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毕设王涛
一、文献综述
1.国内研究现状
化学驱作为一项重要的提高采收率技术,已经逐步进入矿场应用,并取得显著的增油降水效果。
由毛管数理论可知,提高驱油体系粘度和降低油水界面张力,可以提高Nc值,从而利于降低储层中残余油饱和度。
有机碱/表面活性剂/聚合物三元复合驱油体系兼顾提高粘度和降低界面张力两种作用,同时避免了碱驱导致结垢的缺陷,目前正以矿场应用为目标开展一系列研究工作。
[1]
国内化学驱油的研究现状和发展方向,包括聚合物驱油技术在认识上的重大转变、研究取得的成果、配套技术的研究,三元复合驱的先导性以及扩大性矿场试验,聚合物驱与深部调剖相结合技术,污水配注聚合物技术,聚合物产品的升级换代和三元复合驱体系的研究等;最后,提出应更深入地开展泡沫复合驱、微生物驱油和纳米技术等化学驱油新技术的研究。
[5]
聚合物驱油技术已经比较完善,但是聚合物驱后平均采收率也只能达到50%,尚有一半的原油残留在地下。
三元复合驱能够大幅度地提高采收率,但在大规模工业化应用中,一些问题也随之而来。
强碱的使用使得地层粘土分散、运移、地层渗透率下降、油层及井底结垢、生产井产液能力降低、检泵周期缩短、采出液破乳脱水困难以及现场施工工艺复杂等一系列问题。
同时碱的存在大幅度降低了聚合物的粘度,更主要的是大大降低了聚合物的粘弹性。
由于碱的存在,采出液为粘度较高的W/O型乳状液,乳状液的形成不仅影响油井的产能,也增加了破乳的难度。
三元复合驱自身发展要求调整体系,降低碱的浓度,不使用无机碱,或者使用有机碱。
因此无碱的聚表二元复合驱越来越受到关注。
同时,对聚表二元复合驱体系中表面活性剂的研究也成为目前驱油表面活性剂研究的热点。
[2]
强碱三元复合驱油技术是大庆油田三次采油进一步提高原油采收率的有效方法之一,但强碱的加入导致了严重的结垢问题,制约着其在生产中的应用。
针对这种情况,本文对强碱三元复合驱注入系统的结垢规律及影响因素开展研究,并建立成垢预测方法。
在对注入系统工艺调研的基础上,选取具有代表性的6个部位的垢样,采用SEM、IR、XRD、化学分析等手段对各垢样的组分和结构形态进行分析,在垢样分析和实验室研究的基础上,本文对注入系统的碱罐、注入管道和近井地段开展了结垢预测研究,考虑体系中不同位置的离子浓度,流体粘度等因素,建立了一套完整的注入系统结垢预测方法。
[3]
SJT-B助剂是一种新开发的磷硅酸盐溶胶体系,它不仅可以降低复合体系与原油间的界面张力,还具有缓蚀防垢功效。
为了深入了解和掌握SJT-B助剂对复合体系性质影响和作用机理,笔者利用仪器检测和理论分析方法,对“SJT-B助剂/表面活性剂/聚合物”复合体系的缓蚀防垢、黏度、界面张力、传输和转向能力、吸附和色谱分离性质进行了测试和分析,在具有大庆杏树岗油田地质特征的物理模型上对“SJT-B助剂/聚合物”二元和“SJT-B助剂/表面活性剂/聚合物”三元复合体系的调驱效果进行了物理模拟,并与现有“碱/表面活性剂/聚合物”三元复合体系的调驱效果进行了对比。
结果表明,“SJT-B助剂/聚合物”二元复合体系和“SJT-B助剂/表面活性剂/聚合物”三元复合体系在流度控制能力、转向能力和驱油效果等方面优于“碱/表面活性剂/聚合物”三元复合体系,在降低界面张力、吸附和色谱分离等方面二者相当。
人造均质和非均质岩心以及天然岩心驱替实验结果表明,SJT-B可以替代碱NaOH在三元复合体系中的作用,“SJT-B助剂/表面活性剂/聚合物”三元复合驱可以取得更好的增油和缓蚀防垢效果。
[4]
热-化学驱是进一步提高稠油油藏采收率的有效手段。
热-化学复合驱提高采收率的主要机理:
(1)在热-化学复合驱过程中,热作用能够降低稠油粘度,改善油水流度比,有利于驱油剂的热对流。
(2)界面张力提高驱替效率的主要机理是有利于残余油的启动和运移。
(3)乳化作用通过降低稠油粘度,改善油水流度比,封堵水窜通道,提高波及体积,进而提高采收率。
[6]
热/碱复合驱技术:
热/碱复合驱机理较复杂,目前世界上较公认的提高采收率机理是:
碱的存在可有效增加蒸汽的重力,降低水油流度比,蒸汽窜流和超覆时间推迟;原油中石油酸可与碱发生化学作用,生成了具有降低油水界面张力的表面活性剂,且表面活性剂还可改变岩石润湿性。
热/聚物稠油开采技术是为提高稠油采收率而发展的一种稠油开采接替技术。
由于蒸汽采油后还有大量稠油不能采出,此技术可用于热力驱后的稠油油藏。
热/聚合物复合驱技术:
其机理是聚合物分子可封堵大孔喉,改善注入蒸汽效果,调整吸汽剖面,提高稠油采收率。
热/表面活性剂复合驱技术:
热/表面活性剂复合驱机理综合了稠油热采和表面活性剂驱采油技术的机理。
主要优点有:
降低原油黏度,提高其流动性;降低岩石/油/水间的界面张力,增加毛细管系数,降低残余油饱和度;生成的水包油型乳状液可携带、捕集、聚结剩余油滴;提高岩石水湿程度,降低水相相对渗透率和提高油相相对渗透率;乳状液内相颗粒可封堵大孔喉,降低高渗透层绝对渗透率,储层的非均质性得到很好改善,提高了稠油采收率。
热/泡沫复合驱技术:
(国外)1982年,国外将蒸汽/泡沫复合驱技术进行了现场试验。
泡沫体系通过岩石孔喉处产生贾敏效应,改善复合驱波及体积,提高原油采收率。
蒸汽/泡沫复合驱技术稠油开采初期和稠油热力驱后均可使用,其增产效果很好。
壳牌公司在加州KernRiver油田进行了此技术矿场试验。
15个月原油产量增加了4000t。
水热催化裂解技术:
在蒸汽驱过程中,水和热的综合作用使原油发生物理变化的同时也发生化学反应。
地层原油在水蒸汽作用下发生的水煤气转换等一系列反应称为水热裂解反应。
此技术可改善稠油热采效果,因为水热裂解过程中会产生一定量的可改善地层原油质量和黏度的轻质组分。
热/稠油降黏剂复合驱技术(国内外):
20世纪80年代初美国加利福尼亚州用一种非离子型高分子表面活性剂作为蒸汽添加剂与蒸汽混合注入4口井内,发现岩石表面形成一层此表面活性剂薄膜,破乳现象明显,有效改善油藏绝对渗透率,4口井共增产原油18600t。
国内河南油田、克拉玛依油田和中石化胜利油田,均进行了该类现场试验并取得了很好的效果。
20世纪90年代开发了一种新型降黏剂,耐高温且能有效改善稠油流动性,具有代表性的有乳化降黏剂和破乳脱水剂。
在胜利油田与蒸汽混合注入进行了多井次矿场试验,增产原油达105t。
稠油井下改质技术:
井下加氢改质是目前世界上研究较多的方法,在生产井附近,通过压裂等方式将固体催化剂放进,就地燃烧原油产生改质需要的温度,同时向地层中注入供氢剂,使油气流过加热的催化剂而开采,等于在地下建立一个炼油厂。
THAI水平段注空气技术是重力辅助的火烧油层工艺。
此技术解决了气体重力超覆现象,结合水平井先进技术可获得极高的稠油采收率,地下稠油可通过热裂化反应实现就地开采出改质
的原油。
在化学驱提高原油采收率方法中,聚合物驱、表面活性剂驱和碱性水驱各有优缺点。
[7]
它利用聚合物来控制流度,用活性剂和碱来降低界面张力,活性剂和碱在一定条件下产生的协同效应还可形成超低界面张力,碱和聚合物混合可减少聚合物在地层中的吸附量,并在适当条件下有利于驱油体系粘度的增加。
但三元复合体系中聚合物的用量较大,如何有效降低聚合物用量,是复合化学驱技术进入现场的关键之一。
由于泡沫也可以作为驱油的流度控制剂,气泡界面变形对液流产生贾敏效应,贾敏效应可以叠加。
当泡沫进入地层时,优先进入高渗透部位,贾敏效应使流动阻力逐渐增加,从而起到降低原高吸水部位的吸水能力、提高波及体积的目的。
所以近年来又提出了多元复合驱的概念,即在ASP体系中加入气体,以便形成泡沫,从而达到降低聚合物用量的目的,这种体系本文称为泡沫增效三元复合驱油体系(简称FAPS体系)。
的重点在于通过流动实验来研究流速、压力对FAPS流态的影响。
[8]
2.国内研究存在的问题
化学驱包括碱驱、表面活性剂驱、聚合物驱、胶束聚合物驱、碱增聚合物驱、聚合物增碱驱、碱增表面活性剂驱、助表面活性剂碱驱和碱-表面活性剂-聚合物驱等。
当然,各种化学驱都有其各自的优点和缺点。
强碱的使用使得地层粘土分散、运移、地层渗透率下降、油层及井底结垢、生产井产液能力降低、检泵周期缩短、采出液破乳脱水困难以及现场施工工艺复杂等一系列问题。
表面活性剂使得油井采出的原油严重乳化,表面活性剂在地层中吸附,造成表面活性剂浓度大大降低,严重影响表面活性剂驱的效果。
聚合物能够普遍提高采收率达10%,但是其使用量巨大,注入压力很高,不耐剪切,需要特殊的注入工艺。
3.国外研究现状
水溶性疏水缔合聚合物由于其在提高采收率方面的应用,受到了特别的重视。
除了它们的主链上镶嵌上了一小部分疏水基团外,它们在提高采收率方面和其他水溶性聚合物相似。
在镶嵌程度小于1mol%,这些疏水基团能显著地改变聚合物性能。
这些聚合物在流度控制、钻井液和调剖方面有潜在的用途。
[9]
在本文中,我们研究了降阻聚合物对表面活性剂稳定的油水乳状液流动特征的影响。
我们测试了水溶性和油溶性的聚合物作为降阻剂时对油包水乳状液和水包油乳状液。
压力降低测量在直径为一英寸和半英寸的水平管中进行的。
研究了DRP类型、浓度和分子量对乳状液稳定性、粘度和压力降低的影响。
实验结果表明,在加入了合适的DRP后,乳状液的稳定性大幅度地提高,在室温下,随着DRP分子量的增加,乳状液稳定性越好。
另外,随着温度的升高,乳状液稳定性和DRP对乳状液稳定性的影响都会降低。
注入正确的DRP(溶解于乳状液外相),会使所有测试的稳定的乳状液都出现压力降低的现象。
随着DRP浓度增加,这种影响也会增加。
然而,注入溶解在乳状液内相(分散相)的DRP,会在不稳定的乳状液中出现阻力降低的现象,但是程度很小。
然而,对于乳状液用同样的紊流程度注入各种类型的DRP,几乎和管的直径没有关系。
[10]
我们调查了四种不同的表面活性剂在三次采油中的效果。
通过在Berea砂岩中的岩心驱替实验,我们测试了所选表面活性剂配方对提高采收率的作用。
除了岩心驱替实验,我们还进行了一个填砂管的表面活性剂驱替实验。
在表面活性剂段塞被注入前,我们用水将多孔介质驱替到水驱残余油饱和度的状态。
在表面活性剂的后面紧跟着一段聚合物的段塞,我们记录了累计原油采收率随时间变化的关系。
在许多研究(界面张力和在高岭石上吸附行为)的基础上,我们挑选出了所研究表面活性剂的配方。
低浓度的1-萘酚溶解在1-丁醇中,分散在 烷基糖苷这种表面活性剂中形成的配方是很有效果的,因为它能极大地降低界面张力,从而使得三次采油采出程度显著增加,达40%。
本问讨论的另外三种表面活性剂包括:
十三烷基磺基琥珀酸酯、椰油酰二乙醇胺和甲基丙氧基苯硫酸酯钠盐,它们分别对应15%、75%和35-50%的三次采油采出程度。
图1.十三烷基磺基琥珀酸酯的化学结构
这些结果表明有许多种类的表面活性剂满足用作三次采油溶剂的技术要求。
[11]
本文主要展示了纳米流体对于提高采收率的一个实验研究。
本文着重研究一种带有低密度有色金属纳米粒子的水溶性阴离子表面活性剂。
实验表明,和表面活性剂相比,使用纳米流体可以使原油边界上的界面张力降低70-90%。
并且以稀释的改变为特征。
使用这种先进的纳米悬浮体系会使采收率显著地增加。
[12]
MojdehDelshad,ChoongyongHan等人提出了模拟碱-表面活性剂-聚合物三元复合驱的简化模型。
碱-表面活性剂-聚合物三元复合驱作为一种常见的提高采收率方法。
许多原油都含有环烷酸,它们可以和碱反应在原地生成脂肪酸盐。
用精心挑选的表面活性剂和这些原地生成的脂肪酸盐进行复配,就能够形成超低界面张力,来驱动残余油。
然而,ASP三元复合驱时很复杂的,因为它涉及到化学反应,而化学反应又取决于原油组成、地层水组成、岩石矿物、温度、pH等等。
三元复合驱的机械模拟涉及大量的反应来计算由于和粘土与胶束的离子交换反应碱的消耗,当然还有和矿物质和盐水的反应消耗的碱。
这种方法是很计算密集型的方法。
在一个详细的ASP三元复合驱机械模型的提出和确认后,在这个三维化学驱油藏模拟器里又增加了一个简化的ASP驱模型。
在这个简化模型中,脂肪酸盐的量是由原油中总的环烷酸计算出来的。
提出了一种相行为混合规律来计算最佳矿化度和脂肪酸盐和表面活性剂混合物的增溶率。
其他关键的机理如碱的消耗量和表面活性剂的吸附量都以作为碱浓度的函数来建模的。
图2.简化ASP累积采收率和完整ASP累积采收率对比
图3.校准完整ASP与简化ASP累积采收率对比
这个简化的ASP驱模型成功地给几个ASP驱的岩心驱替实验拟合。
基于这些结果,我们进行了一个三维的ASP三元复合驱的矿场试验。
在这个案例中,矿场试验的结果和使用一个更完善的地球化学反应ASP驱模拟的结果具有可比性。
这个简化的ASP驱模型是一个更加实际和方便的途径来模拟这些案例中的ASP三元复合驱应用。
[13]
MabkhoutM.Al-Dousari,AliA.Garrouch提出了一个人工的神经网络模型来预测表面活性剂-聚合物(SP)驱的提高采收率性能。
一个管理前馈反向传播的神经元网络模型来评估采用表面活性剂-聚合物驱提高油藏采收率性能已经提出。
通过在恰当隐藏层数量和每个隐藏层神经元数量上的大量实验,最佳的网络范例已经被设计出来这个最佳的多层网络拓扑图由一个18个神经元组成的输入层、三层由11个神经元组成的隐藏层和一个由四个神经元组成的输出层组成。
这个网络输入端由18个无因次单元构成,它们完全控制力SP驱的驱替效率。
这些单元负责对以下因素的影响:
表面活性剂段塞体积、聚合物段塞体积、表面活性剂浓度、表面活性剂溶液和油之间的流度比、聚合物和表面活性剂溶液之间的流度比、表面活性剂和聚合物的吸附量、界面张力、油藏非均质性、相对渗透率、毛管力、水驱残余油饱和度、三相区最佳矿化度、重力和岩石润湿性。
主要的因素分析表明,所有的这18个无因次因素对于标定表面活性剂-聚合物驱是必不可少的。
这个网络的输出端由注入体积为0.75、1.5和2.25孔隙体积时的原油采收率,同时可以估算无因次突破时间。
和使用基于油藏详细资料的计算密集型模型比起来,人工神经元网络模型可以在估算表面活性剂-聚合物驱的性能时,节约大量的时间。
人工神经元网络模型有可能成为一个宝贵的工具,来初步评价油藏对表面活性剂-聚合物驱的适用性。
[14]
图4.一个最佳人工神经元网络结构
KhyatiRai,RussellT.Johns,MojdehDelshad等人提出了快速筛选适合表面活性剂-聚合物驱油藏的模型。
他们将控制表面活性剂-聚合物驱采收率的关键无因次群列了出来。
对SP驱而言,这些恰当的物理量是三相区最佳矿化度和残余油饱和度决定因素,都已经被包括在了这个模型里。
基于这些群,一个Box–Behnken实验设计用来产生在无因次时间下适合采收率预测的反应面。
这些得到的反应面能被用来估算任意油藏的采收率潜力,并且非常适合筛选大量的油藏,来确定最适合表面活性剂-聚合物驱的候选油藏。
这些反应函数也适合用来合理地设计SP驱的关键参数。
这个模型可以在不进行费时的化学模拟的情况下,帮助工程师更好地了解这些重要的参数是如何影响原油采收率的。
[15]
由于聚合物能在原油采收率上起到提高波及系数的作用,人们在使用聚合物溶液提高采收率方法上投入了大量的注意力。
尽管,人们在这方面做了大量的研究,但是在盐存在情况下,纳米颗粒在调整聚合物性能时所起到的作用,却没人研究过。
再者,也没有在二价阳离子存在情况下聚合物驱中分散的纳米二氧化硅如何影响稠油采收率的信息。
本次研究中,研究人员在一个饱和了稠油的四等分的五点玻璃微模型上进行了一系列的聚合物驱实验。
不同盐浓度的聚丙烯酰胺和分散纳米二氧化硅在聚丙烯酰胺的溶液用来作为纳米二氧化硅在有盐存在情况下聚合物驱稠油时聚丙烯酰胺性能的影响。
另外,研究人员还进行了粘度的测量来帮助分析聚合物驱的结果。
原油采收率是通过分析驱替过程中捕捉到的图片得到的。
此外,显微镜监控系统用来在孔隙尺度来分析残余油和聚合物的分布。
结果表明在进行聚丙烯酰胺驱油时,增加盐的浓度,会使采收率减小;然而在含有纳米二氧化硅颗粒的聚丙烯酰胺进行驱替的时候,采收率降低的比例更小。
粘度测试的结果表明增加盐浓度会降低聚丙烯酰胺溶液的粘度,直到一个最低值,然而随着盐浓度继续增大,聚丙烯酰胺溶液的粘度反而会增大。
除此之外,在相同的盐含量之下,有纳米二氧化硅的聚丙烯酰胺悬浮体系的粘度要比聚丙烯酰胺溶液的粘度大。
在粘度上的这一增加值随着纳米二氧化硅的浓度增加而变得更加显著。
最后,研究人员作出了不同盐浓度下的原油采收率和注入物粘度之间的关系曲线,这也证实了之前的结果——提高注入物粘度就能提高采收率。
[16]
油藏里存在的石膏限制了碱-聚合物-表面活性剂驱里面常规碱的使用,像碳酸钠;在石膏存在的情况下,会生成碳酸钙,从而导致碱性的大量损失和渗透性的恶化。
研究人员研究了偏硼酸钠和氢氧化铵作为碳酸钠的可能替代品。
研究人员做了一系列这些碱在过量石膏存在下的混合实验,在砂岩和碳酸盐岩岩心中的单相地层水-碱的运移实验和在露头与油藏岩心(含有石膏)中的碱-聚合物-表面活性剂三元复合驱实验。
流出液的pH和离子浓度(包括硼、钙和硫酸盐)用离子色谱法和感应耦合等离子体来测量。
研究人员发现偏硼酸钠和氢氧化铵能够在成批和运移实验中维持和扩散形成超过10的pH值,而不会引起明显的渗透率改变。
在成批实验和运移实验中氢氧化铵不会引起比地层水更大的石膏溶解量。
然而,在注入偏硼酸钠时,石膏的溶解量会增加,并和注入速率相关。
在含石膏的岩心中进行的无论是含偏硼酸钠或氢氧化铵的碱-聚合物-表面活性剂三元复合驱实验都获得了高的原油采收率和低的表面活性剂滞留。
[17]
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二、酸值测定
1.实验准备
1.1仪器
锥形瓶、250ml磨口瓶、球形回流冷凝管、2ml微量滴定管、集热式磁力搅拌器。
1.2试剂
氢氧化钾,配制成0.05mol/L氢氧化钾乙醇溶液。
每配制1L0.05mol/L氢氧化钾乙醇溶液,,称取2.8g氢氧化钾,加入少量水溶解,转入容量瓶内,加入乙醇,定容,小心摇匀,静置2—4天,待澄清后,取上清液放入棕色细口瓶内,以待标定。
标定:
准确量取25—30ml盐酸标准溶液于250ml锥形瓶内,加入两滴酚酞指示剂,以待标定的氢氧化钾乙醇溶液滴定,在接近终点时,加热至沸腾,并趁热滴定
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