EOR第六章碱驱.

第六章碱驱AlkalineFloodingPrinciplesofEOR☆碱驱提高采收率的机理☆界面张力与碱质量分数关系☆什么原油适合于碱驱☆碱与地层和地层流体作用☆碱驱存在的问题、改善方法本章主要内容Conceptofalkalineflooding:Alkalinefloodingisadisplacementmethodusingalkaliasitsdisplacingagent.碱驱是指以碱溶液作为驱油剂的驱油法。Positionofalkalinefloodinginchemicalflooding:Firstproposed（1917）Firsttested（1930）ThecheapestchemicalagentEasiesttooperateThemostcomplicatedmechanismthemostrestrictivefieldtestsscalearefewerthanpolymerflooding第一节概述碱驱最好用在二次采油的早期阶段，因为这时含油饱和度高，油多，油中的酸与碱反应生成的表面活性物质也高,洗油效率高，采收率高。早期阶段krw低，λw低，Mwo低，波及系数高，采收率高。wroorwowwokkMMwo—水油流度比；λw、λo—水和油的流度；Krw、Kro—水和油的相对渗透率；µw、µo—水和油的粘度。为什么碱溶液能做驱油剂？由于地层中的钙镁离子可与碱反应而消耗碱，因此在注碱溶液前需注入一段塞的淡水；之后再注入聚合物段塞以控制流度。碱驱的段塞图1－剩余油；2－淡水；3－碱溶液；4－聚合物溶液；5－水部分水解聚丙烯酰胺:partiallyhydrolyzedpolyacrylamide碱驱与水驱的驱油效果对比第二节碱驱提高采收率的作用机理MechanismofalkalinefloodingMechanismofalkalineflooding:LowIFTmechanismEmulsification—entrainmentmechanismEmulsification—entrapmentmechanismWettingconversionfromoil-wettowater-wetWettingconversionfromwater-wettooil-wetSpontaneousemulsification(自发乳化)andcoalescence(聚并)Solubilizationofrigidfilm(刚性膜)occurunderdifferentconditions2.1碱与石油酸反应生成活性剂，降低了界面张力，提高了洗油效率。在低的碱质量分数和一个最佳的盐含量下，碱与原油中酸性成分反应生成表面活性剂，可使油水界面张力降至10－2mN·m-1以下。从粘附功公式可以看到，油水界面张力低意味着粘附功小，即油易从岩石表面洗下来，提高了洗油效率。）＋（＝油水粘附cos1wLowIFTmechanism原油中含有脂肪酸、环烷酸和芳香酸等各类羧酸。脂肪酸主要是正构的，现已鉴定出碳数到34的全部正构脂肪酸，但也存在少量轻度异构的脂肪酸。石油酸petroleumacid原油中的石油酸原油中的部分酸性物质可以和碱反应，生成具有一定亲水亲油平衡能力的表面活性剂。0204060801001E-30.010.11IFT/(mN/m)t/min1%Na2CO30.8%Na2CO30.6%Na2CO3不同浓度碳酸钠与陈庄原油的动态界面张力FactorsinfluencetheIFTAcidsincrudeoilamountofalkaliSaltconcentrationinwater原油中的酸性物质酸性物质亲油基较小酸性物质与碱反应速度较快酸性物质亲油基较大酸性物质亲油基适中酸性物质与碱反应速度较慢酸性物质与碱反应速度适中生成物亲水能力较强降低界面张力能力差生成物亲水亲油能力平衡生成物亲油能力较强降低界面张力能力差降低界面张力能力最好通常认为C数为12-18时，带有COO-的表活剂的活性最好原油中的酸性物质的亲油基对活性的影响R-COOH碱量碱量低先和酸性较强的石油酸反应形成亲水能力较强的表面活性剂碱量较高相继和酸性较弱的石油酸反应相继形成亲油能力较强的表面活性剂碱量高增加水相极性增加界面张力最佳碱量界面张力超低碱量对活性的影响?碱的质量分数0.1％,一般要求低于1％。界面张力超低需加盐,含量?一种原油的界面张力与氢氧化钠质量分数关系随着盐含量升高，低界面张力区增大，继续升高，低界面张力区变窄。最佳盐含量在1.0％以下盐含量：（1）3.5％；（2）3.0％；（3）2.0％；（4）1.0％；（5）0.5％；（6）0.1％；（7）0不同盐含量下界面张力与氢氧化钠质量分数的关系盐含量的影响2.2乳化-携带（Emuls-Entrain)机理(碱含量小于1%,盐的含量0.5～1.5%）在低的碱质量分数和低的盐含量下，由碱与石油酸反应生成的表面活性剂可使地层中的剩余油乳化，形成微分散状的O/W型乳状液，并被碱水携带着通过地层。按此机理，碱驱应用有如下特点：（1）可以形成油珠相当小的乳状液；（2）通过乳化提高碱驱的洗油效率；（3）碱水突破前采油量不可能增加；（4）油珠的聚并性质对过程有较大影响。2.3乳化-捕集(Emuls-Entrap)机理（碱含量﹤1%,盐含量﹤0.5%）在低的碱质量分数和低的盐含量下，由于低界面张力使油乳化在碱水相中，但油珠半径较大，因此当它向前移动时，就被捕集，增加了水的流动阻力，即降低了水的流度，从而改善了流度比，增加了波及系数，提高了采收率。捕集:entrapment按此机理，碱驱应有如下特点：（1）油可在碱水相中形成乳状液；（2）分散的油珠会被捕集在较小孔道，改善了碱驱的波及系数；（3）碱水突破前采油量可以增加；（4）油珠的聚并性质对过程有有利的影响。2.4由油湿反转为水湿（O机理)（碱含量1%～5%,盐含量﹤5%）在高的碱质量分数和低的盐含量下，碱可通过改变吸附在岩石表面的油溶性表面活性剂在水中的溶解度而解吸，恢复岩石表面原来的亲水性，使岩石表面由油湿反转为水湿，提高洗油效率，同时也可使油水相对渗透率发生变化，形成有利的流度比，提高波及系数。2.5由水湿反转为油湿（WWOW）机理（碱含量1%～5%,盐含量5～15%）（1）在高的碱质量分数和高的盐含量下，碱与石油酸反应生成的表面活性剂主要分配到油相并吸附到岩石表面上来，使岩石表面从水湿转变为油湿。这样，非连续的剩余油可在其上形成连续的油相，为原油流动提供通道．（2）碱驱生成的表面活性剂的亲油性和它产生的低界面张力，导致油包水乳状液的形成水包油乳化原油oil-in-wateremulsifiedcrude油包水乳化原油water-in-oilemulsifiedcrude通过WWOW机理提高采收率（3）乳状液中的水珠，堵塞流通孔道，使注人压力提高．高的注入压力迫使油从乳化水珠与岩石表面之间的连续油相这条通道排泄出去，留下高含水率的乳状液，达到提高原油采收率的目的。2.6自发乳化与聚并机理在最佳的碱质量分数下，原油可自发乳化到碱水之中。这种自发乳化现象是由于油中的石油酸与碱水中的碱在表面上反应产生表面活性剂，先是浓集在界面上，然后扩散至碱水中引起的。油中的石油酸主要为羧酸，它可与碱（氢氧化钠）反应产生羧酸钠。羧酸钠在水中的聚集状况，决定于它的质量分数。Spontaneousemulsificationandcoalescence十二酸钠浓体系增加水的质量分数时胶束所经历的变化各种胶束都可增溶油(1)石油酸与碱在油水界面上反应生成羧酸钠，并浓集在界面上。由于羧酸钠的质量分数足够大，它们在界面附近形成层状胶束并增溶了油。（2）层状胶束向碱水相扩散的过程中，羧酸钠的质量分数不断降低。降低到一定程度，层状胶束依次转化为棒状胶束六角束和棒状胶束，油仍增溶在这些胶束之中。碱驱过程中的自发乳化与聚并（3）棒状胶束再向碱水相扩散，羧酸钠的质量分数进一步降低，降低到一定程度，棒状胶束转变为球状胶束，油仍增溶在球形胶束之中。（4）球状胶束继续向碱水相扩散，羧酸钠的质量分数降低到一定程度，使原来增溶的油超过胶束的增溶量，则出现界面，形成乳状液。这就是自发产生的乳状液。（5）乳状液形成以后，羧酸钠随液珠继续向碱水扩散而不断减少，直至其质量分数减小到不足以起稳定乳状液的作用，就出现乳状液液珠的聚并。2.7增溶刚性膜机理在三次采油时，油处在分散状态，沥青质可在油水界面上形成一层刚性膜。这种膜的存在，使油珠通过孔喉结构时不易变形通过，使水不能有效排驱剩余油。碱水的注入，增加了沥青质的水溶性，使它刚性减小，提高了剩余油的流度能力。碱驱机理实现的条件Solubilizationofrigidfilm第三节界面张力与碱质量分数曲线的解释与应用设原油中的酸性成分为HA，它可在水中解离：HA≒H++A-(I)HA与NaOH反应生成的表面活性剂NaA，也可在水中解离：NaA≒Na++A-(II)水的解离式：H2O≒H++OH-(III)在上述物质中，只有A－能有效地降低油水界面张力。HA、NaA均没有A－那种界面活性。界面张力与碱质量分数的关系是碱驱的基础。当水中无碱时，A－来源于反应（Ⅰ）。由于HA在水中解离度很小，所以A－含量很少，油水界面张力高。当水加碱时，反应（Ⅲ）的平衡向左移动，H＋浓度减小，使反应（Ⅰ）向右移动，A－含量增加，油水界面张力减小。当加碱到最佳值，A－的浓度最大，它在油水界面上吸附达到饱和，油水界面张力达到最低值。若进一步加碱，由于反应（Ⅱ）左移，A－的浓度减小，油水界面张力增加。HA≒H++A-(I)NaA≒Na++A-(II)H2O≒H++OH-(III)Jennings碱系数（causticcoefficient,cc）碱系数可用于评价油对碱驱的适应性和选用碱驱用碱。碱系数双对数坐标内油水界面张力与碱质量分数的关系曲线和0.01mN·m-1～1.0mN·m-1所包的面积与0.01mN·m-1～1.0mN·m-1与0.001%～1.0%碱质量分数总面积之比乘6。碱系数越大的油，越适宜碱驱。油水界面张力与碱含量的关系第四节碱驱用碱氢氧化钠：又名烧碱白色晶状固体，熔点为328℃，易溶于水，露置于空气中，容易吸收水分而潮解，故需密封保存强碱，在水中完全电离有极强的腐蚀性，可与石英砂发生反应：NaOH+SiO2=Na2SO3+H2O氢氧化钠与原油的酸性组分、水中二价阳离子、储层岩石产生强烈的相互作用，很少单独使用。硅酸钠：工业上称为泡花碱，浓水溶液称为水玻璃；常按模数SiO2：Na2O=3～5:1的配料比制备硅酸钠；模数越小，碱性越强，越易溶解；驱油中多选用弱碱性的高模数水玻璃。硅酸盐及它与其他试剂的混合物在岩石上的吸附作用比较小。在采用带有层内沉淀的碱水驱时，硅酸钠的用途更加广泛，通过轮流注硅酸钠和氯化钙溶液的方法来提高对产层的波及体积。碳酸钠俗称苏打，工业上又叫纯碱；无水碳酸钠为白色晶体，熔点851℃，易溶于水；在水中完全电离，并能发生碱性水解。Na2CO32Na++CO32-CO32-+H2OHCO3-+OH-HCO3-+H2OH2CO3+OH-碳酸钠是一种弱碱，因具有软化地层水的作用，可用作碱水驱，同时也可用作表面活性剂预冲洗液由于碳酸钠与碳酸氢钠可通过下面反应对体系的PH值起缓冲作用：3223HCOOHOHCO它们是一对缓冲物质，因此可用碳酸钠与碳酸氢钠复配，产生有缓冲作用的碱体系。同理，Na3PO4与Na2HPO4也是一对有缓冲作用的碱体系。碱驱用的碱，还可用有机碱，如：碱溶液以0.1-0.25PV的规模呈段塞形式注入，再用普通水来推进；采用工作剂的浓度常为0.2～0.4%wt；但为改变岩石的润湿性，通常碱剂的浓度提高到2～4%，特别在需要增加亲水性地层中，含盐量很高，更需使用高浓度碱液（4～5%);为了节约氢氧化钠，在其注入前。可先注碳酸钠溶液，以