油田化学第4章 采油化学ppt课件.ppt

油田化学,第二篇 采油化学,前言一、采油中存在的问题,1.油层问题 采收率低 油层的化学改造（提高原油采收率）2.油水井问题 砂、蜡、水、稠、低 油水井的化学改造（增产增注）,二、原油采收率,1.原油采收率的定义原油采收率波及系数洗油效率 2.提高原油采收率的途径 有两个途径：提高波及系数；提高洗油效率。,3.波及系数,波及系数的定义驱油剂波及到的油层容积与整个含油容积的比值。影响因素：不均质性、水油流度比提高波及系数的主要方法：改变驱油剂和（或）油的流度。流度是流体通过孔隙介质能力的一种量度,4.洗油效率,洗油效率的定义 驱油剂波及到的油层所采出的油量与这部分油层储量的比值。提高洗油效率方法 改变岩石表面的润湿性和减小毛细管阻力效应的不利影响。,三、改造油层的方法,化学驱油法（化学驱）聚合物驱油法（聚合物驱）表面活性剂驱油法（表面活性剂驱）碱驱油法（碱驱）混相驱油法（混相驱）烃类混相驱油法（烃类混相驱）非烃类混相驱油法（非烃类混相驱）热力采油法（热采）蒸汽驱油法（蒸汽驱）油层就地燃烧法（火烧油层）,第一节 聚合物驱,第四章 油层的化学改造,一、定义,聚合物驱是以聚合物溶液为驱油剂的驱油法。也称为：聚合物溶液驱聚合物强化水驱稠化水驱和增粘水驱。,二、聚合物驱用聚合物,1.部分水解聚丙烯酰胺（HPAM）,2、黄胞胶（XC），生物聚合物,三、聚合物驱提高采收率原理,聚合物驱是通过减小水油流度比的机理，抑制水的指进，提高波及系数，从而提高原油采收率。,驱替水在某个方向产生突进，以类似于手指插入的方式进入油层，此现象被称为指进。,K1K2K3,1.水油流度比,（1）水油流度比的定义,（2）流度比和波及系数的关系,2.聚合物降低水油流度比的原因,（1）增加水的粘度超过一定浓度，聚合物分子互相纠缠形成结构，产生结构粘度。聚合物链中的亲水基团在水中溶剂化（水化）。若为离子型聚合物，则可在水中解离，形成扩散双电层产生许多带电符号相同的链段（由若干链节组成，是链中能独立运动的最小单位），使聚合物分子在水中形成松散的无规线团，因而有好的增粘能力。,（2）减小孔隙介质对水的渗透率 通过滞留减小孔隙介质对水的渗透率，滞留的两种形式:吸附 聚合物吸附是指聚合物通过色散力、氢键等作用力而聚集在岩石孔隙结构表面的现象。捕集 聚合物捕集是指直径小于孔喉直径的聚合物分子的无规线团通过“架桥”而留在孔喉外的现象,四、聚合物区段塞图,五、盐敏效应,盐加入后，盐对扩散双电层的压缩作用，使链段的负电性减小，HPAM分子形成紧密的无视线团，因而对水的稠化能力大大减小,六、一个现场实例,聚合物配注工艺 目前使用的聚合物地面配注工艺系统为集中配制、分散注入工艺。,聚合物驱地面流程,孤东油田七区中注聚工艺流程示意图,聚合物熟化罐,聚合物溶液注入设备,第二节,表面活性剂驱,1、表面活性剂 加入少量就能降低溶液的表面张力的物质。它具有润湿、乳化、起泡和洗涤等作用。,基本概念,烷基苯磺酸钠,洗洁精脂肪醇聚氧乙烯醚烷基苯磺酸钠,2、表面张力 引起液体表面自动收缩的单位长度上的力。单位为：mN/m或N/m。,2005年度科学幻想摄影奖作品爱因斯坦年奖(Einstein Year Award):第1名“表面张力”(Surface tension);作者:罗伯特安德森(Robert Anderson),水黾（mian)在清水里 清水中加入洗衣粉后水黾下沉,水黾的长腿能在水面上压出凹陷，水的凹陷曲面上存在的水的表面张力的合力是大体向上的，这也是平衡重力或水黾跳跃时向下冲力的原因。,3、临界胶束浓度 当表面活性剂在溶液中超过一定浓度时，会从单个的离子或分子缔合成为胶态聚集物，也就是胶束。此时溶液性质发生突变，溶液形成胶束时的浓度称为临界胶束浓度。,4、表面活性剂的亲水亲油平衡值 HLB值（HydrophileLipophile Balance）：表面活性剂分子中亲水基的强度与亲油基的强度之比值，就称为亲水亲油平衡值，简称HLB值。通常将亲油性强的油酸的HLB值规定为1，而将亲水性强的油酸钠的HLB值规定为18。以这两个值为标准，就可以相对的确定每种表面活性剂的HLB值。HLB值越大，亲水性越强。,一、表面活性剂驱的定义、分类,1.定义 以表面活性剂体系作为驱油剂的驱油法2.表面活性剂体系稀表面活性剂体系（c2%)水外相微乳油外相微乳中相微乳,活性水驱胶束溶液驱微乳驱泡沫驱乳状液驱,表面活性剂驱,二、表面活性剂驱用活性剂,1.磺酸盐型表面活性剂,2.羧酸盐型表面活性剂,3.聚醚（非离子）型表面活性剂,4.非离子-阴离子型两性表面活性剂,三、活性水驱,1.活性水驱的定义 以活性水作为驱油剂的驱油法叫活性水驱。活性水：属稀表面活性剂体系，其中的表面活性剂浓度小于临界胶束浓度。,润湿性：表面被流体润湿（铺展）的情况。,分类：亲水性、亲油性、两性润湿,接触角：沿气液固三相交点对液滴表面所作切线与液固界面所夹的角，通常用q表示,若q 90，说明液体对固体润湿性不好，如汞在玻璃表面；,若q 90，液体对固体润湿性好，如水在洁净的玻璃表面。,若q=0，液体对固体完全润湿。,若q=180，液体对固体完全不润湿。,2.活性水驱提高采收率的原理,（1）低界面张力机理 表面活性剂在水油界面吸附，可以降低水油界面张力,由于表面活性剂可以使降低，改变润湿性，并使增加，使油滴从岩石表面拉开所需的粘附功大大减少，从而提高了活性剂的洗油能力。,（2）润湿反转机理,驱油用的表面活性剂的亲水性大于亲油性，它们在地层表面吸附，可使亲油的地层反转为亲水表面，油对地层表面的润湿角增大，导致粘附功减小，洗油效率提高。,贾敏效应：当液滴或气泡（液-液或气-液不相混溶的两相）在通过狭窄的孔隙喉道时，由于发生变形而流体流动产生附加阻力的现象。,（3）乳化机理,驱油用的表面活性剂的HLB值一般在718范围，可稳定水包油乳状液。乳化的油在向前移动中不易重新粘附回地层表面，提高了洗油效率。乳化的油在高渗透层产生叠加的Jamin效应，可使水较均匀地在地层推进，提高了波及系数。,（4）提高表面电荷密度机理,活性剂的吸附提高了表面的电荷密度,增加了油珠与岩石表面的静电斥力,油珠易被带走,提高了洗油效率。,若从地层表面洗下来的油越来越多，则它们在向前移动时可发生相互碰撞。当碰撞的能量能克服它们之间的静电斥力时，就发生聚并。油的聚并可形成油带。,（5）聚并形成油带机理,油的聚并可形成油带，这些油带在继续向前移动时又不断将遇到的分散的油珠聚并起来，使油带不断扩大，最后从井底采出来。,四、胶束溶液驱,1.胶束溶液驱的定义 以胶束溶液作驱油剂的驱油法叫胶束溶液驱。胶束溶液：属稀表面活性剂体系，其 中表面活性剂浓度大于临界胶束浓度，但其质量分数不超过210-2。,2.胶束溶液的配制,表面活性剂加入醇（如异丙醇、正丁醇）（或）盐（如氯化钠）醇和盐等助剂的加入为了调整油相和水相的极性，使表面活性剂的亲油性和亲水性得到充分平衡，从而最大限度地吸附在水油界面上，产生超低界面张力（小于10-2Nm-1的界面张力），强化了胶束溶液驱油的低界面张力机理。,3.胶束溶液驱提高采收率机理,具备活性水驱的全部机理由于活性剂的浓度较高，而且醇和盐的存在，界面张力可以降到超低，强化了低界面张力机理。,五、微乳驱,1.微乳的分类水外相微乳 水外相微乳用水溶性表面活性剂配得 溶有油的表面活性剂胶束分散在水中所形成的分散体系油外相微乳 油外相微乳用油溶性表面活性剂配得 溶有水的表面活性剂胶束分散在油中所形成的分散体系中相微乳,2.微乳类型的相互转化,微乳类型决定于：活性剂的类型、使用温度、油的性质（如烃的碳数）、水中的电解质（种类和浓度）、体系中的助表面活性剂（种类和浓度）,3.微乳与乳状液的区别、转化,微乳：热力学稳定体系，油水间不存在相界面乳状液：热力学不稳定体系，油水间存在相界面,4.微乳的配制,三个主要成分油：原油或它的馏分（如汽油、煤油、柴油）水：淡水或盐水 表面活性剂：阴离子型、非离子型和非离子阴离子型表面活性剂，最好用石油磺酸盐（钠盐或铵盐）两个辅助成分助表面活性剂：最好用醇，也可用酚调整水和油的极性，参与形成胶束，增加胶束增溶能力 电解质：无机的酸、碱、盐，但最好用盐 减小表面活性剂和助表面活性剂极性部分的溶剂化程度，使胶束在更低的表面活性剂浓度下就可形成，可使微乳与油或水产生超低界面张力,5.微乳驱提高采收率机理（水外相为例）,当微乳与油层接触时，由于它是水外相，可与水混溶（均相），而它的胶束可增溶油，所以也可与油混溶（均相），混相微乳驱当微乳进入油层并当油在微乳的胶束中增溶达到饱和，微乳与被驱动油之间产生界面。这时，混相微乳驱就转变为非混相微乳驱当微乳进一步进入油层，被驱动油进一步进入胶束之中，原来的胶束转化为油珠，水外相微乳转化为水包油乳状液。,微乳与水和油没有界面无毛细管阻力，提高了波及系数；微乳与油完全互溶提高了洗油效率。,6.微乳驱段塞图,预冲洗段塞：盐水段塞（除去地层中Ca2+、Mg2+等可交换阳离子），或是牺牲剂段塞减少表面活性剂在地层中的损耗）聚合物段塞提高波及系数。,六、泡沫驱,1.泡沫驱的定义是以泡沫做驱油剂的驱油法。2.泡沫配制水：淡水，也可用盐水 气：氮气、二氧化碳气、天然气、炼厂气或烟道气 起泡剂：主要是表面活性剂 在起泡剂中还可加入适量的聚合物提高水的粘度，从而提高泡沫的稳定性。,3.泡沫性质,（1）泡沫特征值 指泡沫中气体体积对泡沫总体积的比值。通常泡沫特征值在0.520.99之间。泡沫特征值小于0.52时的泡沫叫气体乳状液。泡沫特征值大于099时的泡沫易于反相变为雾。泡沫特征值超过0.74时，泡沫中的气泡就会变成为多面体。,泡沫特征值与采收率关系,（2）泡沫粘度,当泡沫特征值小于0.74时,当泡沫特征值大于0.74时,泡沫的粘度来源于:相对移动的分散介质液层间的内摩擦分散相间的相互摩擦 泡沫特征值超过一定数值（0.74）时，分散相开始互 相挤压、引起气泡变形,泡沫粘度急剧增加,4.泡沫驱提高采收率原理,（1）Jamin效应叠加机理 对泡沫，Jamin效应是指气泡对通过喉孔的液流所产生的阻力效应。当泡沫中气泡通过直径比它小的喉孔时，就发生这种效应。Jamin效应可以叠加，所以当泡沫通过不均质地层时，它将首先进入高渗透层。由于Jamin效应的叠加，所以它的流动阻力逐渐提高因此，随着注入压力的增加，泡沫可以依次进入那些渗透性较小，流动阻力较大而原先不能进入的中、低渗透层，提高波及系数。,（2）增粘机理 由于泡沫有大于水的粘度，所以它有大于水的波及系数，因而泡沫驱有比水驱高的采收率（3）稀表面活性剂体系驱油机理 泡沫的分散介质为表面活性剂溶液，根据表面活性剂在其中的浓度，它应具有稀表面活性剂体系（加活性水、胶束溶液）的性质，因此具有与它们相同的驱油机理,第三节,碱驱,1.碱驱的定义以碱溶液作驱油剂的驱油法。又叫：碱溶液驱碱强化水驱 2.碱驱用碱碱：NaOH、KOH、NH4OH盐（潜在碱）：Na2CO3、Na2SiO3、Na4SiO4、Na3PO4 Na2CO3和NaHCO3复配Na3PO4与Na2HPO4复配,3.碱与石油酸的反应,原油中可与碱反应的石油酸，生成相应的石油酸盐脂肪酸环烷酸胶质酸和沥青质酸等,碱驱中还常加入盐，调整亲水亲油平衡,4.碱与石油酸反应规律,n值越大：(1)RnCOOH酸性越弱，反应需要碱的浓度越高，(2)生成的RnCOO-亲水性越弱(3)生成的RnCOO-越易稳定W/O乳状液,RnCOOH+OH-RnCOO-+H2O,5.碱驱提高采收率机理,（l）低界面张力机理 在低的碱含量和最佳的盐含量下，碱与石油酸反应生成的表面活性剂，可使油水界面张力降至110-2 mNm-1.,（2）乳化携带机理 在碱含量和盐含量都低的情况下，由碱与石 油酸反应生成的表面活性剂可使地层中的剩 余油乳化，并被碱水携带着通过地层。此机理特点：可以形成油珠直径相当小的乳状液；通过乳化提高碱驱的洗油效率；碱水在油井突破前采油量不可能增加；油珠的聚并性质对过程有不利影响。,（3）乳化捕集机理 在碱含量和盐含量都低的情况下，由于低界面张力使油乳化在碱水相，但油珠直径较大，因此当它向前移动时，就被捕集，增加了水的流动阻力，即降低了水的流度，从而改善了流度比，增加了波及系数，提高了原油采收率。此机理特点：可以形成油珠直径较大的乳状液；分散的油珠会被捕集在较小孔道；碱水在油井突破前采油量可以增加；油珠的聚并性质对过程有有利的影响。,（4）由油湿反转为水湿机理 在碱含量高和盐含量低的情况下，碱可恢复岩石表面原来的亲水性，使岩石表面从油湿反转为水湿，提高了洗油效率，也即提高了原油采收率,（5）由水湿反转为油湿机理 在碱含量和盐含量都高的情况下，碱与石油酸反应生成的表面活性剂主要分配到油相并吸附到岩石表面上来，使岩石表面从水湿转变为油湿。这样，非连续的剩余油可在其上形成连续的油相，为原油流动提供通道与此同时，碱驱生成的表面活性剂的亲油性和它产生的低界面张力，导致油包水乳状液的形成乳状液中的水珠，堵塞流通孔道，便注入压力提高高的注入压力迫使油从乳化水珠与岩石表面之间的连续油相这条通道排泄出去，留下高含水率的乳状液，达到提高原油采收率的目的。,6.碱驱机理实现的条件,7.碱驱进行的条件,碱驱进行的条件是原油中有能够产生表面活性剂的石油酸，因此要求碱驱油层的原油有足够高的酸值（1克原油被中和到pH值产生突跃时所需氢氧化钾的质量，单位为 mgg-1）。当原油的酸值小于 0.2 mgg-1时，油层就不适宜进行碱驱。一定的酸值是进行碱驱的必要条件，但不是充分条件。充分条件是原油中的石油酸与碱的反应产物为表面活性剂（如原油中的二甲酚属石油酸，它与碱反应产物为二甲酚盐就不是表面活性剂）。,8.碱驱的段塞图,第四节,复合驱,1.复合驱的定义复合驱是指两种或两种以上驱油成分组合起来的驱动。,2.复合驱的机理（1）聚合物的作用,聚合物改善了表面活性剂和（或）碱溶液对油的流度比。聚合物对驱油介质的稠化，可减小表面活性剂和碱的扩散速率，从而减小它们的药耗。聚合物可与钙、镁离子反应，保护了表面活性剂，使它不易形成低表面活性的钙、镁盐。聚合物提高了碱和表面活性剂形成的水包油乳状液的稳定性，使波及系数（按乳化一捕集机理）和（或）洗油能力（按乳化一携带机理）有较大的提高。,协同效应,（2）表面活性剂的作用,表面活性剂可以降低聚合物溶液与油的界面张力，使它具有洗油能力。表面活性剂可使油乳化，提高了驱油介质的粘度。乳化的油越多，乳状液的粘度越高。若表面活性剂与聚合物形成络合结构，则表面活性剂可提高聚合物的增粘能力。表面活性剂可补充碱与石油酸反应产生表面活性剂的不足。,（3）碱的作用,碱可提高聚合物（HPAM）的稠化能力碱与石油酸反应产生的表面活性剂，可将油乳化，提高了驱油介质粘度，因而加强了聚合物控制流度的能力。碱与石油酸反应产生的表面活性剂与合成的表面活性剂有协同效应（表4-3）。碱可与钙、镁离子反应或与粘土进行离子交换，起牺牲剂作用，保护了聚合物与表面活性剂碱可提高砂岩表面的负电性，减少砂岩表面对聚合物和表面活性剂的吸附量（表4-4）。碱可提高生物聚合物的生物稳定性。,3.矿场实例,4.色谱效应,质量浓度,（顺序突破）,第五节,混相驱,一、概念1.基本概念,混相：混相是指相间界面消失。混相驱：混相驱是指以混相注入剂做驱油剂的驱油法。混相注入剂：混相注入剂是指在一定条件下注入地层，能与地层原油混相的物质。,2.混相注入剂,（1）烃类混相注入剂液化石油气（LPG，C2C6含量大于50）富气（C2C6含量在3050的范围）贫气（C2C6含量小于30）在贫气中把C1含量大于98的气体叫干气。C2C6的烃气叫富化剂，它的存在使混相易于发生通常讲的气体富化、加富，是指气体中C2C6的含量增加（2）非烃类混相注入剂 这类混相剂是指CO2、N2等一类混相注入剂。烟道气是一种工业废气，它是混合的非烃类混相注入剂。,一种烟道气的成分,在烟道气中，x(CO2)一般在0.050.20范围，主要由火力发电站燃烧煤得到。,3.混相驱分类,按混相入剂的性质，混相驱可分为：烃类混相驱液化石油气驱（LPG驱）富气驱 干气驱非烃类混相驱N2驱CO2驱,二、LPG驱,1.LPG驱概念 LPG驱是指以LPG为混相注入剂的一种混相驱。这种驱动是先注一段塞LPG，再注一段塞气体然后用水驱动，形成如图4-27所示的段塞图。,C2C6,油,以C1作为驱动气体，以75%C4作为LPG，驱动以C10代表的油：,2.LPG驱提高采收率原理,（1）低界面张力机理 LPG与油是一次接触混相，混相即不存在界面，因此界面张力为零，即LPG有很高的洗油效率。（2）降粘机理 LPG粘度低，它与油混合后可以使油降粘，提高油的流度，改善驱油介质与油的流度比，有利于提高波及系数。,三、CO2驱1.CO2驱的段塞,2.CO2驱混相过程,3.CO2混相驱提高采收率原理,（1）低界面张力机理 CO2驱油过程是CO2不断富化的过程。CO2富化是通过CO2对原油中的C4C6组分的抽提得到的。CO2越富，它与原油之间的界面张力就越低，因而洗油效率就越高。（2）降粘机理 CO2可溶于油，使油降粘（图433），提高油的流度，有利于提高驱油剂的波及系数。,（3）原油膨胀机理 CO2溶于原油后，可使原油的体积膨胀。膨胀后的原油将易为驱动介质驱出。CO2使原油膨胀的程度可用膨胀系数表示。膨胀系数是指一定温度和CO2饱和压力下原油的体积与同温度和0.1MPa下原油体积之比。图4-34为原油的膨胀系数与CO2物质的量分数的关系。从图4-34可以看到，原油中CO2物质的量分数越高，原油的密度越高，相对分子质量越小，原油的膨胀系数越大。,（4）提高地层渗透率机理 CO2溶于水，生成碳酸。碳酸可与地层中的石灰岩和白云岩反应生成水溶性的重碳酸盐，提高地层的渗透率，扩大驱油介质的波及体积，有利于提高原油的采收率。（5）溶气驱机理 从注入井到采油井的驱油过程是降压过程随着压力下降，CO2从原油中析出，产生原油内的气体驱动，使原油采收率提高,