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文档简介
1、spe28811 澳大利亚油层情况下的co2泡沫驱研究摘要通过使用能产生泡沫的表活剂可能提高co2驱波及效率。该文描述了一种研究在澳大利亚油层情况下泡沫提高石油采收率的潜力的实验方法。使用实验室的实验台设备模拟这种情况。在一维的不含油的石英砂中实施了测定七种不同表活剂的发泡能力的初期试验。在含有轻质原油的石英砂中使用这些表活剂中的三种实施了进一步的实验。在模拟的由来自真实澳大利亚油层的砂岩构成的油层结构中进行了后来的实验。测定了一种表活剂能在澳大利亚现存的石油储层情况下产生稳定的泡沫。前言通过把气注入含油地层可能会提高一些地下油层的石油采收率。如果注入co2气体,它通过帮助维持生产中的地层压力
2、,向生产井驱替原油,及混相效果来提高采收率。然而,气驱采收率经常由于贫乏的空气和垂向波及效率而受限。这归因于比起他们要驱替的原油,气体的密度和粘度都很低。像其他流体一样,注入的气体将有沿着具有最小阻力的路径流动的趋势。它可能通过存在于油层中的任何裂缝和高渗透率夹层。在那些不包含这样的特性的油层中,较轻的注入剂将趋于沿着油层的顶部形成自己的通道,即众所周知的一个现象“重力上窜”。一旦气体在生产井中突破了,气量日益增多将流过这些高渗透率通道,直到产出气油比高到不经济的地步。通过基于表活剂的方法能改善波及效率和延迟突破,从而能缓和这些问题。由bond等人首先提出了连续注入表活剂水溶液和气体来产生泡沫
3、。在气体波及通道内形成的泡沫会把后续注入的气体转向油层中明显未波及的富油区。进一步研究了该方法,在实验室和现场都获得了大量的成功。本着把该技术应用到澳大利亚外国油田的目标进行了该研究。该项研究研究了在澳大利亚油层的高温条件下表活剂与co2产生泡沫的能力。开发了一种实验室模型来模拟澳大利亚油层中的极限条件。该文章描述了记录泡沫通过岩石孔隙的运动的高压设备的设计与开发。研究了温度、盐水浓度和油层岩石对于所选的七种表活剂的发泡能力的影响。实验设备和步骤实验设备用于该研究工程所造的实验设备必然包括四个主要部分:填砂模型,注入系统,生产系统和数据获得系统。图1表示了展示设备主要部件的简图。填砂模型通过用
4、干净的石英砂紧实地填入不锈钢管形成了一维填砂模型。厚,无焊缝及接头锁紧螺母端封允许填砂模型承受6mpa的压力。适合每一个管子堵头的烧结的青铜板片把砂子保留在管中,并且支持流体平均分配地进出填砂模型。测压孔被固定在沿着水平管的一端100mm处和每一个管子堵头处。每一个测压孔都连接了一个过滤器以防止砂子侵入承压管线。连接到排液管线的validyne差分压力传感器允许测量随着时间和与模型入口的距离变化而变化的填砂模型内的压力。当信号大小随着泡沫强度增加而增加时,一个重要的压力响应指示了泡沫的出现。填砂模型在油浴内完全浸没了。通过精确控制油浴内的原油温度来模拟油层温度。通过使用fisons haake
5、温度控制泵同时给原油加热和循环完成了这个工作。该加热的石油,是一种壳牌石油,仔细地选择允许温度达到210的加热器以应用到模型中。使热电偶处于油浴的末端和三个测压孔中来监测石油和填砂模型的温度。通过调整填砂模型出口处的回压调节器可能模拟4mpa的油层压力。注入系统注入系统的平面图见图2。通过预热线圈在进入填砂模型之前,合并了co2和表活剂溶液注入管线。brooks气体流量控制器精确地把气体注入填砂模型的速率控制为3slpm。使用acromet计量泵把表活剂溶液计量进入填砂模型。阀系统允许在注入开始之前向泵和注入管线灌注预定的溶液。在每个实验之前,使用同样的计量泵向填砂模型中注入油或水。水可能直接
6、通过泵注入,油间接通过一个垂直的压力导管注入。这个导管最初充满了油。通过把水泵入垂直导管的底部把油驱替进入填砂模型。该技术允许不使用第二个泵给填砂模型饱和油。一系列回压阀防止了主要注入管线中的逆流,以防止气体流量控制计被液体侵入。co2加热器的目的很简单。当气体从底部膨胀起来,它蒸发掉任何可能夹带在气体中的液体。生产系统在通过回压调节器之前,通过一个简单的热交换器冷凝了残留在填砂模型上的排放液体,收集液体为以后可能的分析。数据获得使用计算机控制的数据获得系统来监测和记录实验过程。随同来自指示注入气流量的气体流量控制器的信号一起,所有的系统热电偶和压力传感器被连接到一个datataker 200
7、 数据记录器上。该数据记录器通过一个与ibm兼容的个人计算机来控制。每隔一分钟扫描数据且在屏幕上显示,然后储存在磁盘上用于后续分析。包括泵注入量和表活剂细节的其他数据主要记录在一个操作记录本上。表活剂该研究中使用的七种表活剂列于表1。这些表活剂包括由hoechst,sst 澳大利亚和bdh化学品公司提供的商业上可行且能用于实验的样品。选择测试过的表活剂是因为他们代表了化学结构的一个范围。在选择过程中,随同其他研究者的结果一起,也考虑了供应的可行性。a型表活剂是hostapur sas93,在澳大利亚由hoechst销售的一种二代烷烃磺酸钠盐。shallcross等人表明在加利福尼亚蒸汽驱条件下
8、该表活剂产生了一种强大的、稳定的泡沫。b型f型表活剂由澳大利亚sst提供。他们包括c12乙氧基化醇,两种c12烷基链和c12c14烷基链的硫酸盐乙氧基化醇以及一种羧化的c13乙氧基化醇。包括了f型表活剂,一种以前没有测试过的磷酸酯c12乙氧基化醇,是因为预期磷酸酯能产生一种稳定的泡沫。g型表活剂是十二烷基苯磺酸钠,源自于bdh化学剂公司。填砂模型准备填砂模型要准备清洁的石英砂或是油层岩石。石英砂从中国海洋技术公司的工业用矿物得到。油层岩石是一块取自一个中心澳大利亚油层的岩心样品。石英砂在盐酸、氨和过氧化物溶液中彻底地清洗以除去砂子中的任何有机杂质。砂子被很好的清洗,然后分级,按照以下的比例混合
9、:0.1780m0.2500m 10.8wt%0.2500m0.3150m 39.6wt%0.3150m0.4166m 34.6wt%0.4166m0.5309m 15.0wt%油层岩石被机械压碎,分级成用于石英的相同的尺寸分布。填砂模型是把测量的小质量砂子填入模型,在出口端密封。砂子通过用一个软木锤敲击金属管来固定。这确保了填砂模型的孔隙度和渗透率低但是可重复。在钢管装入砂子且入口用端帽固定之后,测试管线的承压,测定填砂模型的渗透率。遵循以上的步骤,使用清洁的石英砂的填砂模型的孔隙度肯定是在33.033.8%,渗透率的范围是2431达西。使用油层岩石的填砂模型的孔隙度肯定是在41.041.4
10、%,渗透率在1521达西。实验过程实验过程包括以下解释的四个主要步骤。饱和填砂模型在没有原油的情况下运转,填砂模型开始饱和蒸馏水,不含任何气体。在每一次运转开始之前校正压力传感器。在有油的情况下的后续运转,在校正压力传感器之后填砂模型饱和油。首先通过把油浴加热使填砂模型的温度上升到实验温度来完成饱和。把已知体积的原油注入到填砂模型中,回压为3000kpa。使蒸馏水流过填砂模型直到所有的剩余油被排出。注入最小体积250ml的原油确保在实验条件下达到含油饱和度。实验使用的原油源于澳大利亚的一个油田。开始实验把回压调节器设置到预定的水平,通常为3000kpa,通过注入蒸馏水使系统达到该压力。打开原油
11、加热器/泵,温度逐渐上升到设置的温度。数据获得程序和注入co2同时开始。一旦气体突破,开始连续注入表活剂溶液。突破通常花费大约12分钟。结束实验在实验期间,泡沫开始了就能得到来自压力传感器的信号。当泡沫达到它的最大强度时,或者如果18小时后泡沫还没有产生的话,停止实验。停止注入表活剂溶液和气体。用蒸馏水冲洗填砂模型以洗去表活剂溶液。为下一次使用填砂模型做准备。清洗填砂模型同样的填砂模型可以用很多次。因此每一次使用之后有效的清洗填砂模型是重要的一步。表活剂溶液和以前使用的类型相同,和以前使用的溶液的强度相等或更高的话,要一整晚都用蒸馏水清洗模型。若研究的表活剂浓度是新的或者更差,填砂模型用蒸馏水
12、清洗之后,再注入3pv的异丙醇清洗,之后再注入更多的水冲洗。油层和模型用异丙醇清洗只能使一次,它会改变砂子的矿物属性。实验程序在100多个实验的过程中,测试了七种表活剂的发泡能力。第一步,把表活剂注入到不含油的清洁的石英砂填砂模型中。在以下的条件下,在第一个例子中实验正常进行。温度 140回压 3.0mpa液体的注入流量 3.0l/min 气体的注入流量 2.00slpmnacl浓度 1.0wt%最初使用的表活剂浓度为0.10wt%。浓度增加到0.25wt%,0.50wt%,和1.00wt%使其发泡,或者观察任何在泡沫强度和稳定性方面的影响。把以最低的溶液强度获得了好的泡沫作为特定的表活剂的基
13、本情况。在这个浓度下通过改变标准情况进行了另外的实验来研究温度和矿化度的影响。测定那些产生泡沫的表活剂之后,在有油的情况下重新测试这些表活剂。在基本情况下,使用清洁的填砂模型进行了实验,表活剂溶液的浓度是1.00wt%。这一步之后测试成功的表活剂最终在油层填砂模型中测试。在有油和没油的情况下都进行了这些测试。结果和讨论实验进行的第一步见表2。不用b,d,e型表活剂作实验,因为在实验所研究的任何情况下这些表活剂都不起泡。在140时,使用包含0.10wt%hostapursas93和1.0wt%nacl的溶液进行了实验a101。图3表示了在填砂模型中每经过500mm压降的变化。该图指出在开始注入表
14、活剂后238分钟时,在填砂模型的上游段开始产生泡沫,且在3分钟之内传播到整个填砂模型中。表活剂浓度增加到0.25wt%,在一定条件下做了三次实验(a111,a114,a115)。图4表示了在a115中观察到的该段压降。在实验开始10分钟之后在上游段观察到了泡沫。在上游段泡沫是最差的,在填砂模型中更进一步泡沫越来越强,但是在最后一段处泡沫轻微地减弱。这三个实验产生的泡沫强度相似,且指出实验是可重复的的泡沫行为也是相似的。0.10wt%的hostapur sas93表活剂的强度较差,在行为上和0.25wt%的溶液是相似的,但是整体的泡沫强度较差,发泡的开始明显延迟。溶液浓度的影响实验a132使用的
15、表活剂浓度为1.00wt%.在该实验中通过整个钢管得到的压降是970kpa,比在一些表活剂浓度较低时观测到的压降稍低一点。假设使用表活剂c和g做实验时对其进行相似的观测,发现仅仅在一个范围内泡沫的强度取决于表活剂的浓度。增加表活剂的浓度将会导致较强的泡沫。在这点之外,看起来好像或者没影响或者有点不利的影响。要求较高浓度的进一步实验来证实最后的建议。然而,发现和maini及ma所作的工作是一致的。通过在上升的温度和压力下进行简单的泡沫体积衰减测试发现:相关于最大程度泡沫稳定性的最优表活剂浓度可能存在。holcomb等人指出:观测到的临界点,在其之外压降不再增加,是临界胶束浓度(cmc)。除了表活
16、剂浓度对于泡沫强度的小的影响,现场要求产生泡沫的时间有影响。图5图解了泡沫开始的时间表活剂a,c,g的浓度。当使用的表活剂浓度越大,产生泡沫所要求的时间越少。或许表活剂浓度最大的影响是在产生的泡沫稳定性上。两天之内可能分析实验中产生的泡沫的稳定性。首先,泡沫不稳定性在压降迹线中显示为噪音。图6展示了实验c102和c131经过填砂模型的整体压降。这两个实验都是在140,1.0wt%nacl条件下进行的,c12 乙氧基化醇硫酸盐的浓度分别是0.10wt%和1.00wt%。在更稳定的泡沫中较强的溶液结果如减少的噪音所指出的。考虑泡沫稳定性的第二种方法是仅仅检查上游段的压降。在这个段中产生泡沫,所以泡
17、沫最不稳定。由于这个不稳定性,这里的压降比其他段中的低一些。因此仅仅在第一阶段中根据压降的幅度考虑在特定条件下产生的泡沫的相对稳定性。图3和图4 例证了a型表活剂溶液浓度越高,稳定性增加。温度的影响进行了研究温度对于泡沫强度和稳定性的影响的实验,溶液中nacl浓度为1.0wt%,140,最低浓度时,表活剂会产生强且稳定的泡沫。使用a型表活剂进行的实验表明该表活剂在温度上升到大约150时产生了稳定的泡沫。150以上时没形成泡沫,可能是因为在温度上升的情况下表活剂的热不稳定性。150以下,泡沫强度好像和温度无关。比较而言,图7中例证的实验c111,c331和c241的结果清晰地表明c型表活剂产生的
18、泡沫的强度随着温度增加而减少。泡沫强度和温度的相关性随着表活剂的类型而变化。muijs等人表明对于很多种表活剂也存在最佳温度。看起来在所测试的范围内hostapur sas93很理想地适合很多温度。电解质浓度的影响几个工作人员观察到表活剂产生泡沫的能力取决于溶液中的电解质。目前电解质在所有石油储层的原生水中。因为这些原因,所有以上的实验是在溶液中nacl浓度为1.0wt%的条件下进行的。通过在140使用恒定浓度的表活剂和改变nacl的浓度进行实验来研究电解质浓度对于泡沫强度的影响。有趣的是,发泡的四种表活剂对现有的盐水浓度展示了不同的耐受度(图2)。f型表活剂是唯一一种在没有nacl的情况下发
19、泡的表活剂。该表活剂也是所研究的四种表活剂中唯一的一种在任何电解质浓度下不发泡的表活剂。a型表活剂明显不受电解质浓度的影响,但是产生泡沫要求nacl的浓度至少是1.0wt%。c型表活剂指出电解质浓度越大,得到的泡沫强度越强。g型表活剂表示nacl的最优浓度是1.0wt%。该研究得到的结果指出:电解质浓度即使是很小的改变也能对泡沫强度和稳定性有破坏性影响。预期电解质组成能改变表活剂的发泡能力。在现场试验之前,需要在油层天然的电解质情况下对表活剂进行实验室研究。填砂模型中含油的影响因为f型表活剂在140的基本情况下不能产生很强的泡沫,所以研究石油和油层砂岩的影响的实验没有进行。f型表活剂也是对电解
20、质没有耐受力。大部分澳大利亚油层的温度比140还要高,且天然存在电解质,所以这种表活剂不适合用于澳大利亚油田。在含有原油的填砂模型中测试a,c,g型表活剂。表3总结了这些实验。图8图9 表示了实验ao131的压降响应曲线(a型表活剂)。与在含油情况下进行的实验(实验a132)所得到的泡沫强度相似。比较而言,泡沫沿着钢管传播的速度非常慢,花费了将近4天传播了50cm。这有一部分原因是因为表活剂进入了油。如果一些表活剂以这种方式丢失了,那么发泡的可行性就小了。在实验期间,观察到油从模型中被驱出。表活剂溶液本可以用作一种化学驱来驱替出填砂模型中一部分的捕集油。可能直到含油饱和度足够低的话才能够形成泡
21、沫。当一些油从填砂模型的上游段中被驱出之后,直到含油饱和度降低到某一点就产生泡沫了。因此,把前缘的一些油驱替到出口的表活剂层可以优先于前进的泡沫前缘。作为选择,原油可能由于泡沫的压力梯度从填砂模型中被驱出。这可能解释了当含油饱和度和泡沫传播是相互关联时泡沫传播的延迟。如果泡沫在气体波及区产生且把气体转向油层的富油区,在现场这可能是一种优势。实验结束后,打开模型可以看到砂子中还有一些油。这指出a型表活剂是能耐油的,有油存在时能够产生泡沫。c和g型表活剂在进行的有油存在的驱替实验期间,在填砂模型的任何部分都不产生泡沫。实验运行至少24小时。油层砂岩的影响实施实验at131测试a型表活剂在用压碎的油
22、层岩石填充的模型中产生泡沫的能力。表3总结了在这种条件下进行的实验。在该实验期间,泡沫立即产生了但是花费了大约20分钟在填砂管中传播。比起在清洁石英砂填砂管中进行的实验(a132),泡沫更强但是稍微有点不稳定,这由较低上游段的压降指示出的。在泡沫强度与稳定性上和实验a132的结果是相似的,然而泡沫传播速度有轻微地不可忽略地降低。这个成果和测出砂岩的离子交换能力很低的结果是一致的。由于表活剂溶液和地层粘土之间的阳离子交换,表活剂在油层砂岩中的传输被充分地延迟。油层砂岩和石油的联合影响使用a型表活剂进行了最后的实验,表活剂浓度为1.00wt%,包含1.0wt%的nacl,将表活剂溶液注入预先用油驱
23、替过的由油层砂岩组成的模型。表3总结了aot131。图8把这次实验的总压降和在清洁石英砂填砂模型中进行的相同的实验(ao131)的总压降进行了比较。在这两个实验中,在传播到下游段之前,开始仅仅在模型的上游段产生了泡沫。油层砂岩填砂模型中的泡沫前缘以2.95mm/hr的速度沿着钢管前进,几乎是石英砂填砂模型中泡沫前缘的速度的一半。这可以归因于早先描述的阳离子交换。所用的油层砂岩的离子交换能力非常低。其他具有相对高的离子交换能力的砂岩可能归因于效率低的泡沫传输速度。泡沫前缘的推进速度见图10。尽管泡沫在油层砂岩填砂模型中的传播较慢,图8表明其产生的泡沫比在石英砂填砂模型中产生的泡沫更强且稳定性稍微差些。该结果和以前阶段的发现一致。在有油和没油存在的情况下,油层砂岩都对a型表活剂的发泡能力有一点小的影响,但是无效。原油降低了泡沫的传播速率。化学结构的影响包括muijs等人和shallcross等人的工作人员表明一种特定结构的表活剂的发泡能力随着烷基链长度的增加而增加。因此可能预计:因为c型表活剂产生泡沫,那么具有相同化学结构的更长烷基链的表活剂,d型表活剂,将会产生更强的泡沫。尽管这样,
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