表面活性劑對co

表面活性劑對co

注：如果存在非均勻油藏，2o2驅(qū)流率控制和封鎖，以減少氣調(diào)和剛性泵的進(jìn)入，減少氣調(diào)和。CO2水溶液呈酸性且CO2本身具有較好的水溶性和油溶性,所以常用起泡劑形成的CO2泡沫不如氮?dú)夂涂諝馀菽€(wěn)定。非離子表面活性劑(如烷基酚聚氧乙烯醚)具有不電離、耐電解質(zhì)、對pH值不敏感、親水基聚氧乙烯基水溶性強(qiáng)、界面活性高和結(jié)構(gòu)柔順等優(yōu)點(diǎn)。筆者針對壬基酚聚氧乙烯醚系列起泡劑在不同條件下產(chǎn)生的CO2泡沫性能進(jìn)行研究,分析表面活性劑結(jié)構(gòu)和油藏條件對CO2泡沫性能的影響,為CO2泡沫驅(qū)用起泡劑的選用、分子設(shè)計和改進(jìn)提供依據(jù)。1試驗材料和方法1.1濁點(diǎn)hlb試驗中所用壬基酚聚氧乙烯醚表面活性劑的結(jié)構(gòu)為其中(聚氧乙烯基)EO聚合度n分別為7、10、15、18和21,其HLB值為12.3~16.5。濁點(diǎn)測試試驗使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%的表面活性劑蒸餾水溶液,TX-7的水溶液呈擴(kuò)散狀。試驗測得所用表面活性劑在蒸餾水中的濁點(diǎn)范圍如表1所示,礦化度(NaCl含量)對表活劑(N-NP-15c)濁點(diǎn)的影響見表2。溶液中電解質(zhì)含量增加,表活劑的濁點(diǎn)溫度降低,將對起泡劑的抗溫性能產(chǎn)生影響。1.2測試方法1.2.1起泡性能測試高溫高壓條件下CO2泡沫性能測試裝置如圖1所示。該試驗裝置主要由高壓可視化泡沫儀、控制箱(溫度控制和攪拌控制)、起泡劑注入系統(tǒng)、氣體注入系統(tǒng)和清洗系統(tǒng)組成。裝置的核心是高壓可視化泡沫儀(內(nèi)徑60mm,高度427mm,有效容積1200mL的圓柱形容器),工作壓力20MPa,溫度150℃。泡沫儀內(nèi)裝有一個高壓電磁耦合攪拌器。容器前后端各有3個高壓可視化窗口用于觀察產(chǎn)生泡沫的狀態(tài)。試驗步驟如下:(3)加熱至試驗溫度后,充入CO2至預(yù)定壓力;(4)高速(1000r/min)攪拌2min,記錄初始泡沫高度,測試泡沫半衰期;(5)在不同溫度和壓力下重復(fù)試驗。評價起泡劑所產(chǎn)生泡沫性能的指標(biāo)包括起泡體積(起泡劑的發(fā)泡能力)和半衰期(起泡劑所產(chǎn)生泡沫的穩(wěn)定性),為了綜合評價起泡劑所產(chǎn)生泡沫的性能,定義泡沫綜合性能指數(shù)為式中,Fz為泡沫綜合性能指數(shù),mL·min;V為起泡體積,mL;t為泡沫破滅半衰期,min。1.2.2試驗步驟及方法高溫高壓條件下CO2泡沫封堵能力和流度測試裝置如圖2所示。該試驗裝置主要由填砂管(或巖心)模型、流體注入系統(tǒng)、恒溫系統(tǒng)、回壓系統(tǒng)和溫度壓力測試系統(tǒng)組成。試驗步驟如下:(1)利用不同粒度的石英砂填制填砂管;(2)抽真空飽和鹽水,測量吸入水體積,計算孔隙度;(5)交替/混合注入起泡劑溶液和CO2段塞進(jìn)行驅(qū)替,測量填砂管前后端壓力。評價CO2泡沫的封堵能力和流度的指標(biāo)主要采用計算的阻力因子Z,其定義式為式中,Δpfoam為注泡沫過程中填砂管前后端壓差,MPa;Δpwater為注水過程中填砂管前后端壓差,MPa。研究不同因素對表面活性劑產(chǎn)生CO2泡沫性能的影響,設(shè)計試驗方案如表3所示。2試驗結(jié)果的討論2.1eo聚合度對表面活性劑親水性的影響對表1所列的5種起泡劑分別進(jìn)行CO2泡沫性能測試,試驗結(jié)果如圖3所示。結(jié)果表明,隨著EO聚合度的增大,CO2泡沫的起泡體積和半衰期均有增大的趨勢,泡沫綜合性能指數(shù)則明顯增大。這是由于EO基團(tuán)是親水性基團(tuán),隨著EO聚合度的增大,表面活性劑親水性增強(qiáng)。同時,EO聚合度的增大使表面活性劑分子在界面上吸附時的獨(dú)占面積增大,分子的表面覆蓋度增大,臨界膠束濃度時的表面張力降低。由于泡沫屬于熱力學(xué)不穩(wěn)定體系,表面張力降低使泡沫體系具有更低的表面能,有利于泡沫穩(wěn)定。當(dāng)表面活性劑分子中疏水基團(tuán)相同時,隨著EO聚合度的增大,分子中的EO基團(tuán)與周圍水分子形成水化層的體積增大,泡沫之間液膜的水化層斥力增強(qiáng),液膜的排液速率降低,延緩了泡沫液膜的破裂過程。同時,EO聚合度的增大增強(qiáng)了表面活性劑分子間的作用力,使液膜表面分子排布更加緊密,液膜強(qiáng)度增大,泡沫的穩(wěn)定性能提高。2.2可產(chǎn)生泡沫的起泡體積降低對起泡劑N-NP-15c進(jìn)行不同礦化度條件下的CO2泡沫性能測試,試驗結(jié)果如圖4所示。隨著礦化度的提高,所產(chǎn)生泡沫的起泡體積降低,這是由于金屬離子(Na+)難以與EO基團(tuán)形成絡(luò)合物,卻能與非離子表面活性劑的極性基爭奪水分子,使?jié)狳c(diǎn)和表面活性劑在水溶液中的溶解度降低,導(dǎo)致所產(chǎn)生泡沫的體積降低;非離子表面活性劑在水溶液中不電離,所以礦化度對所產(chǎn)生泡沫的半衰期影響不大,泡沫綜合性能指數(shù)的變化趨勢主要受起泡體積的影響。2.3烷基酚聚氧乙烯醚類表面活性劑對起泡劑N-NP-15c進(jìn)行不同壓力條件下的CO2泡沫性能測試,試驗結(jié)果如圖5所示。隨壓力增大,所產(chǎn)生CO2泡沫的起泡體積變化不大或在高壓下略有上升,但半衰期明顯降低。這是由于對烷基酚聚氧乙烯醚類表面活性劑而言,壓力升高,CO2密度增大,吸附在CO2/水界面上的表面活性劑的疏水基團(tuán)與CO2的相互作用增強(qiáng)(即親和力增大),在水相不變的情況下,表面活性劑分子從水相中逃逸的趨勢變大,破壞了原有表面活性劑親水/親CO2的平衡,使表面活性劑分子在界面膜上的分布變得疏松,降低了膜的強(qiáng)度,導(dǎo)致泡沫穩(wěn)定性降低。在這種情況下泡沫綜合性能指數(shù)和泡沫穩(wěn)定性主要受半衰期影響。2.4起泡體積和周期對5種起泡劑在不同溫度下的CO2泡沫性能進(jìn)行測試,結(jié)果如圖6所示。由圖6可以看出:在試驗溫度40~70℃,隨著溫度的升高,起泡劑產(chǎn)生泡沫的起泡體積和半衰期均降低。這是由于隨著溫度的升高,包圍氣體的泡沫液膜蒸發(fā)加劇,加速了液膜破裂過程;溫度升高還會使液膜表面黏度和表面彈性降低,液膜的強(qiáng)度下降,排液速率加快,最終導(dǎo)致所產(chǎn)生CO2泡沫的性能下降。溫度是影響試驗所用表面活性劑泡沫穩(wěn)定性的主要因素,但隨著EO聚合度增加,表面活性劑的抗溫性能增強(qiáng),因而增加此類表面活性劑的親水基團(tuán)的親水能力可以提高表面活性劑的抗溫性能,如引入磺化基團(tuán)或多羥基基團(tuán)等。2.5確保了填料體系中的阻力因子選取N-NP-15c和N-NP-21c兩種起泡劑進(jìn)行不同溫度下的CO2泡沫填砂管驅(qū)替試驗,研究泡沫的封堵能力和流度控制能力,并與泡沫儀的試驗結(jié)果進(jìn)行相關(guān)性對比。試驗條件為:填砂管長60cm,內(nèi)徑2.5cm,回壓15MPa,鹽水礦化度100g/L(其中Na+和Cl-為98g/L,Ca2+為2g/L),起泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5%,填砂管孔隙度為28%~35%,滲透率(191~223)×10-3μm2,注入方式為0.15VP起泡劑溶液段塞與CO2段塞交替注入,共注入8個段塞,流體注入速度為0.4mL/min。試驗獲得的阻力因子隨流體注入孔隙體積倍數(shù)的變化關(guān)系如圖7所示。隨著起泡劑溶液段塞與CO2段塞的交替注入,阻力因子不斷升高,這是由于起泡劑溶液與CO2在孔隙介質(zhì)中形成了泡沫,泡沫所產(chǎn)生的賈敏效應(yīng)增大了流體通過孔喉的阻力,增大了驅(qū)替壓差。同時可以看出:由于起泡劑N-NP-21c比N-NP-15c所產(chǎn)生泡沫性能更好,在相同溫度條件下起泡劑N-NP-21c驅(qū)替時所產(chǎn)生的阻力因子要大于N-NP-15c驅(qū)替時所產(chǎn)生的阻力因子,高溫條件下泡沫性能較差,70℃兩種起泡劑所產(chǎn)生的阻力因子(最大為4)均遠(yuǎn)小于40℃條件下所產(chǎn)生的阻力因子(最大為60)。驅(qū)替試驗結(jié)果表明,CO2泡沫封堵能力測試的起泡劑所產(chǎn)生阻力因子數(shù)據(jù)與高溫高壓條件下泡沫性能測試結(jié)果具有較好的一致性,其中泡沫的半衰期(穩(wěn)定性評價指標(biāo))與驅(qū)替試驗測試的阻力因子(封堵和流度控制能力評價指標(biāo))的相關(guān)性更強(qiáng)。3抗溫、劑固沙(1)高壓條件下,對于壬基酚聚氧乙烯醚系列非離子表面活性劑,隨著表面活性劑分子結(jié)構(gòu)中EO聚合度的增大,所產(chǎn)生的CO2泡沫起泡體積、半衰期和泡沫綜合性能指數(shù)均增大。(2)隨著礦化度提高,CO2泡沫的起泡體積降低,但泡沫穩(wěn)定性受礦化度影響較小,即泡沫的半衰期變化不大。隨著壓力增大,液膜強(qiáng)度降低,泡沫穩(wěn)定性下降。(3)溫度升高,泡沫液膜蒸發(fā)加劇,液膜黏度和彈性下降,液膜強(qiáng)度下降,CO2泡沫半衰期或穩(wěn)定性下降。隨著EO聚合度增加,表面活性劑的抗溫性能增強(qiáng),因而增加非離子表面活性劑的親水基團(tuán)的親水能力可以提高表面活性劑的抗溫性能。在設(shè)計CO2泡沫起泡劑時選用親水性更強(qiáng)的基團(tuán)可提高CO2泡沫性能。(4)相同溫度條件下