CN112697670A - 往复振荡模拟地层剪切制备乳液的方法、模拟乳液及应用 - Google Patents
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Abstract
Description
技术领域
本发明涉及乳液加工技术领域,尤其涉及一种模拟地层剪切制备乳液的方法、模拟乳液及应用。
背景技术
原油中含有的水常会与原油形成油水混合乳液,这种油水混合乳液在后续原油生产中已经逐渐成为了亟待解决的问题。目前实验室内制备乳液的常用方法为高速剪切或超声处理油水混合液,例如,利用电动搅拌机、高速剪切乳化分散机或超声波乳化机等制备乳液。油水混合方式和过程不同,会产生不同类型、分散程度的乳液。高速剪切制备乳液的原理是利用转子高速旋转所产生的高切线速度和高频机械效应带来的强劲动能,使原本不相溶的两相在定、转子狭窄的间隙中受到强烈的机械及液力剪切、离心挤压、液层摩擦、撞击撕裂和湍流等综合作用,形成乳液。但这些方法存在着一些不足之处,例如,在高速剪切下,混合溶液不同部分的乳化程度存在差异,越靠近定、转子的部分乳化程度越高,这导致形成的乳液内部性质并不是处处相同,最终可能影响乳液的稳定性及后续研究。采用高速剪切或超声波乳化机制备的乳液与油井采出乳液的粒径不匹配。在实验中发现,矿场采出液中乳液的粒径分布比较集中,而采用高速剪切或超声乳化时,配制的乳液粒径分布等规律性较差,乳液稳定性和乳化效果评价实验的重复性较差,说明目前的乳化方法不符合地层孔隙渗流条件下的油水乳化规律,不利于准确评价降黏剂的乳化效果。
此外,传统的高速剪切乳化装置仅考虑乳化过程中剪切速率和剪切应力的影响,忽略了剪切面积、剪切次数、作用距离对剪切功的影响,直接导致该方法制备的乳状液不能完全真实地模拟和反映地底条件下原油与水形成乳状液的过程。
利用高速剪切方法制备的乳液对破乳剂进行评价是目前评价破乳效果的一种常规方法。然而,由于高速剪切方法制备的乳液结构与地层长时间低速剪切下形成的乳液结构差异较大,导致使用高速剪切方法制备乳液评价破乳剂效果时误差较大、评价结果准确性低。为了避免实验误差,需要在采出液处理站使用新鲜采出的乳液对破乳剂进行评价,但这会导致往返油田现场工作量大。因此,有必要建立模拟地层低剪切强度制备模拟乳液的方法,用于评价破乳剂的真实破乳效果,为破乳剂结构优化及性能评价提供技术支持。
采用高速搅拌方法对降黏性能的评价结果常常与现场试验结果不同,分析其中原因为:高速搅拌方法的剪切强度较大,降黏剂在高速搅拌下能够形成水包油乳液、利于降黏剂发挥降黏作用。而地层多孔介质中剪切速率较低(一般为1-100s-1),不能形成水包油乳液,难以实现降黏。室内30米长岩心驱替实验也进一步表明,由于剪切强度较小,小分子降黏剂不能在长岩心内将稠油形成水包油乳液。因此,有必要建立模拟地层低剪切强度的实验方法,用于评价降黏剂在地层中的真实降黏效果,为评价提高稠油水驱采收率用降黏剂的性能提供技术支持。
发明内容
为了解决上述问题,本发明的目的在于提供一种往复振荡模拟地层剪切制备乳液的方法、模拟乳液及应用,该方法能够准确模拟地层条件下乳液的形成过程,利用该方法制备得到的模拟乳液对降黏剂等试剂进行评价、能够提高评价结果的准确性和可靠性。
为了达到上述目的,本发明提供了一种往复振荡模拟地层剪切制备乳液的方法,该方法包括:
将乳液原料放入试管中,使试管在水平方向进行往复式振荡,得到所述模拟乳液;其中,所述往复式振荡的振幅与振荡频率的计算公式为:
γ为孔道剪切速率,单位为s-1,f为振荡频率,单位为次/min;A为振幅,单位为cm;D为试管内径,单位为cm。
在上述制备方法中,利用往复式的振荡方式代替常规的高速搅拌方式并通过控制振荡频率和振幅,可以获得等同于真实孔道剪切速率的剪切速率,能够在乳液的制备过程中准确模拟原油与水在矿场地层孔隙中渗流情况以及油-水两相在地层中受到的剪切作用,得到与油井乳液性质相近的模拟乳液。
在本发明的具体实施方案中,所述乳液原料可以包括油相和水相,所述油相与水相的质量比一般控制为2:8-8:2。所述油相一般包括原油,所述水相可以是水,当上述方法制备的模拟乳液用于评价降黏剂性能时,所述水相也可以是降黏剂水溶液。所述降黏剂水溶液的质量浓度一般在0.01%以上。
在本发明的具体实施方案中,所述乳液原料的总体积与所述试管总容量的体积比一般控制为2:5-4:5,例如3:5。
在本发明的具体实施方案中,所述试管的直径一般控制为0.5-3.2cm。
在本发明的具体实施方案中,所述往复式振荡的振荡频率一般控制为10-330次/min,振幅一般为3-5cm。
在本发明的具体实施方案中,在所述往复式振荡的振幅与振荡频率的计算公式中,所述孔道剪切速率一般是通过孔道中的渗流速度及孔隙有效直径确定。具体地,所述孔道剪切速率的计算公式可以是:
其中,γ为孔道剪切速率,单位为s-1;V0为渗流速度,单位为m/d;De为孔隙有效直径,单位为μm;
所述孔隙有效直径可以根据以下公式计算得到:
其中,De为孔隙有效直径,单位为μm;k为渗透率,单位为μm2;Ф为孔隙度,单位为%;R为采出程度,单位为%。
在上述孔道剪切速率的计算公式中,所述渗流速度一般根据以下公式计算:
其中,V0为渗流速度,单位为m/d;Q为油井产量,单位为m3/d;D为距油井距离,单位为m;L为油层厚度,单位为m;Ф为孔隙度,单位为%。
在本发明的具体实施方案中,上述方法可以在往复振荡式原油乳化装置中进行,所述装置一般包括基台、以及位于基台内部的振荡器、传动杆,其中,所述传动杆一般用于控制振荡器在水平方向轴向移动,所述振荡器一般包括平板、试管,所述试管一般固定于所述平板的上方。
根据本发明的具体实施方案,当上述装置处于工作状态时,能够利用乳液原料所处的试管模拟地层孔道、结合特定振荡频率和振幅的往复式振荡运动模拟乳液原料在地层孔道中的剪切速率,从而模拟真实地层剪切条件下乳液的形成过程。
在本发明的具体实施方案中,所述试管可以水平固定于所述平板上方,也可以与竖直方向偏离一定倾斜角度固定在所述平板上方,前一种固定方式有利于乳液的均匀振荡,后一种固定方式有利于对乳液形成情况的实时观察。所述试管可以采用玻璃管,避免原油对试管壁的腐蚀。
在本发明的具体实施方案中,所述试管一般通过弹簧夹固定于所述平板的上方。在一些实施方案中,所述平板的上方可以还设有用于固定所述试管的试管架,此时所述试管可以通过弹簧夹固定于所述试管架。
在本发明的具体实施方案中,所述装置还可以包括驱动电机,所述驱动电机用于控制所述传动杆轴向水平运动。所述驱动电机可以为无级调速的电机,保证运转平稳。
在本发明的具体实施方案中,所述基台内部可以设有恒温箱,用于实现对环境温度的控制以及保持温度恒定。
在本发明的具体实施方案中,所述装置还可以包括光电传感器和控制电路、用于控制温度和驱动电机的转速。在一些实施方案中,所述往复振荡式原油乳化装置可以设有操作面板,可以通过往复振荡式原油乳化装置的操作面板实现对温度和驱动电机的控制。
在本发明的具体实施方案中,上述评价方法可以包括:将乳液原料放入试管中、密封试管口后将试管固定于平板上方;设定振幅和/或振荡频率(一般是设定振荡频率),使传动杆带动振荡器中的试管在水平方向轴向往复振荡,得到所述模拟乳液。
本发明还提供了一种模拟乳液,其是由上述制备方法制备得到的。
本发明进一步提供了上述模拟乳液在评价乳化降黏剂、破乳剂性能中的应用。例如,向上述模拟乳液中加入破乳剂,由于模拟乳液的乳液性质与油井乳液的性质接近,因此,可以利用本发明提供的模拟乳液对破乳剂的效果进行准确评价。又如,当向上述乳液的原料中加入降黏剂时,上述制备方法能够模拟降黏剂与原油、水形成的降黏剂体系在矿场地层孔隙中渗流情况以及油-水两相在地层中受到的剪切作用,得到与包含降黏剂的油井乳液性质接近的模拟乳液,从而实现对降黏剂效果的准确性评价。
本发明的有益效果在于:
1、本发明提供的往复振荡模拟地层剪切制备乳液的方法能够模拟在地层孔道中发生的乳化过程,通过控制振荡频率和振幅模拟地层条件下乳液形成过程中受到的剪切条件,得到均匀性好、乳化效果好、且接近真实地层乳液性质的模拟乳液,并为研究地层乳液的形成规律提供了重要参考。
2、本发明提供的方法能够准确模拟含有试剂的乳液体系(如降黏剂体系等)在矿场地层孔隙中的渗流情况以及油水两相在地层中受到的剪切作用。利用本发明提供的乳液对破乳剂、降黏剂的性能进行评价,评价结果与破乳剂、降黏剂在真实地层条件下的作用效果相近,对破乳剂、降黏剂的筛选过程具有重要参考价值。
附图说明
图1为实施例1提供的往复振荡式原油乳化装置的结构俯视图。
图2为实施例1提供的往复振荡式原油乳化装置的结构侧视图。
图3为测试例1中三种乳液的粒径统计分布图。
图4为测试例1中三种乳液的脱水率测量结果。
符号说明
1-平板、2-试管架、3-弹簧夹、4-玻璃管、5-操作面板、6-传动杆、7-电机、8-滑动轨道、9-基台、10-恒温箱、11-橡胶底座。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解,现对本发明的技术方案进行以下详细说明,但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。
实施例1
本实施例提供了一种往复振荡式原油乳化装置,图1、图2分别为该装置的结构俯视图和结构侧视图。该装置具体包括:基台9、以及位于基台9内部的恒温箱10、传动杆6、电机7和振荡器。
基台9为不锈钢腔体、其外部底部设有橡胶底座11。
恒温箱10设有恒温工作腔,用于调节基台9内部的环境温度、保持基台9内部温度的稳定。传动杆6、电机7和振荡器位于恒温箱10中。
振荡器包括平板1、试管架2、玻璃管4(作为试管)、滑动轨道8。平板1的底部与传动杆6连接、平板1上方设有试管架2,玻璃管4(直径为0.5-3.2cm)通过弹簧夹3固定于试管架2的上方。振荡器上方设有操作面板5。
传动杆6的一端与平板1的底部相连、另一端与电机7相连。传动杆6能够在电机7的控制下在水平方向进行往复式轴向振荡运动、进而带动平板1沿滑动轨道8在水平方向轴向运动。电机7为无级调速,保证传动杆6与平板1的平稳移动。振荡器中还设有光电传感器与控制电路,测试人员可以通过在操作面板5上实现对温度和电机7转速的控制。
当乳化装置处于工作状态时,平板1的振幅可以达到3-5cm,振荡频率可以达到10-330次/min。在进行实验时,一般是将模拟乳液的原料(原油、水等)放入玻璃管4中并用玻璃塞密封,通过利用玻璃管4模拟地层孔道结构、以及保持玻璃管4以特定振荡频率和振幅在水平方向进行的往复式振荡运动,进而模拟原油和水在地层条件下的形成乳液的过程。
实施例2
本实施例提供了一种往复振荡模拟地层剪切制备乳液的方法,其是在实施例1中乳化装置中进行的,具体包括以下步骤:
1、选择直径2cm、容量50ml的玻璃管,向其中加入6g油井乳液脱水原油和24g油井乳液分出水,油井乳液脱水原油与油井乳液分出水的质量比为2:8,利用玻璃塞将玻璃管口密封,放入50℃水浴预热30min。
将预热后的试管固定在往复振荡式原油乳化装置的试管架上,并用弹簧夹固定。设定振荡器的振荡频率为75次/min,振幅为4cm,并设定恒温箱的温度为50℃,启动驱动电机,使传动杆与平板沿水平方向轴向运动振荡。往复振荡7h后,玻璃管中形成模拟乳液。
其中,振荡器的振荡频率根据以下过程确定:
(1)确定孔道剪切速率:
其中,Q为油井产量,取值为20.90m3/d;D为距油井距离,取值为0.28m;L为油层厚度,取值为23.30m;Ф为孔隙度,取值为23.81%。计算出渗流速度V0为2.15m/d。
k为渗透率,取值为1.24μm2;Ф为孔隙度,取值为23.81%;R为采出程度,取值为60%。计算出孔隙有效直径De为10.01μm。
带入以上渗流速度V0和孔隙有效直径De,得到孔道剪切速率γ为20s-1。
(2)确定振荡频率:
γ为孔道剪切速率,取值为20s-1;A为振幅,取值为4cm;D为试管内径,取值为2cm。计算振荡频率f为75次/min。
实施例3
本实施例提供了一种模拟地层剪切制备乳液方法,该方法以18g的质量浓度为0.1%的降黏剂水溶液代替实施例2中24g油井乳液分出水,油井乳液脱水原油为12g,其他操作和参数与实施例2相同,得到含有降黏剂的模拟乳液。
测试例1
本测试例对利用实施例2提供的方法制备的模拟乳液、原始油井采出乳液和利用高速搅拌方法制备的对比乳液进行乳液结构与乳液稳定性的测试。
具体地,油井采出乳液为:大港油田采油三厂的采出乳液,含水60%。
模拟乳液:原油是大港油田采油三厂采出乳液的脱水原油、水是大港油田采油三厂采出乳液的脱出水,按照实施例2提供的方法制备得到含水60%模拟乳液。
高速搅拌法制备的对比乳液:将12g大港油田采油三厂采出乳液的脱水原油与18g大港油田采油三厂采出乳液的脱出水混合、经过400转/分钟的高速搅拌(IKA EUROSTAR搅拌器),得到含水60%对比乳液。
乳液结构测试:
使用光学显微镜对以上油井采出乳液、模拟乳液和对比乳液的粒径,图3为各乳液的粒径统计分布图。从图3中可以看出,采用本发明提供的方法制备的模拟乳液的粒径分布情况与从地层获取的油井采出乳液的粒径分布情况较为相近,而高速搅拌方法制备的对比乳液的粒径则与油井采出乳液的粒径相差较大。
乳液稳定性测试:
将三种乳液分别放入50℃水浴沉降,记录不同沉降时间下乳液的脱水体积并计算脱水率,用以分析乳液稳定性。脱水率的计算公式如下:
W为脱水率,V1为乳液脱出水的体积,V0为制备乳液用水的总体积。
实验结果如图4所示,可以看出,采用本发明提供的方法制备的模拟乳液的脱水率随时间的变化情况与油井采出乳液的脱水率随时间的变化情况较为相似,说明二者的稳定性相近;而采用高速搅拌方法制备的对比乳液的脱水率随时间的变化情况与油井采出乳液的脱水率随时间的变化情况有明显的差别,证明二者的稳定性差距较大。
以上测试证明,相比于常规的高速搅拌法,本发明提供的方法能够制备出与油井采出液结构、稳定性均相似的模拟乳液,对研究地层剪切条件下乳液的形成过程有重大意义。
测试例2
本测试例将利用本发明提供的方法制备的模拟乳液、原始油井采出乳液和利用高速搅拌方法制备的对比乳液分别与破乳剂混合,对破乳效果进行评价,以衡量利用本发明提供的模拟乳液进行破乳效果评价的可行性。具体地,油井采出乳液为:大庆四厂杏十采出液处理站的三元复合驱乳液,含水80%。
模拟乳液:原油是大庆四厂杏十乳液的脱水原油、水是大庆四厂杏十乳液的脱出水,按照实施例2提供的制备方法得到含水80%模拟乳液。
高速搅拌法制备的对比乳液:将6g庆四厂杏十乳液的脱水原油与24g大庆四厂杏十乳液的脱出水混合,采用测试例1中记载的高速搅拌(IKA EUROSTAR搅拌器)方法,得到含水80%对比乳液。
破乳效果评价方法:
以上述模拟乳液、油井采出乳液和对比乳液中为待测样品,将待测样品分为两组,一组按照100mg/L的比例加入破乳剂A(AE121,滨州利尔助剂公司生产)、另一组按照100mg/L的比例加入破乳剂B(TA1031,滨州利尔助剂公司生产)、在45℃水浴中恒温静态沉降120min,取下层水测试水中含油量、用于评价破乳效果,实验结果总结在表1中。
表1
破乳剂A | 破乳剂B | |
在油井采出乳液中的破乳效果 | 651(好) | 1236(差) |
在模拟乳液中的破乳效果 | 702(好) | 1206(差) |
在对比乳液中的破乳效果 | 1556(差) | 526(好) |
从表1可以看出,使用本发明提供的方法制备的模拟乳液对破乳剂破乳效果的评价结果与油井采出乳液对破乳剂破乳效果的评价结果一致,而采用高速搅拌制备对比乳液对破乳剂的评价结果则与油井采出乳液得出的评价结果相反。上述结果可以证明,相比于高速搅拌法,以本发明提供的方法制备模拟乳液对破乳剂破乳效果进行具有更高的准确性、更接近破乳剂在地层剪切状态下的真实表现。
测试例3
本测试例以大港油田和大庆油田的降黏剂现场试验效果为检验标准,将本发明提供的实验方法评价降黏剂的降黏效果、高速搅拌方法评价降黏剂的降黏效果与降黏剂现场试验效果对比,检验本发明提供的实验方法评价降黏剂降黏效果的准确性和可靠性。
(1)评价小分子降黏剂对大港油田采油三厂原油的降黏效果
小分子降黏剂由壬基酚聚氧乙烯醚、十二烷基苯磺酸钠和水组成,以小分子降黏剂的总重为100%计,该小分子降黏剂包括壬基酚聚氧乙烯醚30%,十二烷基苯磺酸钠20%,水50%。
采用本发明提供方法制备模拟乳液对降黏剂进行降黏效果评价:在实施例1的装置中的玻璃管中加入质量浓度为0.1%的小分子降黏剂水溶液(溶剂水为大港油田采油三厂采出乳液脱出水)和大港油田采油三厂采出乳液脱水原油,油水质量比为4:6,按照实施例2的操作进行往复式振荡,观察降黏剂的降黏效果,实验结果记录在表2中。
采用高速搅拌方法制备对比乳液对降黏剂进行降黏效果评价:在烧杯中加入质量浓度为0.1%的小分子降黏剂水溶液(溶剂水为大港油田采油三厂采出乳液脱出水)和大港油田采油三厂采出乳液脱水原油,油水质量比为4:6,以400转/min的搅拌速度进行搅拌,观察降黏剂的降黏效果,实验结果记录在表2中。
(2)评价大分子降黏剂对大庆采油二厂原油的降黏效果
大分子降黏剂由丙烯酰胺、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸和壬基酚聚氧乙烯醚丙烯酸酯聚合而成,以大分子降黏剂原料的总重为100%计,大分子降黏剂的原料包括丙烯酰胺80%,2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸15%,壬基酚聚氧乙烯醚丙烯酸酯5%。
采用本发明提供方法制备模拟乳液对降黏剂进行降黏效果评价:在实施例1的装置中的玻璃管中加入质量浓度为0.1%的大分子降黏剂水溶液(溶剂水为大庆采油二厂采出乳液脱出水)和大庆采油二厂采出乳液脱水原油,油水质量比为4:6,按照实施例2的操作进行往复式振荡,观察降黏剂的降黏效果,实验结果记录在表2中。
采用高速搅拌方法制备对比乳液对降黏剂进行降黏效果评价:在烧杯中加入质量浓度为0.1%的大分子降黏剂水溶液(溶剂水为大庆采油二厂采出乳液脱出水)和大庆采油二厂采出乳液脱水原油,油水质量比为4:6,以400转/min的搅拌速度进行搅拌,观察降黏剂的降黏效果,实验结果记录在表2中。
表2
从表2可以看出,在采用本发明提供的方法制备的含有降黏剂的模拟乳液中,降黏剂的降黏评价结果与现场试验结果一致,而在采用高速搅拌方法制备的对比乳液中,降黏剂的降黏评价结果与现场试验结果不一致。
从测试例1、测试例2、测试例3的结果可以看出,本发明提供的方法制备的模拟乳液能够有效模拟油水两相在矿场地层孔隙中渗流情况以及在地层中受到的剪切作用,对降黏剂、破乳剂的筛选工作具有重要意义。
Claims (15)
2.根据权利要求1所述的方法,其中,所述乳液原料包括油相和水相,所述油相与水相的质量比为2:8-8:2;
优选地,所述油相包括原油,所述水相包括水或降黏剂水溶液;更优选地,所述降黏剂水溶液的质量浓度≥0.01%。
3.根据权利要求1或2所述的方法,其中,所述乳液原料的总体积与所述试管总容量的体积比为2:5-4:5,优选为3:5。
4.根据权利要求1所述的方法,其中,所述试管的直径为0.5-3.2cm。
5.根据权利要求1所述的方法,其中,所述往复式振荡的振荡频率为10-330次/min,所述往复式振荡的振幅为3-5cm。
9.根据权利要求1所述的方法,其中,所述制备方法在往复振荡式原油乳化装置中进行,所述装置包括基台以及位于基台内部的振荡器、传动杆;
所述传动杆用于控制所述振荡器在水平方向往复轴向移动;所述振荡器包括平板和试管,所述试管固定于所述平板的上方。
10.根据权利要求9所述的方法,其中,所述装置还包括驱动电机,所述驱动电机用于控制所述传动杆轴向水平运动;优选地,所述驱动电机为无级调速的电机。
11.根据权利要求9所述的方法,其中,所述试管通过弹簧夹固定于所述平板上方;优选地,所述平板上方设有用于固定试管的试管架,所述试管通过弹簧夹固定于所述试管架。
12.根据权利要求9-11任一项所述的方法,其中,所述基台内部设有恒温箱。
13.根据权利要求9-12任一项所述的方法,其中,所述制备方法包括:将乳液原料放入试管中、密封试管口后将试管固定于平板上方;设定振幅和/或振荡频率,使传动杆带动振荡器中的试管在水平方向轴向往复振荡,得到所述模拟乳液。
14.一种模拟乳液,其是由权利要求1-13任一项所述的方法制备得到的。
15.权利要求14所述的模拟乳液在评价乳化降黏剂、破乳剂性能中的应用。
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