原位二氧化碳泡沫驱提高采收率实验.pdf
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1、第41卷第1期2024年3月25日油田化学Oilfield ChemistryVol.41 No.125 Mar,2024http:/文章编号:1000-4092(2024)01-108-08原位二氧化碳泡沫驱提高采收率实验*叶秀茹1,汪万飞2,付红3(1.中国石油西南油气田分公司四川长宁天然气开发有限责任公司,四川 成都 610056;2.中国石油长庆油田分公司第九采油厂,宁夏银川 750006;3.中国石油长庆油田分公司第三采油厂,宁夏 银川 750006)摘要:原位CO2泡沫驱是一种很有潜力的提高采收率技术。通过原位CO2泡沫驱提高采收率实验,优化了生气体系、泡沫体系以及注入参数,得到了
2、最佳的注入量、注入速度和适用的渗透率级差范围。研究结果表明,在温度为70,地层水矿化度为10 000 mg/L条件下,得到可以作用于地层深部的原位CO2泡沫体系,其配方为:2.1%碳酸氢铵+1.6%醋酸+9.5%氯化铵+0.1%-烯烃磺酸钠AOS+0.1%油酸酰胺丙基甜菜碱DHSB,泡沫体积可达810 mL,泡沫综合指数为15552 mL min。该体系形成的泡沫在油藏中部具有较高黏度和较大弹性的特性,能够有效封堵高渗通道,表现出良好的封堵能力。在渗透率级差为6左右时,原位CO2泡沫体系注入速度控制在1.0mL/min左右,注入段塞量控制在0.3 PV,能够发挥最佳的调驱效果。研究还发现,该泡
3、沫体系在渗透率级差为3.913.7的非均质储层中能有效提高采收率,而在渗透率级差为15.6的条件下,虽然未能显著提高低渗层采收率,但在高渗管中仍然有一定的洗油作用。本研究为原位CO2泡沫驱技术的应用和优化提供了重要参考。关键词:原位CO2泡沫;渗透率级差;封堵;非均质储层;提高原油采收率文献标识码:ADOI:10.19346/ki.1000-4092.2024.01.015中图分类号:TE357开放科学(资源服务)标识码(OSID):*收稿日期:2022-12-15;修回日期:2023-03-22;录用日期:2023-04-12。基金项目:国家科技重大专项“低渗-致密油藏高效提高采收率新技术”
4、(项目编号:2017ZX05009-004)作者简介:叶秀茹(1988),女,西南石油大学油气储运专业学士(2010),从事油气储运研究工作,E-mail:。付红(1996),男,工程师,成都理工大学油气井工程专业硕士(2021),从事油气田开发研究工作,通讯地址:750006 陕西省延安市吴起县铁边城镇新寨乡长庆第三采油厂新寨作业区,E-mail:。0前言CO2泡沫驱是一种具有巨大发展潜力的提高采收率技术1-2,尤其在动用程度低、采收率低的低渗透油气藏中3-5,可将采收率提升1520百分点6。CO2泡沫驱通过改善流度比、降低油水界面张力来提高洗油效率,同时还可降低启动压力和注水压力,提升流体
5、渗流能力,从而提高低渗透油藏的采收率7-9。即使驱油过程中CO2泡沫发生破灭,其气相也能与原油多次接触形成混相,通过降低原油黏度提高采收率10-13。然而,某些作业区由于作业条件差、CO2气源缺乏以及作业区偏远导致的运输困难和 成 本 过 高,CO2泡 沫 驱 技 术 的 推 广 受 到 限制14-16。原位CO2技术可有效解决气源问题。我国中原油田17、江苏油田18和渤海油田19已广泛应用原位CO2气驱,并取得了良好的稳油控水和降压增注效果17-21。但原位CO2气驱仍存在诸多局限性,如CO2黏度低、流动性强,在非均质地层中易出现气窜和重力超覆现象,影响驱油效率22-23。为克服这些局限性,
6、结合原位CO2气驱和泡沫驱提出了原位CO2泡沫驱技术24。通过共同注入或交替注入释放剂(如酸)和生气剂(如碳酸盐)发生化学放热反应生成CO2气体25,与表面活性剂溶液共同作用生成CO2泡沫,实现原位CO2泡沫驱,但泡沫作第41卷第1期http:/用距离有限,封堵效果不佳,制约了其提高采收率的能力。为解决这些问题,本文设计了缓释生气体系以减缓生气速率,并优选了泡沫性能和封堵效果优异的泡沫体系,通过驱替实验确定了最佳注入参数和可大幅提高采收率的渗透率级差范围,为后续研究和现场应用提供参考。1实验部分1.1材料与仪器十二烷基磺酸钠(SDS)、-烯烃磺酸钠(AOS)、脂肪醇醚硫酸钠(AES)、油酸酰胺
7、丙基甜菜碱(DHSB)、醋酸(AA)、氯化铵(AC),碳酸氢铵(AB),氯化钠、氯化钙、氯化镁,分析纯,成都科隆化学品有限公司。实验用模拟地层水,矿化度为 9609.6mg/L,主要离子质量浓度(单位 mg/L)为:Na+K+4561.2、Ca2+123.6、Mg2+54、Cl-4870.8;实验用油为某海上油田原油,黏度(70)为40 mPa s左右。填砂管,尺寸为2.560 cm,采用粒度为150212 m石英砂填制。Haake MARS 型流变仪,德国Haake公司;驱替装置包括恒流泵、温箱、中间容器、压力表、填砂管等,江苏华安科研仪器有限公司。1.2实验方法1.2.1生气体系优选实验使
8、用模拟地层水配制质量分数为10%的碳酸氢铵溶液、质量分数为10%的醋酸溶液和质量分数为5%、10%、15%、20%、25%的氯化铵溶液。设置水浴温度为70,在双口烧瓶中加入蒸馏水并将pH值调至4,检查装置(图1)气密性。将质量分数为10%醋酸溶液(醋酸含量为0.01 mol)与不同质量分数的氯化铵溶液按质量比1 4混合成醋酸+氯化铵溶液;在广口瓶中加入质量分数为10%的碳酸氢铵溶液(碳酸氢铵含量为0.01 mol),在酸式滴定管中加入醋酸+氯化铵溶液;匀速缓慢向碳酸氢铵溶液中滴加醋酸+氯化铵溶液,利用排水法收集CO2气体,记录生成气体的体积和时间。按式(1)计算生气效率:生气效率=V实际生气量
9、V理论生气量(1)考虑到实验温度下CO2气体会发生一定膨胀,理论生气量按式(2)计算:V理论生气量=nR()273+Tp(2)式中:V理论生气体积,L;n生气剂摩尔数,取0.01 mol;R摩尔气体常数,8.314 J/(mol K);T实验温度,;p实验压力,常压取0.1 MPa。1.2.2泡沫体系优选实验使用模拟地层水配制质量分数为10%的碳酸氢铵溶液、质量分数为10%的醋酸溶液及质量分数为15%的氯化铵溶液。将醋酸溶液与氯化铵溶液按质量比1 4混合成醋酸+氯化铵溶液,密封后放置在70 烘箱中加热待用;再用碳酸氢铵溶液作溶剂配制不同质量分数的表面活性剂溶液。先取32 mL的碳酸氢铵溶液配制
10、的表面活性剂溶液倒入1000mL量筒中,然后将120 mL的醋酸+氯化铵溶液匀速倒入量筒并用玻璃棒不断迅速搅拌,使两种溶液充分反应产生泡沫,再用保鲜膜封口后放在70 烘箱中,最后记录泡沫体积Vmax和泡沫半衰期t1/2。通过式(3)计算泡沫综合指数FCI。FCI=0.75Vmaxt1 2(3)1.2.3泡沫流变性测试将用上述方法产生的CO2泡沫倒入HAAKE流变仪中,设置测量板振荡频率为 50 Hz,在常温(25)下测试泡沫体系的黏弹性;将泡沫倒入测量筒中,设置剪切速率为0.001300 s-1,在70 下测定CO2泡沫的剪切稀释性。1.2.4驱替实验驱替实验具体步骤如下:(1)用粒度为 15
11、0图1气体反应流程图Fig.1Gas reaction flow chart电源70叶秀茹,汪万飞,付红:原位二氧化碳泡沫驱提高采收率实验109油田化学2024年http:/212 m的石英砂填制尺寸为2.560 cm的填砂管,设置实验温度为70,以1 mL/min的注入速度对填砂管饱和水,并测其水测渗透率,保证渗透率满足要求后进行后续实验,若不满足则需要重新填制;(2)以1 mL/min的注入速度对填砂管饱和油,直至出口端完全出油为止;(3)将满足渗透率级差的两支填砂管并联,以1 mL/min的注入速度进行水驱油,记录水驱时的出油量,当综合含水率达到98%时停止水驱,计算其水驱采收率;(4)
12、水驱结束后,以不同注入速度或不同注入量转注原位CO2泡沫体系,待泡沫体系注入后再后续水驱,直至综合含水率达到98%以上停止水驱,分别计算整个过程中最终采收率和转注原位CO2泡沫体系提高采收率。2结果与讨论2.1生气体系的优选在70 条件下,以质量分数为10%的碳酸氢铵溶液为生气剂、质量分数为10%的醋酸溶液与不同质量分数的氯化铵溶液按质量比1 4混合形成的醋酸(AA)+氯化铵(AC)溶液为释气剂,不同质量分数的氯化铵对实际生气量和生气速率的影响如图2所示,碳酸氢铵、醋酸的物质的量均固定为0.01 mol,理论生气量为285 mL。从图2可以看出,随着氯化铵质量分数的增大,实际生气体积从245
13、mL降至184 mL,生气效率由86%降至64.6%,反应时间从15 min延长至35 min,生气速率降低。这表明加入氯化铵可减缓CO2的生成速率,但氯化铵加量过大时CO2生气量明显降低。为了获得较高的CO2生气效率和较低的CO2生成速率,最佳释气剂确定为:10%醋酸溶液+15%氯化铵溶液(两者质量比为1 4),可实现较高的生气效率,同时达到缓释效果。因此,最终确定生气体系中生气剂为质量分数为10%的碳酸氢铵溶液,释气剂为10%醋酸溶液+15%氯化铵溶液(两者质量比为1 4),生气剂与缓气剂质量比约为4 15。2.2泡沫体系的优选将用32 mL的质量分数为10%的碳酸氢铵溶液配制的不同浓度表
14、面活性剂溶液与 120 mL 的醋酸+氯化铵溶液混合,在70 下产生泡沫的体积、半衰期、析液半衰期、泡沫综合指数如图3所示。以表面活性剂命名泡沫。由图3可知,采用不同表面活性剂所生成泡沫的体积和半衰期均随表面活性剂图2氯化铵质量分数对CO2生气量及生气速率的影响Fig.2Effect of mass fraction of ammonium chloride on gasgeneration and gas generation rate图3不同质量分数表面活性剂泡沫体系的泡沫性能Fig.3Foam properties of foam system with different massfr
15、actions of surfactants14000120001000080006000400020000泡沫综合指数/(mL min)252015105泡沫半衰期/min4.03.53.02.52.01.51.00.5析液半衰期/min800700600500400300200100泡沫体积/mL质量分数/%00.050.100.150.200.250.30时间/min4035302520151050300250200150100500气体体积/mL5%10%15%20%25%0AESAOSDHSBSDSDHSBAESAOSSDSDHSBAESAOSSDSAOSDHSBSDSAES110第
16、41卷第1期http:/质量浓度的升高而增大。然而,当表面活性剂浓度超过某一临界值后,泡沫性能会逐渐减弱。这是因为当浓度达到一定水平后,表面活性剂从溶液中向液膜扩散的速度大于在液膜上的扩散速度,从而导致通过Marangoni效应修复界面膜的能力减弱,进而影响泡沫性能的稳定性。从图3可以看出,表面活性剂AOS和DHSB具有较好的发泡能力和稳定性。采用AOS和DHSB形成泡沫的综合指数较高,表现出优异的泡沫性能。AOS是一种耐盐能力强的阴离子表面活性剂而DHSB是两性表面活性剂,均具备耐酸碱耐盐的特性。优化配方为2.1%碳酸氢铵+1.6%醋酸+9.5%氯化铵+0.1%-烯烃磺酸钠AOS+0.1%油
17、酸酰胺丙基甜菜碱DHSB的复配体系表现出优异的泡沫性能,泡沫体积达到810 mL,泡沫半衰期和析液半衰期分别为 25.6 min 和 4.2 min,泡沫综合指数高达15552 mL min,可以很好地满足实际需要。2.3泡沫的流变性能泡沫的流变性能反映泡沫在多孔介质中的稳定性和封堵能力。使用HAAKE流变仪测试所生成的CO2泡沫的黏性模量(G)、弹性模量(G)和剪切稀释性,结果如图4和图5所示。由图4可以看出,泡沫体系的黏性模量G高于弹性模量G,这表明该泡沫体系的黏性大于弹性,从而增强了泡沫的稳定性。随着频率的增大,泡沫的弹性模量增加,这意味着泡沫具有较好的抗变形能力,证明了泡沫具备优良的稳
18、定性和封堵性能。由图5可以看出,随剪切速率由0.001 s-1增至300 s-1,泡沫黏度由1470mPa s降至3 mPa s,这说明所生成的CO2泡沫具有非牛顿流体的剪切稀释性。近井区域的流速较快,剪切速率较高,泡沫黏度较低,具有良好的注入性能;地层中部的流速较慢,剪切速率较低,泡沫黏度较高,弹性较大,此时泡沫具备了良好的封堵能力,能够有效封堵高渗通道。2.4注入参数对调驱效果的影响2.4.1注入量对调驱效果的影响采用5组渗透率级差在6左右的并联填砂管进行驱油实验,在水驱含水率 98%以上时,以 1 mL/min的注入速度注入不同注入量(0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 PV)的原位
19、CO2调驱体系,待体系注入后再转注后续水驱,直至含水率达到 98%以上停止后续水驱,实验参数和采收率结果如表1所示。采收率随注入量变化如图6所示。随着原位CO2调驱体系注入段塞量的增大,最终采收率增大,但当注入段塞量达到0.3 PV时,泡沫驱对采收率的提升效果几乎达到最大,泡沫驱提高采收率达到15百分点,进一步增加注入量并不能显著提高采收率。泡沫驱提高采收率的机理为:泡沫在多孔介质中运移时产生了贾敏效应,增大了驱替压力,可以启动低渗层的剩余油;泡沫通过破灭和再生过程暂时封堵高渗通道,促使低渗通道的剩余油被驱替出来,从而提高微观波及效率。在原位CO2调驱体系注入一段时间后,泡沫在多孔介质中不断运
20、移,当泡沫破灭和再生达到平衡状态时,注入压力不再显著增加。因此,原位CO2调驱体系的注入段塞量应控制在0.3PV为宜。图4泡沫的黏弹性模量随频率的变化Fig.4Change of viscoelastic modulus of foam under differentfrequency图5泡沫的黏度随剪切速率的变化Fig.5Relationship between foam viscosity and shear rate10110010-110-210-3G,G/Pa频率/Hz10-1100101GG黏度/(mPa s)15001000500010-310-210-1100101102103
21、剪切速率/s-1叶秀茹,汪万飞,付红:原位二氧化碳泡沫驱提高采收率实验111油田化学2024年http:/2.4.2注入速度对调驱效果的影响采用5组渗透率级差在6左右的并联填砂管进行驱油实验,在水驱含水率98%以上时以不同的注入速度转注0.3 PV的原位CO2泡沫调驱体系进行调驱后续水驱,注入速度(0.4、0.6、0.8、1.0、1.5 mL/min)对采收率的影响见表2,不同注入速度下采收率随注入量的变化如图7所示。原位CO2泡沫调驱体系在不同的注入速度条件下被注入多孔介质后,并联管的采收率均得到了明显提高。这表明高渗管得到了有效的封堵,低渗管剩余油被后续水驱采出。然而,随着注入速度的增加,
22、泡沫体系提高采收率的效果并未出现明显的变化,泡沫驱提高采收率为13.2914.73百分点,这说明注入速度对原位CO2泡沫调驱体系提高采收率的效果影响较小。在室内实验中,为了在转注过程中减小注入速度变化导致的压差波动,建议采用1 mL/min的注入速度。2.4.3岩心非均质性对调驱效果的影响采用渗透率级差分别为3.9、5.6、8.5、10.2、13.7、15.6的并联填砂管进行驱油实验,原位CO2泡沫调驱体系段塞尺寸为0.3 PV,注入速度为1 mL/min。填砂管的渗透率级差对采收率的影响如表3所示,驱替过程中累积分流率、压差和采收率随注入体积的变化如图8所示。从表3可以看出,原位CO2泡沫驱
23、对渗透率级差范围为3.915.6的并联填砂管均起到了提高采收率的作用。渗透率级差为 3.913.7时,原位CO2泡沫驱后,高低渗管的采收率均有所提高。并联填砂管C-3组(渗透率级差为8.5)的低渗管泡沫驱提高采收率达到了27.62百分点,结表1段塞尺寸对采收率的影响Table 1Effect of slug size on recovery factor填砂管组别A-1B-1C-1D-1E-1渗透率/(10-3m2)342.32074.3338.62007.9356.22182.7368.72138.5354.42176.3段塞尺寸/PV0.10.20.30.40.5水驱采收率/%51.215
24、1.0850.3950.6350.25最终采收率/%58.6762.2765.5166.7366.42提高采收率/百分点7.4611.0915.1216.1016.17图6不同原位CO2调驱体系注入量下采收率随注入体积的变化Fig.6Change of recovery rate with injection volume underdifferentinjectionvolumeofin-situCO2floodingsystem表2注入速度对采收率的影响Table 2Effect of injection rate on recovery factor填砂管组别A-2B-2C-2D-2E-
25、2渗透率/(10-3m2)354.22100.4347.82120.5362.62223.4352.72091.5334.52008.7注入速度/(mL min-1)0.40.60.81.01.5水驱采收率/%50.451.4751.2951.3651.46最终采收率/%58.9563.4966.2266.159.36提高采收率/百分点13.2913.3314.5114.7313.84图7不同注入速度下采收率随注入体积的变化Fig.7Change of recovery with injection volume at differentinjection rates采收率/%注入量/PV00
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