堿/表面活性劑/聚合物相互作用對河間油藏油水界面張力特征的影響

田小蘭,李華斌,程柯揚,黃小會,喬 林

(1.成都理工大學,四川成都 610059; 2.油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室(成都理工大學),四川成都 610059)

堿/表面活性劑/聚合物相互作用對河間油藏油水界面張力特征的影響

田小蘭1,李華斌2,程柯揚1,黃小會1,喬 林1

(1.成都理工大學,四川成都 610059; 2.油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室(成都理工大學),四川成都 610059)

在任丘油田河間油藏油層及流體性質(90℃溫度、礦化度為5 192.2 mg/L的采出水和5 682.6 mg/L的注入水、河間原油)的條件下,研究了表面活性劑、堿和聚合物相互作用對油水界面張力的影響。結果表明,單一石油磺酸鹽CDS -1在有效濃度為0.01%～0.3%范圍內,瞬時動態界面張力和平衡界面張力降低到10-2mN/m數量級。向濃度為0.05%的CDS-1溶液中加入Na2CO3,瞬時動態界面張力和平衡界面張力變化不大,仍在10-2mN/m數量級;與Na2CO3高濃度相比,當Na2CO3濃度為0.5%時,平衡界面張力和瞬時界面張力降低明顯,瞬時動態界面張力最低值低至10-3mN/m數量級。分別在濃度為0.05%的CDS-1溶液和0.5%Na2CO3/0.05%CDS-1二元體系中加入不同濃度(濃度在500～2 500 mg/L范圍內)的部分水解聚丙烯酰胺聚合物M2500,瞬時動態界面張力和平衡界面張力無明顯變化,仍在10-2mN/m數量級。該實驗結果為河間油藏表面活性劑復合驅油配方的篩選提供了重要依據。

堿;表面活性劑;聚合物;化學劑相互作用;界面張力特征

復合驅是既可以提高驅油效率又可以提高波及效率的高效三次采油方法,是未來提高采收率技術的發展方向。理論和實踐表明,油水界面張力及其特征是影響驅油效率的重要因素。

已有的研究結果表明,復合驅的關鍵技術條件和指標是油水平衡界面張力必須達到10-3mN/m超低值時[1-3],才可以活化殘余油滴而提高驅油效率。事實上,這是在大慶油田特定油層性質、特殊流體條件下的結果。對于任丘油田河間東營油藏來說,由于巖石孔隙結構,油層潤濕性以及殘余油的形態不同,因而活化殘余油的最低界面張力值也不同。在復合驅中,由于化學劑之間的相互作用,不僅影響驅油體系的表觀黏度、油層巖石的潤濕性,還影響活化殘余油的最低界面張力值。如果化學劑相互作用使界面張力降低至活化殘余油的最低值,則有利于驅油效率的提高,相反則不利。所以研究化學劑相互作用對油水界面張力特征的影響,對驅油體系的篩選具有重要意義。

1 實驗

1.1 實驗藥品及儀器

堿為Na2CO3;表面活性劑為石油磺酸鹽(CDS-1)(有效物含量50%);聚合物為部分水解聚丙烯酰胺M2500(相對分子質量2 500× 104);Na2CO3、CDS-1和M2500的母液都用河間油藏的注入水(礦化度為5 682.6 mg/L)配制,其中Na2CO3母液濃度為5%,CDS-1母液濃度為0.3%,M2500母液濃度為5 000 mg/L;實驗用的低濃度溶液全部用采出水(礦化度為5 192.2 mg/L)稀釋。實驗用油為任丘油田河間油藏實際原油,巖心及薄片為河間東營油藏天然巖心。界面張力由上海中晨數字技術設備有限公司生產的JJ2008旋轉滴界面張力儀測定。

1.2 實驗方法

實驗中首先測定石油磺酸鹽CDS-1溶液在不同濃度條件下的油水瞬時動態界面張力和平衡界面張力;然后將Na2CO3加入CDS-1溶液中,測定不同堿濃度條件下的油水瞬時動態界面張力和平衡界面張力,分析Na2CO3/CDS-1相互作用對界面張力特征的影響;將M2500加入濃度為0.05%的CDS-1溶液中,測定不同M2500濃度條件下的油水瞬時動態界面張力和平衡界面張力,分析CDS-1/M2500相互作用對界面張力特征的影響;將M2500加入0.5%Na2CO3/0.05%CDS-1復合體系中,研究不同M2500濃度對油水瞬時界面張力和平衡界面張力的影響,分析三種化學劑相互作用對油水界面張力特征的影響規律。

2 實驗結果與討論

2.1 CDS-1溶液與河間東營原油的界面張力特征

2.1.1 瞬時界面張力

表面活性劑降低油水界面張力是由于表面活性劑分子在油水界面上的吸附。顯然,溶液中表面活性劑分子由水相吸附到油水界面處的速度將影響瞬時動態界面張力變化的規律和特征[4]。圖1給出了CDS-1濃度對瞬時動態界面張力特征的影響。實驗結果表明,當CDS-1濃度為0.3%和0.25%時,界面張力在10 min上升到了2.5×10-2mN/m左右,之后隨時間增加變化不明顯;當CDS -1濃度為0.15%時,界面張力隨時間基本沒有變化,保持在4×10-2mN/m左右;當CDS-1濃度為0.1%時,界面張力隨時間變化不大,在15 min時降至最低,為1.94×10-2mN/m;當CDS-1濃度為0.03%時和0.025%時,在20 min內界面張力變化復雜,最終在4.4×10-2mN/m左右平衡;當CDS-1濃度為0.05%和0.01%時界面張力隨時間的增加而降低直至趨于平衡,其中濃度為0.01%時界面張力在50 min時達到平衡,界面張力從10-1mN/m降低到10-2mN/m。而濃度為0.05%時界面張力在20 min時就可趨于動態平衡,且瞬時界面很低,在2×10-2mN/m左右。結果顯示,瞬時動態界面張力由于CDS-1濃度的不同而隨時間變化復雜多樣。

2.1.2 平衡界面張力

圖2給出了CDS-1濃度對平衡界面張力特征的影響。結果表明:在濃度為0～0.01%的范圍內,平衡界面張力急速下降,由100mN/m降低至10-2mN/m,下降了兩個數量級。CDS-1對界面張力的影響趨勢是先隨其濃度的增加而降低,當降低到最低值2.1×10-2mN/m時,CDS-1濃度為0.05%;此后界面張力隨濃度的增大而增加,但幅度不大,且在10-2mN/m數量級。研究表明CDS-1在低濃度0.01%時分子由水相吸附到油水界面處的速度以及在界面上的排列方式和緊密程度和高濃度差不多,因此油水平衡界面張力變化不大。

圖1 石油磺酸鹽CDS-1濃度對瞬時界面張力的影響Fig.1 Effect of the sulfonate CDS-1 activity on dynamic IFTs

圖2 石油磺酸鹽CDS-1濃度對平衡界面張力的影響Fig.2 Effect of the sulfonate CDS-1 activity on equilibrium IFTs

2.2 堿/表面活性劑相互作用對界面張力的影響

2.2.1 Na2CO3濃度對瞬時動態界面張力的影響

圖3給出了Na2CO3濃度對0.05%CDS-1溶液瞬時動態界面張力特征的影響。與0.05% CDS-1溶液相比,加入濃度為0.75%的Na2CO3,由于Na+離子的引入使低界面張力窗口偏移,導致界面張力略有增加,但仍在10-2mN/ m數量級;加入1%和1.25%的Na2CO3,界面張力變化不大;而加入0.5%的Na2CO3,界面張力有所降低且瞬時界面張力最低值降到10-3mN/ m超低數量級。

圖3 在CDS-1濃度為0.05%時,Na2CO3濃度對瞬時界面張力的影響Fig.3 Effect of the Na2CO3alkality on dynamic IFTs between 0.05%CDS-1 alkali solution and crude oil

2.2.2 Na2CO3對平衡界面張力的影響

圖4給出了將不同濃度Na2CO3加入到不同濃度CDS-1的溶液中,平衡界面張力隨濃度的變化特征。結果表明,Na2CO3不同濃度對平衡界面張力變化復雜,但變化幅度不大,在10-2mN/ m數量級。其中,0.5%Na2CO3加入0.05%CDS -1溶液中,平衡界面張力降至最低,為1.3× 10-2mN/m。界面張力變化多樣的原因是由于原油中含有有機酸,加入堿劑后,生成具有表面活性的石油酸皂,有降低油水界面張力或使原油中的極性有機物質的極性更強,使其活性更強,油水界面張力更低。另外,還由于引入了大量的Na+離子,從而使油水界面張力的變化更加復雜。

圖4 Na2CO3濃度和CDS-1濃度對平衡界面張力的影響Fig.4 Effect of the Na2CO3alkality and sulfonate CDS-1 activity on equilibrium IFTs

2.3 聚合物對界面張力的影響

2.3.1 聚合物濃度對瞬時動態界面張力的影響

在復合驅提高采收率中,另一個關鍵是提高油層波及體積。為此,驅油體系中通常需加入增黏的聚合物。而聚合物的加入,必然影響驅油體系與原油界面張力,進而影響驅油效率。因此,確定表面活性劑和聚合物相互作用對油水界面張力的影響具有重要意義。

圖5給出了不同濃度M2500加入0.05%的 CDS-1溶液中對瞬時界面張力特征的影響。結果表明,與濃度為0.05%的CDS-1溶液相比, M2500的加入對油水瞬時動態界面張力值影響不大,但由于CDS-1吸附到油水界面處的速度變慢使得瞬時動態界面張力達到最低值的時間有所增加。例如,0.05%的CDS-1溶液測定的瞬時動態界面張力在20 min后趨于動態平衡,而加入2 000 mg/L的M2500后,界面張力需在35 min后才趨于平衡。

圖5 聚合物M2500濃度對0.05%CDS-1/M2500體系瞬時界面張力的影響Fig.5 Effect of the concentration of M2500 on dynamic IFTs between 0.05%CDS-1/M2500 brine and crude oil

圖6給出了不同濃度M2500對0.5% Na2CO3/0.05%CDS-1復合體系和原油瞬時界面張力特征的影響。對比圖3、圖5和圖6的結果可見,M2500的加入,沒有使0.5%Na2CO3/ 0.05%CDS-1復合配方的油水瞬時動態界面張力有明顯的變化。

圖6 CDS-1濃度為0.05%以及Na2CO3濃度為0.5%時,聚合物M2500濃度對瞬時界面張力的影響Fig.6 Effect of the concentration of M2500 on dynamic IFTs between ASP and crude oil at 0.05%CDS-1 and 0.5%Na2CO3

2.3.2 聚合物濃度對平衡界面張力的影響

圖7給出了M2500濃度在500～2 500 mg/L范圍內,聚合物濃度對0.05%CDS-1/M2500二元體系或0.5%Na2CO3/0.05%CDS-1/M2500三元體系界面張力特征的影響。實驗結果表明, M2500濃度在500 mg/L內,界面張力隨聚合物濃度的增加而增加,但增加幅度不大,仍在10-2mN/m數量級。當M2500濃度高于500 mg/L,界面張力隨濃度的增加變化復雜,但均在10-2mN/m數量級。

圖7 CDS-1濃度為0.05%時,聚合物對無堿體系和碳酸鈉濃度為0.5%時的平衡界面張力的影響Fig.7 The effect of M2500 concentration on equilibrium IFTs at sulfonate CDS-1 0.05%without alkaline or 0.5%Na2CO3

3 結論

在河間地層溫度90℃條件下,運用河間礦化度為5 192.2 mg/L采出水和礦化度為5 682.6 mg/L的注入水配制了Na2CO3、表面活性劑CDS -1和聚合物M2500溶液以及AS、SP和ASP溶液,測定了化學劑溶液和河間原油間的界面張力。由實驗結果可知:CDS-1在有效濃度0.01%～0.3%低而寬的范圍內界面張力可以降低到10-2mN/m數量級。Na2CO3對CDS-1溶液與原油的界面張力影響不大,瞬時動態界面張力最低值降到10-3mN/m數量級。M2500與CDS-1相互作用,界面張力略有增加,但仍在10-2mN/m數量級;將M2500加入Na2CO3/CDS-1的復合配方中,三種化學劑相互作用,對界面張力沒有明顯的影響。在CDS-1濃度低而寬的范圍內, Na2CO3或/和M2500的加入對界面張力值影響不大,仍在10-2mN/m數量級。

[1]盧祥國,戚連慶,牛金剛.低活性劑濃度三元復合體系驅油效果實驗研究[J].石油學報,2002,23(5):59-63.

[2]廖廣志,楊振宇,劉奕.三元復合驅中超低界面張力影響因素研究[J].大慶石油地質與開發,2001,20(1):40-42.

[3]沈平平,袁士義,鄧寶榮,等.非均質油藏化學驅波及效率和驅替效率的作用[J].石油學報,2004,25(5):54-59.

[4]李華斌.三元復合驅新進展及礦場試驗[M].北京:科學出版社,2007:59-60.

Influence of alkaline/surfactant/polymer interaction on characteristics of interfacial tension in Hejian reservoir

Tian Xiaolan1,Li Huabin2,Cheng Keyang1,Huang Xiaohui1,Qiao Lin1
(1.Chengdu University of Technology,Chengdu610059;2.State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation(Chengdu University of Technology),Chengdu610059)

The interfacial tension(IFT)characteristics are caused by the interactions among alkaline, surfactant and polymer were investigated in Hejian reservoir(reservoir temperature is 90℃,the total salinity of produced water is 5 192.2 mg/L,the total salinity of flood water is 5 682.6 mg/L,Hejian crude oil).The results demonstrated that the both dynamic and equilibrium IFTs could be lowered to the ultralow magnitude of 10-2mN/m as the active concentration of sulfonate CDS-1 was in the range from 0.01%to 0.3%,Unfortunately,the characteristics were diversity if Na2CO3is dissolved in 0.05%CDS-1 solution.The equilibrium IFTs increase or decrease unobviously with the increase of alkalinity and could be lowered to the ultra-low magnitude of 10-2mN/m.The dynamic IFTs were in the magnitude of 10-3mN/m as alkalinity is 0.5%in the alkali CDS-1 solution.The dynamic and equilibrium IFTs increase or decrease unobviously as well as HPAM M2500 is dissolved in the sulfonate CDS-1 or 0.5%Na2CO3/ 0.05%CDS-1 brine.The results provided the basis of selecting surfactant flooding formula in Hejian reservoir.

alkaline;surfactant;polymer;chemicals interaction;interfacial tension characteristics

book=2,ebook=22

TE357.46

A

10.3969/j.issn.1008-2336.2010.02.077

1008-2336(2010)02-0077-05

2010-03-02;改回日期:2010-04-06

田小蘭,1985年生,女,油氣田開發工程連讀碩士研究生,主要從事化學驅提高采收率技術研究。E-mail:tianxiaolan123@163. com。