泡沫驱油体系提高采收率研究

泡沫驱油体系提高采收率研究 中图分类号: 单位代码: 学 号: ?寸阂石浊六学 硕士学位论文 泡沫驱油体系提高采收率研究 学科专业: 油气田开发工程 研究方向: 油气渗流理论与应用 凯 作者姓名: 陈 指导教师: 李爱芬教授 二。一二年五月一 ?: :关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明:所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所 取得的 成果,论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知,除文中已经加以标注 和致谢外, 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果,也不包含本人或他人为获 得中国石油 大学华东或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均己在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处,本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名: 日 盛趁乙 日期:沙年月 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学华东有权使用本学位论文包括但不限于其印 刷版和电子版,使用方式包括但不限于:保留学位论文,按 规定 关于下班后关闭电源的规定党章中关于入党时间的规定公务员考核规定下载规定办法文件下载宁波关于闷顶的规定 向国家有关部门机 构送交学位论文,以学术交流为目的赠送和交换学位论文,允许学位论文被查阅、 借阅和复印,将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名:垄赴 日期: 埤,月日 指导教师签名: 日期:沙年‘月/日摘 要 目前我国大部分陆上油田都已经进入了开发的中后期,像低渗、稠油、非均质性严 重等难以开发的油田也在逐年增多,采用常规开采手段往往不能对这些油气田进行有效 的开发。而近年来,在提高石油采收率的研究中,泡沫驱以其独特的渗流和驱油性能越 来越受到人们的重视。泡沫体系既能降低油水界面张力,提高驱油效率,又能降低水油 流度比,提高波及效率。因此它是比较有发展前途的~种三次采油技术。 本文针对长庆油田高矿化度的地层水,首先筛选出了两种性能优良的起泡剂,又采 用复配方法得到了一种高效的起泡剂配方,并对三者进行了浓度优选和耐温性及耐盐性 评价;选取其中一种起泡剂研究其封堵性能,并评价气液比、渗透率和气液注入方式对 阻力因子的影响;然后利用双管模型研究不同注入方式、产水率和渗透率级差对提高原 油采收率的影响;最后通过泡沫微观模型和可视化实验,研究泡沫封堵调剖以及驱油的 基本机理。 研究表明,筛选出的起泡剂及配方性能良好,有较高的起泡高度和较长的半衰期, 耐温性和耐盐性符合基本要求。泡沫在填砂管中的封堵效果良好,阻力因子较高;气液 比、渗透率和气液注入方式对泡沫阻力因子都有不同程度的影响。确定了提 高采收率效 果的最佳注入方式和注入时机,以及合适的渗透率级差范围。微观模型和可 视化实验则 验证了泡沫堵大不堵小,堵水不堵油的封堵特性。 关键词:泡沫,高矿化度,阻力因子,提高采收率,微观机理 ? .. . , .. 、衍也 . 丽也曲 , 、, . . , ,? .豳毛 ,衍也 . ,, . . , ., .?? ., . , ? . :,盥目 录 第一章绪论??.. .研究的目的及意义?.. .国内外研究现状??. ..泡沫驱的分类? ..泡沫产生机理及影响因素? ..国外泡沫驱矿场试验??. ..国内泡沫驱矿场试验??. ..存在的问题?.. .论文的研究内容及拟解决的问题? ..主要研究内容? ..拟解决的问题?. .课题的研究方法及技术路线??. ..研究方法??. ..技术路线??. 第二章高效起泡剂的优选及评价??.. .实验方法? ..罗氏法倾注法. ..气流法??.. ..起泡剂溶液界面张力的测定 .实验条件? .长庆地层水条件下起泡剂的筛选及浓度优化. ..起泡剂的筛选.. ..起泡剂浓度的优选??.. .起泡剂体系的复配?. ..甜菜碱的起泡性能及稳泡性能??. ..甜菜碱与十二醇复配..甜菜碱、十二醇与阳离子表面活性剂复配. .三种起泡剂体系的耐温性能评价.. ..复配体系耐温性能评价?. .. .%起泡剂溶液耐温性能评价.. .. .%起泡剂溶液耐温性能评价.三种起泡剂体系的耐盐性能评价.. ..复配体系耐盐性能评价?. .. .删起泡剂溶液耐盐性能评价.. .. .%起泡剂溶液耐盐性能评价. .不同气体起泡性能评价 ..实验方法及装置图一..实验步骤..实验结果.小结??. 第三章单管实验研究泡沫阻力因子.实验条件及流程..实验条件..实验流程. 实验步骤? .实验结果及 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 ..气液比对泡沫阻力因子的影响??. ..渗透率对泡沫阻力因子的影响??. ..气液注入方式对泡沫阻力因子的影响. ..不同气液比下甜菜碱复配体系阻力因子??.. .小结??. 第四章双管实验研究泡沫调驱性能.模拟油的配制??.. ..脱水原油在不同温度下的粘度??. ..模拟油的制备.. .非均质填砂管泡沫驱油体系评价.. ..实验条件及流程. ..实验步骤..单独泡沫驱提高采收率结果及分析? ..起泡剂段塞泡沫驱提高采收率结果及分析?.. ..起泡剂段塞泡沫驱聚合物段塞提高采收率效果 ..聚合物段塞起泡剂段塞泡沫驱提高采收率效果 ..不同注入方式对比??.. .泡沫体系调驱的影响因素评价?...实验条件及流程. 的 ..实验步骤的 的 ..产水率对泡沫调剖驱油效果的影响? ..渗透率级差对泡沫调剖驱油效果的影响??.. 弱 .小结??. 弱 第五章泡沫驱油微观实验研究 卯 .可视化模型研究泡沫驱油过程?. 盯 ..填砂模型制作过程??.. 卯 ..泡沫在可视化玻璃填砂模型中驱油效果??.. 弱 .玻璃刻蚀模型研究泡沫驱油过程.. ? ..实验仪器及药品. 铝 ..实验步骤? ..实验结果及分析. 以 .小结??. ? 结论盯 参考文献.. 鼹 攻读硕士学位期间取得的学术成果??.. 他 致谢他 中国石油大学华东硕士学位论文 第一章 绪论 .研究的目的及意义 提高原油和天然气的开发效率一直是国内外油田不断追寻的目标,这主要是因为石 油和天然气是一种重要的战略资源,它关系到国家经济和社会的发展,与国家的国防事 业更是紧密相连【】;目前我国大部分油气田已经进入了开发的中后期,而新发现的油田 中,难以开发的油气田比例占据了很大一部分,比如低压、低渗透和稠油油藏等,这些 油气田的合理开发已经不是常规开采方法能满足的了【】;比如一部分油气藏非均质性问 题突出,储层之间和储层内的矛盾严重,利用普通的增产方法,例如酸化压裂、注气、 注表面活性剂等,注入的流体往往会只进入高渗透层,低渗透层基本波及不到,开发效 果非常不理想【】。对于我国目前正在开发的油气田来说,基本上属于陆相沉 积储层,油 层之间的非均质性非常严重;而且原油的粘度与国外相比都普遍偏大【;一般进行水驱 开采时,由于储层非均质性严重,水油流度比过大,往往使得含水率迅速上升,采收率 低下,得不到理想的开采效果。 最近几年,各国学者在研究如何提高原油采收率的过程中,发现了一种具有独特渗 流性能和驱油性能的开采方式,那就是泡沫驱。经过大量的实验【】,学者们总结出了泡 沫驱的两大优势,一是它可以减小油水间的界面张力,提高驱油效率;二是它能减小水 油流度比,增大低渗层的波及体积,因而可以看出泡沫驱是三次采油技术中非常有研究 前景的一种技术。泡沫基本上是由气体和液体两种相态组成的,它是一种多孔的膜状分 散体系;在这个体系中,液体作为连续相出现,而气体作为分散相。用来表征泡沫特性 的一个定义是泡沫质量,它的含义是在常温常压下组成泡沫的气体体积和泡沫的总 体积的比值【】;当的值在.至.之间时,代表泡沫能稳定存在。泡沫质量在不 同数值范围内时,体系的性质及形态如表.所示。 表泡沫的性质与泡沫质量的关系 泡沫质量 体系性质 体系形态 ?. 牛顿流体 充气液体 .一一. 宾汉塑性流体 泡沫 .~ 雾 泡沫体系作为一种有良好发展前景的三次采油技术,其本身有着很多其他驱替方式第一章绪论 所不具有的特性【刀;首先,泡沫体系能够封堵高渗透储层,从而提高低渗透储层的波及 体积,这是其“堵高不堵低’’的特性:其次,泡沫体系一般在水中稳定存在,遇到原油 会迅速破灭,这是其“堵水不堵油的特性;另外,泡沫体系的表观粘度一般大于驱替 流体,从而可以减小水油流度比,起到调剖的作用,因此对泡沫体系提高原油采收率的 可行性研究具有重要意义。 .国内外研究现状 ..泡沫驱的分类 通过调研国内外大量的文献资料,总结出泡沫调驱主要有两种分类方式,分别是以 生成泡沫的气体和液体来加以区分的【刀;各种泡沫驱的特点及应用情况如 下表.所示。 表泡沫驱的种类、特点及应用,泡沫驱种类 特点 应用 矿场应用最多,如大庆油田、胜 泡沫驱 为气相;成本低、不产生腐蚀、 施工 文明施工目标施工进度表下载283施工进度表下载施工现场晴雨表下载施工日志模板免费下载 方便 利油田和新疆油田等皆有应用 以天然气产生泡沫;同时具有天然气驱和泡 因有一定危险性,目前矿场应用 天然气泡沫驱 沫驱的增产效果;有一定危险性 较少 以产生泡沫;同时具有驱和泡沫驱的 国外应用较多,尤其是美国,国 泡沫驱 效果;气源较少 内油田应用较少 以空气产生泡沫;同时具有空气驱和泡沫驱 空气泡沫驱 的特点;成本低,增油效果明显:含氧量高, 中原油田中应用较 多 有一定危险性 在单一泡沫体系中加入稳定剂,增强泡沫稳 埕东油田、胜利油田 强化泡沫驱 定性,降低吸附损耗 体系由碱、表面活性剂、聚合物三元复合驱 复合泡沫驱 体系和气体组成;表活剂和碱可形成超低界 在各大油田均有应 用,范围广泛 面张力,聚合物起固泡作用 将蒸汽、水溶性表面活性剂和气体一起注入 蒸汽泡沫驱 主要用于稠油油藏 蒸汽超覆带,改变蒸汽流向;可降低汽/油流 度比,增大波及体积 主要用于稠油油藏,在胜利油田 氮气泡沫热水驱 融合了氮气驱、泡沫驱和热水驱的特点 和辽河油田取得较好开采效果 中国石油大学华东硕士学位论文 从上面的 表格 关于规范使用各类表格的通知入职表格免费下载关于主播时间做一个表格详细英语字母大小写表格下载简历表格模板下载 可以总结出,天然气的使用具有一定的危险性,从而导致天然气泡沫 驱应用较少;在我国的气源不多,导致泡沫驱的不可行;而空气泡沫驱则由 于其中氧气含量较大,有较高的危险性。因此,氮气作为一种含量高、成本低、安全可 靠、污染小的气源,可以用来进行泡沫驱的实验。 ..泡沫产生机理及影响因素 泡沫驱是一种以泡沫体系作为调剖驱油剂的三次采油技术;而泡沫是指不溶性的气 体作为分散相分散于作为连续相的液体中所形成的多孔膜状分散体系【】;国内外对泡沫 体系的探究主要是针对含油地层中泡沫的形成、碎裂和运移特点等方面进行 探索研究; 如果能深入系统的总结出泡沫的这些机理,那么对于油田剩余油的开采和油田现场的应 用指导将有重要意义。 .泡沫的产生机理 各国学者通过大量的实验研究发现,泡沫主要以两种方式在岩石孔隙中产生【。】: 液膜滞后和气泡缩颈分离;这两个过程是连续发生的;气体进入孔隙,首先发生 液膜滞后,气体注入速度较低时,进口处砂粒间平整的液膜会因气体突入孔隙而产生滞 后;随着气体逐渐进入孔隙深处,液膜变大,但因气体注入速度低,液膜未脱离原先的 液体成为独立气泡,气体仍是非连续相,这一步为泡沫产生准备前提条件,如图.; 随着气体注入量增加,孔隙深处形成的液膜变大;此时一方面液膜增大导致厚度减小, 表面的起泡剂浓度变小;另一方面气泡变大,液膜内气体压力变小,而喉道处半径小, 液膜所承受毛管力大;这两方面导致液膜在吼道处断开,产生独立气泡,这就是气泡缩 颈分离,如图.,这一过程在孔隙喉道可重复发生;缩颈分离产生的气泡减弱 了气体 的流度,以非连续相的形式通过孔隙喉道产生的阻力要高于以连续相形式产生的阻力。 气体 图液膜滞后示意图. 第一章绪论 气体?.一 :.::一气泡 瓯 悉辩毋 触薹 一气泡 图气泡缩颈分离示意图 . 液膜分断:这种方式作用的前提是泡沫已经产生,然后使泡沫发生变形,并促成 第二次产生,如图.所示。具体过程是,当已形成的气泡遇到两个或者更多的孔隙时, 其前缘的液膜会被分成两个或多个,然后进入孔隙,此后的过程和机理基本与缩颈分离 类似,最后会形成两个或多个气泡。注入气体的流速越高,这种方式越易发生。 图薄膜分断示意图. .泡沫的稳定性影响因素 国内外通过大量的实验结果,认为干扰泡沫稳定性能的原因一般为下面五个: 马兰戈尼现象:这个现象主要是由于液膜上的界面张力梯度如果受到外界因素 的扰动,液膜的局部厚度会产生变化,造成不同的界面张力,进而产生界面张力梯度 而导致的体相液体的传播现象,这个现象关系到泡沫自身的修复能力; 界面张力:如果液膜上的界面张力值较低,那么整个泡沫所具有的能量就比较低; 体系表面能量较低时比较稳定,形成的泡沫不容易聚并; 泡沫液膜的粘度:液膜的粘度会影响到液膜的排液速度以及液膜内气体的透过 性,进而影响泡沫的稳定性; 中国石油大学华东硕士学位论文 溶液粘度:溶液粘度主要干预液膜的排液过程;如果溶液粘度较大,液膜排液缓 慢,则泡沫会比较稳定; 泡沫体表的电荷种类及数量:如果形成泡沫的连续相是离子型的泡沫剂,那么泡 沫剂的液相分子就会定向地在泡沫体表进行排序,从而形成表面扩散双电层;此时如果 两个气泡的液膜互相接近,就会因为表面带有同种电荷而发生排斥,阻止了气泡的接触 或者融合,保证了泡沫的稳定性。 .泡沫的流动性影响因素 经过四十多年的研究,学者们普遍认为泡沫的各种性质变化多样,其流动性受很多 多变的因素影响,是一种非常复杂的非牛顿流体;目前国内外的学者们主要总结出了这 样一些对泡沫流动性有影响的因素【。】:泡沫内气体的特性;泡沫所处环境的温度和压 力;形成泡沫的气体与液体的体积比或者泡沫质量;起泡剂的各种性质和气泡液膜的 性质;泡沫的整体结构和单个气泡的尺寸;泡沫运移时的剪切速率等。 虽然国内外对泡沫体系已经研究了很多年,但国外和国内的研究方向还是有着较大 区别的【‘】;国外学者对单种气体形成的泡沫体系的流动性研究较多,比如泡沫、 泡沫以及蒸汽泡沫等;而国内油田由于大部分进入了开发的中后期,更加重视三次采 油技术的发展,因此主要研究了以泡沫复合驱为代表的泡沫驱油技术,例如强化泡沫驱、 三元复合泡沫驱等。 .泡沫流体提高采收率机理【 泡沫能够增大低渗地层的波及体积;泡沫的表观粘度大,而且在地层中会产生贾 敏效应,从而降低后续流体的流动性,改善注入剖面,减小水油流度比,使驱替流体更 加均匀地进入到不同渗透率的地层,改善了层间和层内的关系; 可以增大洗油效率;首先,生成泡沫的起泡剂本身能减小油水间的界面张力,增 大洗油效率,其次,泡沫在运移过程中产生的高剪切力和拖拽作用也可以使剩余油发生 流动; 泡沫在地层中是不断发生生成、破裂及再生成这样一个过程的,当泡沫破裂时, 释放出的气体会上浮,从而改善了上部油层的动用情况;同时地层中进入大量气体后增 大弹性能量,也可以进一步提高驱油效率; 泡沫具有“遇水稳定,遇油消泡’’的性质,也就是说泡沫优先进入含油饱和度低 的地层并发生封堵,因此后续驱替流体可以更多地进入含油饱和度高的地层进行驱替。 ..国外泡沫驱矿场试验 第一章绪论 早在二十世纪五十年代时,因为本土大量的气矿这个优势条件的存在,美国就 在对泡沫驱的室内实验研究基础上,对其在矿场上的实际应用做了开拓性试验【】;在二十世纪六十年代时, 开展了一系列有关泡沫体系 应用的实验,然后向外界宣布了他们的实验成果;紧接着美国的州的 于二十世纪七十年代对一个比较小的区块实施了泡沫注入的现场施工,当时油田 估计可以提高接近两万吨的原油采出量。 为了研究在二氧化碳驱替过程中二氧化碳所产生泡沫的流度控制作用和使后续驱 替液转向的作用,美国能源部与新墨西哥石油研究开发中心两个单位合作,于年对 新墨西哥州东南部的一个油田区块实施了二氧化碳泡沫驱矿场试验【】;试验结果显示, 二氧化碳泡沫驱取得了较好的效果,对当地油田区块的岩心和另外一些碳酸盐岩的岩心 是有有利作用的;二氧化碳在地层中产生了大量的稳定泡沫,降低了大约/的二氧化碳 流度,效果明显。 为了研究泡沫体系对二氧化碳的流度控制程度,莫贝尔公司在年时对二氧化碳 泡沫进行了室内实验和矿场试验【】;他们对二氧化碳泡沫体系实施了四次井组规模的现 场实验来估算这种方式的经济利益前景;年至年期间,在德克萨斯州西部的塞 姆?安德和犹他州东南部的普莱特佛姆碳酸盐储层中,分别使用了两种不同的泡沫体系 以及不同的方式来实施泡沫驱替【,试验结果表明,油井的产气量显著变小,产油量大 幅上升,同时整个过程的成本很低廉。 北海油田于年一年之内实施了三十多次泡沫驱油的矿场试验【】;试验过程中学 者们在距离注入井四百五十多米远的废弃井内发现有泡沫产生,而他们原本认为泡沫体 系只能在油层中扩散五十米的范围;因此他们认为与水气交替注入的方式相比,利用泡 沫体系实施驱替流体的深部流度控制来改善油田开发的效果更明显,而且注入泡沫体系 之后,增产一桶原油只需要增加五美元的成本。 阿拉斯加的普拉德霍湾油田对井实施了泡沫驱实验【,研究了泡沫驱在三种注 入方式下的驱油效果:第一口井是先注入起泡剂溶液,然后再注水驱替,第二口井是注 入起泡剂溶液后再注气,但最后两口井的驱油效果都很差;第三口井是把气体和起泡剂 溶液在地面混合产生泡沫后再注入地层,发现实验效果显著,在短时间内大幅度地减小 了气油比。 到目前为止,国外对泡沫驱油的研究还处于室内实验和井组规模的先导性试验阶 段;在现场试验过程中,主要采取两种注入方式,一种是把气体和起泡剂溶液在地面充 中国石油大学华东硕士学位论文 分混合产生稳定泡沫再注入油层,一种是气体和起泡剂溶液交替注入,英文简称为。 ..国内泡沫驱矿场试验 国内对泡沫驱油的研究始于世纪年代,比国外起步稍晚,研究内容主要包括了 泡沫稳定性的影响因素、起泡剂的损失和吸附以及泡沫驱油的机理等室内实验,并在现 场实施了一系列先导性试验。 玉油田是最早进行泡沫驱油矿场试验的油田之一【川,截上至年,老君庙油 田和石油沟油田已经对九个井组十井次的小井组实施了泡沫驱矿场试验,出现明显改善 的试验有六次;老君庙油田在年月时再次进行泡沫驱替,共注入吨的起泡剂 溶 液烷基苯磺酸钠和吨的稳泡聚磷酸钠,气液比为左右,但结果只有六口生 产井的原油产量有所提高,剩余的十二口生产井基本没有发生改变,专家在总结失败教 训时认为原因主要有两个,一是试验井组的剩余油已经很少,而且水驱的波及范围也很 大,从而导致泡沫对后续水驱的流度控制效果变差;二是地层中砂粒对起泡剂的吸附大, 导致生成的泡沫不稳定,然后影响了泡沫的驱油效果。 新疆克拉玛依油田于年月至年月期间,在六区检井组实施了泡沫驱油 矿场试验【翊,现场使用烷基苯磺酸钠为起泡剂,气液比为,整个过程注入起泡剂总 计.吨;试验结果显示,注入的泡沫体系起到封堵高渗透层的作用,调整了吸水剖面, 生产井原油产量提高了%左右,含水率减小了接近%,改善效果持续个月左右。 年至年期间,胜利油田【枷】在胜坨实施了空气泡沫驱油的先导性矿场试 验;年大庆油田【】在小井距北井组萨 层实施了正韵律油层在注水后期注空气 泡沫驱油的现场试验,并获取了不错的效益和可参考的经验。 年广西百色油田在现场实施空气与空气泡沫交替注入的矿场试验,取得了较好 的效果,而且获得的效益大于投入成本【’】;截止到年月,油田现场实施泡沫 驱替试验总共次,累计注入起泡剂溶液.万立方米,空气注入量共为万立方米, 原油增产量提高.万吨,最终达到了降水增油的期望。 截止到目前为止,国内已经对泡沫驱油研究开展了大量的室内实验和现场试验,对 泡沫体系的驱油机理和现场施工应用有了深入的研究和丰富的经验。 ..存在的问题 目前国内外对泡沫驱油体系的研究已经有了一定的成果,但是因为泡沫体系调驱能 力的规律相当繁复,同时它所包含的工艺施工非常麻烦,因此时至今日国内外学者仍然 第一章绪论 在进行着进一步的深入研究。例如,目前对普通地层水适用的泡沫研究较多,而对于能 在高矿化度条件下产生稳定泡沫的起泡剂研究较少;现在国内三次采油方式中泡沫驱对 地层的伤害是最小的,如何利用泡沫驱来减少聚合物的使用以及两者如何搭配才能达到 最佳的驱替效果也是值得进一步研究的;目前对复合泡沫驱利用起泡剂、碱和聚合物 的混合物溶液整体发泡的研究较多,但对于泡沫和聚合物分别注入非均质多孔介质后 所形成的协同作用提高采收率的研究还较少,没有形成完整的理论系统;另外,在泡沫 调驱微观机理的一些具体作用方面还存在一定的问题,如泡沫及泡沫破裂后产生的表面 活性剂和气体对驱替效果有多大的影响。因此,筛选出一些耐盐性及耐温性好的起泡剂, 并对其起泡性能起泡高度和半衰期、调驱性能阻力因子和提高采收率及微观驱油机 理微观可视化模型进行细致的研究,对进一步指导现场提高原油采收率具有重要意义。 .论文的研究内容及拟解决的问题 ..主要研究内容 本课题的研究内容主要包括以下三个方面: .高效泡沫驱油体系的优选 针对长庆油田地层情况优选抗高矿化度及耐温性好的起泡剂; 泡沫性能测试泡沫的起泡高度和半衰期; 地层条件下不同浓度的起泡剂的界面张力测试; .泡沫体系微观模型驱油机理研究 通过观察气泡在模型中的生成、破灭及流动形态,研究泡沫流体的微观流动机理; 通过填砂微观可视化模型进行泡沫驱油,观察泡沫在模型中驱替原油时的形态特 征,研究泡沫的微观驱油机理及对提高原油采收率的影响。 .泡沫体系驱油的物理模拟实验 研究单一填砂管模型中,不同因素对新型泡沫体系阻力因子的影响,如泡沫的气 液比、渗透率、气液注入方式气液混注、气液交替注入等; 研究非均质双管模型中,不同渗透率级差、产水率、注入方式等因素对泡沫驱油 体系提高原油采收率的影响。 ..拟解决的问题 .研制筛选出适于长庆油田区块的抗高矿化度及耐温性能良好的新型泡沫体系,并 评价其泡沫性能。 中国石油大学华东硕士学位论文 .利用微观可视化模型研究新型泡沫体系的流动机理、微观驱油机理及对提高原油 采收率的影响。 .研究新型泡沫体系阻力因子的主要影响因素,并研究不同因素对非均质双管模型 泡沫驱油体系的驱油效果的影响。 .课题的研究方法及技术路线 ..研究方法 .调研国内外有关文献,针对几种主要的抗高矿化度及耐温性能好的起泡剂, 利用 罗氏泡沫仪主要测量泡沫的起泡高度和半衰期,但无法评价产生泡沫的气体影响进行 筛选,确定出适合高矿化度地层水的起泡剂配方;利用气流法可以针对不同的起泡气 体测量泡沫的起泡高度和半衰期评价不同气体生成泡沫的性能,筛选一种综合性质优 良的起泡气体。 .泡沫体系微观机理研究。具体方法为利用微观仿真光刻玻璃模型和可视化填砂玻 璃模型作为孔隙介质材料,使用计算机图像采集系统采集驱替过程的图像,从而研究泡 沫的流动机理和驱油过程中的微观驱油机理。主要步骤是制作非均质的可视化填砂模 型,用以研究泡沫的封堵调剖性能;然后利用现成的玻璃刻蚀模型,研究泡沫在其中的 流动、再形成及微观驱油机理。 .利用相同尺寸的填砂管模型,充填石英砂,模拟地层条件。先进行一次水驱,然 后注入泡沫体系段塞。通过改变气液总量、气液比、渗透率等不同条件,单管模型可以 研究泡沫阻力因子的影响因素,并确定最佳注入参数;将两根尺寸相同、渗透 率不同的 填砂管并联,组成双管模型,可以研究非均质情况下不同渗透率级差、产水率对泡沫调 整吸水剖面及提高原油采收率的影响。 ..技术路线 第一章绪论 图技术路线图 . 中国石油大学华东硕士学位论文 第二章 高效起泡剂的优选及评价 泡沫的起泡能力是指泡沫形成的难易程度以及生成泡沫量的多少,室内实验时常用 的起泡方法有罗氏法倾注法和气流法,两种方法各有优缺点‘删,罗氏法是液体冲击发 泡,所用气体只能为空气;气流法是气体冲击液体发泡,可以评价不同气体的起泡性能; 本章实验利用罗氏起泡仪进行起泡剂的优选,利用气流法来评价不同气体的起泡性能。 本章的实验目的是根据靖安油田盘古梁区长层条件地层水矿化度为/、 地层温度为,优选出性能优良的起泡剂溶液并确定其最佳浓度,然后对其进行耐 温性能和耐盐性能评价。 .实验方法 ..罗氏法倾注法 罗氏起泡法又叫倾注法,可以用来测量起泡剂溶液生成泡沫的高度和半衰期泡沫 高度减少一半所用的时间,所用装置名称为罗氏起泡仪,主要由起泡管和滴液管两部 分组成,如图.和.所示;在实验进行前,首先要做好准备工作,将起泡管固定在 合适的支架上,并保持垂直状态,然后将起泡管连接恒温水浴,控制在实验温度。 图起泡管 图滴液管. . 具体操作步骤为,先打开恒温水浴,调节好温度,循环一段时间后,使实验装置保 持在所需的实验温度;然后取出已经加热好的起泡剂溶液,将从起泡管底部注入, 稳定一段时间;再将起泡剂溶液注入滴液管,把滴液管固定在起泡管的上部管口, 使滴液管的下端刚好与起泡管的上部刻度线相平,并使其中的起泡剂下落时能落在起泡 管的中心;此时打开滴液管的开关,让起泡剂溶液流下并冲击起泡管底部的溶液,从而第二章高效起泡剂的优选及评价 产生泡沫;当滴液管中溶液流完时,稳定后读取泡沫的高度,并开启秒表记录 时间,直 至泡沫高度小于初始高度的%为止,该段时间即为泡沫的半衰期;重复实验三次取平 均值,每次实验前要将起泡管和滴液管清洗干净。 ..气流法 气流法的实验装置如图.所示,它是利用气体流经浸在起泡剂溶液中的人造隔板 来产生泡沫,进而评价起泡性能的一种方法。具体实验步骤为,利用恒温水浴将实验装 置恒定在所需的实验温度;然后从上部管口向装置中注入的起泡剂溶液,稳定一 段时间;以/的流速从下部管口向装置中注入起泡气体,充气一段时间后记录 起泡的高度,同时开启秒表,记录不同时刻的泡沫高度,从而得到泡沫的半衰期。 热水循环 图.气流法泡沫仪 . ..起泡剂溶液界面张力的测定 使用.旋转滴界面张力仪测定了起泡剂溶液的油水界面张力,以此来作为 评价起泡剂性能的一个 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 。 要想准确地度量低于一般情况的界面张力,可以通过外界作用来造成所测液滴的受 力情况,比如转动液滴所处的容器,从而加大液滴所受到的离心力,这就是旋 转滴超低 界面张力的测试原理。.旋转滴界面张力仪的测量范围为/至击/。 、 旋转滴界面张力仪如图所示。中国石油大学华东硕士学位论文 图 旋转滴界面张力仪 ..实验条件 实验温度为靖安油田盘古梁区长地层温度; 实验用水为模拟地层水,模拟地层水选用靖安油田盘古梁区长地层水,其矿 化 度以及离子组成见表.所示。 表.地层水离子组成 总矿化 阳离子含量// 阴离子含量/ 样品 层位 水型 度 数 。 ’ ’ // 长. “ . 本文实验主要收集了种起泡剂,包括了实验室内分析纯的表面活性剂和来自 国内生产起泡剂的厂家,将种起泡剂分别编号,并统计起泡剂的名称和来源, 如表 .所示。 第二章高效起泡剂的优选及评价 表起泡剂代号及来源 来源 起泡剂代号 起泡剂名称 十二烷基苯磺酸钠 分析纯 十二烷基硫酸钠 分析纯十二烷基磺酸钠 分析纯比尔化工 比尔化 比尔化工 比尔化 时代龙翔 济南华锋济南华锋 调剖起泡剂 时代龙翔 .常温起泡剂 广贸化工 . 广贸化工 山东恒业 一 司盘 分析纯 一 . 分析纯吐温 分析纯 .烯烃磺酸盐 分析纯羟磺基甜菜碱 分析纯 ? 东营孚科斯 北京正清然 山东恒业 一 .长庆地层水条件下起泡剂的筛选及浓度优化 ..起泡剂的筛选中国石油大学华东硕士学位论文 表地层水配制的起泡剂溶液的性能评价 .界面张力 代号 表面活性剂 浓度瞄 起泡高度/ 半衰期/ // ..十二烷基苯磺酸钠 溶解性很差 ..十二烷基硫酸钠 溶解性很差 ..十二烷基磺酸钠 溶解性很差 一 . . . 比尔化工 . . . . . . 比尔化工? 一 . . . . . . . . . .. 溶解性很差 ..溶解性很差 一 ? .. . . . 调剖起泡剂 . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . 司盘 . . . ? . . . . . . . 吐温 . . .烯烃磺酸盐 溶解性差 . . . 羟磺基甜菜碱 . . . . . .? . . . . 二 . . . . . . . .第二章高效起泡剂的优选及评价 ..起泡剂浓度的优选 不同浓度起泡剂溶液的起泡高度及半衰期 从上面测试起泡性能及稳泡性能的实验可以发现,的整体起泡性能较好。因 此,重点针对,在不同浓度下测定其起泡高度和半衰期,优选出的最佳浓度。 实验所用地层水矿化度为/,测试温度为。。不同浓度下的起泡高度 及半衰期数据见表所示。 表?不同浓度的起泡高度及半衰期 浓度/% 起泡高度/ 半衰期/ . . . . . . . . . . . . . . . 由表实验数据,做出泡沫高度和半衰期随浓度变化曲线,如图.所示。 垮 墙他 挖 加 加卅盔/\型恒裂裂 . . . . . . 浓度/% 图不同浓度的起泡高度及半衰期 .从图.可以看出,溶液的起泡高度可以达到.,半衰期可达小时, 表明它的起泡性能及稳泡性能效果较好,可以适合高盐油藏的使用,是一种 整体性能较 好的起泡剂;随着溶液浓度的增加,起泡高度迅速升高,当浓度超过.%以后, 中国石油大学华东硕士学位论文 起泡高度基本不再变化;随浓度的增加,半衰期也迅速增加,超过.%后,半衰 期也 基本不再变化,这主要是因为开始时的浓度增加使得泡沫液膜上的表面活性 剂分子数增 多,更大程度地降低了界面张力,有利于提高泡沫的整体性能,当浓度达到.% 时, 表面活性剂分子在液膜上的分布达到了临界胶束浓度,因此使得泡沫的起泡 性能和稳泡 性能变化较小。因此选用.%为溶液的最佳浓度。 不同浓度.起泡剂溶液的起泡性及稳泡性 从前面测试起泡性能及稳泡性能的实验可以发现,.的起泡性能较好。因此, 重点针对.,在不同浓度下测定其起泡高度及半衰期,优选.的最佳浓度。 实验所用地层水矿化度为/,测试温度为?。不同浓度下.的起泡高 度及半衰期数据见表.所示。 表不同浓度的起泡高度及半衰期 浓度觞 起泡高度/ 半衰期 . . . . . . . . . . . . 由表.实验数据,做出.泡沫高度和半衰期随浓度变化曲线,如图所示。 婚 坶 槲墙/, 嚣\世拒赠删 . . . . . 浓度/% 图不同浓度的起泡高度及半衰期 .第二章高效起泡剂的优选及评价 从图.可以看出,.溶液的起泡高度可以达到.,半衰期可达小时, 其起泡性能及稳泡性能效果较好,耐盐性能也符合要求,是整体性能较好的起泡剂。随 着.浓度的增加,起泡高度迅速升高,当浓度超过.%后,泡沫高度基本不再变 化。随浓度的增加,半衰期也迅速增加,超过.%后,半衰期也基本不再变化。这主 要是因为开始时的浓度增加使得泡沫液膜上的表面活性剂分子数增多,更大程度地降低 了界面张力,有利于提高泡沫的整体性能,当浓度达到.%时,表面活性剂分子在液 膜上的分布达到了临界胶束浓度,因此使得泡沫的起泡性能和稳泡性能变化较小。结合 成本问题最终选用.%为.的最佳浓度。 综上所述,目前已筛选出两种起泡高度及半衰期性能较好的起泡剂,分别为 .%和.%.。下面利用复配方法优选出一种性能良好的起泡剂配方,并分 别针对三种起泡剂体系进行耐温性能和耐盐性能评价实验,研究起泡剂溶液所产生泡沫 对地层条件的适用范围。 .起泡剂体系的复配 因为长庆地层水的矿化度极高~万,大多数起泡剂无法达到如此高的抗盐能 力,常用的阴离子表面活性剂在低矿化度下具有较好的起泡性能和稳泡性能,但无法溶 于长庆地层水,加入后会立即有沉淀析出;非离子起泡剂的抗盐性能较好,但其起泡性 能和稳泡性能都很一般,无法达到实验要求。根据调研,十二醇能起到稳定泡沫的作用, 一方面十二醇与活性剂疏水链之间存在一定的的吸引作用,使其能插入到甜菜碱的等吸 附层之间;另外,十二醇的羟基与表面活性剂分子极性头之间能形成氢键,形成更为紧 密的表面吸附层,增大了溶液的表面粘度,从而增加了泡沫的稳定性。 考虑到十二醇的稳泡作用,本节在对起泡剂甜菜碱初选的基础上,在效果较好的甜 菜碱浓度下与十二醇进行了复配及优化,目的在于筛选出抗盐能力强且起泡性能优良的 起泡剂配方。 ..甜菜碱的起泡性能及稳泡性能 甜菜碱使用的甜菜碱为羟磺基甜菜碱为两性表面活性剂,两性表面活性剂可以发 挥阴离子与阳离子表面活性剂的优点,抗盐性好,易于复配产生性能更好的起泡剂。除 阴离子表面活性剂抗盐性能差,不能与其复配外,可以将甜菜碱与非离子表面活性剂、 阳离子表面活性剂、聚合物和助剂等复配用以改善其性能。因此,本节选用抗盐性能较 好的两性表面活性剂羟磺基甜菜碱,分别与十二醇和阳离子表面活性剂进行复配, 中国石油大学华东硕士学位论文 以研发性能优良的适用于高矿化度下的起泡剂配方。 首先,在地层温度。下,改变羟磺基甜菜碱的浓度.%、.%、.%、.% 和.%,测定不同浓度下的起泡剂溶液的起泡高度与半衰期;不同浓度下的泡沫起泡 高度及半衰期见表所示。 表不同浓度下甜菜碱的起泡高度及半衰期 浓度/% 起泡高度/ 半衰期 . . . . . . . . . . . . . 根据表中的实验数据,做出羟磺基甜菜碱溶液的起泡高度和半衰期随浓度的变 化曲线,如图.所示。 . ? 乱 叽 卅哿\芦. 叽;\世框裂辅 口 叽. . . . . . 甜菜碱浓度/% 图.不同浓度下甜菜碱的起泡高度及半衰期 .从图.中可以看出,不同浓度下甜菜碱的起泡高度基本相当,溶解性好,但泡沫 的半衰期随这浓度的增加,先增加后降低,浓度为.%时,泡沫半衰期最长,此时泡 沫稳定性最好,因此以下复配实验所用羟磺基甜菜碱的浓度选用.%。 ..甜菜碱与十二醇复配 第二章高效起泡剂的优选及评价 上面实验已经确定羟磺基甜菜碱的浓度为.%,然后在地层温度。下改变十二 醇的浓度,将两者混合后配置成起泡剂溶液,测定混合溶液的起泡高度及半衰期,所得 实验结果如表.所示: 表甜菜碱与十二醇复配的起泡高度及半衰期 十二醇浓度/% 起泡高度/ 半衰期 . . . . . . . . . . . . . . 根据表.中的实验数据,做出混合体系溶液的起泡高度和半衰期随浓度的变 化曲 线,如图.所示。 每 \ 倒 娜 咂 蓝 裂 \ 呷 剿 十二醇浓度 图甜菜碱与十二醇复配的起泡高度及半衰期.稍 从图.中可以看出,选定.%羟磺基甜菜碱与不同浓度十二醇进行复配后,随着 浓度的增加,起泡高度和半衰期先增大后减小,当达到.%时,起泡高度和半衰 期基 本达到最大值,半衰期为,比单一羟磺基甜菜碱所产生泡沫的半衰期延长了 多倍。因 此,下面的复配实验我们选用甜菜碱浓度为.%,十二醇浓度为.%。 ..甜菜碱、二醇与阳离子表面活性剂复配 中国石油大学华东硕士学位论文 上述实验已选定了.%的羟磺基甜菜碱与.%的十二醇,然后在地层温度? 下选用阳离子表面活性剂十二烷基苄基溴化铵与甜菜碱及十二醇进行复配 实验, 测定起泡剂溶液的起泡高度及半衰期,所得实验结果如表.所示。 表 与甜菜碱和十二醇复配的起泡高度和半衰期 浓度/% 起泡高度/ 半衰期 . . . . . . . . . . . . . . 根据表.中的实验数据,做出羟磺基甜菜碱与十二醇及复配溶液的起泡高 度和半衰期随浓度的变化曲线,如图所示。 叠 \ 倒 煳 抽叵 鉴 赠 \ 呷 剁 浓度/% 图不同浓度与甜菜碱、十二醇的复配效果. 从图中可以看出,固定羟磺基甜菜碱及十二醇浓度分别为.%和.%后,随 着浓度的增加,起泡高度先有所上升,然后趋于稳定状态,半衰期变化趋势与 起 泡高度基本类似。当的浓度达到.%后,随浓度增加,起泡高与半衰期基本不再 变化,达到最高值;复配后效果变好的主要原因是羟磺基甜菜碱分子与分子 带正 第二章高效起泡剂的优选及评价 电的基团相同,都含有氮正离子,根据相似相容原理,两种物质应该具有很好 的相容性; 复配效果明显增强,说明三种物质在液膜表面形成了非常紧密的吸附层,可 以达到最佳 的亲水亲油平衡值,使得复配体系的起泡及稳泡效果都明显增强。考虑到起泡剂的性能 和成本问题,选用阳离子表面活性剂的浓度为.%。 根据以上实验可以得出,.%的羟磺基甜菜碱、.%的与.%的十二醇复 配后,可以产生效果极好的起泡剂溶液,其稳泡性能明显优于厂家提供的起泡剂。 .三种起泡剂体系的耐温性能评价 ..复配体系耐温性能评价 将复配的起泡剂体系.%羟磺基甜菜碱、.%与.%十二醇混合均匀后, 在不同温度下测定体系的起泡高度与半衰期,所得实验结果如表所示;由表中 实验数据,做出复配体系溶液的起泡高度和半衰期随浓度变化曲线,如图.所示。 表不同温度下复配泡沫体系的起泡高度及半衰期 温度/? 起泡高度/ 半衰期 . . . . . . . 坞 坫 暑 上 “ \ 妄 型 姬 埒 髅 澳 捌 地 加 温度/? 图不同温度下复配泡沫体系的起泡高度及半衰期 .根据图.可以看出,在温度不断增加的情况下,复配体系所产生泡沫的高度 首中国石油大学华东硕士学位论文 先急剧上升,然后缓慢下降;而泡沫的半衰期则一直减小;在?至?时泡沫体 系 的整体性能最佳,起泡高度可以达到.以上,半衰期则可以达到小时以上。在 温度增加的情况下,泡沫的半衰期变短主要是因为泡沫体表上的液体蒸发量 变大,造成 泡沫体系不稳定。 .. .%一起泡剂溶液耐温性能评价 由前面实验得出,起泡剂浓度为.%时,起泡性能及稳泡性能最好;针对 .%起泡剂溶液,利用罗氏泡沫仪测定起泡剂耐温性能。实验结果如表.所示。 表.不同温度下泡沫体系的起泡高度及半衰期 温度/? 起泡高度/ 半衰期/ . . . . . . . . . . . . 根据表.中的实验数据,做出.%的溶液的起泡高度和半衰期随浓度的 变化曲线,如图.所示。上 之 螂 妄 谴 鬃 蚕温度/? 图. 不同温度下泡沫体系的起泡高度及半衰期 喀. 由图.可以看出,.%.溶液所产生泡沫的高度随着温度的升高,先增大后 第二章 高效起泡剂的优选及评价 减小;在至之间时,半衰期随温度的升高变化较小,稳泡性能较好:当温度 大于。后半衰期迅速下降,稳泡性能变差。因此,.%的溶液适合起泡的温度 范围为至?,起泡高度可以达到.,半衰期可以达到.小时以上。 .. .%.起泡剂溶液耐温性能评价 由前面的实验得出,起泡剂浓度为.%时,起泡性能及稳泡性能较好。针 对.%.起泡剂溶液,利用罗氏泡沫仪测定起泡剂的耐温性能,所得实验结果如 表.所示: 表不同温度下泡沫体系的起泡高度及半衰期 温度/? 起泡高度/ 半衰期 . . . . .. . . .. 根据表.中的实验数据,做出.%.溶液的起泡高度和半衰期随浓度的变 化曲线,如图.所示。 上 妄 埔圪加 冀 \瑙谴爰骝 温度/? 图.不同温度下泡沫体系的起泡高度及半衰期 . 根据图.可以看出,在温度不断增加的情况下,.%.溶液所产生泡沫的 中国石油大学华东硕士学位论文 高度不断升高,并趋于平稳;但泡沫的半衰期是一直减小的,在温度升高至?以后, 泡沫的半衰期下降较快,时半衰期仅为。因此,.%.溶液适合起泡的温 度范围为?至?,此温度范围内起泡高度可以达到.,半衰期可以达到. 小时以上,是所选起泡剂体系中起泡性能及稳泡性能较好的一种。 分析以上结果可知,在一定的温度范围内,温度增加后配制的溶液会发生膨胀,使 得泡沫剂的分子之间的距离变长,所具有的能量升高,从而可以脱离水分子的吸引进而 进入液面,液面上的表活剂浓度升高,减小了液膜的界面张力,从而宏观上显示泡沫高 度提高;但当液膜表面上的表活剂浓度达到临界胶束浓度时,泡沫高度便不会再提高; 另外,随着温度的提升,溶液中的基液蒸发速度变快,造成泡沫的液膜更加脆弱,因而 泡沫的稳定性变差。 .三种起泡剂体系的耐盐性能评价 ..复配体系耐盐性能评价 配制不同矿化度、、、、、和/ 的地层水,按照复配体系配方.%羟磺基甜菜碱、.%与.%十二醇,配制起 泡剂溶液,在?下,测定复配体系的起泡高度及半衰期,所得实验结果如表. 所 示。 表.不同矿化度下复配泡沫体系的起泡高度及半衰期 起泡高度/ 半衰期 矿化度// . . . . . .. . . . . 根据表.中的实验数据,做出复配体系溶液的起泡高度和半衰期随矿化度的 变 化曲线,如图.所示。