第四章-化學(xué)驅(qū)與混相驅(qū)

第二篇采油化學(xué)

采油化學(xué)是油田化學(xué)的一部分。采油化學(xué)是油田化學(xué)開(kāi)采工程與化學(xué)之間的邊緣科學(xué)。采油化學(xué)是研究如何用化學(xué)方法解決采油過(guò)程中遇到的問(wèn)題。

采油過(guò)程中遇到的問(wèn)題有油層的問(wèn)題，也有油水井的問(wèn)題。

油層的問(wèn)題集中表現(xiàn)在原油采收率不高。油田不同，驅(qū)油方式不同，原油采收率也不同，目前大多數(shù)油田的原油采收率超不過(guò)50%。這意味著，有相當(dāng)數(shù)量的原油采不出來(lái)。提高原油采收率的主要方法是使用各種驅(qū)油劑。因此，本篇核心內(nèi)容是化學(xué)驅(qū)和混相驅(qū)、注水井調(diào)剖和油井堵水。稠油儲(chǔ)量豐富，粘度高，開(kāi)采、集輸困難，本篇主要講解稠油降粘。酸化和壓裂是注水井增注和油井增采的關(guān)鍵措施，本篇主要介紹酸化壓裂過(guò)程中的工作液——酸液、壓裂液及其添加劑。油水井出砂和油井結(jié)蠟會(huì)影響正常的采油過(guò)程，本篇介紹了油水井防砂和油井的防蠟、除蠟。第四章化學(xué)驅(qū)與混相驅(qū)原油的采收率低的原因是油層的不均質(zhì)性，使驅(qū)油劑沿高滲透層突入油井而波及不到滲透性較小的油層。這里有一個(gè)波及系數(shù)的概念。波及系數(shù)是指驅(qū)油劑波及到的油層容積與整個(gè)含油容積的比值。但是，驅(qū)油劑波及到的油層，由于油層表面的潤(rùn)濕性和毛細(xì)管的阻力效應(yīng)（Jamin效應(yīng)），油也不可能全采出來(lái)，因而又有一個(gè)洗油效率概念。洗油效率是指驅(qū)油劑波及到的油層所采出的油量與這部分油層儲(chǔ)量的比值。根據(jù)波及系數(shù)和洗油效率的概念，可以得出：

因此，油層的改造有兩個(gè)途徑：一個(gè)途徑是提高波及系數(shù)；另一個(gè)途徑是提高洗油效率。原油采收率=波及系數(shù)×洗油效率

提高波及系數(shù)的主要方法是改變驅(qū)油劑和（或）油的流度。流度是流體通過(guò)孔隙介質(zhì)能力的一種量度，它的定義式為 （4-1） 式中，λ——流體的流度；

ｋ——孔隙介質(zhì)對(duì)流體的有效滲透率；

μ——流體的粘度。驅(qū)油劑的流度遠(yuǎn)大于油的流度，因此驅(qū)油時(shí)，驅(qū)油劑易于沿高滲透層突入油井，為了提高驅(qū)油劑的波及系數(shù)，必須減小驅(qū)油劑的流度和（或）增加油的流主。

提高洗油效率的主要方法是改變巖石表面的潤(rùn)濕性和減小毛細(xì)管阻力效率的不利影響。至今已發(fā)展了四種改造油層的方法：（1）化學(xué)驅(qū)油法（化學(xué)驅(qū)）（2）混相驅(qū)油法（混相驅(qū)）（3）熱力采油法（熱采）聚合物驅(qū)油法（聚合物驅(qū)）表面活性劑驅(qū)油法（表面活性劑驅(qū)）堿驅(qū)油法（堿驅(qū)）烴類(lèi)混相驅(qū)油法（烴類(lèi)混相驅(qū)）非烴類(lèi)混相驅(qū)油法（非烴類(lèi)混相驅(qū)）蒸汽驅(qū)油法（蒸汽驅(qū)）油層就地燃燒法（火燒油層）（4）微生物采油激活油藏本源微生物注入適合微生物二、聚合物驅(qū)用的聚合物聚合物驅(qū)主要用到兩類(lèi)聚合物。一類(lèi)聚合物是部分水解聚丙烯酰胺（HPAM）。另一類(lèi)聚合物是生物聚合哦，叫黃胞膠（XC）。第一節(jié)聚合物驅(qū)一、聚合物驅(qū)概念聚合物驅(qū)是以聚合物溶液作為驅(qū)油劑的驅(qū)油法。聚合物驅(qū)也稱(chēng)為聚合物溶液驅(qū)、聚合物強(qiáng)化水驅(qū)、稠化水驅(qū)和增粘水驅(qū)。三、聚合物對(duì)水的稠化能力

(圖4-1)是聚合物溶液粘度隨聚合物質(zhì)量濃度變化的關(guān)系圖。從(圖4-1)可看到，HPAM與XC對(duì)水有優(yōu)異的稠化能力。

（1）超過(guò)一定濃度，聚合物分子互相糾纏形成結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生結(jié)構(gòu)粘度。

（2）聚合物鏈中的親水基團(tuán)在水中溶劑化（水化）。

（3）若為離子型聚合物，則可在水中解離，形成擴(kuò)散雙電層，產(chǎn)生許多帶電符號(hào)相同的鏈段（由若干鏈節(jié)組成，是鏈中能獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的最小單位），使聚合物分子在水中形成松散的無(wú)規(guī)線團(tuán)，因而有好的增粘能力。聚合物在通過(guò)巖心孔喉結(jié)構(gòu)時(shí)受到拉伸作用而引起構(gòu)象變化所引起的。聚合物對(duì)水的稠化是由下列原因產(chǎn)生的：四、聚合物溶液的粘彈性1．吸附

聚合物吸附是指聚合物通過(guò)色散力、氫鍵等作用力而聚集在巖石孔隙結(jié)構(gòu)表面的現(xiàn)象。2．捕集

聚合物捕集是指直徑小于孔喉直徑的聚合物分子的無(wú)規(guī)線團(tuán)通過(guò)“架橋”而留在孔喉外的現(xiàn)象（圖4-2）。五、聚合物在孔隙介質(zhì)中的滯留聚合物可通過(guò)兩種形式在孔隙介質(zhì)中滯留：

聚合物的鹽敏效應(yīng)是指鹽對(duì)聚合物溶液粘度產(chǎn)生特殊影響的效應(yīng)，可從(圖4-3)看到這種效應(yīng)。六、聚合物的鹽敏效應(yīng)

從(圖4-3)可以看到，鹽的含量對(duì)HPAM溶液的粘度有明顯的影響。式中，——水油流度比；

——水、油的流度；

——水、油的有效滲透率；

——水、油的粘度。

聚合物驅(qū)是：1.通過(guò)減小水油流度比的機(jī)理，起提高原油采收率作用。根據(jù)流體流度的概念，可以寫(xiě)出水油流度比的定義式：（4—2）七、聚合物驅(qū)提高原油采收率機(jī)理從式（4-2）可以看到，聚合物可通過(guò)對(duì)水的稠化，增加水的粘度和通過(guò)在孔隙介質(zhì)中的帶留，減小孔隙介質(zhì)對(duì)水的滲透率，達(dá)到減小水油流度比，增加波及系數(shù)，從而提高原油采收率的目的。

(圖4-5)是說(shuō)明水油流度比對(duì)波及系數(shù)的影響。從(圖4-5)可以看到，水油流度比越小，波及系數(shù)越大。

從平板模型的驅(qū)油試驗(yàn)結(jié)果（圖4-4）可以看到，聚合物驅(qū)比水驅(qū)有更大的波及系數(shù)，因此有更高的原油采收率。聚合物驅(qū)與水驅(qū)的對(duì)比第二節(jié)表面活性劑驅(qū)一、表面活性劑驅(qū)概念

表面活性劑驅(qū)是以表面活性劑體系作為驅(qū)油劑的驅(qū)油法。二、表面活性劑驅(qū)用的表面活性劑

表面活性劑驅(qū)主要用下列五類(lèi)表面活性劑：（1）磺酸鹽型表面活性劑，如（2）羧酸鹽型表面活性劑，如

R—COOM

RAr—COOM

（脂肪酸鹽） （石油羧酸鹽）（3）聚醚型表面活性劑，如（4）非離子-陰離子型兩性表面活性劑，如上述分子式中，R為烷基；Ar為芳香基；M為Na、Ｋ、等。（5）孿連表面活性劑指兩個(gè)或兩個(gè)以上同一表面活性劑分子在親水基及其附近用聯(lián)接基團(tuán)連接起來(lái)的表面活性劑。（1）低界面張力機(jī)理

（4-3）式中，

Ｗ——粘附功

——油水界面張力；

θ——油對(duì)地層表面的潤(rùn)濕角。

活性水屬稀表面活性劑體系，其中的表面活性劑濃度小于臨界膠束濃度。以活性水作為驅(qū)油劑的驅(qū)油法叫活性水驅(qū)。它是最簡(jiǎn)單的表面的表面活性劑驅(qū)。活性水驅(qū)是通過(guò)下列機(jī)理提高原油的采收率：三、活性水驅(qū)（2）潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)機(jī)理

（3）乳化機(jī)理（4）提高表面電荷密度機(jī)理（5）聚并形成油帶機(jī)理

膠束溶液也屬稀表面活性劑體系，其中表面活性劑濃度大于臨界膠束濃度，但其質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過(guò)。以膠束溶液作為驅(qū)油劑的驅(qū)油法叫膠束溶液驅(qū)。與活性水相比，膠束溶液有兩個(gè)特點(diǎn)：一個(gè)是表面活性劑濃度超過(guò)臨界膠束濃度，因此溶液中有膠束存在；另一個(gè)是膠束溶液中除表面活性劑外，還有醇和（或）鹽等助劑的加入。四、膠束溶液驅(qū)五、微乳驅(qū)

微乳屬濃表面活性劑體系，它有兩種基本類(lèi)型和一種過(guò)渡類(lèi)型。前者為水外相微乳和油外相微乳，后者為中相微乳。水外相微乳用水溶性表面活性劑配得，它是溶有水的表面活性劑膠束分散在油中所形成的分散體系。油外相微乳用油溶性表面活性劑配得，它是溶有水的表面活性劑膠束分散在油中所形成的分散體系。

配制微乳需用三個(gè)主要成分和兩個(gè)輔助成分。三個(gè)主要成分是油、水和表面活性劑，兩個(gè)輔助成分是助表面活性劑和電解質(zhì)。

配制微乳的油可用原油或它的餾分(如汽油、煤油、柴油）。配制微乳的水可用淡水或鹽水。配制微乳的表面活性劑可用陰離子型、非離子型和非離子-陰離子型表面活性劑，但最好用石油磺酸鹽（鈉鹽或銨鹽）。配制微乳的助表面活性劑最好用醇，也可用酚。助表面活性劑除可調(diào)整水和油的極性(水溶性醇可減小水的極性，油溶性醇可增加油的極性）外，它還參與形成膠束，增加膠束的空間，增加膠束對(duì)油或水的增溶能力。

配制微乳的電解質(zhì)可用無(wú)機(jī)的酸、堿、鹽，但最好用鹽，如氯化鈉、氯化鉀、氯化銨等。電解質(zhì)是通過(guò)減小表面活性劑和助表面活性劑極性部分的溶劑化程度，使膠束在更低的表面活性劑濃度下就可形成，同時(shí)可使微乳與油或水產(chǎn)生超低界面張力。微乳可用于驅(qū)油。微乳驅(qū)是以微乳作為驅(qū)油劑的驅(qū)油法。微乳驅(qū)是通過(guò)不同的機(jī)理提高原油采收率。六、泡沫驅(qū)

泡沫驅(qū)是以泡沫作為驅(qū)油劑的驅(qū)油法。

泡沫是由水、氣、起泡劑組成。為了產(chǎn)生泡沫，可交替向油層注入起泡劑溶液和氣體，也可將兩者分別從油、套管同時(shí)注入地層。

配制泡沫的水可用淡水，也可用鹽水。

配制泡沫的氣體可用氮?dú)?、二氧化碳?xì)狻⑻烊粴?、煉廠氣或煙道氣。配制泡沫用的起泡劑，主要是表面活性劑如烷基磺酸鹽、烷基苯磺酸鹽、聚氧乙烯烷基醇醚-15、聚氧乙烯烷基苯酚醚-10、聚氧乙烯烷基醇醚硫酸酯鹽、聚氧乙烯烷基醇醚羧酸鹽等。。泡沫特征值是描寫(xiě)泡沫性質(zhì)的一個(gè)重要物理量。泡沫特征值是指泡沫中氣體體積對(duì)泡沫總體積的比值。通常泡沫特征值是在0.52～0.99之間。泡沫特征值小于0.52時(shí)的泡沫叫氣體乳狀液。泡沫特征值大于0.99時(shí)的泡沫易于反相變?yōu)殪F。泡沫特征值超過(guò)0.74時(shí)，泡沫中的氣泡就公變成為多面體。（1）Jamin效應(yīng)疊加機(jī)理對(duì)泡沫，Jamin效應(yīng)是指氣泡對(duì)通過(guò)喉孔的液流所產(chǎn)生的阻力效應(yīng)。（2）增粘機(jī)理 泡沫粘度隨泡沫特征值的變化關(guān)系見(jiàn)圖4-17。泡沫驅(qū)是通過(guò)下列機(jī)理提高原油的采收率：泡沫粘度可用下面的經(jīng)驗(yàn)式計(jì)算：當(dāng)泡沫特征值小于0.74時(shí) （4-4）式中，——泡沫粘度；

——分散介質(zhì)粘度；

——泡沫特征值。當(dāng)泡沫特征值大于0.74時(shí)

（4-5）（3）稀表面活性劑體系驅(qū)油機(jī)理二、堿驅(qū)用的堿堿驅(qū)用的堿，除包括堿（如NaOH、KOH、）外，還包括鹽（如、、、）。由于這些鹽均可在水中通過(guò)下列反應(yīng)產(chǎn)生，所以它們都可稱(chēng)為潛在堿：第三節(jié)堿驅(qū)一、堿驅(qū)的概念堿驅(qū)是指以堿溶液作為驅(qū)油劑的驅(qū)油法。堿驅(qū)也叫堿溶液驅(qū)或堿強(qiáng)化水驅(qū)。它們是一對(duì)緩沖物質(zhì)，因此可用碳酸鈉與碳酸氫鈉復(fù)配，產(chǎn)生有緩沖作用的堿體系。同理，與也是一對(duì)有緩沖作用的堿體系。由于碳酸鈉與碳酸氫鈉可通過(guò)下面反應(yīng)對(duì)體系pH值起緩沖作用：

原油中的石油酸如脂肪酸、環(huán)烷酸、膠質(zhì)酸和瀝青質(zhì)酸等可與堿（如氫氧化鈉）反應(yīng)，生成相應(yīng)的石油酸鹽：三、石油酸與堿的反應(yīng)

（圖4-18）是堿驅(qū)與水驅(qū)的驅(qū)油效果對(duì)比。從（圖4-18）可以看到，堿驅(qū)有比水驅(qū)高的采收率。四、堿驅(qū)與水驅(qū)的對(duì)比1．低界面張力機(jī)理該機(jī)理認(rèn)為在低的堿含量和最佳的鹽含量下，堿與石油酸反應(yīng)生成的表面活性劑，可使油水界面張力降至以下（圖4-19），使堿驅(qū)產(chǎn)生與表面活性劑驅(qū)同樣的效果。

堿驅(qū)機(jī)理復(fù)雜，至今已提出如下幾種機(jī)理解釋堿驅(qū)之所以能提高原油采收率的原因：五、堿驅(qū)提高原油采收率機(jī)理

在堿含量和鹽含量都低的情況下，由堿與石油酸反應(yīng)生成的表面活性劑可使地層中的剩余油乳化，并被堿水?dāng)y帶著通過(guò)地層。按此機(jī)理，堿驅(qū)應(yīng)有如下特點(diǎn)：2．乳化-攜帶機(jī)理3．乳化-捕集機(jī)理

在堿含量和鹽含量都低的情況下，由于低界面張力使油乳化在堿水相，但油珠直徑較大，因此當(dāng)它向前移動(dòng)時(shí)，就被捕集，增加了水的流動(dòng)阻力，即降低了水的流度，從而改善了流度比，增加了波及系數(shù)，提高了原油采收率。按此機(jī)理，堿驅(qū)應(yīng)有如下特點(diǎn)：（1）可以形成油珠直徑相當(dāng)小的乳狀液；（2）通過(guò)乳化提高堿驅(qū)的洗油效率；（3）堿水在油井突破前采油量不可能增加；（4）油珠的聚并性質(zhì)對(duì)過(guò)程有不利影響。（1）可以形成油珠直徑較大的乳狀液；（2）分散的油珠會(huì)被捕集在較小孔道；（3）堿水在油井突破前采油量可以增加；（4）油珠的聚并性質(zhì)對(duì)過(guò)程有有利的影響。4．由油濕反轉(zhuǎn)為水濕機(jī)理5．由水濕反轉(zhuǎn)為油濕機(jī)理

在堿含量高和鹽含量低的情況下，堿可通過(guò)改變吸附在巖石表面油溶性表面活性物質(zhì)在水中的溶解度而解吸，恢復(fù)巖石表面原來(lái)的親水性，使巖石表面從油濕反轉(zhuǎn)為水濕，提高了洗油效率，也即提高了原油采收率。第四節(jié)復(fù)合驅(qū)一、復(fù)合驅(qū)概念

復(fù)合驅(qū)是指兩種或兩種以上驅(qū)油成分組合起來(lái)的驅(qū)動(dòng)．這里講的驅(qū)油成分是指化學(xué)驅(qū)中的主劑（聚合物、堿、表面活性劑），它們可按不同的方式組成各種復(fù)合驅(qū)，如堿+聚合物的驅(qū)動(dòng)叫稠化堿驅(qū)或堿強(qiáng)化聚合物驅(qū)；表面活性劑+聚合物的驅(qū)動(dòng)叫稠化表面活性劑驅(qū)或表面活性劑強(qiáng)化堿驅(qū)；堿（A）+表面活性劑（S）+聚合物（P）的驅(qū)動(dòng)三元復(fù)合驅(qū)。可用準(zhǔn)三組分相圖表示化學(xué)驅(qū)中各種驅(qū)動(dòng)的組合（圖4-23）準(zhǔn)三組分相圖1．復(fù)合驅(qū)與單一驅(qū)動(dòng)

復(fù)合驅(qū)通常比單一驅(qū)動(dòng)有更高的采收率。（圖4-24）是堿+聚合物的驅(qū)動(dòng)與單純堿驅(qū)、單純聚合物驅(qū)、先堿驅(qū)后聚合物驅(qū)和先聚合物驅(qū)后堿驅(qū)的比較。二、一些驅(qū)動(dòng)的驅(qū)油效果對(duì)比

（表4-2）是用堿+表面活性劑（AS）、堿+聚合物（AP）和堿+表面活性劑+聚合物（ASP）進(jìn)行驅(qū)油試驗(yàn)所得的結(jié)果。2．二元復(fù)合驅(qū)與三元復(fù)合驅(qū)

1．聚合物的作用

（1）聚合物改善了表面活性劑和（或）堿溶液對(duì)油的流度比。

（2）聚合物對(duì)驅(qū)油介質(zhì)的稠化，可減小表面活性劑和堿的擴(kuò)散速率，從而減小它們的藥耗。

（3）聚合物可與鈣、鎂離子反應(yīng)，保護(hù)了表面活性劑，使它不易形成低表面活性的鈣、鎂鹽。

（4）聚合物提高了堿和表面活性劑形成的水包油乳狀液的穩(wěn)定性，使波及系數(shù)（按乳化-捕集機(jī)理）和（或）洗油能力（按乳化-攜帶機(jī)理）有較大的提高。三、復(fù)合驅(qū)中驅(qū)油成分之間的協(xié)同效應(yīng)復(fù)合驅(qū)比單一驅(qū)動(dòng)和三元復(fù)合驅(qū)比二元復(fù)合驅(qū)之所以有更好的驅(qū)油效果，主要由于復(fù)合驅(qū)中的聚合物、表面活性劑和堿之間有協(xié)同效應(yīng)，它們?cè)趨f(xié)同效應(yīng)中起各自的作用。

（1）表面活性劑可以降低聚合物溶液與油的界面張力，使它具有洗油能力。

（2）表面活性劑可使油乳化，提高了驅(qū)油介質(zhì)的粘度。乳化的油越多，乳狀液的粘度越高。

（3）若表面活性劑與聚合物形成絡(luò)合結(jié)構(gòu)，則表面活性劑可提高聚合物的增粘能力。

（4）表面活性劑可補(bǔ)充堿與石油酸反應(yīng)產(chǎn)生表面活性劑的不足。2．表面活性劑的作用3．堿的作用（1）堿可提高聚合物（HPAM）的稠化能力。（2）堿與石油酸反應(yīng)產(chǎn)生的表面活性劑，可將油乳化，提高了驅(qū)油介質(zhì)粘度，因而加強(qiáng)了聚合物控制流度的能力。（3）堿與石油酸反應(yīng)產(chǎn)生的表面活性劑與合成的表面活性劑有協(xié)同效應(yīng)（表4-3）。

（4）堿可與鈣、鎂離子反應(yīng)或粘土進(jìn)行離子交換，起犧牲劑作用，保護(hù)了聚合物與表面活性劑。

（5）堿可提高砂巖表面的負(fù)電性，減少砂巖表面對(duì)聚合物和表面活性劑的吸附量（表4-4）。（6）堿可提高生物聚合物的生物穩(wěn)定性。

由于各成分的相互作用，因此復(fù)合體系的驅(qū)油效率高，化學(xué)劑消耗少，成本降低。1．烴類(lèi)混相注入劑這類(lèi)混相注入劑可按其中的含量分成