注入時機對低礦化度表面活性劑驅油的影響

蒲萬芬, 楊 浩

(西南石油大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室,成都 610500)

低礦化度水驅作為一種新的提高采收率方法,近些年來受到了廣泛關注[1-3]。英國石油公司的巖心注低礦化度水驅實驗表明,提高采收率在5%～40%范圍[4]。大量巖心水驅實驗研究表明,與注海水或高礦化度水相比,注低礦化度水獲得的原油采收率最高[5-7]。

低礦化度表面活性劑(low salinity surfactant, LSS)/原油/巖石作用所引起的潤濕性改善被認為是提高采收率的主要原因[8-11]。在油藏注水的過程中,毛細管力限制了微觀驅替的效率,通過增加毛細管數,使巖石潤濕性得到改善,調動注水開發后的殘余油[8]。三次采油階段,表面活性劑的使用取得了較好的驅油效果,它能有效降低油水界面張力,產生較高的毛細管數,為調動儲存孔隙中殘余油創造有利的條件[12]。然而,由于表面活性劑的高成本和在巖石表面的吸附損耗,迫使研究者一直在探索一個能降低成本和減少儲層傷害的新技術。對于陰離子表面活性劑,水相的各種離子強度、溫度等參數都對表面活性劑性能有重要的影響[13]。表面活性劑驅油過程中,由于吸附、捕集等原因都會導致表面活性劑在多孔介質中的損失。Glover等研究表明,低礦化度條件下表面活性劑在多孔介質中的吸附量將降低[14]。表面活性劑的滯留隨鹽度的增加而增加,在低礦化度下更容易獲得低界面張力,成本更低,低礦化度的環境為低成本表面活性劑體系開辟了一條道路[15-16]。大量學者對低礦化度水驅進行了廣泛研究,在此基礎上提出一種將低礦化度與表面活性劑結合的提高采收率新方法[13]。

油藏的高效快速開采,符合油田開發要求和經濟效益[17]。采用LSS驅方法,進行了不同注入時機的巖心注水驅油實驗。通過室內模擬LSS驅油實驗,探討注入時機對驅替過程中的含水率、采收率、注入壓力、采液速度等的影響,為礦場運用和室內模擬研究提供借鑒。

1 實驗材料與儀器

實驗材料:陰離子表面活性劑KPS(新疆油田,工業級),模擬地層水(水質成分如表1),含黏土人造方巖心(橫截面積為4.5 cm×4.5 cm,長度為30 cm,巖心黏土礦物成分如表2,氣測滲透率見表3)；實驗用油為H油田脫水脫氣原油(平均密度0.829 g/cm3,50 ℃黏度5.41 mPa·s)；低礦化度水由NaCl配制,濃度為2 000 mg/L,采用模擬地層水作為高礦化度水；由低礦化度水配制濃度為0.3%表面活性劑(界面張力為3.3×10-3mN/m)得到LSS。

表1 地層水離子組成Table 1 Ionic composition of formation water

表2 黏土礦物組成分析Table 2 Analysis of the composition of clay mineral

主要儀器:多功能巖心驅替裝置(成都巖心科技有限公司)、巖心夾持器(江蘇珂地石油儀器有限公司)、電熱恒溫烘箱、中間容器、平流泵、手搖泵、電子分析天平等如圖1所示。

2 實驗方案與步驟

2.1 實驗方案

方案1高礦化度水驅替至含水率在60%左右后轉注LSS驅替。

圖1 主要實驗裝置Fig.1 The main experimental apparatus

方案2高礦化度水驅替至含水率在80%左右后轉注LSS驅替。

方案3高礦化度水驅替至含水率在98%左右后轉注LSS驅替。

2.2 實驗步驟

根據前期速敏實驗研究結果,將實驗驅替最佳注入速度設定為0.5 mL/min。實驗步驟如下：

(1)用模擬地層水飽和抽真空人造巖心24 h,并測定巖心孔隙度、滲透率。

(2)以1.0 mL/min速度飽和原油,直至油驅水到無水產出為止,在恒溫烘箱(50 ℃)中老化24 h。

(3)將巖心放入夾持器中,實驗儀器按圖2連接安裝好,并用模擬地層水測試實驗裝置連接的密閉性。

(4)以0.5 mL/min注入速度注入模擬地層水,直至出口端含水率分別達到60%、80%、98%,實驗中每注0.1PV液記錄產出液、產出油體積以及注入壓力值。

圖2 實驗裝置原理Fig.2 Schematic diagram of the experimental apparatus

表3 不同注入時機的驅油情況Table 3 Oil displacement situation of different injection timing

(5)以0.5 mL/min注入速度轉注LSS,直至出口端產出液的含水率穩定在98%以上,實驗中每注0.1PV液記錄產出液、產出油體積以及注入壓力,計算驅油效率、采收率增加值及降壓率。

3 實驗結果與討論

在同一油藏環境下,油藏儲層含水率不等,轉注驅替液所產生的驅油效果不盡相同。研究表明,LSS驅的主要優點在于在有油的情況下,巖心潤濕性將向水濕方向發生顯著的變化[8],驅油效果更好。在實際油藏的開發過程中,轉注表面活性劑時機越早,驅油效果越明顯、效率更高。早期注入情況下,地層含水率不高,剩余油飽和度較高,表面活性劑與孔隙中的原油作用降低油水界面張力降低效率更高,乳化作用更好,越易形成原油富集帶,提高洗油效率,從而有更高的采收率。實驗中,選取滲透率和孔隙度相近的巖心,在含水率分別達到60.5%、81.5%、98.1%時,轉注LSS驅,得到注入孔隙體積倍數與含水率、采收率、注入壓力的關系如圖3所示。

圖3 不同注入時機驅油曲線Fig.3 The oil displacement curve under different time

從含水率方面分析:前期高礦化度水驅過程中水突破時含水率都在36%左右。從圖3(c)數據分析看,高礦化度水驅過程中的前期含水率上升較快,注入0.5PV時含水率為81.5%,當注入2PV左右時,含水率達到96%。圖3看出,在轉注LSS后,含水率上升有變緩的趨勢或有一定的突降情況發生,這可能是由于低礦化度水與表面活性劑引起的巖心潤濕性改變。從含水上升趨勢來看,轉注時機越早,含水上升率發生突變的情況越明顯。含水率曲線表明,轉注LSS將加快含水上升速度。圖3(a)在含水率為60.5%時轉注LSS,注入液量1.3PV時含水率達到96%；圖3(b)在含水率為81.5%時轉注LSS,注入液量為1.7PV時含水率達到96.4%；圖3(c)注入液量為1.9PV時含水率達到95.8%。方案1達到經濟上限在1.9PV左右,方案2在2.3PV左右,高礦化度水驅在2.8PV左右。因此,轉注LSS可以減少采油時間,提高采油速度。

從采收率方面分析:三種方案的實驗結果表明,大部分原油被采出都集中在一段時間內。圖3(a)采收率曲線表明,在注入高礦化度水0.3PV時,含水率達到60.5%,此時水驅的采收率為35.4%。轉注LSS期間,大部分原油被采出主要發生在LSS注入量為0.5PV左右,在這一階段采油速度有小幅度的提高,當LSS注入量為0.8PV時,采收率達到64.6%,為最終采收率的87%；圖3(b)表明,在注入高礦化度水為0.5PV時,含水率達到81.5%,此時水驅采收率為46.5%。轉注LSS驅期間,當LSS的注入量在0.6PV左右時大部分的原油被采出,這一階段采油速度也有較小幅度的上升。當注入液量為1.1PV時,采收率為65%,為最終采收率的96%；圖3(c)表明,在高礦化度水注入液量為3.1PV、含水率98.1%時采收率為49.4%。注入LSS階段,原油被采出主要發生在LSS的注入量為0.5PV左右,采收率提高14.4%,此時累計采收率達到63.8%,為最終采收率的98%。以上說明,LSS在高含水的情況下仍然有較好的提高采收率作用,但效果低于含水率較低的時候。

從注入壓力方面分析:結果表明,由于注入液與巖石基質的相互作用,使注入壓力前期都以較快速度升高,然后突降直至平穩。整個實驗過程中方案1、2、3的最大注入壓力分別為1.24、1.35、1.56 MPa,說明注入時機越早,注入壓力的最大值越小。圖3數據表明,轉注LSS時的注入壓力分別為0.48、1.07、0.59 MPa,注入壓力穩定后分別為0.33、0.65、0.21 MPa,說明注LSS能起到降壓的作用,降壓率分別為31.3%、39.3%、64.4%。同時也說明,轉注時機越早,降壓效果反而不佳。從圖3(c)中壓力曲線變化發現,當轉注LSS在0.1～0.3PV范圍內,注入壓力都會發生一個較明顯的跳躍式上升過程,這主要是由于表面活性劑與巖心中的原油形成的乳狀液在孔喉處產生一定的封堵性,該過程在一定程度上起到了流度控制作用,能夠提高驅替流體在巖心中的波及系數[18],有利于提高洗油效率。

對比采收率、含水率、注入壓力變化情況,分析可以發現:在第一階段的高礦化度水驅,三組實驗結果表現出的采收率、含水率、注入壓力的變化趨勢趨于相同,說明該實驗的可重復性良好；低礦化度水和表面活性劑的結合可以大幅度地提高洗油效率,注入時機越早,提高幅度越大；高礦化度水轉注LSS時,采收率和含水率變化在短時間內均出現延緩現象。在收集出口端產出液的量筒中發現有細小顆粒聚集的現象,如圖4所示。這說明黏土顆粒發生了分散運移,這是由于LSS/巖石/油相互作用引起了巖心的黏土顆粒吸附電荷減少,Zeta電位降低,雙電子層膨脹導致黏土內部的力平衡發生變化。

圖4 產出液中的細小顆粒Fig.4 Fine particles in the effluent

由表3可以看出,LSS注入時機越早,最終獲得的采收率越高,采收率增值越大。低礦化度水本身就具有較好的驅油作用,表面活性劑的添加使得兩者可以發揮協同作用[12]。這是由于LSS在含水率較低時,巖心中的含油飽和度較高,LSS能夠較充分與原油作用,降低油水界面張力的能力越強,使巖心更加水濕,提高LSS的波及效率和洗油效率。低礦化度水驅時通過釋放砂粒及某些細小礦物,重新分布流體的流動路徑以形成新的流動路徑,提高驅替效率和波及效率[19]。圖5表明,注入時機對降壓率的影響較明顯,在實驗范圍內具有線性關系。降壓率隨著轉注時機的上升而增加,這是由于含水率越高時,LSS起到的分散作用越強。低礦化度條件下,表面活性劑與溶解在水中的原油結合形成微乳液(O/W),產生的降壓效果越明顯[20]。

圖5 注入時機對驅油效果的影響Fig.5 Influence of injection timing on oil displacement effect

4 結論

(1)LSS注入時機影響實驗的最終采收率、降壓率。注入時機越早,驅油效率越高,采收率增值也越大,即使在含水率達98%轉注LSS也會有可觀的采收率增加值；注入時機越早降壓效果越不明顯,在實驗范圍內呈現線性關系。

(2)轉注LSS不僅可以大幅度提高原油采收率,還將加快采油速度和采液速度,三種方案的最終采收率的最大差值超過9%。

(3)高礦化度水驅轉注LSS驅,采收率和含水率在短時間內均有延緩現象。

(4)黏土顆粒分散運移、乳化、潤濕性改善等驅替機理在此次LSS驅提高采收率實驗中得以驗證。