表面活性剂提高油田污水回注效率的机理研究

【摘要】油田注水开发中后期大量污水产生,目前胜利油田油井产液量为86.7×104m3/d,综合含水92%,产水量为79.8×104m3/d。从地下采出的油田污水均需再次回注地下油藏用于驱替原油,从而实现污水的循环再利用。从地下采出的污水中含有原油、固体悬浮物、细菌以及大量的无机盐,在油田污水回注过程中主要存在两个方面的问题：一方面由于中低渗透油藏储层物性差、渗透率低、微孔隙发育、渗流阻力大等原因,在油田污水回注过程中普遍存在水井注水压力高、注水量小和水驱采收率低等问题。采用表面活性剂提高油田污水回注率是补充地层能量,提高油井产能的新方法。表面活性剂通过改善油/水界面和岩石/水界面活性,提高油水两相在地层中的渗流能力,降低污水回注压力,增加污水回注量。该研究在减少污水外排,实现污水注采良性循环以及中低渗油藏高效开发等方面具有重要意义。另一方面污水是导致化学驱油体系中聚合物溶液粘度损失的主要原因。在化学驱油过程中,通过投加大量的聚合物增加注入水粘度是提高原油采收率的主要手段。然而,污水中各种复杂的化学组分对聚丙烯酰胺分子的降解作用导致聚合物溶液在配制和注入过程中溶液粘度下降,驱替相的流度控制能力变差,驱油效率降低,进而限制了该项技术在油田的推广应用。本文在大量文献调研和文献分析基础上,从界面力学研究入手,分析油水两相在地层微孔隙中的渗流阻力和渗流特征；通过扫描电镜技术分析聚丙烯酰胺分子链的空间构象,研究聚丙烯酰胺分子降解机理。探索表面活性剂提高污水回注量及其驱油效率的内在机制,为实现油田污水循环再利用和中低渗油藏高效开发提供理论指导。主要研究内容及结果如下：1.采用物理模拟实验技术和核磁共振技术,分析了水驱油过程中的毛管阻力、贾敏效应、岩水界面摩阻和水驱毛管数与表面活性剂物化特性的相关性。研究结果表明,在水驱油过程中,用于提高低渗油藏注水能力的表面活性剂并非界面活性越高越好。在史深100油藏条件下,当活性剂体系将油水界面张力降至4×10-2～2×10-2mmN/m时,注水压力降幅最大达到75%。2.合成并提纯了不同种类阴离子表面活性剂,并分别测定了其主要物化性能,包括表面活性剂的表面张力(γcmc)、临界胶束浓度(cmc)、界面饱和吸附量、pC20、表面压、Gibbs吸附能。研究结果表明：(1)对于单一体的阴离子磺酸盐类表面活性剂,仅石油磺酸盐(SHL-PS、KAQ-PS)、C2024AOS、C18AESO-3可以在较短时间内使动态界面张力瞬时达到10-3mN·m-1数量级,甚至10-4mN·m-1数量级,平衡界面张力维持在10-2mN·m-1数量级。其它表面活性剂因亲水性较强,因此油水界面张力较高,一般分布在10-1mN/m或更高数量级。(2)在以C2024AOS为主的二元体系中,按协同增效作用从小到大的排列顺序为：C2024AOS/C416AOS<C2024AOS/C16AESO-3<C2024AOS/Dow8390,由此可初步认为：亲水基体积小的阴离子表面活性剂与亲水基体积大的阴离子表面活性剂的协同增效效果相对较好,而两种亲水基体积小的阴离子表面活性剂之间协同增效效果不明显。(3)在以石油磺酸盐为主的二元体系中,在C1416AOS/SHL-PS复配比例为1：19时,产生了较强的协同效应,其动态界面张力始终维持在10-3mN/m；不同EO数C18AESO均可以与SHL-PS发生协同增效效应,将界面张力降低到10-3数量级,三者瞬时最小动态界面张力的大小顺序为C18AESO-3<C18AESO-5<C18AESO-7。鉴于C18AESO与C1416AOS的亲水性大小和分子结构具有显著的不同,推断两个复配体系在降低界面张力的机理上是有所差别的。3.考察了几组阴离子表面活性剂及复配体系的物化性能(γcmc、cmc)与应用性能(界面张力、乳化性能、油膜粘附功、岩石润湿性、洗油率)之间的相关性。研究结果表明：(1)对于不同种类的磺酸盐表面活性剂,总体来看,临界胶束浓度越低,界面张力亦较低,二者大体上呈正相关性。(2)不同表面活性剂水溶液的表面张力与其界面张力间无明显的关联。(3)降低临界胶束浓度,有利于提高乳化性能,但不同系列表面活性剂的临界胶束浓度与乳化指数之间无明确的对应关系。适度增加疏水链长度,有利于提高乳化力；EO数增加,不利于乳化。(4)表面活性剂的表面张力与乳化性能无相关性。(5)不同系列表面活性剂水溶液的表面张力与接触角、粘附功基本上呈正相关性,即在同一亲油固体表面上的接触角随表面张力降低而减小,但分子结构不同,润湿反转的能力不同。(6)表面活性剂的临界胶束浓度与油膜粘附功及润湿性之间无相关性。(7)对于亲油表面而言,界面张力和乳化对洗油率的影响程度不及润湿性。换言之,当润湿性处于中性润湿状态时,驱油效率最高。(8)较低的界面张力、较高的乳化能力和中等润湿状态均有利于提高驱油效率,且三者的贡献具有加合性。(9)不同分子结构的表面活性剂对原油和石蜡的洗脱能力明显不同。脂肪醇聚氧乙烯醚磺酸盐表面活性剂能有效洗出原油中的芳烃类组成,而对石蜡类物质的洗脱能力较低,Dow8390对石蜡的洗脱能力较高。4.采用单因素分析法系统研究了油田污水中的各水质参数对聚合物溶液粘度的影响。采用正交实验分析法研究了各水质参数在降低聚合物溶液粘度过程中的协同作用以及影响聚合物溶液粘度的主要水质参数。研究结果表明：(1)油田污水中含有大量的金属离子,这些金属离子对聚合物溶液粘度具有不同程度的影响,阳离子对聚合物溶液粘度的影响程度由大到小的为Fe2+>Fe3+>Ca2+、Mg2+>Na+、K+。(2)油田污水中的Fe2+、S2等离子具有还原性,这种离子对聚合物溶液粘度的影响远大于其它离子,它们对聚合物溶液的粘度的影响与溶解氧的存在有密切的关系。在密闭条件下,Fe2+、S2对聚合物溶液粘度的影响较大;当的溶解氧一定浓度时,污水中的Fe2+、S2大幅度减少或消失。5.采用红外光谱和扫描电镜分析方法,探讨了污水降低聚合物溶液粘度的机理。研究结果表明：(1)Na+、K+、Ca2+、Mg2+引起聚合物溶液粘度下降的原因是Na+、K+、Ca2+、Mg2+所带的正电荷,具有屏蔽聚丙烯酰胺分子羧酸基上负电荷的能力,从而使聚丙烯酰胺分子发生去水化作用,分子链收缩,导致聚合物溶液粘度降低,其中Ca2+、Mg2+因为具有较多的电荷而且Mg2+、Ca2+易与羧酸基相结合且不易电离,导致聚合物溶液粘度降低程度更大。(2)Fe2+对聚合物溶液粘度的影响由Fe2+的氧化还原反应引起。它在水中与氧发生反应生成氧自由基,同时在水的存在下生成过氧化物,诱发一系列的自由基链反应,从而使聚丙烯酰胺分子链断裂,聚合物溶液的粘度降低。S2-的影响机理与Fe2+相类似。要想保持聚合物水溶液粘度的稳定性,必须改善聚丙烯酰胺分子的空间效应,增加聚丙烯酰胺分子的电荷密度,增强聚丙烯酰胺分子链节的静电斥力,增加聚丙烯酰胺分子的溶剂化作用。以增强聚合物溶液粘度稳定性为主要功能的表面活性剂配方设计可以从这三方面攻关研究。6.针对油田污水对聚合物溶液粘度的影响,研制了三种表面活性剂配方进行水质改性,将污水配制的聚合物溶液粘度从12.5mPa·s提高至30mPa·s以上,实现了油田污水在化学驱油单元的资源化利用。
【作者】马宝东；
【导师】高宝玉；
【作者基本信息】山东大学，环境工程，2014，博士
【关键词】油田污水；表面活性剂；资源化再利用；驱油效率；提高采收率；聚合物；粘度；

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