堿 /表面活性劑驅對稠油開采的作用

編譯:趙賢 (吉林油田分公司修井作業公司工藝研究所)

審校:郭學彥 (吉林油田分公司修井作業公司工藝研究所)

堿 /表面活性劑驅對稠油開采的作用

編譯:趙賢 (吉林油田分公司修井作業公司工藝研究所)

審校:郭學彥 (吉林油田分公司修井作業公司工藝研究所)

介紹了一種能夠在稠油 (11 500 mPa·s)地層中使用的堿/表面活性劑(AS)注水技術。該技術研究分析了AS注入如何產生能提高波及效率和采收率的水包油 (OIW)浮狀液。根據弱場核磁共振(NMR)進行的現場飽和度試驗,從巖心驅替中獲得了數據。巖心驅替表明乳化作用對堵水和提高注水波及效率是最有效的。

稠油開采 堿/表面活性劑驅注水 提高采收率

1 前言

一些國家,如加拿大和委內瑞拉,存在著大量的稠油和瀝青沉積,這些油砂巖都是高孔隙度、高滲透率的疏松油藏。在油藏條件下原油的黏度變化范圍從幾十到幾百萬mPa·s,其密度接近或高于水的密度。

目前預計把一次稠油開采規定為原油地質儲量(OOIP)的5%,而剩余的儲量由二次采油和三次采油來開采。然而,加拿大的很多油藏都相對小并且儲層薄,在一次采油過程中就可能受到限制了。因此,對于昂貴的熱采或油氣溶劑增油技術來說,這些油藏不是很好的選擇。所以,就要考慮較經濟的原油開采方法。

先期的研究主要應用注水和AS注水改進稠油開采。研究發現,在稠油注水過程中,由于不利的水/油流度比導致黏度不穩定,水會在注入的早期突破。水突破后,連續的水道貫穿了油藏。

在稠油注水的后期,毛細管力和水吸滲驅替是主要的開采機理。在較低的注入速率下,盡管含水較高,但水突破后仍能開采出大量的稠油。在一次采油和二次采油過程中都可以使用AS注入?？傊?結合注水和AS注入能夠在一次采油后極大地提高原油采收率。對壓力和開采數據進行分析,以便推測化學注入是如何工作的,對礫石充填部分流體的NMR圖譜進行監測來分析巖心的潤濕性。

2 化學劑注入

表面活性劑是一種既親油又親水的特殊分子結構,該特性使其能穩定地存在于油水界面。這樣,非混相油水分子就被從界面中驅替出來,導致了油水界面表面張力 (IFT)的降低。堿驅是表面活性劑驅油的一個附屬系統,由此,表面活性劑通過油中有機酸和注入的堿溶液反應在地層中產生。在常規注水的非混相驅替中,剩余油以不連續的殘余油滴形式存在,通過毛細管力圈閉。降低油水界面表面張力能夠增加毛細管數及原油開采量。表面活性劑的影響會導致流體的乳化作用并且可能在潤濕性中發生變化。在常規油系統中,從水潤到油潤的潤濕性變化能夠改變油的相對滲透率并通過薄膜排驅在較低的飽和度上進行原油開采?；瘜W劑注入現場應用的挑戰與化學劑漏失到巖石表面有關,但是,原油開采機理已經進行了明確界定。

在稠油油藏中,注水后期未開采原油由于不利的油水流度比未被波及。因此,這里的油仍然是連續的并且可以流動,但流動速率要根據巖石壓力梯度和滲透率來確定。一個簡單的油水界面表面張力降低機理與常規增油開采機理類似,在驅油的過程中是無效的。然而,注入的化學劑一定會提高油水流度比,將油更穩定地驅替到生產井。

3 乳狀液和稠油開采

在一定條件下,OIW乳狀液在水中表面活性劑或堿混合物的條件下形成。這些以水為連續相的乳狀液黏度估計要低于以油為連續相的乳狀液黏度。因此,油的乳化和攜帶已經考慮作為原油的開采機理,這樣油就以低黏度的OIW乳狀液產出。在AS注入稠油的微模型研究中觀察到這一乳化反應,但是在巖心驅替產出的流體中沒有觀察到實際的OIW乳狀液。因此,對于流動的OIW乳狀液而建議的機理是它們首先在含水相中彌散、攜帶,然后重新聚集形成一個油帶。

當OIW乳狀液或WIO(油包水)乳狀液形成時,液滴的乳化和圈閉就能提高原油開采率。甚至在低的表面張力條件下,這些液滴可能通過多孔介質中的毛細管力圈閉,壓力驅替這些液滴是很明顯的。如果這些乳狀液液滴能夠在黏性指進的過程中堵塞水道,那么波及效率就能提高。很多專家都已經注意到,在黏油系統中,改進波及效率比降低微觀剩余油飽和度有著更重要的影響。

4 潤濕性和稠油開采

堿或表面活性劑注入多孔介質的另一個作用是能夠吸附于巖石上,改變巖石的潤濕性。通常,在具有相反電荷的巖石和表面活性劑油藏中,表面活性劑的吸附作用將得到促進。然而,即使具有相同電荷的表面活性劑和巖石,一些吸附和潤濕性改變也會發生。在常規系統中,將油藏改變為親油狀態會導致油膜排水并改善流動,然而在稠油系統并非如此。在稠油油藏中,水突破后的原油開采是由于水的滲吸,因此油藏必須是親水的。如果化學劑注入改變了潤濕性,油就會黏附于巖石表面,那么AS注入后的進一步注水就不再可行了。

對油藏潤濕性的了解是解釋化學劑注入效果的基礎,然而這個參數是不容易測量的。通常,必須要做個假設,因為砂巖是天然親水的,所以油藏就傾向于親水。親水性可以通過薄膜穩定性的理論計算得以證實,然而只有少量實驗證實砂巖一直是親水的。監測潤濕性和潤濕性變化都是必要的。

如果稠油系統中乳化作用對提高原油采收率有影響,那么巖石潤濕性對形成乳狀液的作用就應該考慮。接觸角分析對多孔介質中流體不容易解釋,因為孔隙不是平面。因此,在該研究中,弱場NMR用于了解AS注入過程中潤濕性是如何變化的。

5 通過去離子AS注入提高原油采收率

在全液研究中,據觀察當去離子 (DI)水中出現化學劑時,OIW乳狀液就會形成。然而,當含水相含有水和2%(質量分數)的NaCl(鹽水)時,只有黏性的WIO乳狀液形成。因此,通過注入去離子AS溶液,預計OIW乳化作用就會發生,而鹽水-AS注入會產生WIO乳狀液。這個作用在產出液和地層油和水的NMR圖譜中都得到了證實。圖1顯示了AS注入的注入壓力剖面和采油剖面的一個實例。在注水早期,以穩定的速率注水,但黏性的油不能以相同的速率產出,壓力在巖心中建立。最終水將通過出口指進,當水可以通過水道快速流動后,壓力快速下降。在注入大約5孔隙體積 (PV)水后,AS注入 (0.1%的表面活性劑, 0.5%的Na2CO3的去離子水)以相同的速率開始。AS溶液注入后,巖心受到增長壓力的影響。由于巖心中壓力增加,產出液主要是水。當壓力達到最大值后,出水量降低,原油采收率提高。

圖1 AS注入后進行注水的壓力和采收率剖面圖 (RF=采收率系數)

在以較高的速率注入到低滲透率多孔介質的過程中,流體剪切范圍較高。在較高的剪切條件下,較小的乳狀液液滴形成并且可以通過巖石孔隙流動。在這些條件下,對實際產出的OIW乳狀液進行了測量。當油作為一種OIW乳狀液產出后,乳狀液中的油餾分相對較少。相比之下,在較低的剪切條件下,當油滴不能通過巖石孔隙時,油就會堵塞水道,就會導致流路的重新分布及額外的原油開采。

早期的工作觀察到,更有效的AS注入具有較低、有效的AS溶液與黏油的流度比。圖2顯示了較低AS注入速率引起了較低有效流度比的注入,產生了更有效的原油開采。試驗結果證明,較低的無因次剪切值反應出較低的有效流度性比并改善了整個注入動態。巖心驅替的結果證明,最理想的原油開采效果來自于液滴的乳化作用和圈閉而不是由于攜帶和流動。

圖2 最小有效流度比和AS驅效果之間的關系

6 AS注入過程中的潤濕性變化

除了要評價降低AS注入速率對無因次剪切和注入效率的影響,第二個目的是要利用弱場NMR監測油和水在地層中的位置。砂巖不含氫,因此NMR信號只能來自于巖心中的油和水。然而,流體張弛時間由流體特性 (如黏度)及流體所在孔隙空間的表面積/體積比控制。

試驗證明在化學劑注入過程中不斷地形成了WIO乳狀液,并且這些乳狀液至少部分地反應出這些注入過程中測得的壓力響應。然而,注水圖譜分析顯示,即使觀察到的WIO乳化作用水平較低,巖石仍然是親水的。而且,表面活性劑吸附是一個隨時間變化的過程;因此,在較慢的AS注入過程中或巖石接觸表面活性劑較長時間的情況下,潤濕變化的可能性就會增長。所以,對最低注入速度 (0.045 m/d)的DI-AS注入進行了更詳細的分析。在這個注入速度下,1 PV注入需要大約120 h。因此,提供給了表面活性劑吸附和可能的潤濕性變化更長的時間。

在低速稠油注水過程中,滲吸是主要采油機理,薄膜中的含水飽和度隨時間增長。水膜增厚是巖石親水特性和滲吸過程的證明。如圖3所示,DI -AS流體注入后,巖心中壓力升高,界面水的體積下降并且WIO乳狀液增加。因此,存在于孔隙中的水在油中被乳化了。在圖3中,另一個對系統潤濕性的觀察是通過水膜飽和度測試獲得的。在注水過程中所做的直接觀察中,注入的水膜飽和度始終是恒定的,因此,沒有注入流體能夠通過水膜流動。

圖3 低速DI-AS注入過程中水飽和度在不同位置的變化

在DI-AS注入的后期,如果巖石已經是親水的并且WIO乳狀液已經形成,那么進行其他的鹽水-AS注入或注水將是無益的。鹽水-AS注入將要設計產生一個具有較高WIO乳狀液水平的親水巖心,這種情況在低速DI-AS注入后已經存在了。同樣,在稠油注水開發過程中由于水的滲吸油被采出,這個機理就不再存在于油濕巖心或低IFT的巖心中。為進行更深入的調查,在DI-AS注入后進行注水。

巖心仍然含有表面活性劑溶液,所以注水響應只有當表面活性劑從系統中沖刷出來后才能確定。為了快速排出表面活性劑,DI水以接近1 PV的一個相對較快的前緣速度 (0.27 m/d)注入。在這一過程中,低滲透率巖心中壓力明顯提高,這會引起很高的無因次剪切。于是,油像OIW乳狀液一樣產出,這會引起產量2%OOIP的額外增長。注水前緣速度被低到0.045 m/d后,巖心中的壓力快速下降。在大約2 PV的水注入后,系統壓力更低并且表面活性劑也已經被從巖心中沖刷出來。在這點上,注水響應可以確定。

在下一個2.5 PV的水注入后,只有額外1%的OOIP采出。因此,注水明顯比在DI-AS注入前效率減少,再一次表明了一個更親油的條件。在大約5 PV的水注入后,在同一注入速度下,一種表面活性劑驅油方式形成。表面活性劑單獨不能影響低的IFT,但是在全液研究中,它使玻璃更加親水;因此,表面活性劑注入可以恢復巖石最初的潤濕性。在考慮不同位置 (乳狀液、孔隙和薄膜)的水飽和度時,就會很好地了解注入響應。在注水過程中,WIO乳狀液飽和度緩慢降低,界面 (孔隙)水飽和度增加。因此,低速的注水會突破乳狀液并再次形成水道,導致沒有額外的油產出。注入0.1%表面活性劑溶液,觀察到了同樣的趨勢。然而,建議關閉巖心后注入,界面水飽和度急劇增加并且乳狀液飽和度降低到0。同樣,還測得水膜飽和度增加。

現在還不知道為什么鹽水-AS溶液不能將潤濕性轉化為親油條件。相反,這個溶液看起來可以通過水道簡單地循環,基本上沒有額外的油產出。然而,在表面活性劑注入和侵潤或可能的長期低速注水的條件下,巖心可能恢復到它的親水狀態。因此,額外的注水開采也許是可行的,這是未來研究的重點。

資料來源于美國《J PT》2009年1月

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.9.008

2009-05-04)