CN106596639B - 一种筛选油田注入水的离子组成与离子浓度的方法 - Google Patents

一种筛选油田注入水的离子组成与离子浓度的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种筛选油田注入水的离子组成与离子浓度的方法，其包括如下步骤：步骤(1)、配制不同浓度含备选离子的注入水样品；步骤(2)、将待测原油分别加入步骤(1)得到的各注入水样品中，静置至油水分层，再取油‑水界面处的混合液，测定该油‑水界面处的混合液的Zeta电位，记为Zeta油‑水；步骤(3)、将待测地层真实岩心研磨成粉末，将该岩心粉末分别加入步骤(1)得到的各注入水样品中，静置至岩心粉末完全沉淀，再取水‑岩心界面处的液体，测定该水‑岩心界面处的液体的Zeta电位，记为Zeta水‑岩；步骤(4)、Zeta油‑水及Zeta水‑岩同时满足负值绝对值较大的注入水样品即为该油层水驱效果最佳的注入水。

Description

一种筛选油田注入水的离子组成与离子浓度的方法
技术领域
本发明涉及一种筛选油田注入水的离子组成与离子浓度的方法，具体涉及一种利用储层多孔介质内，油-水-岩心界面Zeta电位来确定油田注入水的离子组成与离子浓度的方法。
背景技术
认识清楚多孔介质内油、水、岩心多界面体系的微观作用机理，是查清由岩心-油-水组成的复杂多相体系之间的相互作用和输运与传质过程、研究原油可动性及有效提高石油采收率的方法的前提，也是界面与胶体化学及油层物理与渗流领域的研究难点，并且目前尚缺乏有效的描述方法和机理认识。
因此，开展多孔介质内油、水、岩心多界面体系微观作用机理及应用的研究具有十分重要的意义。
胶体颗粒在液体中是带电的，当固体与液体接触时，固液两相界面上就会带有相反符号的电荷。
zeta电位(zeta potential)，又叫电动电位或电动电势(ζ电位或ζ电势)，其是指剪切面(shear plane)的电位，zeta电位是表征胶体分散系稳定性的重要指标。如果颗粒带有很多负的或正的电荷，也就是说很高的zeta电位，它们会相互排斥，从而达到整个体系的稳定性。如果颗粒带有很少负的或正的电荷，也就是说其zeta电位很低，它们会相互吸引，从而达到整个体系的不稳定性。且zeta电位的主要用途之一就是研究胶体与电解质的相互作用。由于许多胶质，特别是那些通过离子表面活性剂达到稳定的胶质是带电的，这些胶质以复杂的方式与电解质产生作用。与其表面电荷极性相反的电荷离子(抗衡离子)会与之吸附，而同样电荷的离子(共离子)会被排斥。因此，表面附近的离子浓度与溶液中与表面具有一定距离的主体浓度是不同的。靠近表面的抗衡离子的积聚屏蔽了表面的电荷，因而降低了zeta电位。
目前，本领域测量zeta电位的方法主要有电泳法、电渗法、流动电位法以及超声波法，其中以电泳法应用最广。
电泳是在所施加的电场作用下，带电粒子相对于其悬浮液体的运动。当已知粒子的电泳迁移速率时，便可以通过应用亨利(Henry)方程，进而得到该粒子的zeta电位。
其中，亨利(Henry)方程如下式所示：
式中：z为zeta电位；
U代表电泳迁移率；
ε为介电常数；
η代表粘度；
f(Ka)为Henry函数，本领域中有两个值通常用于f(Ka)测定的近似，即1.5或1.0。
发明内容
本发明的目的在于提供一种筛选油田注入水的离子组成与离子浓度的方法。
为达上述目的，本发明提供了一种筛选油田注入水的离子组成与离子浓度的方法，其中，该方法包括如下步骤：
步骤(1)、配制不同浓度含备选离子的注入水样品；
步骤(2)、将待测原油分别加入步骤(1)制备得到的各注入水样品中，静置至油水分层，再取油-水界面处的混合液，测定该油-水界面处的混合液的Zeta电位，记为Zeta油-水；
步骤(3)、将待测地层真实岩心研磨成粉末，将该岩心粉末分别加入步骤(1)制备得到的各注入水样品中，静置至岩心粉末完全沉淀，再取水-岩心界面处的液体，测定该水-岩心界面处的液体的Zeta电位，记为Zeta水-岩；
步骤(4)、Zeta油-水及Zeta水-岩同时满足负值绝对值较大的注入水样品即为该油层水驱效果最佳的注入水。
根据本发明所述的方法，优选地，步骤(1)中所述备选离子包括Na+、K+及Ca2+和/或Mg2+。
根据本发明所述的方法，优选地，以注入水样品的总体积计，步骤(1)中所述备选离子的浓度为1000-5000mg/L。
根据本发明所述的方法，步骤(1)中所述“负值绝对值较大”的含义是：Zeta油-水及Zeta水-岩同时为负值，且保证二者的绝对值均较大。
根据本发明所述的方法，本发明对步骤(2)、步骤(3)中分别所用的待测原油及待测岩心粉末的用量不做具体要求，本领域技术人员可以根据现场作业需要合理调整二者的各自用量，只要保证可以实现油水分层及岩心粉末完全沉淀即可。
根据本发明所述的方法，优选地，步骤(3)中所述岩心粉末的粒度为5-10μm。
根据本发明所述的方法，优选地，步骤(2)及步骤(3)中采用电泳法测量所述Zeta电位。
根据本发明所述的方法，本发明对电泳法所涉及的具体操作步骤及工艺参数等均不做具体要求，本领域技术人员可以根据现场作业需要常规选择所述工艺参数，只要保证可以实现本发明测量Zeta电位的目的即可。
本发明申请人经长期研究发现，储层多孔介质内油-水-岩心界面的Zeta电位与油-水-岩心之间的微观作用力密切相关。界面zeta电位的负值越大，界面之间的斥力也越大。由此，本发明建立了通过测量油-水-岩心界面Zeta电位来评价油-水-岩心界面之间的斥力，进而筛选油田注入水的离子组成与离子浓度的方法。
本发明的有益效果在于：
本发明所提供的筛选油田注入水的离子组成与离子浓度的方法利用储层多孔介质内油-水-岩心界面Zeta电位与油-水-岩心微观作用力之间的相关性，建立了通过测量油-水-岩心界面的Zeta电位来评价油-水-岩心界面之间的斥力，进而筛选油田注入水的离子组成与离子浓度。并且本发明所提供的筛选方法操作简便，所用设备简单，准确度较高。
此外，使用本发明所提供的筛选油田注入水的离子组成与离子浓度的方法筛选油田注入水后，采用原子力显微镜测量不同离子类型和不同离子浓度对分离压的影响，原子力显微镜测定结果所示的微观作用力与采用本发明所提供的筛选方法得到的筛选结果正相关，以此证实了本发明所提供的筛选油田注入水的离子组成与离子浓度的方法的有效性。
附图说明
图1是本发明实施例1中注入水样品(不同浓度的NaCl、CaCl2、MgCl2水溶液)/原油(西峰油田原油)界面的Zeta电位图；
图2是本发明实施例1中注入水样品(不同浓度的NaCl、CaCl2、MgCl2水溶液)/岩心(西峰油田岩心样本)界面的Zeta电位图；
图3是实施例2及实施例3注入水样品/原油(HF油田原油)界面的Zeta电位图；
图4是实施例2及实施例3注入水样品/岩心(HF油田岩心样本)界面的Zeta电位图；
图5是比较例1中原子力显微镜测量不同离子类型(浓度为1wt％的NaCl、CaCl2和MgCl2水溶液)分离压的结果图。
图6是比较例1中原子力显微镜测量不同离子浓度(浓度为0.1wt％、1wt％和5wt％的NaCl水溶液)下分离压的结果图。
具体实施方式
以下将通过具体的实施例及说明书附图详细地说明本发明的实施过程和产生的有益效果，旨在帮助阅读者更好地理解本发明的实质和特点，但是不作为对本案可实施范围的限定。
实施例1
本实施例提供了一种筛选油田注入水的离子组成与离子浓度的方法，其包括如下所示的步骤：
1、测试所用仪器
英国马尔文仪器公司(Malvern Instruments Ltd.)生产的型号为Malvern NanoZS ZEN3600的Zeta电位仪；
2、待测样品：西峰油田(内蒙古自治区鄂尔多斯市)原油、西峰油田岩心样本；
3、实验步骤：
步骤(1)
配制不同浓度含Na+、Ca2+、Mg2+的9个注入水样品：
其中，步骤(1)配制得到的9个注入水样品分别为：
质量分数为5％的NaCl、CaCl2、MgCl2水溶液；
质量分数为1％的NaCl、CaCl2、MgCl2水溶液；
质量分数为0.1％的NaCl、CaCl2、MgCl2水溶液。
步骤(2)
将待测原油(10mL)分别加入步骤(1)中制备得到的各注入水样品(10mL)中，静置至油水分层，再取油-水界面处的混合液，测定该油-水界面处的混合液的Zeta电位，记为Zeta油-水；，其测试结果如表1、图1所示。
表1
步骤(3)
将待测油层岩心研磨成粒度为5-10μm的粉末，将该岩心粉末(1g)分别加入步骤(1)制备得到的各注入水样品(10mL)中，静置至岩心粉末完全沉淀，再取水-岩心界面处的液体测定其Zeta电位，记为Zeta水-岩；其测试结果如表2、图2所示。
表2
从表1和图1中可以看出，质量分数为0.1％的NaCl、CaCl2以及MgCl2溶液在盐水/原油界面的电位分别为：-19.8mV、-19.4mV和-18.1mV；质量分数为1％的NaCl、CaCl2以及MgCl2溶液在盐水/原油界面的电位分别为：-12.9mV、-3.9mV、-4.1mV；质量分数为5％的NaCl、CaCl2以及MgCl2溶液在盐水/原油界面的电位分别为：-11.2mV、0.9mV、-3.6mV。由此可见，随着溶液离子浓度的降低，NaCl、CaCl2以及MgCl2溶液在盐水/原油界面的电位负值(负值绝对值)均有增加的趋势，这会导致双电层膨胀，油膜更易从岩石表面剥落，从而提高原油采出程度。
对于盐水/岩石界面，溶液离子类型和离子浓度对Zeta电位的影响与盐水/原油界面类似。如表2和图2所示，在离子浓度相同的条件下，NaCl溶液的Zeta电位负值最大，CaCl2和MgCl2溶液的Zeta电位相近，均小于NaCl溶液。
因此，从表1-2及图1-2中可知，0.1％的NaCl溶液为该油层水驱效果最佳的注入水组成。
Zeta电位测量的结果证明了通过调节离子匹配精细水的离子组成和离子浓度，可以改变岩石表面的电荷，进而改变岩石表面的作用力。
实施例2
本实施例提供了一种筛选油田注入水的离子组成与离子浓度的方法，其包括如下所示的步骤：
1、测试所用仪器
英国马尔文仪器公司(Malvern Instruments Ltd.)生产的型号为Malvern NanoZS ZEN3600的Zeta电位仪；
2、待测样品：HF油田原油、HF油田岩心样本；
3、实验步骤：
步骤(1)
配制不同浓度和离子组成的注入水样品：其中，H1、H1-1、H2-1、H3-1分别为备选注入水，且，H1-1、H2-1、H3-1这三种注入水样品的矿化度相同，但是离子组成不同，而H1注入水样品的矿化度与H1-1、H2-1、H3-1这三种注入水样品的矿化度不相同，离子组成也不同；
而MB1为该油田污水。
步骤(2)
将待测原油(10mL)分别加入步骤(1)制备得到的各注入水样品(10mL)中，静置至油水分层，取油-水界面处的混合液，再测定该油-水界面处的混合液的Zeta电位，记为Zeta油-水；其测试结果如表3及图3所示；
表3
注入水 MB<sub>1</sub> H<sub>1</sub> H<sub>1-1</sub> H<sub>2-1</sub> H<sub>3-1</sub>
成分 地层水 离子匹配水 离子匹配水 离子匹配水 离子匹配水
矿化度(ppm) 202795 20000 10000 10000 10000
Zeta<sub>油-水</sub> 4.85mV -4.39mV -7.63mV -10.2mV -12.3mV
步骤(3)
将待测油层岩心研磨成粒度为5-10μm的粉末，将岩心粉末(1g)分别加入步骤(1)制备得到的各注入水样品(10mL)中，静置至岩心粉末完全沉淀，取水-岩心界面处的液体，测定该水-岩心界面处的液体放入Zeta电位，记为Zeta水-岩；测试结果如表4及图4所示。
表4
注入水 MB<sub>1</sub> H<sub>1</sub> H<sub>1-1</sub> H<sub>2-1</sub> H<sub>3-1</sub>
成分 地层水 离子匹配水 离子匹配水 离子匹配水 离子匹配水
矿化度(ppm) 202795 20000 10000 10000 10000
Zeta<sub>水-岩</sub> 7.21mV -2.39mV -5.12mV -5.19mV -5.29mV
由表3-4及图3-4可知，H1、H1-1、H2-1、H3-1及MB1的油-水Zeta电位(Zeta油-水)分别为：-4.39mV、-7.63mV、-10.2mV、-12.3mV及4.85mV；而H1、H1-1、H2-1、H3-1及MB1的水-岩心Zeta电位(Zeta水-岩)分别为：-2.39mV、-5.12mV、-5.19mV、-5.29mV及7.21mV；
由此可知：H3-1溶液的油-水Zeta电位(Zeta油-水)和水-岩心Zeta电位(Zeta水-岩)负值均为最大，说明该溶液油-水-岩心界面之间的斥力最大。因此，H3-1溶液为该油层水驱效果最佳的注入水组成。
实施例3
本实施例提供了一种筛选油田注入水的离子组成与离子浓度的方法，其包括如下所示的步骤：
1、测试所用仪器
英国马尔文仪器公司(Malvern Instruments Ltd.)生产的型号为Malvern NanoZS ZEN3600的Zeta电位仪；
2、待测样品：HF油田原油、HF油田岩心样本；
3、实验步骤：
步骤(1)
配制不同浓度和离子组成的注入水样品：其中，F1、F1-1、F2-1、F3-1分别为备选注入水，且F1、F1-1、F2-1、F3-1这四种注入水样品的矿化度相同，但是其离子组成不同。
而MB1为该油田污水。
步骤(2)
将待测原油(10mL)分别加入步骤(1)制备得到的各注入水样品(10mL)中，静置至油水分层，取油-水界面处的混合液，再测定该油-水界面处的混合液的Zeta电位，记为Zeta油-水；其测试结果如表5及图3所示；
表5
步骤(3)
将待测油层岩心研磨成粒度为5-10μm的粉末，将岩心粉末(1g)分别加入步骤(1)制备得到的各注入水样品(10mL)中，静置至岩心粉末完全沉淀，取水-岩心界面处的液体，测定该水-岩心界面处的液体放入Zeta电位，记为Zeta水-岩；测试结果如表6及图4所示。
表6
注入水 MB<sub>1</sub> F<sub>1</sub> F<sub>1-1</sub> F<sub>2-1</sub> F<sub>3-1</sub>
成分 地层水 离子匹配水 离子匹配水 离子匹配水 离子匹配水
矿化度(ppm) 202795 5000 5000 5000 5000
Zeta<sub>水-岩</sub> 7.21mV -5.40mV -5.94mV -6.39mV -8.57mV
由表5-6及图3-4可知，F1、F1-1、F2-1、F3-1及MB1的油-水Zeta电位(Zeta油-水)分别为：-6.21mV、-9.32mV、-13.2mV、-15.7mV及4.85mV；而F1、F1-1、F2-1、F3-1及MB1的水-岩心Zeta电位(Zeta水-岩)分别为：-5.40mV、-5.94mV、-6.39mV、-8.57mV及7.21mV；
由此可知：F3-1溶液的油-水Zeta电位(Zeta油-水)和水-岩心Zeta电位(Zeta水-岩)负值均为最大，说明该溶液油-水-岩心界面之间的斥力最大。因此，F3-1溶液为该油层水驱效果最佳的注入水组成。
比较例1
本比较例提供了离子类型和离子浓度对分离压的影响实验
1、分别配制浓度为1wt％的NaCl、CaCl2和MgCl2水溶液，再用原子力显微镜(BrukerMultimode VIII AFM)分别测量上述溶液的分离压。
2、分别配制浓度为0.1wt％、1wt％和5wt％的NaCl水溶液，再用原子力显微镜分别测量上述溶液的分离压。其中，采用原子力显微镜测量溶液的分离压为本领域常规技术手段，本领域技术人员可以根据测试需要进行合理调整。
3、结果与讨论
分离压从某种程度上可以反应原油与岩石壁面之间分离的难易程度，通常分离压越大，界面斥力越大，油膜越容易从岩石壁面剥离。
其中，对比例中离子类型对分离压的影响结果如图5所示，从图5中可以看出，在离子浓度相同的情况下，NaCl溶液的分离压最大，CaCl2溶液次之，MgCl2溶液的分离压最小，而且是负值，即油膜与岩石之间的分子间作用力表现为引力。该结果说明在离子浓度相同的情况下，Na+比Ca2+和Mg2+更有利于剥离油膜，该测量结果与实施例1中采用本发明所提供的筛选油田注入水的离子组成与离子浓度的方法所得结果一致。
对比例中，离子浓度对分离压的影响结果如图6所示，从图6中可以看出，对于NaCl溶液，随着离子浓度的降低，吸附在岩石表面的原油活性组分的静电引力减弱，斥力增加，界面分离压增大。该测量结果也与实施例1中采用本发明所提供的筛选油田注入水的离子组成与离子浓度的方法所得结果一致。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (7)

1.一种筛选油田注入水的离子组成与离子浓度的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤(1)、配制不同浓度含备选离子的注入水样品；
步骤(2)、将待测原油分别加入步骤(1)制备得到的各注入水样品中，静置至油水分层，再取油-水界面处的混合液，测定该油-水界面处的混合液的Zeta电位，记为Zeta油-水；
步骤(3)、将待测地层真实岩心研磨成粉末，将该岩心粉末分别加入步骤(1)制备得到的各注入水样品中，静置至岩心粉末完全沉淀，再取水-岩心界面处的液体，测定该水-岩心界面处的液体的Zeta电位，记为Zeta水-岩；
步骤(4)、Zeta油-水及Zeta水-岩同时满足负值绝对值较大的注入水样品即为油层水驱效果最佳的注入水。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述备选离子包括Na+、K+及Ca2+和/或Mg2+。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，以注入水样品的总体积计，步骤(1)中所述备选离子的浓度为1000-5000mg/L。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，以注入水样品的总体积计，步骤(1)中所述备选离子的浓度为1000-2000mg/L。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中所述岩心粉末的粒度为5-10μm。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤(3)中所述岩心粉末的粒度为5-8μm。
7.根据权利要求1-6任一项所述的方法，其特征在于，步骤(2)及步骤(3)中采用电泳法测量所述Zeta电位。
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"油田高含聚采出水水质特性及其处理技术研究";国胜娟;《工业用水与废水》;20141031;第45卷(第5期);第27-30页

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CN106596639A (zh) 2017-04-26

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