王鵬濤,趙 琪,王小軍,張 旭,王 勇,劉學(xué)偉,趙玉東
(1延長油田股份有限公司杏子川采油廠2青海油田公司采油四廠3青海油田公司采油一廠4中國石油大港油田石油工程研究院)
王鵬濤等.耐溫型分子膜驅(qū)油劑性能評價(jià)及應(yīng)用.鉆采工藝,2019,42(5):91-94
分子膜驅(qū)油技術(shù)是一種新型的納米膜驅(qū)油技術(shù),其驅(qū)油機(jī)理和傳統(tǒng)的化學(xué)驅(qū)有所不同,分子膜以水溶液為介質(zhì),通過離子間的靜電引力作用吸附在儲層巖石的表面,形成一層單分子膜,從而改變巖石表面潤濕性,可以降低原油與儲層巖石表面的粘附力,使原油易于從儲層孔隙表面剝離開來,達(dá)到提高采收率的目的[1-7]。
分子膜驅(qū)油技術(shù)具有驅(qū)油效率高、易施工、費(fèi)用低和對地層無傷害的特點(diǎn),具備良好的發(fā)展前景。近年來,國內(nèi)學(xué)者對分子膜驅(qū)油劑的研究較多,主要集中在分子膜驅(qū)油劑的吸附及潤濕特性、驅(qū)油機(jī)理及現(xiàn)場應(yīng)用方面[8-13],但對于分子膜驅(qū)油劑的抗溫性能研究報(bào)道較少,在中高溫油藏的應(yīng)用中,需要考慮分子膜驅(qū)油劑的抗溫能力。本文針對一種耐溫型分子膜驅(qū)油劑進(jìn)行了室內(nèi)性能評價(jià),并開展了礦場應(yīng)用試驗(yàn),為分子膜驅(qū)油技術(shù)在此類型油藏的應(yīng)用提供了一定的借鑒。
1.1 主要實(shí)驗(yàn)試劑
硝酸銀、環(huán)氧氯丙烷、二甲胺,均為分析純;模擬地層水(礦化度為35 520 mg/L);地層原油(密度為0.82 g/cm3,25℃時(shí)黏度為6.85 mPa·s);儲層天然巖心;耐溫型分子膜驅(qū)油劑,自制(有效成分聚合陽離子型季銨鹽的濃度為60%)。
1.2 主要實(shí)驗(yàn)儀器
JZ-200系列自動界面張力儀;HARKE-SPCA視頻接觸角測量儀;巖心抽真空飽和裝置;多功能巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)裝置。
2.1 表面張力測定
使用模擬地層水配制不同濃度(0、1 000、3 000和5 000 mg/L)的分子膜驅(qū)油劑溶液,在25℃下使用JZ-200系列自動界面張力儀測定溶液的表面張力。
2.2 耐溫性能評價(jià)
耐溫型分子膜驅(qū)油劑屬于聚合陽離子型季銨鹽,陽離子度是影響其性能的一個(gè)重要參數(shù)。陽離子度表示陽離子單元在聚合物分子鏈中所占的摩爾分?jǐn)?shù),如果聚合物的耐溫性能較差,隨著溫度的升高,聚合物分子鏈發(fā)生部分?jǐn)嗔?,一部分陽離子單元從聚合物分子鏈上脫落,導(dǎo)致聚合物的陽離子度下降。所以,室內(nèi)可以通過測定分子膜驅(qū)油劑在不同溫度下的陽離子度變化情況,考察分子膜驅(qū)油劑的耐溫性能。摩爾滴定法測定不同濃度耐溫型分子膜驅(qū)油劑在不同溫度下老化24 h后的陽離子度[14]。根據(jù)式(1)計(jì)算出分子膜驅(qū)油劑的陽離子度CD:
式中:c—AgNO3標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度,mol/L;
v—試樣所消耗的AgNO3標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積,L;
m—滴定實(shí)驗(yàn)時(shí)不同試樣溶液中含有的分子膜驅(qū)油劑的質(zhì)量,g;
M1—環(huán)氧氯丙烷的相對分子質(zhì)量,為92.52;
M2—二甲胺的相對分子質(zhì)量,為45.08。
2.3 潤濕性能評價(jià)
取三塊天然巖心切片,其中一塊處理成強(qiáng)親水,另一塊處理成強(qiáng)親油,最后一塊不做任何處理。使用OCA15EC型視頻光學(xué)接觸角測量儀分別測定不同濃度的分子膜驅(qū)油劑溶液在不同巖心切片上的接觸角,評價(jià)分子膜驅(qū)油劑的潤濕性能。
2.4 吸附性能評價(jià)
使用模擬地層水配制不同濃度的分子膜驅(qū)油劑溶液,選用洗凈烘干的100~120目鉆屑,將鉆屑與分子膜溶液按質(zhì)量比為1∶20進(jìn)行混合,置于恒溫振蕩水浴鍋中,在儲層溫度下恒溫不同時(shí)間,用分光光度法測定分子膜驅(qū)油劑在巖石表面上的吸附量,評價(jià)分子膜驅(qū)油劑的吸附性能[15]。
2.5 防膨性能評價(jià)
參照石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5971-2016《油氣田壓裂酸化及注水用粘土穩(wěn)定劑性能評價(jià)方法》測定不同濃度分子膜驅(qū)油劑溶液的防膨性能,具體實(shí)驗(yàn)步驟為:使用模擬地層水配制不同濃度(0、1 000、3 000和5 000 mg/L)分子膜驅(qū)油劑溶液,備用。稱取0.5 g鈉膨潤土(精確至0.01 g),裝入10 mL離心管中,加入10 mL不同濃度的分子膜驅(qū)油劑溶液,充分搖勻,在室溫下放置2 h,放入離心機(jī)中,在轉(zhuǎn)速為1 500 r/min下離心15 min,讀出鈉膨潤土膨脹后的體積V1。使用蒸餾水和煤油代替分子膜驅(qū)油劑溶液,重復(fù)以上步驟,測定鈉膨潤土在蒸餾水和煤油中的膨脹體積V2和V0,計(jì)算防膨率B=(V2-V1)/(V2-V0)×100%。
2.6 驅(qū)油效果評價(jià)
(1)選取目標(biāo)儲層天然巖心洗油后烘干,飽和模擬地層水,計(jì)算巖心的孔隙體積和孔隙度。
(2)將處理后的巖心裝入驅(qū)替裝置中,加熱至儲層溫度,加圍壓,使用儲層原油驅(qū)替至束縛水狀態(tài),并在儲層溫度下恒溫24 h。
(3)在相同溫度和圍壓條件下使用模擬地層水驅(qū)替巖心,直至沒有油滴產(chǎn)出,計(jì)算水驅(qū)油效率Rw。
(4)注入2 PV不同濃度的耐溫型分子膜驅(qū)油劑溶液后,關(guān)閉驅(qū)替流程,在儲層溫度下使巖心吸附反應(yīng)24 h。
(5)繼續(xù)使用模擬地層水驅(qū)替至含水率100%,停止實(shí)驗(yàn),計(jì)算最終驅(qū)油效率Rt。
按照表面張力測試的實(shí)驗(yàn)方法,在25℃下使用JZ-200系列自動界面張力儀測定溶液的表面張力,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。
表1 分子膜驅(qū)油劑的表面張力測定結(jié)果
由表1實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,隨著分子膜驅(qū)油劑溶液濃度的升高,溶液的表面張力呈下降趨勢,但是降低幅度不大,均在一個(gè)數(shù)量級上。所以認(rèn)為該分子膜驅(qū)油劑具有一定的表面活性,但不屬于表面活性劑。
按照耐溫性能評價(jià)的實(shí)驗(yàn)方法,分別測定濃度為1 000 mg/L、3 000 mg/L和5 000 mg/L的分子膜驅(qū)油劑溶液在25℃、50℃、70℃、90℃和120℃下老化24 h后的陽離子度,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。
表2 分子膜驅(qū)油劑耐溫性能評價(jià)結(jié)果
由表2實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,在25℃~120℃下老化24 h后,測定分子膜驅(qū)油劑的陽離子度基本沒有變化,這是由于耐溫型分子膜驅(qū)油劑的結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定,在高溫下聚合物分子鏈基本沒有斷裂,陽離子單元損失較少,所以陽離子度變化較小,說明該分子膜驅(qū)油劑的耐溫性能較好。當(dāng)溫度升高至130℃時(shí),陽離子度明顯下降,表明該分子膜驅(qū)油劑適合應(yīng)用于130℃以下溫度的儲層。
按照濕潤性能評價(jià)的實(shí)驗(yàn)方法,分別測定不同濃度分子膜驅(qū)油劑在不同巖心切片上的接觸角,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。
表3 不同濃度分子膜驅(qū)油劑在不同巖心切片上的接觸角
由表3實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,不同濃度的分子膜驅(qū)油劑均可以降低水在不同潤濕性質(zhì)的巖心切片上的接觸角(潤濕角),使巖石表面更加親水。這是由于分子膜驅(qū)油劑中含有陽離子基團(tuán)和疏水基,通過水溶液作為傳遞介質(zhì),依靠較強(qiáng)的離子間靜電作用力,使分子膜沉積吸附在巖心切片表面形成一層牢固的單分子層納米膜,同時(shí)分子膜側(cè)鏈上伸展的親水基團(tuán)排列能使巖石表面具有親水性,從而能夠使巖心切片表面潤濕性向親水方向轉(zhuǎn)變。在實(shí)際應(yīng)用中可以降低原油與儲層巖石表面之間的粘附力,使原油易于被驅(qū)出地層,達(dá)到提高采收率的目的。
按照吸附性能評價(jià)的實(shí)驗(yàn)方法,測定不同濃度分子膜驅(qū)油劑在巖石表面上的吸附量,見圖1。
圖1 分子膜驅(qū)油劑不同時(shí)間下在鉆屑上的吸附量
由圖1結(jié)果可以看出,不同濃度分子膜驅(qū)油劑在鉆屑上的吸附量隨著時(shí)間的延長而逐漸增大,當(dāng)吸附時(shí)間為15 h以后,吸附量逐漸趨于穩(wěn)定。另外,當(dāng)分子膜驅(qū)油劑濃度達(dá)到3 000 mg/L以后,隨著分子膜驅(qū)油劑濃度的增加,吸附量基本不再變化,說明分子膜在固相界面上的吸附量已經(jīng)達(dá)到飽和,飽和吸附量達(dá)到15 mg/g以上,吸附量較大。這是由于耐溫型分子膜驅(qū)油劑屬于聚合陽離子型季銨鹽,陽離子度較高,與鉆屑之間具有較強(qiáng)的陽離子交換吸附能力,分子間以氫鍵作用力結(jié)合,從而可以在巖石表面形成一層分子膜,改變巖石表面性質(zhì)和原油的存在狀態(tài),有利于提高原油采收率。
按照防膨性能評價(jià)的實(shí)驗(yàn)方法,測定模擬地層水和不同濃度分子膜驅(qū)油劑溶液的防膨性能,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。
表4 不同濃度分子膜驅(qū)油劑的防膨率
由表4實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,分子膜驅(qū)油劑濃度達(dá)到3 000 mg/L時(shí),其防膨率可以達(dá)到90%左右,具有良好的防膨性能。這是由于分子膜驅(qū)油劑具有較強(qiáng)的吸附在黏土表面的能力,其在黏土表面大量吸附以后,會阻止水溶液與黏土礦物之間的陽離子交換,使水分子不容易進(jìn)入到黏土礦物的晶格中,從而表現(xiàn)出較好的防止黏土水化膨脹的能力[16]。另外,分子膜中的陽離子基團(tuán)能夠中和黏土表面的負(fù)電荷,減少其負(fù)電性,通過壓縮黏土顆粒的雙電層來抑制黏土顆粒的水化分散作用。在現(xiàn)場驅(qū)油過程中,無需單獨(dú)添加防膨劑,可以達(dá)到節(jié)約成本的目的。
按照驅(qū)油效果評價(jià)中的實(shí)驗(yàn)方法分別測定濃度為1 000 mg/L、3 000 mg/L和5 000 mg/L的分子膜驅(qū)油劑溶液的驅(qū)油效率,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表5。
表5 不同濃度分子膜驅(qū)油劑驅(qū)油效率
由表5實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,水驅(qū)后注入2 PV的不同濃度分子膜驅(qū)油劑后,均可以提高最終驅(qū)油效率。通過比較不同濃度分子膜驅(qū)油劑的驅(qū)油效率,并綜合考慮經(jīng)濟(jì)因素,認(rèn)為分子膜驅(qū)油劑濃度為3 000 mg/L時(shí)最為合適,其驅(qū)油效率的增幅較為明顯,可使水驅(qū)后的采收率提高11%以上,最終采收率達(dá)到67%左右,增油效果顯著。
陸上某油田M區(qū)塊屬于中低滲儲層,泥質(zhì)含量較高(8.6%),儲層溫度較高(106℃)。區(qū)塊內(nèi)目前共有油井19口,水井10口,由于長期采用注水開發(fā),已進(jìn)入中高含水期,注水開發(fā)效果不理想。
為進(jìn)一步提高該區(qū)塊水驅(qū)開采效果,開展了耐溫型分子膜驅(qū)油技術(shù)研究及應(yīng)用,結(jié)合室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果和現(xiàn)場實(shí)際情況,對區(qū)塊內(nèi)中心區(qū)域的3口注水井進(jìn)行注耐溫型分子膜驅(qū)油劑現(xiàn)場試驗(yàn),注入濃度為3 000 mg/L,累積注入耐溫型分子膜驅(qū)油劑4.5 t。采取施工措施30 d后,對應(yīng)的兩口油井(M-3井和M-9井)產(chǎn)液量和產(chǎn)油量均有大幅提高,并且有效期較長,累計(jì)增油均達(dá)到500 t以上。具體應(yīng)用效果統(tǒng)計(jì)見表6。
(1)室內(nèi)對耐溫型分子膜驅(qū)油劑的性能進(jìn)行了評價(jià),結(jié)果表明,該分子膜驅(qū)油劑的陽離子度較高,耐溫性能較好,與儲層巖石表面的吸附作用較強(qiáng),形成沉積膜后,能顯著改變巖石表面的潤濕性,使其親水性增強(qiáng),并且具有良好的防膨性能,從而有利于提高原油采收率。
(2)驅(qū)油實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)耐溫型分子膜驅(qū)油劑濃度為3 000 mg/L時(shí),可在原來水驅(qū)的基礎(chǔ)上,使驅(qū)油效率提高11%以上。
(3)通過對M區(qū)塊中心區(qū)域內(nèi)3口注水井注入耐溫型分子膜驅(qū)油劑試驗(yàn),在施工措施30 d后,對應(yīng)油井產(chǎn)能大幅度提高,有效期達(dá)250 d左右,單井累計(jì)增油達(dá)到500 t以上,增油效果顯著,具有良好的推廣應(yīng)用前景。