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)方法解決采油過程中遇到的問題。

采油過程中遇到的問題有油層的問題，也有油水井的問題。

油層的問題集中表現(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50%。這意味著，有相當(dāng)數(shù)量的原油采不出來。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。稠油儲量豐富，粘度高，開采、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)蠟會影響正常的采油過程，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，由于油層表面的潤濕性和毛細管的阻力效應(yīng)（Jamin效應(yīng)），油也不可能全采出來，因而又有一個洗油效率概念。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，油層的改造有兩個途徑：一個途徑是提高波及系數(shù)；另一個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)對流體的有效滲透率；

μ——流體的粘度。驅(qū)油劑的流度遠大于油的流度，因此驅(qū)油時，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濕性和減小毛細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)）烴類混相驅(qū)油法（烴類混相驅(qū)）非烴類混相驅(qū)油法（非烴類混相驅(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)主要用到兩類聚合物。一類聚合物是部分水解聚丙烯酰胺（HPAM）。另一類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)也稱為聚合物溶液驅(qū)、聚合物強化水驅(qū)、稠化水驅(qū)和增粘水驅(qū)。三、聚合物對水的稠化能力

(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對水有優(yōu)異的稠化能力。

（1）超過一定濃度，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，形成擴散雙電層，產(chǎn)生許多帶電符號相同的鏈段（由若干鏈節(jié)組成，是鏈中能獨立運動的最小單位），使聚合物分子在水中形成松散的無規(guī)線團，因而有好的增粘能力。聚合物在通過巖心孔喉結(jié)構(gòu)時受到拉伸作用而引起構(gòu)象變化所引起的。聚合物對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規(guī)線團通過“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.通過減小水油流度比的機理，起提高原油采收率作用。根據(jù)流體流度的概念，可以寫出水油流度比的定義式：（4—2）七、聚合物驅(qū)提高原油采收率機理從式（4-2）可以看到，聚合物可通過對水的稠化，增加水的粘度和通過在孔隙介質(zhì)中的帶留，減小孔隙介質(zhì)對水的滲透率，達到減小水油流度比，增加波及系數(shù)，從而提高原油采收率的目的。

(圖4-5)是說明水油流度比對波及系數(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或兩個以上同一表面活性劑分子在親水基及其附近用聯(lián)接基團連接起來的表面活性劑。（1）低界面張力機理

（4-3）式中，

Ｗ——粘附功

——油水界面張力；

θ——油對地層表面的潤濕角。

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)。它是最簡單的表面的表面活性劑驅(qū)。活性水驅(qū)是通過下列機理提高原油的采收率：三、活性水驅(qū)（2）潤濕反轉(zhuǎn)機理

（3）乳化機理（4）提高表面電荷密度機理（5）聚并形成油帶機理

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。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，膠束溶液有兩個特點：一個是表面活性劑濃度超過臨界膠束濃度，因此溶液中有膠束存在；另一個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，它有兩種基本類型和一種過渡類型。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。

配制微乳需用三個主要成分和兩個輔助成分。三個主要成分是油、水和表面活性劑，兩個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，增加膠束對油或水的增溶能力。

配制微乳的電解質(zhì)可用無機的酸、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)是通過不同的機理提高原油采收率。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氣、二氧化碳氣、天然氣、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。。泡沫特征值是描寫泡沫性質(zhì)的一個重要物理量。泡沫特征值是指泡沫中氣體體積對泡沫總體積的比值。通常泡沫特征值是在0.52～0.99之間。泡沫特征值小于0.52時的泡沫叫氣體乳狀液。泡沫特征值大于0.99時的泡沫易于反相變?yōu)殪F。泡沫特征值超過0.74時，泡沫中的氣泡就公變成為多面體。（1）Jamin效應(yīng)疊加機理對泡沫，Jamin效應(yīng)是指氣泡對通過喉孔的液流所產(chǎn)生的阻力效應(yīng)。（2）增粘機理 泡沫粘度隨泡沫特征值的變化關(guān)系見圖4-17。泡沫驅(qū)是通過下列機理提高原油的采收率：泡沫粘度可用下面的經(jīng)驗式計算：當(dāng)泡沫特征值小于0.74時 （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

（4-5）（3）稀表面活性劑體系驅(qū)油機理二、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下列反應(yīng)產(chǎn)生，所以它們都可稱為潛在堿：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)或堿強化水驅(qū)。它們是一對緩沖物質(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，與也是一對有緩沖作用的堿體系。由于碳酸鈉與碳酸氫鈉可通過下面反應(yīng)對體系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)的對比1．低界面張力機理該機理認(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)機理復(fù)雜，至今已提出如下幾種機理解釋堿驅(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帶著通過地層。按此機理，堿驅(qū)應(yīng)有如下特點：2．乳化-攜帶機理3．乳化-捕集機理

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)它向前移動時，就被捕集，增加了水的流動阻力，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。按此機理，堿驅(qū)應(yīng)有如下特點：（1）可以形成油珠直徑相當(dāng)小的乳狀液；（2）通過乳化提高堿驅(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)對過程有不利影響。（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)對過程有有利的影響。4．由油濕反轉(zhuǎn)為水濕機理5．由水濕反轉(zhuǎn)為油濕機理

在堿含量高和鹽含量低的情況下，堿可通過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)油成分組合起來的驅(qū)動．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)動叫稠化堿驅(qū)或堿強化聚合物驅(qū)；表面活性劑+聚合物的驅(qū)動叫稠化表面活性劑驅(qū)或表面活性劑強化堿驅(qū)；堿（A）+表面活性劑（S）+聚合物（P）的驅(qū)動三元復(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

復(fù)合驅(qū)通常比單一驅(qū)動有更高的采收率。（圖4-24）是堿+聚合物的驅(qū)動與單純堿驅(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)動的驅(qū)油效果對比

（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）進行驅(qū)油試驗所得的結(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）堿溶液對油的流度比。

（2）聚合物對驅(qū)油介質(zhì)的稠化，可減小表面活性劑和堿的擴散速率，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-捕集機理）和（或）洗油能力（按乳化-攜帶機理）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)，它們在協(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)或粘土進行離子交換，起犧牲劑作用，保護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．烴類混相注入劑這類混相注入劑可按其中的含量分成