聚表二元復合驅(qū)與表面活性劑

聚表二元復合驅(qū)與表面活性劑

目前，聚合物油擠出技術的研究相對完善，但聚合物油擠出的平均采收率僅為50%，剩余原油其余留在地下。三元復合驅(qū)能夠大幅度地提高采收率,但是在大規(guī)模的工業(yè)化應用中,一些問題也隨之而來。強堿的使用引起地層黏土分散、運移、地層滲透率下降、油層及井底結(jié)垢、生產(chǎn)井產(chǎn)液能力降低、檢泵周期縮短、采出液破乳脫水困難以及現(xiàn)場施工工藝復雜等一系列問題。同時,堿的存在大幅度降低了聚合物的黏度,更主要的是大大降低了聚合物的粘彈性。還由于堿的存在,采出液為黏度較高的W/O型乳化液,乳化液的形成不僅影響油井的產(chǎn)能,也增加了破乳的難度。三元復合驅(qū)自身發(fā)展要求調(diào)整體系,降低堿的用量,或者不用堿,因此無堿的聚表二元復合驅(qū)越來越受到關注,同時,對于聚表二元復合驅(qū)體系中表面活性劑的研究也成為目前驅(qū)油表面活性劑的研究熱點。1無堿驅(qū)油表面活性劑聚表二元復合驅(qū)的主要特點歸結(jié)如下:1)屬于無堿體系,可以減少多價金屬離子沉淀、巖石礦物溶蝕、井筒結(jié)垢、采出液破乳困難等現(xiàn)象。2)前期開發(fā)的驅(qū)油表面活性劑主要適用于有堿驅(qū)油體系,必須研究開發(fā)適于無堿驅(qū)油體系的表面活性劑。即必須在無堿條件下使體系達到超低界面張力,以增加體系的洗油效率,因而能夠促進一系列新的、效果更好的驅(qū)油表面活性劑的研制與開發(fā)。3)其黏度和彈性比三元體系高,因此其驅(qū)油效率和波及體積有可能更大,采收率更高。4)既靠流體彈性,也靠低界面張力提高驅(qū)油效率,兩種提高驅(qū)油效率的機理同時存在。5)可使用低分子量的聚合物,不需要加堿,減少了堿溶解巖石中的黏土而產(chǎn)生的地層傷害問題,具有更寬的油藏適用范圍。2表面活性劑的要求以及界面張力影響因素的微觀研究2.1表面活性劑的自身特點聚合物/表面活性劑二元復合體系要取得較好的效果,必須具備一定的條件要求,其中主要的要求如下:1)性能指標要求:①能夠使目標區(qū)塊油水界面張力達到超低。由于堿的缺乏,使得達到超低界面張力的難度加大。②較強的乳化能力。由于堿的缺乏,乳化力應作為重要指標之一。③與聚合物配伍性好,協(xié)同作用強。④吸附損耗量少。由于堿的缺乏,應重視如何降低表面活性劑吸附損耗。2)經(jīng)濟指標要求:要求表面活性劑的原料來源廣泛、生產(chǎn)成本較低、可控性強,能夠為油田和公司所接受。3)環(huán)保指標要求:要求在表面活性劑的生產(chǎn)過程中不出現(xiàn)三廢,容易生物降解,對環(huán)境不會造成污染。聚合物表面活性劑二元復合驅(qū)技術的關鍵就在于能否找到合適的驅(qū)油用無堿表面活性劑體系。2.2表面活性劑疏水基和油相類型對界面張力的影響常規(guī)表面活性劑與原油之間的界面張力在0.1～0.01mN/m數(shù)量級,無法滿足大幅度提高采收率對油水界面張力10-3mN/m的要求,因此在無堿條件下如何在低濃度表面活性劑時達到界面張力要求是二元復合驅(qū)需要解決的關鍵問題。理論上講,優(yōu)良的表面活性劑即使沒有堿的協(xié)同作用,也同樣可以獲得超低界面張力。超低界面張力的形成與原油性質(zhì)、表面活性劑結(jié)構以及礦化水的性質(zhì)有關。只要表面活性劑的結(jié)構和性能適應一定的物化環(huán)境,在油-水兩相的分配系數(shù)趨于1,或者說油溶性、水溶性相當,就能獲得超低界面張力。為了弄清表面活性劑結(jié)構和原油性質(zhì)對油水界面上表面活性劑分子排列的影響,通過改變表面活性劑疏水基和油相類型,考察表面活性劑分子在油水界面的排布行為,并利用界面密度大小和油水界面分子排布的有序性來表征表面活性劑在油水界面的活性,驗證表面活性劑對油相分子的選擇性和適應性,以便確定各不同油相組成最適宜的表面活性劑。研究結(jié)果表明,表面活性劑疏水鏈與油相烷烴碳鏈長度越相近,界面上吸附的表面活性劑分子越多,表面活性劑在油-水界面上排列越緊密,界面效率越高,降低油水界面張力的能力越強。上述結(jié)果也證實了表面活性劑適應性能的一個重要規(guī)律“相似相容原理”,即表面活性劑的疏水基或親油基與原油的組成越接近,其降低界面張力的能力越強。在石油磺酸鹽、渣油磺酸鹽表面活性劑的研制過程中,常常會利用到這個原理。3聚表面活性劑的多酚研究3.1表面活性劑的應用常規(guī)三采表面活性劑在不存在無機堿(NaOH或Na2CO3)的情況下,油水界面張力難以達到10-3mN/m的超低水平,所以常規(guī)的三采表面活性劑無法直接用于聚表二元復合驅(qū)當中。對于常規(guī)三采用表面活性劑,在無堿情況下,為了使油水界面張力達到超低,常采取的措施和方法如下:1)利用無機鹽(NaCl、可溶性硅磷酸鹽)代替無機堿。在無堿情況下,加入合適量的無機鹽(NaCl、可溶性硅磷酸鹽)仍能夠?qū)崿F(xiàn)油水界面張力達到超低。2)利用有機堿(如胺類)代替無機堿。有機堿可以提供堿性,降低吸附、與多價陽離子絡合,與傳統(tǒng)無機堿配方相比它可以將地面設備的數(shù)量及地層損害降到最低。3)利用協(xié)同效應,進行不同表面活性劑的復配(如陰離子表面活性劑和非離子表面活性劑復配)。當然,最根本的解決途徑還是開展新型表面活性劑的研制與開發(fā)。3.2元無堿體系以大慶油田餾分油為原料制備的石油磺酸鹽,和中分聚丙烯酰胺組成二元無堿體系,有關黏度、界面張力和驅(qū)油試驗結(jié)果表明優(yōu)良的石油磺酸鹽只要平均當量和分布合適,沒有堿的協(xié)同作用,同樣可以獲得超低界面張力。同時二元無堿體系具有較好的穩(wěn)定性。石油磺酸鹽和采出污水、聚合物有很好的配伍性。二元無堿體系采收率提高值超過20%,驅(qū)油效率較高。另外,PaluBerger發(fā)明了由芳香族經(jīng)過烷基磺化一步到位的一種新型陰離子表面性劑系列產(chǎn)品。它是將磺酸基團連接在烷基鏈末端而不是連接在芳環(huán)上。烷基苯磺酸經(jīng)過堿中和即得到相應的烷基苯磺酸鹽。新體系比常規(guī)體系具有很多優(yōu)點:使用濃度低,不需加堿,對礦化度和產(chǎn)出水無要求,產(chǎn)出液無乳化現(xiàn)象,結(jié)垢腐蝕問題很少,是一類有發(fā)展前景的表面活性劑。缺點是生產(chǎn)制備工藝要求較高,工業(yè)化實現(xiàn)起來比較困難。3.3苗木黨建加工過程中的應用技術研究雙子表面活性劑(Geminisurfactant),又稱孿連表面活性劑、雙生表面活性劑,是通過一個聯(lián)接基將兩個傳統(tǒng)表面活性劑分子在其親水頭基或接近親水頭基處聯(lián)接在一起而形成的一類新型表面活性劑。由于其結(jié)構的特殊性,雙子表面活性劑表現(xiàn)出了許多常規(guī)表面活性劑所不具備的獨特性能,因而具有很大的應用潛能。傳統(tǒng)的表面活性劑分子由于其結(jié)構的局限性,其在降低油水界面張力、復配以及增溶等方面的能力很有限。而雙子表面活性劑由于其特殊的結(jié)構,在很低的濃度下就有很高的表面活性,在加入量很少的情況下就能使油水界面張力降至超低(10-3mN/m),且有很好的增溶及復配能力,在化學驅(qū)采油中有巨大的應用前景。目前,國內(nèi)研究人員對雙子表面活性劑用于三次采油進行了研究。從三次采油用表面活性劑所需性能和存在問題入手,合成了一系列不同疏水鏈長度、不同連接基長度的陽離子型雙子表面活性劑。由于存在吸附量大的問題,又合成了硫酸鹽型、磺酸鹽型陰離子雙子表面活性劑。還重點研究了既能大幅度降低油水界面張力又能增粘的雙子表面活性劑體系,使雙子表面活性劑能同時發(fā)揮三元復合體系中表面活性劑和聚合物的功能,并克服了高分子表面活性劑的界面張力和高增粘能力不能兩全的缺陷和避免使用強堿或弱堿,由此將三元復合驅(qū)簡化為二元驅(qū)甚至一元驅(qū)。由于制備生產(chǎn)成本高等原因,目前還不能在油田大規(guī)模推廣。3.4高溫、高鹽油藏的無堿驅(qū)油我國富有較多的高溫高鹽油田,例如在華北、大港、青海、塔里木等油田都存在較大儲量的高溫、高鹽油藏。這些油田均已進入高含水、高采出程度的雙高階段。例如,華北晉45斷塊油藏的特點是:油藏溫度117℃,原始地層水礦化度84.15g/L,二價離子1.6g/L。塔里木部分油田油藏的特點是:地層溫度高達110～150℃,礦化度高達110～260g/L,鈣鎂離子的濃度高達5.0g/L。而高溫、高鹽油藏的三次采油問題被業(yè)界稱為“世界級難題”,目前,針對該類油藏的三次采油還缺乏有效的化學劑。通過室內(nèi)研究和實踐證明:這類油藏不太適合開展聚合物驅(qū)油,更不適合開展含有強堿或弱堿的化學復合驅(qū)油。因而研制開發(fā)適用于高溫、高鹽油藏的無堿驅(qū)油表面活性劑勢在必行,這對于高溫、高鹽油藏開展三次采油,提高原油采收率具有非常重要的意義。把具有耐溫能力的陰離子基團和抗鹽能力的氧乙烯基團同時設計在一個表面活性劑分子結(jié)構中,實現(xiàn)既耐溫又抗鹽的目標。此類表面活性劑作為高溫、高鹽油藏驅(qū)油劑表現(xiàn)出比單獨的磺酸鹽、非離子表面活性劑及復配體系具有更大的優(yōu)勢。經(jīng)過室內(nèi)系統(tǒng)合成制備研究,得到了系列的脂肪醇聚氧乙烯醚磺酸鹽和烷基酚聚氧乙烯醚磺酸鹽。界面性質(zhì)測試結(jié)果表明,在較低的濃度情況下,隨著加成氧乙烯鏈節(jié)數(shù)的增加,達到最低界面張力的礦化度逐漸升高。其中氧乙烯鏈節(jié)數(shù)適中時,界面張力能夠達到超低。因此,可以根據(jù)油藏的礦化度不同,設計、合成不同分子結(jié)構的表面活性劑,從而滿足不同油藏化學驅(qū)油的要求。3.5甜菜堿的種類這類表面活性劑分子中既有陰離子親水基又有陽離子親水基而呈現(xiàn)兩性。由于該種表面活性劑對金屬離子有鰲合作用,因而大多數(shù)都可用于高礦化度、較高溫度的油層驅(qū)油。甜菜堿最早是從甜菜中分離出來。研究表明,甜菜堿兩性表面活性劑能夠滿足二元聚合物/表面活性劑體系界面張力的要求,但有價格昂貴的缺點。甜菜堿具有不同的類型,例如羧基甜菜堿兩性表面活性劑的分子結(jié)構中帶有陰陽離子2種親水基團,等電點處的pH值為6.8～7.0。在某種介質(zhì)條件下可以表現(xiàn)出陰離子表面活性劑的特性(高于等電點下的pH值),而在另一種介質(zhì)條件下又可以表現(xiàn)出陽離子表面活性劑特性(低于等電點下的pH值)。通過改變親油基結(jié)構,達到在無堿條件下形成超低界面張力(10-3mN/m)的目的。宋文玲等探討了甜菜堿表面活性劑驅(qū)油體系對油水界面張力的影響,結(jié)果表明:1)該甜菜堿體系具有較好的界面活性,活性劑濃度為0.1%是此活性劑體系的最佳濃度。2)該甜菜堿體系表面活性劑為無堿表面活性劑驅(qū)油的研究提供了依據(jù)。3)巖心吸附后的界面張力值比吸附前的界面張力值升高,犧牲劑Na3PO4加入到此種類型表面活性劑體系中既增加了體系的表面活性,也大量減少了表面活性劑在巖心中的吸附。4聚表面活性劑的二聚表面應用4.1表面活性劑的篩選表面活性劑/聚合物二元復合驅(qū)是一個復雜的化學驅(qū)油過程。對該驅(qū)油體系室內(nèi)研究主要是對表面活性劑、聚合物類型進行篩選并對它們之間的相互作用、配伍性等進行研究,以期充分發(fā)揮表面活性劑降低界面張力的作用,又可發(fā)揮聚合物流度控制的作用,更重要的是發(fā)揮二者的協(xié)同效應并最大限度地消除它們之間的相互干擾。經(jīng)過綜合篩選評價,在選定的30種表面活性劑中推薦選用中石油勘探院油化所研制的渣油磺酸鹽表面活性劑作為主體驅(qū)劑(簡稱OCS),OCS表面活性劑是一種以大慶減壓渣油為原料通過磺化過程制備出的磺酸鹽型陰離子表面活性劑。驅(qū)油配方為0.3%OCS+0.15%HPAM。在無堿條件下,渣油磺酸鹽/聚合物二元體系能夠使目標區(qū)塊的油水界面張力達到超低,現(xiàn)場試驗表明,該表面活性劑性能穩(wěn)定,并取得了較好的增油降水效果。4.2華北油田晉45斷塊油藏表面活性劑ROS驅(qū)油表面活性劑是中石油勘探院油化所研制的一種適用于高溫高鹽油藏的驅(qū)油表面活性劑。它是一種以減壓渣油為原料,通過磺化反應,同時在磺化過程中引入耐鹽化學基團,而后經(jīng)過中和過程而制備的驅(qū)油表面活性劑,具有較好的耐溫抗鹽性能,有望用于高溫、高礦化度油藏的三次采油過程中