SPE28811 澳大利亞油層情況下的CO2泡沫驅(qū)研究

1、spe28811 澳大利亞油層情況下的co2泡沫驅(qū)研究摘要通過使用能產(chǎn)生泡沫的表活劑可能提高co2驅(qū)波及效率。該文描述了一種研究在澳大利亞油層情況下泡沫提高石油采收率的潛力的實驗方法。使用實驗室的實驗臺設(shè)備模擬這種情況。在一維的不含油的石英砂中實施了測定七種不同表活劑的發(fā)泡能力的初期試驗。在含有輕質(zhì)原油的石英砂中使用這些表活劑中的三種實施了進(jìn)一步的實驗。在模擬的由來自真實澳大利亞油層的砂巖構(gòu)成的油層結(jié)構(gòu)中進(jìn)行了后來的實驗。測定了一種表活劑能在澳大利亞現(xiàn)存的石油儲層情況下產(chǎn)生穩(wěn)定的泡沫。前言通過把氣注入含油地層可能會提高一些地下油層的石油采收率。如果注入co2氣體，它通過幫助維持生產(chǎn)中的地層壓力

2、，向生產(chǎn)井驅(qū)替原油，及混相效果來提高采收率。然而，氣驅(qū)采收率經(jīng)常由于貧乏的空氣和垂向波及效率而受限。這歸因于比起他們要驅(qū)替的原油，氣體的密度和粘度都很低。像其他流體一樣，注入的氣體將有沿著具有最小阻力的路徑流動的趨勢。它可能通過存在于油層中的任何裂縫和高滲透率夾層。在那些不包含這樣的特性的油層中，較輕的注入劑將趨于沿著油層的頂部形成自己的通道，即眾所周知的一個現(xiàn)象“重力上竄”。一旦氣體在生產(chǎn)井中突破了，氣量日益增多將流過這些高滲透率通道，直到產(chǎn)出氣油比高到不經(jīng)濟(jì)的地步。通過基于表活劑的方法能改善波及效率和延遲突破，從而能緩和這些問題。由bond等人首先提出了連續(xù)注入表活劑水溶液和氣體來產(chǎn)生泡沫

3、。在氣體波及通道內(nèi)形成的泡沫會把后續(xù)注入的氣體轉(zhuǎn)向油層中明顯未波及的富油區(qū)。進(jìn)一步研究了該方法，在實驗室和現(xiàn)場都獲得了大量的成功。本著把該技術(shù)應(yīng)用到澳大利亞外國油田的目標(biāo)進(jìn)行了該研究。該項研究研究了在澳大利亞油層的高溫條件下表活劑與co2產(chǎn)生泡沫的能力。開發(fā)了一種實驗室模型來模擬澳大利亞油層中的極限條件。該文章描述了記錄泡沫通過巖石孔隙的運動的高壓設(shè)備的設(shè)計與開發(fā)。研究了溫度、鹽水濃度和油層巖石對于所選的七種表活劑的發(fā)泡能力的影響。實驗設(shè)備和步驟實驗設(shè)備用于該研究工程所造的實驗設(shè)備必然包括四個主要部分：填砂模型，注入系統(tǒng)，生產(chǎn)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)獲得系統(tǒng)。圖1表示了展示設(shè)備主要部件的簡圖。填砂模型通過用

4、干凈的石英砂緊實地填入不銹鋼管形成了一維填砂模型。厚，無焊縫及接頭鎖緊螺母端封允許填砂模型承受6mpa的壓力。適合每一個管子堵頭的燒結(jié)的青銅板片把砂子保留在管中，并且支持流體平均分配地進(jìn)出填砂模型。測壓孔被固定在沿著水平管的一端100mm處和每一個管子堵頭處。每一個測壓孔都連接了一個過濾器以防止砂子侵入承壓管線。連接到排液管線的validyne差分壓力傳感器允許測量隨著時間和與模型入口的距離變化而變化的填砂模型內(nèi)的壓力。當(dāng)信號大小隨著泡沫強度增加而增加時，一個重要的壓力響應(yīng)指示了泡沫的出現(xiàn)。填砂模型在油浴內(nèi)完全浸沒了。通過精確控制油浴內(nèi)的原油溫度來模擬油層溫度。通過使用fisons haake

5、溫度控制泵同時給原油加熱和循環(huán)完成了這個工作。該加熱的石油，是一種殼牌石油，仔細(xì)地選擇允許溫度達(dá)到210的加熱器以應(yīng)用到模型中。使熱電偶處于油浴的末端和三個測壓孔中來監(jiān)測石油和填砂模型的溫度。通過調(diào)整填砂模型出口處的回壓調(diào)節(jié)器可能模擬4mpa的油層壓力。注入系統(tǒng)注入系統(tǒng)的平面圖見圖2。通過預(yù)熱線圈在進(jìn)入填砂模型之前，合并了co2和表活劑溶液注入管線。brooks氣體流量控制器精確地把氣體注入填砂模型的速率控制為3slpm。使用acromet計量泵把表活劑溶液計量進(jìn)入填砂模型。閥系統(tǒng)允許在注入開始之前向泵和注入管線灌注預(yù)定的溶液。在每個實驗之前，使用同樣的計量泵向填砂模型中注入油或水。水可能直接

6、通過泵注入，油間接通過一個垂直的壓力導(dǎo)管注入。這個導(dǎo)管最初充滿了油。通過把水泵入垂直導(dǎo)管的底部把油驅(qū)替進(jìn)入填砂模型。該技術(shù)允許不使用第二個泵給填砂模型飽和油。一系列回壓閥防止了主要注入管線中的逆流，以防止氣體流量控制計被液體侵入。co2加熱器的目的很簡單。當(dāng)氣體從底部膨脹起來，它蒸發(fā)掉任何可能夾帶在氣體中的液體。生產(chǎn)系統(tǒng)在通過回壓調(diào)節(jié)器之前，通過一個簡單的熱交換器冷凝了殘留在填砂模型上的排放液體，收集液體為以后可能的分析。數(shù)據(jù)獲得使用計算機控制的數(shù)據(jù)獲得系統(tǒng)來監(jiān)測和記錄實驗過程。隨同來自指示注入氣流量的氣體流量控制器的信號一起，所有的系統(tǒng)熱電偶和壓力傳感器被連接到一個datataker 200

7、 數(shù)據(jù)記錄器上。該數(shù)據(jù)記錄器通過一個與ibm兼容的個人計算機來控制。每隔一分鐘掃描數(shù)據(jù)且在屏幕上顯示，然后儲存在磁盤上用于后續(xù)分析。包括泵注入量和表活劑細(xì)節(jié)的其他數(shù)據(jù)主要記錄在一個操作記錄本上。表活劑該研究中使用的七種表活劑列于表1。這些表活劑包括由hoechst，sst 澳大利亞和bdh化學(xué)品公司提供的商業(yè)上可行且能用于實驗的樣品。選擇測試過的表活劑是因為他們代表了化學(xué)結(jié)構(gòu)的一個范圍。在選擇過程中，隨同其他研究者的結(jié)果一起，也考慮了供應(yīng)的可行性。a型表活劑是hostapur sas93，在澳大利亞由hoechst銷售的一種二代烷烴磺酸鈉鹽。shallcross等人表明在加利福尼亞蒸汽驅(qū)條件下

8、該表活劑產(chǎn)生了一種強大的、穩(wěn)定的泡沫。b型f型表活劑由澳大利亞sst提供。他們包括c12乙氧基化醇，兩種c12烷基鏈和c12c14烷基鏈的硫酸鹽乙氧基化醇以及一種羧化的c13乙氧基化醇。包括了f型表活劑，一種以前沒有測試過的磷酸酯c12乙氧基化醇，是因為預(yù)期磷酸酯能產(chǎn)生一種穩(wěn)定的泡沫。g型表活劑是十二烷基苯磺酸鈉，源自于bdh化學(xué)劑公司。填砂模型準(zhǔn)備填砂模型要準(zhǔn)備清潔的石英砂或是油層巖石。石英砂從中國海洋技術(shù)公司的工業(yè)用礦物得到。油層巖石是一塊取自一個中心澳大利亞油層的巖心樣品。石英砂在鹽酸、氨和過氧化物溶液中徹底地清洗以除去砂子中的任何有機雜質(zhì)。砂子被很好的清洗，然后分級，按照以下的比例混合

9、：0.1780m0.2500m 10.8wt%0.2500m0.3150m 39.6wt%0.3150m0.4166m 34.6wt%0.4166m0.5309m 15.0wt%油層巖石被機械壓碎，分級成用于石英的相同的尺寸分布。填砂模型是把測量的小質(zhì)量砂子填入模型，在出口端密封。砂子通過用一個軟木錘敲擊金屬管來固定。這確保了填砂模型的孔隙度和滲透率低但是可重復(fù)。在鋼管裝入砂子且入口用端帽固定之后，測試管線的承壓，測定填砂模型的滲透率。遵循以上的步驟，使用清潔的石英砂的填砂模型的孔隙度肯定是在33.033.8%，滲透率的范圍是2431達(dá)西。使用油層巖石的填砂模型的孔隙度肯定是在41.041.4

10、%，滲透率在1521達(dá)西。實驗過程實驗過程包括以下解釋的四個主要步驟。飽和填砂模型在沒有原油的情況下運轉(zhuǎn)，填砂模型開始飽和蒸餾水，不含任何氣體。在每一次運轉(zhuǎn)開始之前校正壓力傳感器。在有油的情況下的后續(xù)運轉(zhuǎn)，在校正壓力傳感器之后填砂模型飽和油。首先通過把油浴加熱使填砂模型的溫度上升到實驗溫度來完成飽和。把已知體積的原油注入到填砂模型中，回壓為3000kpa。使蒸餾水流過填砂模型直到所有的剩余油被排出。注入最小體積250ml的原油確保在實驗條件下達(dá)到含油飽和度。實驗使用的原油源于澳大利亞的一個油田。開始實驗把回壓調(diào)節(jié)器設(shè)置到預(yù)定的水平，通常為3000kpa，通過注入蒸餾水使系統(tǒng)達(dá)到該壓力。打開原油

11、加熱器/泵，溫度逐漸上升到設(shè)置的溫度。數(shù)據(jù)獲得程序和注入co2同時開始。一旦氣體突破，開始連續(xù)注入表活劑溶液。突破通?；ㄙM大約12分鐘。結(jié)束實驗在實驗期間，泡沫開始了就能得到來自壓力傳感器的信號。當(dāng)泡沫達(dá)到它的最大強度時，或者如果18小時后泡沫還沒有產(chǎn)生的話，停止實驗。停止注入表活劑溶液和氣體。用蒸餾水沖洗填砂模型以洗去表活劑溶液。為下一次使用填砂模型做準(zhǔn)備。清洗填砂模型同樣的填砂模型可以用很多次。因此每一次使用之后有效的清洗填砂模型是重要的一步。表活劑溶液和以前使用的類型相同，和以前使用的溶液的強度相等或更高的話，要一整晚都用蒸餾水清洗模型。若研究的表活劑濃度是新的或者更差，填砂模型用蒸餾水

12、清洗之后，再注入3pv的異丙醇清洗，之后再注入更多的水沖洗。油層和模型用異丙醇清洗只能使一次，它會改變砂子的礦物屬性。實驗程序在100多個實驗的過程中，測試了七種表活劑的發(fā)泡能力。第一步，把表活劑注入到不含油的清潔的石英砂填砂模型中。在以下的條件下，在第一個例子中實驗正常進(jìn)行。溫度 140回壓 3.0mpa液體的注入流量 3.0l/min 氣體的注入流量 2.00slpmnacl濃度 1.0wt%最初使用的表活劑濃度為0.10wt%。濃度增加到0.25wt%,0.50wt%,和1.00wt%使其發(fā)泡，或者觀察任何在泡沫強度和穩(wěn)定性方面的影響。把以最低的溶液強度獲得了好的泡沫作為特定的表活劑的基

13、本情況。在這個濃度下通過改變標(biāo)準(zhǔn)情況進(jìn)行了另外的實驗來研究溫度和礦化度的影響。測定那些產(chǎn)生泡沫的表活劑之后，在有油的情況下重新測試這些表活劑。在基本情況下，使用清潔的填砂模型進(jìn)行了實驗，表活劑溶液的濃度是1.00wt%。這一步之后測試成功的表活劑最終在油層填砂模型中測試。在有油和沒油的情況下都進(jìn)行了這些測試。結(jié)果和討論實驗進(jìn)行的第一步見表2。不用b，d，e型表活劑作實驗，因為在實驗所研究的任何情況下這些表活劑都不起泡。在140時，使用包含0.10wt%hostapursas93和1.0wt%nacl的溶液進(jìn)行了實驗a101。圖3表示了在填砂模型中每經(jīng)過500mm壓降的變化。該圖指出在開始注入表

14、活劑后238分鐘時，在填砂模型的上游段開始產(chǎn)生泡沫，且在3分鐘之內(nèi)傳播到整個填砂模型中。表活劑濃度增加到0.25wt%,在一定條件下做了三次實驗（a111，a114，a115）。圖4表示了在a115中觀察到的該段壓降。在實驗開始10分鐘之后在上游段觀察到了泡沫。在上游段泡沫是最差的，在填砂模型中更進(jìn)一步泡沫越來越強，但是在最后一段處泡沫輕微地減弱。這三個實驗產(chǎn)生的泡沫強度相似，且指出實驗是可重復(fù)的的泡沫行為也是相似的。0.10wt%的hostapur sas93表活劑的強度較差，在行為上和0.25wt%的溶液是相似的，但是整體的泡沫強度較差，發(fā)泡的開始明顯延遲。溶液濃度的影響實驗a132使用的

15、表活劑濃度為1.00wt%.在該實驗中通過整個鋼管得到的壓降是970kpa，比在一些表活劑濃度較低時觀測到的壓降稍低一點。假設(shè)使用表活劑c和g做實驗時對其進(jìn)行相似的觀測，發(fā)現(xiàn)僅僅在一個范圍內(nèi)泡沫的強度取決于表活劑的濃度。增加表活劑的濃度將會導(dǎo)致較強的泡沫。在這點之外，看起來好像或者沒影響或者有點不利的影響。要求較高濃度的進(jìn)一步實驗來證實最后的建議。然而，發(fā)現(xiàn)和maini及ma所作的工作是一致的。通過在上升的溫度和壓力下進(jìn)行簡單的泡沫體積衰減測試發(fā)現(xiàn)：相關(guān)于最大程度泡沫穩(wěn)定性的最優(yōu)表活劑濃度可能存在。holcomb等人指出：觀測到的臨界點，在其之外壓降不再增加，是臨界膠束濃度（cmc）。除了表活

16、劑濃度對于泡沫強度的小的影響，現(xiàn)場要求產(chǎn)生泡沫的時間有影響。圖5圖解了泡沫開始的時間表活劑a，c，g的濃度。當(dāng)使用的表活劑濃度越大，產(chǎn)生泡沫所要求的時間越少。或許表活劑濃度最大的影響是在產(chǎn)生的泡沫穩(wěn)定性上。兩天之內(nèi)可能分析實驗中產(chǎn)生的泡沫的穩(wěn)定性。首先，泡沫不穩(wěn)定性在壓降跡線中顯示為噪音。圖6展示了實驗c102和c131經(jīng)過填砂模型的整體壓降。這兩個實驗都是在140，1.0wt%nacl條件下進(jìn)行的，c12 乙氧基化醇硫酸鹽的濃度分別是0.10wt%和1.00wt%。在更穩(wěn)定的泡沫中較強的溶液結(jié)果如減少的噪音所指出的?？紤]泡沫穩(wěn)定性的第二種方法是僅僅檢查上游段的壓降。在這個段中產(chǎn)生泡沫，所以泡

17、沫最不穩(wěn)定。由于這個不穩(wěn)定性，這里的壓降比其他段中的低一些。因此僅僅在第一階段中根據(jù)壓降的幅度考慮在特定條件下產(chǎn)生的泡沫的相對穩(wěn)定性。圖3和圖4 例證了a型表活劑溶液濃度越高，穩(wěn)定性增加。溫度的影響進(jìn)行了研究溫度對于泡沫強度和穩(wěn)定性的影響的實驗，溶液中nacl濃度為1.0wt%,140，最低濃度時，表活劑會產(chǎn)生強且穩(wěn)定的泡沫。使用a型表活劑進(jìn)行的實驗表明該表活劑在溫度上升到大約150時產(chǎn)生了穩(wěn)定的泡沫。150以上時沒形成泡沫，可能是因為在溫度上升的情況下表活劑的熱不穩(wěn)定性。150以下，泡沫強度好像和溫度無關(guān)。比較而言，圖7中例證的實驗c111，c331和c241的結(jié)果清晰地表明c型表活劑產(chǎn)生的

18、泡沫的強度隨著溫度增加而減少。泡沫強度和溫度的相關(guān)性隨著表活劑的類型而變化。muijs等人表明對于很多種表活劑也存在最佳溫度?？雌饋碓谒鶞y試的范圍內(nèi)hostapur sas93很理想地適合很多溫度。電解質(zhì)濃度的影響幾個工作人員觀察到表活劑產(chǎn)生泡沫的能力取決于溶液中的電解質(zhì)。目前電解質(zhì)在所有石油儲層的原生水中。因為這些原因，所有以上的實驗是在溶液中nacl濃度為1.0wt%的條件下進(jìn)行的。通過在140使用恒定濃度的表活劑和改變nacl的濃度進(jìn)行實驗來研究電解質(zhì)濃度對于泡沫強度的影響。有趣的是，發(fā)泡的四種表活劑對現(xiàn)有的鹽水濃度展示了不同的耐受度（圖2）。f型表活劑是唯一一種在沒有nacl的情況下發(fā)

19、泡的表活劑。該表活劑也是所研究的四種表活劑中唯一的一種在任何電解質(zhì)濃度下不發(fā)泡的表活劑。a型表活劑明顯不受電解質(zhì)濃度的影響，但是產(chǎn)生泡沫要求nacl的濃度至少是1.0wt%。c型表活劑指出電解質(zhì)濃度越大，得到的泡沫強度越強。g型表活劑表示nacl的最優(yōu)濃度是1.0wt%。該研究得到的結(jié)果指出：電解質(zhì)濃度即使是很小的改變也能對泡沫強度和穩(wěn)定性有破壞性影響。預(yù)期電解質(zhì)組成能改變表活劑的發(fā)泡能力。在現(xiàn)場試驗之前，需要在油層天然的電解質(zhì)情況下對表活劑進(jìn)行實驗室研究。填砂模型中含油的影響因為f型表活劑在140的基本情況下不能產(chǎn)生很強的泡沫，所以研究石油和油層砂巖的影響的實驗沒有進(jìn)行。f型表活劑也是對電解

20、質(zhì)沒有耐受力。大部分澳大利亞油層的溫度比140還要高，且天然存在電解質(zhì)，所以這種表活劑不適合用于澳大利亞油田。在含有原油的填砂模型中測試a，c，g型表活劑。表3總結(jié)了這些實驗。圖8圖9 表示了實驗ao131的壓降響應(yīng)曲線（a型表活劑）。與在含油情況下進(jìn)行的實驗（實驗a132）所得到的泡沫強度相似。比較而言，泡沫沿著鋼管傳播的速度非常慢，花費了將近4天傳播了50cm。這有一部分原因是因為表活劑進(jìn)入了油。如果一些表活劑以這種方式丟失了，那么發(fā)泡的可行性就小了。在實驗期間，觀察到油從模型中被驅(qū)出。表活劑溶液本可以用作一種化學(xué)驅(qū)來驅(qū)替出填砂模型中一部分的捕集油?？赡苤钡胶惋柡投茸銐虻偷脑挷拍軌蛐纬膳?/p>

21、沫。當(dāng)一些油從填砂模型的上游段中被驅(qū)出之后，直到含油飽和度降低到某一點就產(chǎn)生泡沫了。因此，把前緣的一些油驅(qū)替到出口的表活劑層可以優(yōu)先于前進(jìn)的泡沫前緣。作為選擇，原油可能由于泡沫的壓力梯度從填砂模型中被驅(qū)出。這可能解釋了當(dāng)含油飽和度和泡沫傳播是相互關(guān)聯(lián)時泡沫傳播的延遲。如果泡沫在氣體波及區(qū)產(chǎn)生且把氣體轉(zhuǎn)向油層的富油區(qū)，在現(xiàn)場這可能是一種優(yōu)勢。實驗結(jié)束后，打開模型可以看到砂子中還有一些油。這指出a型表活劑是能耐油的，有油存在時能夠產(chǎn)生泡沫。c和g型表活劑在進(jìn)行的有油存在的驅(qū)替實驗期間，在填砂模型的任何部分都不產(chǎn)生泡沫。實驗運行至少24小時。油層砂巖的影響實施實驗at131測試a型表活劑在用壓碎的油

22、層巖石填充的模型中產(chǎn)生泡沫的能力。表3總結(jié)了在這種條件下進(jìn)行的實驗。在該實驗期間，泡沫立即產(chǎn)生了但是花費了大約20分鐘在填砂管中傳播。比起在清潔石英砂填砂管中進(jìn)行的實驗（a132），泡沫更強但是稍微有點不穩(wěn)定，這由較低上游段的壓降指示出的。在泡沫強度與穩(wěn)定性上和實驗a132的結(jié)果是相似的，然而泡沫傳播速度有輕微地不可忽略地降低。這個成果和測出砂巖的離子交換能力很低的結(jié)果是一致的。由于表活劑溶液和地層粘土之間的陽離子交換，表活劑在油層砂巖中的傳輸被充分地延遲。油層砂巖和石油的聯(lián)合影響使用a型表活劑進(jìn)行了最后的實驗，表活劑濃度為1.00wt%，包含1.0wt%的nacl，將表活劑溶液注入預(yù)先用油驅(qū)

23、替過的由油層砂巖組成的模型。表3總結(jié)了aot131。圖8把這次實驗的總壓降和在清潔石英砂填砂模型中進(jìn)行的相同的實驗（ao131）的總壓降進(jìn)行了比較。在這兩個實驗中，在傳播到下游段之前，開始僅僅在模型的上游段產(chǎn)生了泡沫。油層砂巖填砂模型中的泡沫前緣以2.95mm/hr的速度沿著鋼管前進(jìn)，幾乎是石英砂填砂模型中泡沫前緣的速度的一半。這可以歸因于早先描述的陽離子交換。所用的油層砂巖的離子交換能力非常低。其他具有相對高的離子交換能力的砂巖可能歸因于效率低的泡沫傳輸速度。泡沫前緣的推進(jìn)速度見圖10。盡管泡沫在油層砂巖填砂模型中的傳播較慢，圖8表明其產(chǎn)生的泡沫比在石英砂填砂模型中產(chǎn)生的泡沫更強且穩(wěn)定性稍微差些。該結(jié)果和以前階段的發(fā)現(xiàn)一致。在有油和沒油存在的情況下，油層砂巖都對a型表活劑的發(fā)泡能力有一點小的影響，但是無效。原油降低了泡沫的傳播速率?；瘜W(xué)結(jié)構(gòu)的影響包括muijs等人和shallcross等人的工作人員表明一種特定結(jié)構(gòu)的表活劑的發(fā)泡能力隨著烷基鏈長度的增加而增加。因此可能預(yù)計：因為c型表活劑產(chǎn)生泡沫，那么具有相同化學(xué)結(jié)構(gòu)的更長烷基鏈的表活劑，d型表活劑，將會產(chǎn)生更強的泡沫。盡管這樣，