CN110028944A - 剪切增稠型驱油剂及其制备方法与在特低渗油藏中的应用 - Google Patents

剪切增稠型驱油剂及其制备方法与在特低渗油藏中的应用 Download PDF

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李学丰
董金凤
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Abstract

本发明提供了一种剪切增稠型驱油剂及其制备方法与在特低渗油藏中的应用，能够切实起到剪切增稠作用，具备良好的实际操作性。该剪切增稠型驱油剂包括：两性型表面活性剂，阴离子型表面活性剂，无机盐，以及纳米粒子，其中，两性型表面活性剂为羧基或磺基甜菜碱中的一种或多种，阴离子型表面活性剂为疏水尾链碳原子数目为4～14的烷基硫酸钠、烷基磺酸钠、烷基羧酸钠、烷基苯磺酸钠以及烷基萘磺酸钠盐中的一种或多种，无机盐为氯化钠NaCl或氯化钾KCl，纳米粒子的尺寸介于10～150nm之间。

Description

剪切增稠型驱油剂及其制备方法与在特低渗油藏中的应用
技术领域
本发明属于驱油剂领域，具体涉及一种剪切增稠型驱油剂及其制备方法与在特低渗油藏中的应用。
技术背景
随着工业化程度的深入，日益增长的能源需求是当前全球性的问题，新技术的发展为化石能源高效开发奠定了基础。我国地大物博，油气储量也比较丰富但地质条件相对较差，为油藏的开发带来了巨大的挑战。具有孔隙度低、油层深藏、喉道狭窄等特点的特低渗油藏是我国的一类重要油气资源，其开发难度巨大，如何更进一步的提高此类油藏的采收率是当前面临的一大挑战。在此类油藏条件下，除去储油层岩石的孔隙度与渗透率、储油基质的组成与表面特性如亲疏水性与带电性、以及原油的物性等客观因素对原油的采油率的影响，驱油剂的波及系数与降低原油/水界面张力原油是影响采收率的一个重要因素。针对不同的油藏条件，提高采收率驱油剂的种类繁多、驱油方式多变，但表面活性剂与超高分子量的聚合物二元复合体系(二元驱)依然是当前特低渗油藏开发中最重要的一类驱油剂。其中，表面活性剂降低原油/水界面张力，而超高分子量的聚合物增加体系的粘度而扩大波及系数，二者协同作用下可提高原油的采收率。
虽然表面活性剂/聚合物二元驱在特低渗油藏的开发中发挥了重要作用，但依然面临这巨大的瓶颈问题。其一，具有超高分子量的聚合物如聚丙烯酰胺类聚合物，其所形成团聚体的尺度一般都比较大，导致聚合物团聚体很难通过孔道渗透进入地层深部而起到流度控制作用，甚至可能反而引起孔道堵塞而破坏底层。其二，进入地层微孔道的聚合物在油藏渗流剪切力的作用下，则可能发生解聚现象而引起剪切变稀，进而削弱基于提升粘度扩大波及系数的效果。表面活性剂不仅能在界面吸附而降低界面能，这也是驱油剂中表面活性剂能降低原油/水界面张力的主要原因；而且表面活性剂会在体相中自发组装形成形态各异的聚集体如球形胶束、蠕虫状胶束和囊泡等。表面活性剂蠕虫状胶束体系因其具备在一维方向的超长结构特征，通常能表现出类似聚合物体系的粘弹性特性，因此也被称为“准聚合物”。需要指出的是，由于表面活性剂蠕虫状胶束体系是一个严格的热力学平衡体系，溶液中的单分子表面活性剂与聚集体中的表面活性剂分子之间始终处于一种动态交换平衡之中，所以蠕虫状胶束则处于不断的形成与解体之间，是一种“活的”粘弹性体系。若使用一种表面活性剂蠕虫状胶束体系直接取代二元驱体系中的表面活性剂降低界面张力与聚合物提升粘度两方面的性能，将有助于克服二元驱体系所面临的瓶颈问题。
大量基础研究结果显示，趋于形成蠕虫状胶束并具有良好粘弹性的表面活性剂体系绝大多数属于阳离子型，但此类表面活性剂作为驱油剂会导致极其严重的吸附现象。非离子型和阴离子型表面活性剂虽然在抗吸附方面具有优势，但以此类表面活性剂主导形成蠕虫状胶束的条件往往比较苛刻且对环境因素如温度、电解质的种类等响应强烈，表现为抗温、耐盐性不足。
两性型表面活性剂由于其特殊的分子特征，兼具了抗吸附、抗温和耐盐的性质，但能形成具有良好粘弹性两性型表面活性剂蠕虫状胶束体系则相对较少。虽然从表面活性剂协同增效的原理的角度，两性型表面活性剂体系性中引入阴离子表面活性剂有助于增强两性型表面活性剂体系的胶束的形成与界面活性的，但都表现为一种剪切变稀型流体，在油藏驱油条件下不具备保持水相粘度的能力。
我们在研究纳米SiO2粒子/表面活性剂(油酸钠和辛基三甲基溴化铵混合体系)蠕虫状胶束体系相互作用的过程中发现(Qing Fan,Wenhong Li,Yongqiang Zhang,Wei Fan,Xuefeng Li,Jinfeng Dong,Colloid Polym.Sci.(2015)293:2507～2513)，由于纳米SiO2粒子与表面活性剂阳离子头基之间存在静电相互作用，会诱导阴阳离子型表面活性剂蠕虫状胶束在纳米SiO2粒子表面生长，进而增加体系的粘弹性，而将纳米SiO2引入阴离子表面活性剂体系中则几乎没有增粘的能力。此外，所涉及的纳米SiO2粒子/表面活性剂复合体系同样是一类典型的剪切变稀型流体。
虽然从表面活性剂及其与纳米粒子相互作用原理的角度而言，表面活性剂/纳米粒子体系在同时提供界面活性与增加水相粘度方面具备可行性，是一种潜在的驱油技术。但从油藏开发适用性与可行性的角度而言，现有技术中使用两性型表面活性剂及其复合体系则面临难以形成粘弹性的蠕虫状胶束体系的特点，更为重要的是油藏条件下的高温、高盐条件是不利于粘弹性蠕虫状胶束形成的；除此以外，阴离子表面活性剂对油藏条件的高盐环境的忍受性很差，即表现出不耐盐的特征。现有技术所涉及的两性型表面活性剂、阴离子表面活性剂以及表面活性剂/纳米粒子粘弹性蠕虫状胶束体系并不能满足油藏开发所要求的抗温与耐盐性，不能同时实现对注入水的增粘与降低原油/注入水之间的界面张力。另外，现有技术中所涉及的表面活性剂及纳米粒子/表面活性剂蠕虫状胶束体系都是一种剪切变稀的流体，在低渗油藏条件下流体粘度会因剪切而消失，故而并不能起到对注入水在油藏条件下保持粘度的特性。因此，现有技术并不是一种具有实际可操作性的驱油技术。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种剪切增稠型驱油剂及其制备方法与在特低渗油藏中的应用，能够切实起到剪切增稠作用，具备良好的实际操作性。
本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：
<剪切增稠型驱油剂>
本发明提供一种剪切增稠型驱油剂，其特征在于，包括：两性型表面活性剂，阴离子型表面活性剂，无机盐，以及纳米粒子，其中，两性型表面活性剂为羧基或磺基甜菜碱中的一种或多种，阴离子型表面活性剂为疏水尾链碳原子数目为4～14的烷基硫酸钠、烷基磺酸钠、烷基羧酸钠、烷基苯磺酸钠以及烷基萘磺酸钠盐中的一种或多种，无机盐为氯化钠NaCl或氯化钾KCl，纳米粒子的尺寸介于10～150nm之间。
优选地，本发明提供的剪切增稠型驱油剂还可以具有以下特征：两性型表面活性剂的分子通式为CmXCnYZ或CiCjZ，CmXCnYZ的结构式为：
CiCjZ的结构式为：
优选地，本发明提供的剪切增稠型驱油剂还可以具有以下特征：纳米粒子为纳米SiO2粒子。
优选地，本发明提供的剪切增稠型驱油剂还可以具有以下特征：两性型表面活性剂与阴离子型表面活性剂的物质的量比介于9/1～4/6之间。
优选地，本发明提供的剪切增稠型驱油剂还可以具有以下特征：在剪切增稠型驱油剂中，两性型表面活性剂与阴离子型表面活性剂的质量百分含量均介于10～40％，纳米粒子固体质量百分含量小于20％。无机盐的质量百分含量小于5％。
<制备方法>
另外，本发明还提供了一种制备上述剪切增稠型驱油剂的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1.在一定加热条件下，将两性型表面活性剂、阴离子型表面活性剂、无机盐和水按比例混合，然后搅拌至混合体系转变为澄清透明；步骤2.往混合体系中加入纳米粒子固体粉末或水分散溶液，继续搅拌分散至体系混合均匀，得到蠕虫状胶束体系；步骤3.将蠕虫状胶束体系置于常温下放置冷却，得到剪切增稠型驱油剂。
优选地，本发明提供的制备方法还可以具有以下特征：在步骤1和2中，体系的加热条件均为70～80℃。
优选地，本发明提供的制备方法还可以具有以下特征：在步骤1中，搅拌时间为0.5～3小时。
优选地，本发明提供的制备方法还可以具有以下特征：在步骤2中，采用的纳米粒子为纳米SiO2，搅拌分散时间为1～3小时。
<应用>
此外，本发明还提供了上述剪切增稠型驱油剂在特低渗油藏中的应用。发明的作用与效果
本发明所提供的剪切增稠型驱油剂及其制备方法中，驱油剂为羧基与磺基甜菜碱类两性型表面活性剂和阴离子型表面活性剂以及无机盐和纳米粒子组成的复合体系，并且阴离子型表面活性剂为疏水尾链碳原子数目为4～14的烷基硫酸钠、烷基磺酸钠、烷基羧酸钠、烷基苯磺酸钠以及烷基萘磺酸钠盐中的一种或多种，无机盐为氯化钠或氯化钾，纳米粒子的尺寸介于10～150nm之间，由这些成分构成的驱油剂体系能够将不利于高粘与高活性表面活性剂粘弹性蠕虫状胶束形成的油藏条件转变成有利因素，实现了在高温、高盐的低渗油藏条件下增粘与保持高界面活性的功能，具有优良的剪切增稠性能，切实解决了现有技术所面临的不具备实际可操作性的这一技术障碍。并且，本发明所涉及的剪切增稠型驱油剂在很宽的组成范围内皆可形成。
特别是，本发明所提供的剪切增稠型驱油剂在温度为70℃以下、总矿化度小于50000mg/L的情况下，仍然能够在高速剪切条件下(剪切速率为10000 1/s)将水的粘度增大2～3倍，同时还可将原油/水界面张力降至超低(0.01mN/m以下)，是一种具有剪切增稠型抗温、耐盐、高界面活性的适宜于低渗油藏的驱油剂。
此外，本发明提供的剪切增稠型驱油剂所涉及的各组分来源广泛、价格低廉，并且制备工艺简洁、易于操作，非常适宜于大规模工业生产。
附图说明
图1为本发明实施例一中涉及的剪切增稠型驱油剂的剪切速率-粘度关系图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明涉及的剪切增稠型驱油剂及其制备方法与在特低渗油藏中的应用的具体实施方案进行详细地说明。
<实施例一>
本实施例一中，剪切增稠型驱油剂的制备方法包括以下步骤：
步骤1.在70℃的条件下，将1g羟磺基甜菜碱C10OC3OHSO3、5.3g羟磺基甜菜碱C12NHC3OHSO3、4.2g羧基甜菜碱C8C1CO2、3.2g十二烷基硫酸钠、1.3g十二烷基苯磺酸钠、2.5gNaCl以及70g水混合，搅拌0.5小时，使得混合体系变为澄清透明状。
步骤2.保持70℃温度不变，往上述混合体系中加入12.5g尺寸为30nm、SiO2固体质量百分含量为40％的纳米SiO2水分散剂，继续搅拌分散1小时至体系混合均匀，得到蠕虫状胶束体系。
步骤3.将蠕虫状胶束体系置于常温放置冷却，可得表面活性剂含量为15％的剪切增稠型驱油剂。
性能测试：
测试仪器：德国Krüss公司SITE100旋转滴界面张力仪，5000rpm；哈克RS 600型流变仪，转子为DG 41；
测试温度：50℃；
原油：长庆油田杏4-5；
注入水：长庆油田北三区3号水源井，矿化度:4272.45mg/L；
稀释后的驱油剂体系：表面活性剂含量为0.3％的纳米粒子/表面活性剂的注入水溶液；
原油/注入水平衡界面张力：9.6×10-3mN/m；
剪切粘度：1.4mPa·s(剪切速率:10000 1/s)。
如图1所示，将本实施例所制备的剪切增稠型驱油剂用注入水稀释到表面活性剂含量为0.3％，当剪切速率增加到～2000 1/s以后，体系的粘度开始增加，剪切速率增加到10000 1/s时体系的粘度较同条件下纯水的粘度(0.55mPa·s，50℃)增加～3倍，说明体系具备典型的剪切增稠行为。
<实施例二>
本实施例二中，剪切增稠型驱油剂的制备方法包括以下步骤：
步骤1.在80℃的条件下，将7.2g羟磺基甜菜碱C18NHC4OHSO3、4.8g羧基甜菜碱C8C1CO2、12.6g十二烷基硫酸钠、5.4g丁基萘磺酸钠、10g NaCl以及35g水混合，搅拌3小时，使得混合体系变为澄清透明状。
步骤2.保持80℃温度不变，往上述混合体系中加入25g尺寸为10nm、SiO2固体质量百分含量为40％的纳米SiO2水分散剂，继续搅拌分散1小时至体系混合均匀，得到蠕虫状胶束体系。
步骤3.将蠕虫状胶束体系置于常温放置冷却，可得表面活性剂含量为15％的剪切增稠型驱油剂。
性能测试：
测试仪器：德国Krüss公司SITE100旋转滴界面张力仪，5000rpm；哈克RS 600型流变仪，转子为DG 41；
测试温度：50℃；
原油：长庆油田木16-9#；
注入水：长庆油田北三区3号水源井，矿化度:4272.45mg/L；
稀释后的驱油剂体系：表面活性剂含量为0.3％的纳米粒子/表面活性剂的注入水溶液；
原油/注入水平衡界面张力：9.4×10-3mN/m；
剪切粘度：2.4mPa·s(剪切速率:10000 1/s)。
<实施例三>
本实施例三中，剪切增稠型驱油剂的制备方法包括以下步骤：
步骤1.在70℃的条件下，将14.7g羧基甜菜碱C8OC2HCO2、6.3g磺基甜菜碱C18C3SO3、9g辛基苯磺酸钠、5g NaCl以及60g水混合，搅拌1小时，使得混合体系变为澄清透明状。
步骤2.保持70℃温度不变，往上述混合体系中加入5g尺寸为150nm的纳米SiO2粉末，继续搅拌分散3小时至体系混合均匀，得到蠕虫状胶束体系。
步骤3.将蠕虫状胶束体系置于常温放置冷却，可得表面活性剂含量为30％的剪切增稠型驱油剂。
性能测试：
测试仪器：德国Krüss公司SITE100旋转滴界面张力仪，5000rpm；哈克RS 600型流变仪，转子为DG 41；
测试温度：50℃；
原油：长庆油田木H 7-2；
注入水：长庆油田北三区3号水源井，矿化度:4272.45mg/L；
稀释后的驱油剂体系：表面活性剂含量为0.3％的纳米粒子/表面活性剂的注入水溶液；
原油/注入水平衡界面张力：7.6×10-3mN/m；
剪切粘度：1.6mPa·s(剪切速率:10000 1/s)。
<实施例四>
本实施例四中，剪切增稠型驱油剂的制备方法包括以下步骤：
步骤1.在80℃的条件下，将36g羟磺基甜菜碱C12OC3OHSO3、1g己基硫酸钠、1g十四烷基羧酸钠、2g己基萘磺酸钠、5g KCl以及35g水混合，搅拌1小时，使得混合体系变为澄清透明状。
步骤2.保持80℃温度不变，往上述混合体系中加入20g尺寸为100nm的纳米SiO2粉末，继续搅拌分散3小时至体系混合均匀，得到蠕虫状胶束体系。
步骤3.将蠕虫状胶束体系置于常温放置冷却，可得表面活性剂含量为40％的剪切增稠型驱油剂。
性能测试：
测试仪器：德国Krüss公司SITE100旋转滴界面张力仪，5000rpm；哈克RS 600型流变仪，转子为DG 41；
测试温度：50℃；
原油：长庆油田王14-9；
注入水：长庆油田北三区3号水源井，矿化度:4272.45mg/L；
稀释后的驱油剂体系：表面活性剂含量为0.3％的纳米粒子/表面活性剂的注入水溶液；
原油/注入水平衡界面张力：6.2×10-3mN/m；
剪切粘度：2.7mPa·s(剪切速率:10000 1/s)。
<实施例五>
本实施例五中，剪切增稠型驱油剂的制备方法包括以下步骤：
步骤1.在80℃的条件下，将4.2g羧基甜菜碱C16NHC3CO2、1.8g磺基甜菜碱C18C2SO3、1.5g癸基硫酸钠、2.5g丁基萘磺酸钠、3.5g KCl以及74g水混合，搅拌1小时，使得混合体系变为澄清透明状。
步骤2.保持80℃温度不变，往上述混合体系中加入5g尺寸为10nm和7.5g尺寸为60nm两种SiO2固体质量百分含量皆为40％的纳米SiO2水分散剂混合物，继续搅拌分散1小时至体系混合均匀，得到蠕虫状胶束体系。
步骤3.将蠕虫状胶束体系置于常温放置冷却，可得表面活性剂含量为10％的剪切增稠型驱油剂。
性能测试：
测试仪器：德国Krüss公司SITE100旋转滴界面张力仪，5000rpm；哈克RS 600型流变仪，转子为DG 41；
测试温度：50℃；
原油：长庆油田华201；
注入水：长庆油田北三区3号水源井，矿化度:4272.45mg/L；
稀释后的驱油剂体系：表面活性剂含量为0.3％的纳米粒子/表面活性剂的注入水溶液；
原油/注入水平衡界面张力：8.1×10-3mN/m；
剪切粘度：2.3mPa·s(剪切速率:10000 1/s)。
以上实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的剪切增稠型驱油剂及其制备方法与在特低渗油藏中的应用并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的内容，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。

Claims (10)

1.一种剪切增稠型驱油剂，其特征在于，包括：
两性型表面活性剂，阴离子型表面活性剂，无机盐，以及纳米粒子，
其中，所述两性型表面活性剂为羧基或磺基甜菜碱中的一种或多种，
所述阴离子型表面活性剂为疏水尾链碳原子数目为4～14的烷基硫酸钠、烷基磺酸钠、烷基羧酸钠、烷基苯磺酸钠以及烷基萘磺酸钠盐中的一种或多种，
所述无机盐为氯化钠或氯化钾，
所述纳米粒子的尺寸介于10～150nm之间。
2.根据权利要求1所述的剪切增稠型驱油剂，其特征在于：
其中，所述两性型表面活性剂的分子通式为CmXCnYZ或CiCjZ，CmXCnYZ的结构式为：
CiCjZ的结构式为：
3.根据权利要求1所述的剪切增稠型驱油剂，其特征在于：
其中，所述纳米粒子为纳米SiO2粒子。
4.根据权利要求1所述的剪切增稠型驱油剂，其特征在于：
其中，所述两性型表面活性剂与所述阴离子型表面活性剂的物质的量比介于9/1～4/6之间。
5.根据权利要求1所述的剪切增稠型驱油剂，其特征在于：
在所述剪切增稠型驱油剂中，所述两性型表面活性剂与所述阴离子型表面活性剂的质量百分含量均介于10～40％，纳米粒子固体质量百分含量小于20％。无机盐的质量百分含量小于5％。
6.一种制备权利要求1至5中任意一项所述的剪切增稠型驱油剂的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1.在一定加热条件下，将两性型表面活性剂、阴离子型表面活性剂、无机盐和水按比例混合，然后搅拌至混合体系转变为澄清透明；
步骤2.往混合体系中加入纳米粒子固体粉末或水分散溶液，继续搅拌分散至体系混合均匀，得到蠕虫状胶束体系；
步骤3.将蠕虫状胶束体系置于常温下放置冷却，得到所述剪切增稠型驱油剂。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：
其中，在所述步骤1和2中，体系的加热条件均为70～80℃。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：
其中，在所述步骤1中，搅拌时间为0.5～3小时。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：
其中，在所述步骤2中，采用的纳米粒子为纳米SiO2，搅拌分散时间为1～3小时。
10.权利要求1至5中任意一项所述的剪切增稠型驱油剂在特低渗油藏中的应用。
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