氮?dú)馀菽{(diào)剖堵及提高采收率的應(yīng)用機(jī)理研究

1、 6/6氮?dú)馀菽{(diào)剖堵及提高采收率的應(yīng)用機(jī)理研究氮?dú)馀菽{(diào)剖堵水及提高采收率的 應(yīng)用機(jī)理研究 劉文章教授 中國(guó)石油天然氣股份有限公司勘探開(kāi)發(fā)研究院 二四年十月 氮?dú)馀菽{(diào)剖堵水及提高采收率的應(yīng)用機(jī)理研究 中油勘探開(kāi)發(fā)研究院 劉文章教授 前 言 油田注氮?dú)馓岣卟墒章始夹g(shù)在70年代及80年代前期在美國(guó)達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及應(yīng)用高潮。據(jù)調(diào)研，有33個(gè)油田采用注氮?dú)膺M(jìn)行非混相驅(qū)、混相驅(qū)、保持壓力、重力驅(qū)等采油方式提高采收率。在加州大規(guī)模注蒸汽熱采稠油油田，蒸汽吞吐作業(yè)中加入氮?dú)馀菽M(jìn)行調(diào)剖超過(guò)5000井次，蒸汽驅(qū)加入氮?dú)馀菽瓌┻M(jìn)行封堵汽竄及提高汽驅(qū)采收率的先導(dǎo)試驗(yàn)項(xiàng)目超過(guò)30個(gè)。此外，在美國(guó)、加拿大、委內(nèi)瑞拉

2、等國(guó)，隨著從空氣中膜分離制氮技術(shù)設(shè)備迅速發(fā)展，注氮?dú)庾鳂I(yè)成本較低，僅為天然氣的1/3、CO2的1/4左右，注氮?dú)猓òǖ獨(dú)馀菽╅_(kāi)采低滲透油田、底水油藏注氮?dú)鈮核F、低壓油藏氮?dú)馀菽菲胶忏@井完井、各種油井增產(chǎn)技術(shù)如壓裂、酸化、洗井沖砂作業(yè)中，已廣泛應(yīng)用。90年代以來(lái)，由于對(duì)各種注氮?dú)獠捎蜋C(jī)理及先導(dǎo)試驗(yàn)項(xiàng)目已有相當(dāng)多的研究成果及經(jīng)驗(yàn)，技術(shù)上比較成熟，應(yīng)用上已常規(guī)化，因而這方面公開(kāi)報(bào)道的文獻(xiàn)逐漸減少，但該項(xiàng)技術(shù)在推廣應(yīng)用中仍在深入研究并向前發(fā)展。在我國(guó)，在70年代曾在玉門油田進(jìn)行過(guò)注水中加空氣泡沫劑堵水提高采收率試驗(yàn)。90年前后，華北油田在雁翎裂縫性古潛山油藏進(jìn)行注氮?dú)鈮核F提高采收率技術(shù)試驗(yàn)。

3、 在1987年，隨著我國(guó)稠油油田注蒸汽熱采技術(shù)的快速發(fā)展并且熱采產(chǎn)量突破300萬(wàn)噸/年，許多油藏出現(xiàn)注入蒸汽竄流嚴(yán)重，本人為推進(jìn)稠油注蒸汽熱采技術(shù)的發(fā)展，改善蒸汽吞吐及蒸汽驅(qū)采油效果，開(kāi)始室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究注入蒸汽中加入氮?dú)馀菽瓌┛刂破Z提高采收率技術(shù)。積極倡導(dǎo)注氮?dú)獠捎图夹g(shù)，首先在1987年中油石勘院（RIPED）與加拿大阿爾伯達(dá)研究院（ARC）合作，互派專家共同開(kāi)展了“氮?dú)馀菽?qū)油提高原油采收率技術(shù)研究”。從此本人先后帶領(lǐng)五名碩士、博士研究生及多名科技人員，開(kāi)展了室內(nèi)氮?dú)馀菽?qū)機(jī)理研究及10多項(xiàng)現(xiàn)場(chǎng)先導(dǎo)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，包括蒸汽驅(qū)加氮?dú)馀菽{(diào)剖提高采收率、水驅(qū)加氮?dú)馀菽岣卟墒章?、注氮?dú)饧芭菽瓌┨岣?/p>

4、蒸汽吞吐效果、注氮?dú)饪刂扑F提高采收率，超稠油氮?dú)馊軇┹o助蒸汽吞吐技術(shù)等。 目前，我國(guó)陸上油田，已有30多臺(tái)車載活動(dòng)式注氮車及一座撬裝式大型制氮設(shè)備，應(yīng)用于蒸汽吞吐油井注氮?dú)飧魺嶂牛⑺?qū)加氮?dú)馀菽{(diào)剖提高采收率、注氮?dú)鈮核F增產(chǎn)、蒸汽驅(qū)注氮?dú)馀菽?2 提高采收率等作業(yè)，壓裂、酸化、沖砂洗井等作業(yè)中采用氮?dú)饣虻獨(dú)馀菽淹茝V應(yīng)用。 本人積極倡導(dǎo)和推薦陸上東部某些注水開(kāi)發(fā)的輕質(zhì)油田已進(jìn)入高含水期后，采用氮?dú)馀菽稳?qū)控制大孔道水竄以提高采收率，也推薦渤海某些注水開(kāi)發(fā)的稠油油田，如SZ36-1、QH32-6、JZ9-3、埕島油田等也試驗(yàn)注水加氮?dú)馀菽稳?qū)以擴(kuò)大水驅(qū)波及體積提高采收率技術(shù)。 本文按

5、中海油油服公司研發(fā)中心的要求，寫出這份綜合性研究報(bào)告，重點(diǎn)概述了注水開(kāi)發(fā)油田采用氮?dú)馀菽{(diào)剖堵水及提高采收率的應(yīng)用機(jī)理及室內(nèi)研究成果。 第一節(jié) 泡沫的形成 泡沫是由大量的氣泡所形成的聚集體，其外觀形狀如蜂窩，是由不溶性或微溶性氣體分散在液體之中所形成的粗分散體系，氣體是分散相，液體是分散介質(zhì)。氣泡的大小約在10m以上。肥皂泡沫、啤酒泡沫等都是氣體分散在液體中所形成的泡沫。泡沫的性質(zhì)和乳狀液相似，它的分散度很高，泡沫也存在著不均勻狀態(tài)和聚結(jié)不穩(wěn)定的性質(zhì)。 一、泡沫的形成 攪拌肥皂的水溶液可以產(chǎn)生氣泡。進(jìn)一步的觀察發(fā)現(xiàn)，泡沫是許多氣體被液體分隔開(kāi)的體系，與乳狀液相似，也是一種分散體系。但乳狀液是一

6、種液體被另一種不相混溶的液體分隔開(kāi)來(lái)，而泡沫則是氣體分散于液體中的分散介質(zhì)：氣體是分散相（不連續(xù)相），液體是分散介質(zhì)（連續(xù)相）。由于氣體與液體的密度相差很大，故在液體中的氣體總是很快上升至液面，形成以少量液體構(gòu)成的液膜隔開(kāi)氣體的氣泡聚集物，即通常所說(shuō)的泡沫。氣泡在形態(tài)上的一個(gè)特點(diǎn)就是作為分散相的氣泡，常常是多面體，而不象乳狀液那樣，分散相的液體經(jīng)常是以液珠（球狀）的形態(tài)而存在。 1泡沫形成的條件：有氣、水、起泡劑才可形成泡沫，缺一不可。 氣液接觸 因?yàn)榕菽菤怏w在液體中的粗分散體系，產(chǎn)生泡沫的首要條件，就是氣體與液體發(fā)生接觸，只有氣體與液體連續(xù)、充分地接觸才能產(chǎn)生大量泡沫。 含有起泡劑 純凈液

7、體不能形成穩(wěn)定的泡沫，如純凈的清水生成的泡沫，其壽命在0.5秒以內(nèi)，只能瞬間存在。其它純液體如乙醇、苯等也不能形成泡沫，因此要形成穩(wěn)定的泡沫，除了氣相、液相之外，必須加入第三種具有起泡能力的物質(zhì)，即某些表面活性劑水溶液，起泡性能好的表面活性物質(zhì)稱之為起泡劑。 2起泡劑的起泡作用 降低表面張力 因?yàn)樾纬膳菽贵w系增加了很大表面積，因而降低表面張力有助于降低體系的表 3 -7 面自由能，使體系得以穩(wěn)定。 增加泡沫液膜的強(qiáng)度和彈性 決定泡沫穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素在于液膜的強(qiáng)度和彈性，而液膜強(qiáng)度主要決定于吸附膜的堅(jiān)固性。起泡劑的非極性基團(tuán)的碳?xì)浞肿又g有較大的側(cè)向引力，尤其是直鏈的碳?xì)滏溳^長(zhǎng)的非極性基團(tuán)，它

8、們可產(chǎn)生相當(dāng)強(qiáng)大的側(cè)向引力，使形成的吸附膜非常結(jié)實(shí)、堅(jiān)固，有一定強(qiáng)度。同時(shí)由于起泡劑的表面活性分子可大幅度地降低溶液的表面張力，使液膜受到外力作用而變形時(shí)，即可局部形成較大的表面張力梯度，以便產(chǎn)生較大的馬朗格尼（Marangoni）效應(yīng)，使液膜具有可以伸縮的彈性，導(dǎo)致液膜自行復(fù)原。 提高表面粘度 泡沫液膜中的液體，因受重力及邊界吸引力而導(dǎo)致從膜間排走，使液膜變薄，液膜減薄到一定程度，一般認(rèn)為在30-40納米（10米），甚至有些可達(dá)20-30納米即行破裂，因此若液體有適當(dāng)?shù)恼扯?，膜?nèi)的液體就不易流走，使泡沫穩(wěn)定性增加。起泡劑的親水基團(tuán)，對(duì)水分子的吸引使液膜中的液體粘度顯著增加，流動(dòng)度大大降低，因

9、而排液速度下降，故可增加泡沫的穩(wěn)定性。 3穩(wěn)泡劑的作用 起泡劑雖然有穩(wěn)定泡沫的作用，但泡沫仍然是熱力學(xué)不穩(wěn)定體系。為使配臵的泡沫更穩(wěn)定，往往還需加入穩(wěn)泡劑。穩(wěn)泡劑系指能夠維持泡沫長(zhǎng)時(shí)間不破滅的一類物質(zhì)，如一些非離子型表面活性劑（十二烷基二甲基胺的氧化物，即C12H25N（CH3）2O；十二酰二乙醇胺，即月桂酰胺二乙醇胺等）；一些極性有機(jī)物（長(zhǎng)鏈脂肪醇等），以及水溶性的高分子增粘劑（部分水解聚丙烯酰胺、鈉-羧甲基纖維素、褐藻酸鈉等）；此外，一些不親水的固體粉末如石油焦粉、煙煤粉、碳黑粉等，可吸附于氣/液界面上，形成穩(wěn)定的保護(hù)膜，起到了穩(wěn)泡的作用。 穩(wěn)泡劑的作用是增加介質(zhì)的粘度，使氣泡間液膜的粘滯

10、性增加，減弱排液速度，這樣就增加了泡沫的穩(wěn)定性。 二、泡沫的分類 泡沫的分類方法很多，特別是由于研究的目的不同，分類的方法往往有很大的差別。較為常用的方法有： 1按照泡沫存在的時(shí)間長(zhǎng)短，把泡沫分為“穩(wěn)定性泡沫”和“非穩(wěn)定性泡沫”?！胺€(wěn)定”與“非穩(wěn)定”只是相對(duì)的概念，并無(wú)嚴(yán)格的時(shí)間界限。前者壽命在數(shù)分鐘，甚至幾天不破裂，為持久性泡沫。后者壽命僅在幾秒鐘之內(nèi)，也稱短暫泡沫。 2按照組成泡沫的氣、液比例分類，如果泡沫體系的含氣量大于50，則謂“干泡沫”；如果泡沫體系的含液量大于50，則謂“濕泡沫”。 4 -9 3按照泡沫存在的環(huán)境分類，如果盛裝泡沫的容器的半徑為R，其大于泡沫的平均半徑r（即RrF）

11、，F(xiàn) 則謂此泡沫為“松散泡沫”（bulk foam）；相反，如果RrF，則謂“封閉泡沫”（confining foam）或“液膜結(jié)構(gòu)泡沫”（lamellar structure foam）。當(dāng)然，這兩種泡沫的性質(zhì)是不完全一致的。 三、泡沫成份 1泡沫流體的成份有三：氣體、液體、起泡劑。 2氣相 用于石油工業(yè)的泡沫流體，其氣相多為空氣、氮?dú)?、二氧化碳及天然氣。由于空氣和天然氣存在易燃、易爆等不安全因素，?yīng)盡量避免用于油、氣生產(chǎn)井作業(yè)，慎之又慎、嚴(yán)格把關(guān)。推薦用于油、氣井的泡沫流體，采用氮?dú)饣蚨趸?，首選前者，因前者的成本比后者低數(shù)倍，無(wú)腐蝕性，通過(guò)膜分離制氮設(shè)備在井場(chǎng)就可從空氣中制取并增壓注入

12、油井。泡沫的液相一般有水、酸、醇及烴類，常用的是水。 四、氮?dú)?1氮?dú)獾囊话阈再|(zhì) 空氣中含氮78，氧氣21，惰性氣體0.94，二氧化碳0.03（按體積計(jì)算）。 在常溫常壓下氮?dú)鉃闊o(wú)色無(wú)嗅的氣體，在壓力為0.1MPa、溫度為時(shí)，氮?dú)饷芏葹?.25kg/m，氮?dú)獾膶?dǎo)熱系數(shù)為0.0205Kcal/m.h.，動(dòng)力粘度為16910mPa.s，1m液氮可變?yōu)?96.5m氣氮?？諝饨?jīng)壓縮液化、冷卻，溫度為-195.78時(shí)，氮?dú)鈱⒆兂蔁o(wú)色透明的液體，溫度為-210時(shí)，氮將凝固為雪狀的固體，氮?dú)獾幕瘜W(xué)性質(zhì)極不活躍，在常態(tài)下表現(xiàn)出很大的惰性，氮?dú)獾幕疚锢韰?shù)詳見(jiàn)表1-1所示。 表1-1 氮?dú)馕锢硇再|(zhì) 序 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 -3 3 3 3 物理性質(zhì)及條件 化學(xué)式 分子量 相對(duì)密度（空氣=1），21，0.101MPa 氣體密度 21，0.101MPa 標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn) 汽化熱 臨界壓力 臨界溫度 臨界點(diǎn)密度 三相點(diǎn)壓力 三相