CN112210358B - 一种纳米乳化驱油剂及其制备方法 - Google Patents

一种纳米乳化驱油剂及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种通过一步法合成一种纳米乳化驱油剂，用注入水配置纳米乳化驱油剂分散液并泵入地层中，纳米乳化驱油剂自发在油‑水界面富集，并在地层剪切的诱导下在油‑水界面定向吸附形成Pickering乳化液，在油藏含水条件，乳化液黏度与地层含水饱和度成正比与地层含油饱和度成反比，从而自动调节油‑水界面流度，稳定排驱前缘，提高原油采收率。纳米乳化驱油剂也能与表面活性剂复配使用，通过原位乳化增黏与超低界面张力洗油的协同提高原油采收率。该方法原理可靠，原材料价廉易得，经济效益突出，具有广阔的工业化应用前景。

Description

一种纳米乳化驱油剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及纳米乳化驱油剂及制备方法，属胶体与界面化学、油田化学和油田开采技术领域。
背景技术
水驱开发油藏，水油黏度差异性大，注入水沿着高渗透层推进，油藏非均质性进一步恶化，油井见水快，大量原油未波及，水驱采出程度低，老油田提高采收率十分紧迫。以流度控制为主的聚合物驱及在聚合物溶液中添加表面活性剂形成的聚-表二元驱稳油保产提供重要技术支持。聚合驱和聚-表二元驱已经成为全球提高采收率(EOR)第二大技术(Koottungal,L.2014Worldwide EOR Survey.Oil Gas J.2014,112,79-91.)。目前基于聚合物的化学驱面临技术难题主要是高温高盐油藏如何有效提高化学驱的效果。受高温高矿化度的影响，基于聚合物驱的化学驱技术受到应用限制(Olajire Abass A.Review ofASPEOR(alkaline surfactant polymer enhanced oil recovery)technology in thepetroleum industry:Prospects and challenges.Energy 2014；77:963-982.)。另外，开展聚合物驱和聚-表二元驱的前提是完整专门的配注系统，配注系统占地空间大、能耗高，所需费用几千万到几亿不等。再者，聚合物的剪切降解，高温高盐降解都制约了聚合物驱和聚-表二元驱的现场应用。因此，开展速溶(基于油田当前配注设备)，不含高分子但同时具备聚合物流度控制和表面活性剂提高驱油效率的新技术迫在眉睫。
油藏注水开发过程中油水乳化是普遍现象。原油自身含有的对乳化有利的组分，一般可称之为天然乳化剂。原油中天然乳化包括沥青质、胶质和酸性组分等。沥青质是原油中分子量最高的极性组分，在油相中的存在形式主要为：单个分子、颗粒、胶束和缔合体(Pang S,Pu W,Xie J,Chu Y,Wang C,Shen C.Investigation into the properties ofwater-in-heavy oil emulsion and its role in enhanced oil recovery duringwater flooding.J Petrol Sci Eng 2019；177:798–807.)。胶质是原油中分子量仅次于沥青质的极性组分，组成和结构与沥青质相似。胶质的乳化作用至今没有很明确的定论。一种观点是胶质自身具有一定乳化作用。酸性组分是存在于原油中的所有酸性化合物的统称，其主要成分是石油羧酸，包括脂肪酸、环烷酸和芳香酸。乳状液的类型主要有油包水(W/O)型、水包油(O/W)型和油包水包油、水包油包水多重乳状液。水-油体积比(即含水)的增加，乳状液会从W/O向O/W转变，转变时的含水称为转相点。但是油水自乳化液对绝大数油藏的开发不利，主要原因是乳化液在高含水低含油的高渗区域以低黏度的O/W形式存在，而在低含水高含油的低渗区域以高黏度的W/O形式存在，乳化液在高、低渗透率区域的黏度的差异性，反而恶化了低渗区域的驱替阻力，加剧了高渗区域的水窜。
纳米固相粒子吸附在油水界面上，形成的乳化液称为Pickering乳化液(WorthenA,Foster L,Dong J,Bollinger J,Peterman A,Pastora L,Bryant S,Truskett T,Bielawski C,Johnston K.Synergistic formation and stabilization of oil-in-water emulsions by a weakly interacting mixture of zwitterionic surfactantand silica nanoparticles.Langmuir 2014；30(4):984-994.)。与传统表面活性剂形成的乳化液相比，纳米固相粒子在油-水界面吸附形成的物理栅栏，具有超强抗聚，从而阻止乳化液相变的发生，从而实现乳化液的流度控制。纳米固相粒子能在油-水界面稳定吸附的前提条件是其具备亲油-亲水性能。大量的研究表明采用预置前体、表面修饰的方法可以获得两亲纳米粒子，但是往往采用多步法实现，制备过程繁琐。因此，探索出一条适合驱油用两亲纳米粒子的制备方法并以此制备价廉易得的纳米乳化驱油剂将为油田开发提质增效提供新动能。
发明内容
本发明主要是克服现有技术中的不足之处，本发明的目的在于通过一步法合成纳米乳化驱油剂，用注入水配置纳米乳化驱油剂分散液并泵入地层中，纳米乳化驱油剂自发在油-水界面富集，并在地层剪切的诱导下在油-水界面定向吸附形成Pickering乳化液，从而自动调节油-水界面流度，稳定排驱前缘，提高原油采收率。纳米乳化驱油剂也能与表面活性剂复配使用，通过原位乳化增黏与超低界面张力洗油的协同提高原油采收率。该方法原理可靠，原材料价廉易得，经济效益突出，具有广阔的工业化应用前景。
本发明的另一目的在于提供纳米乳化驱油剂的制备方法，工艺步骤十分简单，反应彻底，产率高。
为达到以上技术目的，本发明采用以下技术方案：
一种纳米乳化驱油剂及其制备方法，其特征在于，所述驱油剂由反应单体正硅酸乙酯、氨水、油酸、亲油性表面活性剂一步法反应制得。
进一步的，所述纳米乳化驱油剂的制备方法步骤为：
(1)在配置有搅拌器的三颈瓶中依次加入无水乙醇、一定质量浓度的氨水、蒸馏水，密封，在室温水浴环境快速搅拌混合均匀；
(2)搅拌条件将正硅酸乙酯快速加入到三颈瓶中，然后在室温水浴条件将溶解有油酸、亲油性表面活性剂的乙醇溶液通过滴液漏斗向三颈瓶中匀速滴加1-1.5h，滴加过程中快速搅动，确保反应体系混合均匀，滴加结束后在室温水浴条件搅拌反应一段时间；
(3)反应结束后对反应产物进行抽滤，收集固体产物，在一定温度下真空干燥后研磨得到纳米乳化驱油剂。
优选的，所述亲油性表面活性剂为椰油酰胺聚氧乙烯醚，脂肪酸二乙醇酰胺，油酰胺中的一种或者组合。
优选的，所述反应单体总质量分数为17-22％，其中正硅酸乙酯为13-14.6％、氨水为2.4-4％、油酸为0.6-0.8％、亲油性表面活性剂为1.0-2.6％。
优选的，所述纳米乳化驱油剂可以在制备的过程中通过调节亲油性表面活性剂的用量进行纳米乳化驱油剂亲油-亲水性调控。
优选的，所述纳米乳化驱油剂可以单独使用或者与表面活性剂复配使用，通过原位乳化增黏与超低界面张力洗油的方式协同作用，协同提高原油采收率。
优选的，所述纳米乳化驱油剂适用高温高盐在内的所有注水开发油藏及水驱稠油油藏。
优选的，所述步骤(1)一定质量浓度的氨水，浓度为25％。
优选的，所述步骤(2)中的反应时间为24h。
优选的，所述步骤(3)中的干燥温度为50℃。
本发明所提供的纳米乳化驱油剂在油田注入水分散性良好，可以直接用油田注入水配制获得纳米乳化驱油剂分散液，比注入水黏度略高，注入性好；纳米乳化驱油剂驱油机理为，纳米乳化驱油剂自发在油-水界面富集，在地层剪切的诱导下在油-水界面定向吸附形成Pickering乳化液，在油藏含水条件，乳化液黏度与地层含水饱和度成正比与地层含油饱和度成反比，从而自动调节油-水界面流度，稳定排驱前缘，提高原油采收率。另外，纳米乳化驱油剂也能与表面活性剂复配使用，通过发挥原位乳化增黏与油-水(超)低界面张力的协同效应，提高原油采收率。
有益效果：
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)纳米乳化驱油剂采用一步法制备，原理可靠，重复性高，合成工艺十分简便，节能减排；
(2)纳米乳化驱油剂速溶，配注工艺十分简便，直接使用注水系统配注；
(3)纳米乳化驱油剂界面控制能力强，能自发在油-水界面富集，地层剪切诱导在油-水界面定向吸附，稳定排驱前缘；
(4)产出液处理难度小，易破乳；
(5)应用范围广，适用于包括高温高盐在内的所有注水开发油藏；
(6)经济效益突出，应用前景十分广阔。
附图说明
图1为纳米乳化驱油剂微观图；
图2为纳米乳化驱油剂在油-水界面的分布图；
图3为纳米乳化驱油剂与原油形成乳化液的微观图(含水率80％)；
图4部分水解聚丙烯酰胺溶液的驱油效果图；
图5为纳米乳化驱油剂的驱油效果图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：纳米乳化驱油剂1的制备
在配置有搅拌器的三颈瓶中依次加入30g无水乙醇、4g质量浓度为25％的氨水、4g蒸馏水，密封，在室温水浴环境快速搅拌混合均匀；其次在搅拌条件将14.6g正硅酸乙酯快速加入到三颈瓶中；然后在室温水浴条件将溶解有0.8g油酸、2.6g椰油酰胺聚氧乙烯醚的44g乙醇溶液通过滴液漏斗向三颈瓶中匀速滴加1h，滴加过程中快速搅动，确保反应体系混合均匀；滴加结束后在室温水浴条件搅拌反应24h，反应结束后对反应产物进行抽滤，收集固体产物，在50℃下真空干燥后研磨得到纳米乳化驱油剂。
实施例2：纳米乳化驱油剂2的制备
在配置有搅拌器的三颈瓶中依次加入50g无水乙醇、2.4g质量浓度为25％的氨水、3g蒸馏水，密封，在室温水浴环境快速搅拌混合均匀；其次在搅拌条件将13g正硅酸乙酯快速加入到三颈瓶中；然后在室温水浴条件将溶解有0.6g油酸、1.0g脂肪酸二乙醇酰胺的30g乙醇溶液通过滴液漏斗向三颈瓶中匀速滴加1h，滴加过程中快速搅动，确保反应体系混合均匀；滴加结束后在室温水浴条件搅拌反应24h，反应结束后对反应产物进行抽滤，收集固体产物，在50℃下真空干燥后研磨得到纳米乳化驱油剂。
实施例3：纳米乳化驱油剂3的制备
在配置有搅拌器的三颈瓶中依次加入38.2g无水乙醇、3.0g质量浓度为25％的氨水、2.0g蒸馏水，密封，在室温水浴环境快速搅拌混合均匀；其次在搅拌条件将14.0g正硅酸乙酯快速加入到三颈瓶中；然后在室温水浴条件将溶解有0.6g油酸、1.2g脂肪酸二乙醇酰胺、1.0油酰胺的40g乙醇溶液通过滴液漏斗向三颈瓶中匀速滴加1h，滴加过程中快速搅动，确保反应体系混合均匀；滴加结束后在室温水浴条件搅拌反应24h，反应结束后对反应产物进行抽滤，收集固体产物，在50℃下真空干燥后研磨得到纳米乳化驱油剂。
实施例4：纳米乳化驱油剂的粒径分布
将15mg实施例1合成的纳米乳化驱油剂分散在6mL的乙醇中，密封超声20min得到纳米乳化驱油剂分散液，然后逐滴滴加在铜网上，室内晾干。透射电子显微镜(TEM，日立H-9500)在点分辨率为
Figure BDA0002739917970000071
加速电压300kV条件观察干燥状态纳米乳化驱油剂的微观形貌，如图1所示。TEM微观形貌图显示，粒度均匀，中值粒径30nm。
实施例5：纳米乳化驱油剂的油-水界面张力
分别配制矿化度为0.5×104mg/L(Ca2+、Mg2+浓度为0.01×104mg/L)编号1#，1.0×104mg/L(Ca2+、Mg2+浓度为0.02×104mg/L)编号2#，3×104mg/L(Ca2+、Mg2+浓度为0.05×104mg/L)编号3#，5×104mg/L(Ca2+、Mg2+浓度为0.07×104mg/L)编号4#及10×104mg/L(Ca2+、Mg2+浓度为0.15×104mg/L)编号5#的矿化水，搅拌1小时。
在1#中加入实施例1合成的纳米乳化剂，2#中加入实施例1合成的纳米乳化剂，3#中加入实施例2合成的纳米乳化剂，3#中加入实施例3合成的纳米乳化剂，4#中加入实施例2合成的纳米乳化剂，5#中加入实施例3合成的纳米乳化剂，1-5#矿化水中配制质量浓度为0.6％的纳米乳化剂分散液，搅拌溶解1小时。
在80℃条件用TX500C旋转滴界面张力仪测定表面活性剂、纳米乳化驱油剂与脱气原油(80℃、剪切速率10s-1条件的黏度分别为8.6mPa·s)的界面张力，测定时间2h，获得稳定的界面张力值。纳米乳化驱油剂在0.3～10×104mg/L的矿化水条件，能使油水的界面张力保持为10-2—10-1mN/m数量级，表明纳米乳化驱油剂在油藏条件有一定的聚集分散油的能力。实验结果见表1。
表1纳米乳化驱油剂与原油的稳定界面张力
Figure BDA0002739917970000072
Figure BDA0002739917970000081
实施例6：纳米乳化驱油剂的油-水界面的分布
将实施2制备的纳米乳化驱油剂滴加几滴黑染料，混合，随后将染黑的纳米乳化驱油剂分散在为10×104mg/L(Ca2+、Mg2+浓度为0.15×104mg/L)编号5#的矿化水中，搅拌1小时，制备纳米乳化剂分散液。然后按照油水体积比3:7加煤油到纳米乳化剂分散液中，密封，手轻微振荡30-45s，静置4-6h，观察纳米乳化驱油剂的分布情况，如图2所示，油-水界面处的纳米乳化驱油剂浓度明显高于其他部位，证明纳米乳化驱油剂的两亲特性，促使其能自发在油水界面富集。
实施例7：纳米乳化驱油剂分散液与原油形成乳化液的黏度
配制矿化度为10×104mg/L(Ca2+、Mg2+浓度为0.15×104mg/L)的矿化水，加入实施例3合成的纳米乳化驱油剂，配制成质量浓度0.6％纳米乳化驱油剂，搅拌溶解1小时，获得纳米乳化驱油剂分散液。在量程为50mL的特制量筒中，将纳米乳化剂分散液和脱气原油(80℃、剪切速率10s-1条件的黏度为8.6mPa·s)按水油体积比为2:8、3:7、4:6、5:5、6:4、7:3、8:2(含水率依次为20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％)配制总体积为30mL混合、密封；然后在80℃油浴条件，搅拌1h，观察乳化情况，搅拌结束后，用高温高压流变仪在80℃条件，剪切速率10s-1测试乳化液表观黏度，见表2。
表2不同水油比条件纳米乳化剂分散液与8.6mPa·s原油形成乳化液的黏度
Figure BDA0002739917970000082
Figure BDA0002739917970000091
纳米乳化驱油剂在剪切诱导下，吸附在油-水界面，形成油包水乳化液，乳化液比原油黏度高，在含水率20～80％条件，乳化液的黏度与含水率成正比与含油率成反比，表明乳化液在油藏条件的自适应稳定排驱前缘，抑制黏性指进，提高原油采收率。含水率为80％的乳化液的微观形貌(纳米乳化驱油剂分散液与原油体积比8:2)如图3所示，乳化液在含水率高达80％仍然以油包水的形式存在，中值粒径45μm左右。
实施例8：纳米乳化驱油剂提高采收率性能
配制矿化度为8×104mg/L(Ca2+、Mg2+浓度为0.12×104mg/L)的矿化水。分为两份，一份加入实施例3合成的纳米乳化驱油剂，配制成质量浓度0.6％纳米驱油分散液，搅拌溶解1小时，获得纳米乳化驱油分散液。作为对比实验，另外一份加入市售的部分水解聚丙烯酰胺(简称HPAM，分子量1200万，水解度25.3％)，缓慢搅拌溶解2小时，静置24小时，配制成质量浓度为0.6％的HPAM溶液，在80℃条件，在高温高盐条件HPAM的分子链卷曲，在此聚合物浓度下溶液的黏度为67.3mPa·s。人造三层非均质岩心两根(45×45×300mm长岩心，气测渗透率500mD，孔隙度分别20.6％、19.3％)，实验温度80℃，原油黏度8.6mPa·s，原始含油饱和度67.5％。在水驱阶段(驱替速度1.0mL/min)，受不利水油流度比的影响，水驱动用程度低，含水率98％的采收率为46-49％。注入HPAM溶液，注入压力升高、出口端出油，HPAM溶液通过流度控制扩大波及体积，0.5倍孔隙体积的HPAM溶液及后续水驱提高原油采收率25％，累计采收率71％，驱替效果见图4。另外一根岩心在水驱后，注入0.5倍孔隙体积的纳米乳化驱油剂分散液及后续水驱，注入压力升高、出口端出油。证明纳米乳化驱油剂自发在油-水界面富集，在地层剪切的诱导下在油-水界面定向吸附形成Pickering乳化液，在油藏含水条件，乳化液黏度与地层含水饱和度成正比与地层含油饱和度成反比，从而自动调节油-水界面流度，稳定排驱前缘，另外，纳米乳化驱油剂分散液与原油达到低的界面张力(10-2mN/m)数量级，提高微观驱油效率，0.5倍孔隙体积的纳米乳化驱油剂分散液及后续水驱提高原油采收率33％，累计采收率达82％，驱替效果见图5，通过对比纳米乳化驱油剂的提高采收率比HPAM溶液高8％，累计采收率高11％，纳米乳化驱油剂提高采收率效果显著。
本发明所提供的纳米乳化驱油剂在油田注入水分散性良好，可以直接用油田注入水配制获得纳米乳化驱油剂分散液，比注入水黏度略高，注入性好；纳米乳化驱油剂驱油机理为，纳米乳化驱油剂自发在油-水界面富集，在地层剪切的诱导下在油-水界面定向吸附形成Pickering乳化液，在油藏含水条件，乳化液黏度与地层含水饱和度成正比与地层含油饱和度成反比，从而自动调节油-水界面流度，稳定排驱前缘，提高原油采收率。另外，纳米乳化驱油剂也能与表面活性剂复配使用，通过发挥原位乳化增黏与油-水(超)低界面张力的协同效应，提高原油采收率。
以上所述，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已通过上述实施例揭示，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些变动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种纳米乳化驱油剂制备方法，其特征在于，所述驱油剂由反应单体正硅酸乙酯、氨水、油酸、亲油性表面活性剂一步法反应制得；
所述纳米乳化驱油剂的制备方法步骤为：
(1)在配置有搅拌器的三颈瓶中依次加入无水乙醇、一定质量浓度的氨水、蒸馏水，密封，在室温水浴环境快速搅拌混合均匀；
(2)搅拌条件将正硅酸乙酯快速加入到三颈瓶中，然后在室温水浴条件将溶解有油酸、亲油性表面活性剂的乙醇溶液通过滴液漏斗向三颈瓶中匀速滴加1-1.5h，滴加过程中快速搅动，确保反应体系混合均匀，滴加结束后在室温水浴条件搅拌反应一段时间；
(3)反应结束后对反应产物进行抽滤，收集固体产物，在一定温度下真空干燥后研磨得到纳米乳化驱油剂；
所述亲油性表面活性剂为椰油酰胺聚氧乙烯醚，脂肪酸二乙醇酰胺，油酰胺中的一种或者组合；
所述反应单体总质量分数为17-22％，其中正硅酸乙酯为13-14.6％、氨水为2.4-4％、油酸为0.6-0.8％、亲油性表面活性剂为1.0-2.6％。
2.如权利要求1所述的一种纳米乳化驱油剂制备方法，其特征在于，所述纳米乳化驱油剂可以在制备的过程中通过调节亲油性表面活性剂的用量进行纳米乳化驱油剂亲油-亲水性调控。
3.如权利要求1所述的一种纳米乳化驱油剂制备方法，其特征在于，所述纳米乳化驱油剂可以单独使用或者与表面活性剂复配使用，通过原位乳化增黏与超低界面张力洗油的方式协同作用，协同提高原油采收率。
4.如权利要求1所述的一种纳米乳化驱油剂制备方法，其特征在于，所述纳米乳化驱油剂适用高温高盐在内的所有注水开发油藏及部分水驱稠油油藏。
5.如权利要求1所述的一种纳米乳化驱油剂制备方法，其特征在于，所述步骤(1)一定质量浓度的氨水，浓度为25％。
6.如权利要求1所述的一种纳米乳化驱油剂制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中的反应时间为24h。
7.如权利要求1所述的一种纳米乳化驱油剂制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中的干燥温度为50℃。
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