表面活性剂驱及复合驱

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1、表面活性剂驱及复合驱表面活性剂驱及复合驱王王 健健石油工程学院提高采收率研究室石油工程学院提高采收率研究室E-mail:wangjannc-E-mail:wangjannc-水驱油采收率低的主要原因波及效率低水K1K2K3油K4K1 K2 K3 K4垂向波及与平面波及图（1）垂向上存在层间非均质性（渗透率差异），易于产生舌进现象，垂向波及效率低。调剖堵水。（2）平面上存在微观非均质性和油水粘度差，水的流度大，水驱油流度比高，易于产生粘性指进现象，平面波及效率低。聚合物驱，弱凝胶和CD胶调驱。波及区内的驱油效率低PAPB油水油r1r2水PAPB水油 波及区内微观上是并联毛细管模型，驱油速度不同，

2、慢的留下残余油。Ganglia前进角12后退角Pw1 Po Pw2 残余油滴运动时存在动力滞后现象，产生附加毛管阻力附加毛管阻力： 排驱残余油滴的条件：水驱油的压力附加毛管阻力。 表面活性剂驱降低界面张力，可启动残余油。如果实现有利的相态（混相），就消除界面和界面张力，驱油效率将大幅度提高。表面活性剂驱通过乳化实现有利的相态，而气体混相驱在一定条件下实现气体与油的混相。调剖堵水、聚合物驱、弱凝胶与CD胶调驱技术，主要启动低渗透层和改善层内流度比，提高波及效率气体混相驱是在一定条件下，实现注入气体与油的混相，消除驱油过程中的界面张力，提高驱油效率。表面活性剂驱及复合驱，降低油水界面张力，通过乳化

3、实现有利的相态，提高波及区内的洗（驱）油效率重点讲述表面活性剂驱及ASP复合驱提高驱油效率机理。提高水驱油采收率的主要途径 水驱油后，油层中有油水两相，存在界面和界面张力，油水界面张力一般10-30mN/m 。 加入表面活性剂后，由于表活剂具有两亲特性，有效地改变了界面性质，降低了界面张力。 选择适当的表面活性剂，可以使界面张力降至10-3mN/m数量级。油水界面与界面张力 降低，毛管数 Nvc=V/增大（提高速度潜力很小，聚合物粘度也仅能增加几十倍）， Sor降低，驱油效率增高。 SorNvc10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1那么，降低到什么程度油滴才能流动

4、呢？（1）油滴启动的最高极限界面张力启动条件：水驱油压力梯度附加毛管阻力梯度 1.410-3mN/m max=1.410-3mN/m 当界面张力降低至10-3mn/m时， 达到超低界面张力（Ultra low IFT) 数量级，油滴才能启动。令：毛管半径 r=10-4cm ，油滴长度 dl=10-2cm，强亲水=0，得： 水驱（ 高）活性水驱（加入少量的表活剂）胶束溶液驱（ Micellar，加入较多表活剂，浓度高时将缔结为胶束）微乳液(Microemulsion)驱（多种组分共同作用，使达到超低值）。（2）降低界面张力的途径1 驱油用表面活性剂阴离子型(Anionic)阳离子型(Cation

5、ic)非离子型(Nonionic)两性离子型(Zwitterionic) EOR使用阴离子型(稳定性好、吸附量小、成本低)和非离子型（耐高矿化度，活性稍差）。 一般不使用阳离子型（因为地层中吸附损失大）。 极性端,non-polar portion（亲水）非极性端,polar portion（亲油）headtail阴离子表活剂的分子结构石油磺酸盐（Petroleum Sulfonates) 界面张力：使不互溶流体界面产生新界面所需的单位长度的力。油水界面膜F0 L1 L2水油 油水（液液）界面吸附表活剂，因表活剂的两亲性，改变界面性质，界面张力降低。油水加入表活剂表活剂降低界面张力：2 微乳液

6、特性（Behavior of Microemulsions)油+水不互溶 形成一定分散程度的油水体系 剧烈搅拌 停止搅拌分层加入活性剂，搅拌 易形成稳定体系加入不同种类数量的表活剂形成不同性质的溶液（不同分散体系） 油+水+少量表活剂 乳状液。 特性：外观不透明，分散液滴的尺寸大（1-10m ），体系大，需要在强烈的搅拌作用下才能生成，热力学不稳定体系。一.乳状液、胶束溶液、微乳液（1）水中加入活性剂a.浓度很小时，活性剂浓集于水表面水油+水+较多表活剂 胶束溶液b.浓度增大，活性剂开始进入水中。水 c.浓度进一步增大到CMC(Critical micelle concentration)以上

7、，活性剂非极性端缔结为胶束（因极性端亲水）。（2）再加入油油会溶解到非极性的胶束核心中去（增溶作用）。m)，单相溶液，热力学稳定体系。油+水+较多活性剂+其他成分。m），体系界面张力低，甚至可达10-3 mN/m以下，热力学稳定体系。 油(hydrocarbon)+水(water)+活性剂(surfactant)+助剂(co-surfactant)+电解质(electrolytes)，按一定比例组成的高度分散的低张力体系。 油：模拟地层油（因有些原油成分复杂，给配制带来困难），0-80%（体积比）。 水：蒸馏水，10-95%。 活性剂：阴离子型，石油磺酸盐，1-15%。 助剂：脂肪醇（改变体系

8、性质），0-10%。 电解质：NaCl， w，按能量趋于最小的原则，胶束非极性端聚集。OMOb.上相微乳液油包水结构water-in-oil，油外相，含油相油+膜o，水 +膜w，o w，胶束极性端聚集。MWMWWc.中相微乳液（有三种结构） 水包油（O/W）OMW油包水（W/O）OMW层状结构，lamellaro= wOMW水油水（1）加醇作用 a.稳定膜 b.提高增溶参数 单位体积活性剂增溶油或水的体积，Vo/Vs , Vw/Vs（2）加醇原则小分子醇有利于形成水包油型O/W。大分子醇有利于形成油包水型W/O。 配制微乳液时，保持其它成分比例不变，仅改变含盐量。（1）相态 OMWMW含盐量增

9、加下相 中相 上相OM（2）界面张力 含盐量增加含盐量增加,mo降低，mw增加。当S=S*时， mo=mw，S*最低界面张力含盐度。momw 含盐量增加含盐量增加,Vo/Vs增大，Vw/Vs降低。当S=S*时， Vo/Vs+Vw/Vs最大， S*最佳增溶参数盐度。Vo/VsVw/Vs（3）增溶参数(Solubilization Parameters)（1）性质ABC三.微乳液的相态特性(Phase Behavior) 体系由A、B、C三种组分组成。 顶点组成是该组分含量100%（如A点含A 100%，不含B和C）。对边是该含量为0，对边上的任一点由两组分组成（如BC边含A为0，仅由B和C组成）

10、。 相图内任一点P代表由A、B、C三种组分按一定比例组成的一个体系，并且：含A40%，含B20%，含C40%，它们之和为100%。ABC. .P 某体系组成从顶点C向对边移动时，表示该顶点物质浓度在不断减少。但直线上所有各点组成中，含A与B的比例保持不变，即：C1体系：含A为BN段， 含B为AM段C2体系：含A为BH段， 含B为AD段ABCC1C HNDMC2 在平行于某一边的直线（AB）上，有一组体系，则它们含顶点物质（C）的百分含量相同。ABCABa.直线规则(Line Rule)：如果有两个三组分体系Q和Y混合，生成的新体系组成Z必然落在Q和Y的连线上。ABC. .ZQ. . .Y(2)

11、规则b.杠杆规则(Inverse-lever-arm Rule)： Q与Y混和得到新体系Z，则在Z体系中：Q的含量Y的含量=ZYQZc.重心规则ABC.HDEGF由D 、E、F混合形成一新体系H？D与E生成GF与G生成HH位于D、E、F三质量的重心。WOS三个拟组分(pseudocomponents)： W：盐+水， O：油， S：活性剂+助剂油（1）取油：盐水=1：1，加入少量S，设生成下相微乳液。水油8ml4mlM110ml7ml10ml 8ml 4ml1ml油被增溶 表活剂水油加入2ml S搅拌体系总组成a1通过实验绘制微乳液拟三元相图体系总组成a1：4ml W, 40% 4ml O ，

12、40% 2ml S ， 20%微乳液组成M1：4ml W, 57.2% 1ml O， 14.2% 2ml S， 28.6%WOSM1.a1M1与a1的连线过O点，为什么？(2)保持油水量不变，增加S用量，得到（a1，M1)，(a2，M2)， . ，(an，Mn)。当S增加到某值时，an与Mn重合（单相）WOSMn（an）M2M1a2a1 （3）改变油水比例，不断增加S含量，直至界面消失，得到Mn1，Mn2，.WOSMn（an）M2M1a2a1. Mn1. Mn2（4）连接WM1M2 .MnMn1Mn2.O，得到下相微乳液相图。（1）ai点为体系的总组成点（包括微乳液和过剩油）， Mi点为微乳液

13、组成点。（2） WM1M2 .MnMn1Mn2.O曲线称为双结点曲线，OMi连线称为系线。（3）双结点曲线将相图分为两个区：单相区(顶部）和两相区（底部）。 下相微乳液系线的斜率为负，称为（-）型相图。3.相图点、线、面的含义WOSWOS下相，（-）型上相，（+）型中相 ，型WOS三相区两相区两相区单相区 (1) 型相图中，体系总组成点落在两相区内才是上、下相微乳液体系。（2）型相图中，只有体系总组成点落在三相区内才是中相微乳液体系。Note:WOSM* BAab例：（1）考虑100ml总组成在图上A点表示的混合物。在体系达到平衡时，平衡相的组成和量是多少（组成用体积百分数表示）？（2）当体系

14、总组成在图上B点时，平衡相的组成和量是多少？解：（1）该微乳液是上相微乳液，水与微乳液平衡共存，由相图可知： A点体系总组成为：表活剂19%（19ml），油20%(20ml), 水61%（61ml），设表活剂完全溶在微乳液中， 根据杠杆规则，从图上量得a,b段长度，得到： a/a+b=6/23 过剩水量Vw=(6/23)100=26ml微乳液总体积100-26=74ml，其中各量为： Vw=61-26=35ml, 47.3% Vo=20ml，27.0% Vs=19ml，25.7%. （2）B点： 该微乳液是三相微乳液体系，水、油和微乳液三相平衡共存， B点体系总组成为：表活剂9%（9ml），油

15、31%（31ml），水60%（60ml） M*是微乳液组成点：表活剂23%，油38.5%，水38.5% 。 设表活剂全部在微乳液中，Vs=9ml，则有：Vme=9, Vme=39ml微乳液中：Vo+Vw+Vs=39, 又Vo=Vw, 所以Vo=Vw=15ml。B体系中： 微乳液：39ml，39% 下相水： Vw=60-15=45ml, 45% 上相油： Vo=31-15=16ml，16%（1）活性组分含量对相态的影响 设在油水体系E中逐渐加入表面活性体系S，试分析体系的相态变化规律。WOS.E 油水体系 该体系生成下相微乳液，过剩相为油相，油不断被增溶。S低时，生成两相溶液，部分混相。总组成为

16、a，微乳液组成为M，O是过剩相。WOSMaE 油水体系体系中O与M含量之比为：O含量M含量=MaOaWOS.ME 油水体系CBA微乳液M中 含活性组分S：AMAS100%含水W： BMBW100%含油O： CMCO100% S高时(D点以上），生成单相溶液，完全混相。 S增加，体系总组成沿EaDS方向变化，微乳液组成沿双节点曲线WMD方向变化。WOSMaDE 油水体系 P111图4-13。 随着含盐量的增加，由下相，经中相，到上相。(2)盐度变化影响3 微乳液驱油机理(Displacement Mechanisms)油层实现微乳液驱方法： 油层存在：油+盐水油水体系E。 需要补充：活性剂+助剂

17、溶液 活性水体系A。WOS.EA.WOSEA A+E作用：可能形成单相（混相），也可能形成两相（非混相）部分混相。 A+B作用：一定形成单相（混相）混相驱 D+E作用：一定形成两相（非混相）非混相驱。BD 混相驱：指油层任何位置，排驱流体与被排驱流体一经接触，便立即互溶混相的排驱过程。 非混相驱：排驱流体与被排驱流体以任何比例混合都不能互溶混相的排驱过程。 部分混相驱：注入一定量的单相活性体系，段塞前缘因被地层流体稀释成为非混相区，而后缘为混相区的排驱过程。假设条件：油层为均质线性地层， 流体间分子扩散速度大于流速，PVPV）， 两相区内参与流动的体积比=相体积比，（一旦两相均流动，则按比例流

18、动，比如一杯溶液倒出一部分，体系组成不变）。（1）第一批活性水A,依此经过不同孔隙的油水体系E，观察各孔隙中组成变化情况。 AWOSEAEEEE 孔隙1 2 3 n n+1 线性地层模型EA1.EA1A2An-1 AnA2AnEAn-1孔隙1中,A+EA1 单相(活性剂浓度高)孔隙2中,A1+EA2 单相(活性剂浓度较高)孔隙3中,A2+EA3 两相(活性剂浓度下降).孔隙n中,An-1+EAn 两相(活性剂浓度很低)孔隙嗯n+1中,An+EE 两相(接近油水组成E)A1A2A3EE结果： 孔隙1 2 3 n n+1.An孔隙1中:A+E A1A+A1 A(1)A+A(1) A(2).A+A(

19、n) A最终组成接近注入的活性水组成A。AAA(n)A(2)A(1)A1E(2)连续注活性剂A,观察注入端孔隙中组成变化 接着，第二、第三孔隙中的组成依次接近注入的活性水组成A。混相带过渡带富油带原始油水区组成由A逐渐过渡到E的一个区域过渡带排驱条件改善，降低，残余油易流动，So。 如果活性水A与油水体系E混合生成下相微乳液（水外相），该水外相结构不能与oil混溶，视为非混相驱。WOS油不流动区两相流动区水不流动区EAa.注入的第一批的活性水A与油水体系E作用 A+E 1（落在油不流动区） 1 1 （ 注入多少排出多少，只能水、表活剂和部分增溶油按比例排出，即体系组成点沿系线向So增大的方向移

20、动，但不能到达油不流动上限，因部分油被增溶。）WOSE1 12 2A（1）MO高时(油不流动区大） 设地层有10ml的油水体系E，孔隙体积10ml。油水10ml7ml油水体系E：油3ml，水 7ml，Sor=30% 注入5ml的活性水A，与E作用生成新体系1。油M15ml体系总组成1：油 3ml，水 7ml，表活剂 5ml， Sor=16.7%。 由于体系1总量为15ml，而地层孔隙体积只有10ml，体系1在油不流动区（Sor30%)，只能排出5ml M，体系组成变成1。油Mml 体系1：油2.5+(7.5/12.5)*0.5 ml，水 (7.5/12.5)*7ml， 表活剂(7.5/12.5

21、)*5ml，Sor=25%，达不到油不流动上限。 地层中的油不断的被活性水A增溶，生成水包油结构（含水相），随水排出，但不能生成富油带。 A+12 2 .e. 连续注入的第n批A A+（n-1）n（混相区）b. 连续注入的第二批活性水A（2）MO低时(油不流动区小）WOSEA 第一次注入A+E 1（两相同流区，油水按比例流出，组成不变。）1 第二次注入A+1 2（同理）2 第三次注入A+2 3 3（落在油不流动区，同MO高时） . 第n次注入A+(n-1) n n 部分油参与流动，可形成富油带。3 3 A+E生成上相微乳液（油外相结构），该结构能与油混溶，可视为混相驱。 A+E 1（油不流动区

22、，只排出水，体系组成沿系线向含油量增加的方向移动，直至油不流动上限1。WOSEA（1）MW高时（油不流动区大）111 1A+12 2.A+(n-1) n（混相区） A+E生成上相微乳液，水被增溶生成含油相，So增大，形成富油带。 A+E 1（两相流动区，按比例排出油水，组成不变）WOSEA（2）MW低时（油不流动区小）21 A+1 2. A+（n-1) n 排驱所到之处都能排出油，油水按比例排出下一孔隙，形成富油带。n-1n4 微乳液驱油采收率Sor和Sor3分别由水驱和微乳液驱的相渗曲线确定。 设水驱油饱和度为Sor，微乳液驱后三次残余油饱和度为Sor3，则驱油效率为： 微乳液产出液处理破乳

23、剂破乳。典型的微乳液配方：40%油田原油，30%油井产出水，22%石油磺酸盐，8%醇。微乳液驱成本高。在微乳液段塞后，一般使用聚合物溶液保护段塞（Buffer)，提高波及效率。一般不单独使用微乳液驱，发展方向是ASP三元复合驱（后面讲述）。Note: 活性水驱是以浓度小于CMC的表面活性剂水溶液作为驱动介质的驱油方法。 采用非离子型表活剂效果好：可减少吸附损失，对地层水中高价阳离子（Ca2+、Mg2+）不敏感。 将非离子型和阴离子型表活剂复合使用效果更好。发挥前者的乳化作用和后者的润湿、分散作用。5 活性水驱主要驱油机理：降低油水界面张力，使残余油变成可动油。改变地层表面的润湿性，如亲油亲水。

24、增加原油在水中的分散，形成O/W乳状液，油滴被活性水夹带而被采出。改变原油的流变性，高粘原油，非牛顿液体性质，活性剂进入油中，降低极限动剪切应力。6复合化学驱（ASP驱） 由两种或两种以上的化学剂混合使用，利用它们之间的协同效应的驱油方法。既提高波及效率，有提高驱油效率，从而大幅度提高采收率。 如：二元：P+S，P+A 三元：A+S+P 四元： A+S+P+ Foam, A+S+P+酸？ 大庆油田：1700-2200ppmHPAM+3000ppm表面活性剂ORS41+1.2%NaOH 胜利油田：1500ppm聚合物3630S+3000ppm表面活性剂+1.2%Na2CO3 提高采收率20%OOIP。 目前尚未进入工业性矿场应用。 驱油机理认识不足 风险大（对油层条件的要求） 驱油成本高，化学剂用量大，成本高。 主要问题之一，应研制低成本驱油剂。