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摘要根据胜利油田开发需要,研究自组装分子膜技术在胜利油田的应用。研究应用自组装分子膜技术改性各种骨架材料,如充填砂、超细调剖颗粒等等,以改变地层的润湿性,由亲水性转为亲油性,使原油向井底运移毛细管力由阻力转化为动力,从而提高采收率,取得阶段成果,为低效油田的开发管理提供有益探索。
关键词自组装分子膜;润湿性;毛细管力;研究
中图分类号TE3 文献标识码A文章编号1673-9671-(2010)042-0141-01
多年来基于生产实际自主研究开发一系列技术工艺,形成了化学防砂和机械防砂工艺。其中,较多采用的是高温固结砂防砂和绕丝普通充填或高压充填防砂工艺。但是,固结砂和充填砂体表面一般有三种羟基,因为羟基的极性强,所以造成近井地带为亲水性地层,对石油的开采是十分不利的。由于石英砂一般为亲水的, 油、水、石英砂三相接触角(θ)小于90°,所产生的毛细管力指向油相,因此,毛细管力是油沿输导层运移的阻力。通过采用分子自组装技术使表面发生润湿反转的方法,改变逆向毛管力方向使之由运移阻力变为自吸驱动力,从而将防砂、阻水和增油,提高驱动能量、提高水驱效率集于一体,进而提高原油采收率。
1胜利油田油田现状调研及分析
通过对国内外稠油开采技术的调研和对东营稠油热采现状的系统调查,对低效热采吞吐井和蒸汽驱井组的油藏特点和生产动态进行跟踪分析发现,稠油热采中后期热采效果差的主要有以下四点因素:1)地下存水率高。油井经过多周期注蒸汽后,注入蒸汽的凝结水积存于近井地带越来越多,周期数越多,地下存水率越高。蒸汽驱井组也由于地下存水多,造成注汽、采水的恶性循环。2)油层纵向动用差异大。由于受油藏非均质性影响,各单层吸汽不均,蒸汽波及体积低,油层纵向动用程度差。因此,扩大蒸汽波及体积,是改善热采效果的一条重要途径。3)蒸汽热水带的驱油效率低。目前的热采过程实际是一个热水洗油的过程,但原油粘度大,油水流度比大,造成蒸汽前沿的冷凝液(热水带)只能洗掉易流动的油,驱油效率低。需要借助表面活性剂来降低油水界面张力,提高热水带的驱油效率。4)近井地带采出程度高。稠油热采开发进入后期,地层压力和近井地带含油饱和度较低,常规热采和增效工艺适应性变差。
2自组装分子膜成膜机理
分子自组装薄膜(self-Assembly-monolayer film, SAMF)是分子通过化学键相互作用自发吸附在固/液或气/固界面而形成的热力学稳定和能量最低的有序膜。是研究表面和界面各种复杂现象(如腐蚀、摩擦、湿润、磨损、粘接、生物发酵)和表面电荷分布、电子转移理论的理想模型体系。当吸附分子存在的情况下,局部已形成的无序单层可以自我再生成更完善的、有序的自组装膜,其主要特征如下:①原位自发形成;②热力学稳定;③无论基底形状如何,其表面均可形成均匀一致的覆盖层;④高密度堆积和低缺陷浓度;⑤分子有序排列;⑥可人为设计分子结构和表面结构来获得预期的界面物理和化学性质;⑦有机合成和制膜有很大的灵活性。
图1自组装单层膜的形成示意图
3自组装分子膜堵水防砂剂增油机理:
1)在蒸汽吞吐阶段,可改善隔热效果,减少热损失,扩大油层加热带。参见图2中D,可以发现,在自吸驱动力作用下,原油在采出井壁富集。由于油的比热小,热损耗低,提高了蒸汽干度,增大了注入油层有效热焓量,确保了注汽质量,改善了吞吐效果,从而可扩大蒸汽加热半径,增加蒸汽的波及体积。2)封堵注汽井的高渗透通道,可以抑制底水锥进。如图2中B位置处所示,突进至较大孔道的砂体形成了油湿表面的毛细管道,所产生的毛细管力指向水相,因此,毛细管力是水/汽运移的阻力。同时,由于在自吸驱动力作用下砂层富集了原油,对大孔道或汽窜通道具有一定的封堵作用,其工作机理类似于稠油堵水机理。故而,地层润湿性的反转,既可使蒸汽的波及体积扩大,又可以抑制底水锥进,有效防止漏斗区的形成。3)提高驱油效率。改性后的岩层表面的润湿性反转,能大幅降低界面张力,改善岩石表面的润湿性,使原油成为可流动的油。此外,由于岩隙为油湿性的表面,提高了原油的渗透率,降低了含水饱和度,减缓了水锁效应,所以可提高采收率。
总之,这种使用岩层改性所进行的高温调剖可以扩大油层加热带,增加蒸汽波及体积,抑制底水锥进,提高驱油效率,具有显著的降水增油效果。
图2增油机理示意图
4结束语
1)研究并实验论证了自组装分子膜表面润湿性反转技术在胜利油田应用的可行性和其阻水增油的机理。2)研制出了自组装分子膜地层深部堵水防砂剂,可以有效地改变地层深部的润湿性,使毛细管力由使油向井口运移的阻力变成了动力,大大增加了驱油效率,最终实现增加采收率。3)同时对产品进行各项模拟生产技术检测,符合现场生产的需要,并且应用的是工艺成熟的调剖施工工艺,可以大规模推广使用。
参考文献
[1]王鸿勋,张琪.采油工艺原理[M].北京:石油工业出版社,1990.54-60.
[2]张琪等.采油工程原理与设计[M].东营:石油大学出版社,2000,176-177.
[3]Beggs H D and Brill J P.A study of Two Phase Flow in Inclined Pipes [J].JPT,1973,5.
[4]戈威尔,阿济兹.复杂混合物在管道中的流动(上)[M].北京:石油工业出版社,1986,12-20.
关键词自组装分子膜;润湿性;毛细管力;研究
中图分类号TE3 文献标识码A文章编号1673-9671-(2010)042-0141-01
多年来基于生产实际自主研究开发一系列技术工艺,形成了化学防砂和机械防砂工艺。其中,较多采用的是高温固结砂防砂和绕丝普通充填或高压充填防砂工艺。但是,固结砂和充填砂体表面一般有三种羟基,因为羟基的极性强,所以造成近井地带为亲水性地层,对石油的开采是十分不利的。由于石英砂一般为亲水的, 油、水、石英砂三相接触角(θ)小于90°,所产生的毛细管力指向油相,因此,毛细管力是油沿输导层运移的阻力。通过采用分子自组装技术使表面发生润湿反转的方法,改变逆向毛管力方向使之由运移阻力变为自吸驱动力,从而将防砂、阻水和增油,提高驱动能量、提高水驱效率集于一体,进而提高原油采收率。
1胜利油田油田现状调研及分析
通过对国内外稠油开采技术的调研和对东营稠油热采现状的系统调查,对低效热采吞吐井和蒸汽驱井组的油藏特点和生产动态进行跟踪分析发现,稠油热采中后期热采效果差的主要有以下四点因素:1)地下存水率高。油井经过多周期注蒸汽后,注入蒸汽的凝结水积存于近井地带越来越多,周期数越多,地下存水率越高。蒸汽驱井组也由于地下存水多,造成注汽、采水的恶性循环。2)油层纵向动用差异大。由于受油藏非均质性影响,各单层吸汽不均,蒸汽波及体积低,油层纵向动用程度差。因此,扩大蒸汽波及体积,是改善热采效果的一条重要途径。3)蒸汽热水带的驱油效率低。目前的热采过程实际是一个热水洗油的过程,但原油粘度大,油水流度比大,造成蒸汽前沿的冷凝液(热水带)只能洗掉易流动的油,驱油效率低。需要借助表面活性剂来降低油水界面张力,提高热水带的驱油效率。4)近井地带采出程度高。稠油热采开发进入后期,地层压力和近井地带含油饱和度较低,常规热采和增效工艺适应性变差。
2自组装分子膜成膜机理
分子自组装薄膜(self-Assembly-monolayer film, SAMF)是分子通过化学键相互作用自发吸附在固/液或气/固界面而形成的热力学稳定和能量最低的有序膜。是研究表面和界面各种复杂现象(如腐蚀、摩擦、湿润、磨损、粘接、生物发酵)和表面电荷分布、电子转移理论的理想模型体系。当吸附分子存在的情况下,局部已形成的无序单层可以自我再生成更完善的、有序的自组装膜,其主要特征如下:①原位自发形成;②热力学稳定;③无论基底形状如何,其表面均可形成均匀一致的覆盖层;④高密度堆积和低缺陷浓度;⑤分子有序排列;⑥可人为设计分子结构和表面结构来获得预期的界面物理和化学性质;⑦有机合成和制膜有很大的灵活性。
图1自组装单层膜的形成示意图
3自组装分子膜堵水防砂剂增油机理:
1)在蒸汽吞吐阶段,可改善隔热效果,减少热损失,扩大油层加热带。参见图2中D,可以发现,在自吸驱动力作用下,原油在采出井壁富集。由于油的比热小,热损耗低,提高了蒸汽干度,增大了注入油层有效热焓量,确保了注汽质量,改善了吞吐效果,从而可扩大蒸汽加热半径,增加蒸汽的波及体积。2)封堵注汽井的高渗透通道,可以抑制底水锥进。如图2中B位置处所示,突进至较大孔道的砂体形成了油湿表面的毛细管道,所产生的毛细管力指向水相,因此,毛细管力是水/汽运移的阻力。同时,由于在自吸驱动力作用下砂层富集了原油,对大孔道或汽窜通道具有一定的封堵作用,其工作机理类似于稠油堵水机理。故而,地层润湿性的反转,既可使蒸汽的波及体积扩大,又可以抑制底水锥进,有效防止漏斗区的形成。3)提高驱油效率。改性后的岩层表面的润湿性反转,能大幅降低界面张力,改善岩石表面的润湿性,使原油成为可流动的油。此外,由于岩隙为油湿性的表面,提高了原油的渗透率,降低了含水饱和度,减缓了水锁效应,所以可提高采收率。
总之,这种使用岩层改性所进行的高温调剖可以扩大油层加热带,增加蒸汽波及体积,抑制底水锥进,提高驱油效率,具有显著的降水增油效果。
图2增油机理示意图
4结束语
1)研究并实验论证了自组装分子膜表面润湿性反转技术在胜利油田应用的可行性和其阻水增油的机理。2)研制出了自组装分子膜地层深部堵水防砂剂,可以有效地改变地层深部的润湿性,使毛细管力由使油向井口运移的阻力变成了动力,大大增加了驱油效率,最终实现增加采收率。3)同时对产品进行各项模拟生产技术检测,符合现场生产的需要,并且应用的是工艺成熟的调剖施工工艺,可以大规模推广使用。
参考文献
[1]王鸿勋,张琪.采油工艺原理[M].北京:石油工业出版社,1990.54-60.
[2]张琪等.采油工程原理与设计[M].东营:石油大学出版社,2000,176-177.
[3]Beggs H D and Brill J P.A study of Two Phase Flow in Inclined Pipes [J].JPT,1973,5.
[4]戈威尔,阿济兹.复杂混合物在管道中的流动(上)[M].北京:石油工业出版社,1986,12-20.