穩(wěn)定的CO2乳液,在室內(nèi)條件下完成了實驗1#～4#(表1),實驗結(jié)果如圖8所示。由圖8可知,溫度對AOT穩(wěn)定的CO2乳液有一定的影響,隨著溫度的增加,驅(qū)替壓差降低,乳液驅(qū)替過程中的阻力因子有所降低,殘余阻力因子也隨之降低。尤其當(dāng)溫度由20 ℃升高至80 ℃時,CO2乳液驅(qū)替過程中的阻力因子由154降至124,降低幅度為19.5%;殘余阻力因子由91降至40,降低幅度為55.1%。這是因為CO2乳液在巖心中停留過程中會向地層內(nèi)流體擴散,AOT也會被地層流體稀釋,導(dǎo)致殘余阻力因子相對于阻力因子下降。之所以殘余阻力因子的降低幅度大于阻力因子,這是由于高溫下的CO2乳液界面黏彈性較低,相對于低溫下的CO2乳液更容易擴散,不利于CO2乳液的存在及穩(wěn)定。

由圖8可知,溫度不僅影響CO2乳液的封堵壓差,也對最高壓差的出現(xiàn)時刻有所影響。主要因為低溫下的CO2乳液密度更高,相同氣液比情況下CO2乳液內(nèi)含的CO2量更多,向儲層內(nèi)流體的擴散效果更弱,同時有更高的界面黏彈性和更大的機械強度,在巖心驅(qū)替過程中可以更好地封堵地層,乳液也更早實現(xiàn)高強度封堵[6-10]。

圖8 1#～4#實驗組結(jié)果Fig.8 Experimental results for 1#～4#

(2)壓力的影響。通過AOT與CO2的界面特性的研究發(fā)現(xiàn),壓力是影響CO2乳液界面黏彈性的重要因素。因此進(jìn)行了實驗5#～10#,研究在巖心驅(qū)替過程中不同壓力條件下CO2乳液的封堵能力,實驗結(jié)果如圖9所示。

圖9 5#～10#實驗組結(jié)果Fig.9 Experimental results for 5#～10#

從圖9可以看出,隨著壓力的升高,阻力因子和殘余阻力因子均逐漸增強,說明形成的乳液性質(zhì)大幅提高,之后隨壓力的升高增幅變小。這是由于隨著壓力的升高,CO2乳液界面黏彈性增加,乳液穩(wěn)定性增強,乳液的強度及抗沖刷能力提高,且CO2密度也隨著壓力的升高而增大,因此乳液的表觀黏度增加較為明顯,從而提高了乳液的封堵能力。

從圖9可以看出,壓力由4 MPa升至8 MPa過程中,阻力因子有大幅增加,此過程中CO2由非超臨界狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌R界狀態(tài),結(jié)合CO2乳液界面黏彈性分析,說明高壓有利于CO2乳液的封堵,超臨界CO2乳液的封堵效果優(yōu)于非超臨界CO2乳液,壓力的升高使巖心封堵過程中的最高壓差提前出現(xiàn)[3,5-6]。

2.2.2 CO2乳液雙巖心調(diào)剖封堵實驗結(jié)果

為進(jìn)一步研究溫度及壓力對乳液體系并聯(lián)巖心封堵性能的影響,分別進(jìn)行了4組實驗(表2)。

相比于高滲巖心,低滲巖心中由于毛管力較大,使得CO2乳液液滴與液膜之間的壓差大,導(dǎo)致CO2乳液易發(fā)生破裂而形成氣竄,減弱了CO2乳液的封堵性能,從而降低了流動阻力,同時乳液更傾向于進(jìn)入高滲巖心,在巖心滲流過程中疊加的賈敏效應(yīng)會使高滲巖心的滲流阻力不斷增加,直至大于低滲巖心的滲流阻力,依據(jù)這一機制CO2乳液能夠?qū)崿F(xiàn)分流作用。

CO2乳液的強度越高、界面黏彈性越好,其分流效果也會越明顯。從圖10(a)可以看出,在注入CO2乳液過程中,高滲巖心出口端產(chǎn)液量逐漸降低,低滲巖心出口端產(chǎn)液量逐漸增加,但是增加幅度很小,低滲最高分流量約為1.3 mL/min,這說明該實驗條件下CO2乳液能夠起到一定的分流作用,但是分流效果較差。對比圖10(a)、(b)、(c),相同溫度下,隨著壓力的升高,CO2乳液的調(diào)剖分流效果越來越明顯,低滲巖心的分流量從1.3 mL/min升至2.3 mL/min,說明壓力的升高有利于CO2乳液的調(diào)剖分流,可應(yīng)用于深井和超深井等高壓條件的CO2乳液調(diào)剖分流。

對比圖10(c)、(d),當(dāng)溫度為20 ℃時,高滲巖心與低滲巖心出口端產(chǎn)液量基本持平;溫度升高至60 ℃后,低滲巖心的分流量從2.5 mL/min降至2.2 mL/min,說明溫度也是影響CO2乳液調(diào)剖分流效果的主要因素,應(yīng)用CO2乳液的調(diào)剖分流時應(yīng)考慮不同井深的溫度場對CO2乳液穩(wěn)定性和有效期的影響[10-13]。

圖10 并聯(lián)巖心實驗組結(jié)果Fig.10 Experimental results for parallel sandpacks displacement

3 結(jié) 論

(1)隨著壓力的增大,CO2-AOT體系的界面張力降低,擴張模量和界面黏彈性增大,液膜強度增大,壓力增大到一定程度時,體系的界面張力降低的幅度和擴張模量增加速率變緩;隨著溫度的升高,體系的界面張力增加,擴張模量和界面黏彈性降低,液膜強度減小。

(2)溫度對AOT穩(wěn)定的CO2乳液有一定的影響,隨著溫度的增加,驅(qū)替壓差降低,乳液驅(qū)替過程中的阻力因子有所降低,殘余阻力因子也隨之降低;低溫下的CO2乳液向儲層內(nèi)流體的擴散效果更弱,擁有更高的界面黏彈性和更大的機械強度,在巖心驅(qū)替過程中可以更好地封堵地層,也更早實現(xiàn)高強度封堵。

(3)隨著壓力的升高,阻力因子和殘余阻力因子均逐漸增加,在壓力由4 MPa升至8 MPa過程中,阻力因子大幅增加,壓力的升高使巖心封堵過程中的最高壓差提前出現(xiàn)。

(4)高壓低溫條件下CO2乳液的界面張力低、強度高、界面黏彈性好,其分流調(diào)剖效果也越明顯。溫度和壓力均影響CO2乳液調(diào)剖分流效果。

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(編輯 劉為清)

InfluenceofCO2emulsioninterfacialcharacterizationonporousflow

LI Zhaomin1, LIU Jiquan2, LI Songyan1, WANG Peng2, LU Peihua2, CHEN Qingguo2

(1.SchoolofPetroleumEngineeringinChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580,China; 2.ResearchInstituteofOilandGasEngineering,TarimOilfieldCompany,Korla841000,China)

In the process of oil displacement, CO2emulsion can effectively control the mobility of CO2which significantly improves the CO2flooding effect and EOR. The AOT was selected as surfactants for CO2emulsion. And the interfacial property of AOT aqueous solution and CO2was characterized through TRACKER-H interfacial rheometer at different temperatures and pressures. Then the CO2emulsion plugging and profile control shunt effect were evaluated through the core plugging experiment under different temperatures and pressures. It is found that with the increase of pressure, the interfacial tension of CO2emulsion decreases, while the interfacial viscoelasticity increases. And with the increase of temperature, the interfacial tension of CO2emulsion increases, but the interfacial viscoelasticity decreases. It is also concluded that the high temperature is unfavorable to the emulsion plugging, while the high pressure is favorable to the emulsion plugging, which corresponds to the interfacial viscoelasticity, indicating CO2emulsion plugging effect is related to its interfacial viscoelasticity. The results show that the temperature and pressure can affect the porous flow of CO2emulsion via influencing its interfacial properties. Higher the strength of the CO2emulsion, lower interfacial tension and better viscoelasticity can lead to signficant shunt effect.

CO2emulsion; interfacial characterization; core plugging; profile shunt

2016-12-22

國家自然科學(xué)基金項目(51304229)；教育部博士點基金項目(20120133110008)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項(14CX02043A，14CX02185A)

李兆敏(1965-)，男，教授，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向為泡沫流體及稠油開采。E-mail: lizhm@upc.edu.cn。

1673-5005(2017)05-0110-07

10.3969/j.issn.1673-5005.2017.05.013

TE 357.46

A

李兆敏,劉己全,李松巖,等.CO2乳液的界面特性對其滲流特征的影響[J].中國石油大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2017,41(5):110-116.

LI Zhaomin, LIU Jiquan, LI Songyan, et al. Influence of CO2emulsion interfacial characterization on porous flow[J].Journal of China University of Petroleum (Edition of Natural Science),2017,41(5):110-116.