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1、EOR原理,第五章 碱 驱Alkaline Flooding,第五章 碱 驱,本章主要内容碱驱提高采收率的基本机理界面张力与碱质量分数关系曲线及其应用什么原油适合于碱驱碱会与地层和地层流体作用碱驱存在的问题、改善方法,第一节 碱驱概述,碱驱是指以碱溶液作为驱油剂的驱油法。碱驱是一种提出最早（1917年）1927年申请第一个专利 试验最早（1930年），化学剂最便宜，操作最简单 美国进行了50个碱驱矿场试验，都未获得工业成功。驱油机理最复杂，限制也多，因此矿场试验的规模和范围远小于聚合物驱的一种提高采收率方法。,第一节 碱驱概述,碱驱是一种二次采油法，也是一种三次采油法。最好用在二次采油的早期阶
2、段，因为这时含油饱和度高，油多，油中的酸与碱反应生成的表面活性物质也高；而且此时的krw低，w低，Mwo低，波及系数高，采收率高。碱驱常用聚合物控制流度。,由于地层中的钙镁离子可与碱反应而消耗碱，因此在注碱溶液前需注入一段塞的淡水；之后再注入聚合物段塞以控制后续水驱的流度。,图51 碱驱的段塞图1剩余油；2淡水；3碱溶液；4聚合物溶液；5水,第二节 碱驱提高采收率的作用机理,一、低界面张力（LIFT）原理,碱与石油酸反应生成活性剂，降低界面张力，提高洗油效率。,这机理认为在低的碱质量分数和一个最佳的盐含量下，碱与原油中酸性成分反应生成的表面活性剂，可使油水界面张力降至102mNm-1以下。从粘
3、附功公式可以看到，油水界面张力低意味着粘附功小，即油易从岩石表面洗下来，提高了洗油效率。,碱的质量分数一般低于0.01,图52 一种原油的界面张力与氢氧化钠质量分数关系,？,最佳盐含量在10000mg/L以下,盐含量/(mgL-1)：（1）3.5104；（2）3.0104；（3）2.0104；（4）1.0104；（5）0.5104；（6）0.1104；（7）0。,图53 不同盐含量下界面张力与氢氧化钠质量分数的关系,二、乳化-携带（Emuls-Entrain)机理,在低的碱质量分数和低的盐含量下，由碱与石油酸反应生成的表面活性剂可使地层中的剩余油乳化，并被碱水携带着通过地层。按此机理，碱驱应用
4、有如下特点：（1）可以形成油珠相当小的乳状液；（2）通过乳化提高碱驱的洗油效率；（3）碱水突破前采油量不可能增加；（4）油珠的聚并性质对过程有较大影响。,三、乳化-捕集(Emuls-Entrap)机理,在低的碱质量分数和低的盐含量下，由于低界面张力使油乳化在碱水相中，但油珠半径较大，因此当它向前移动时，就被捕集，增加了水的流动阻力，即降低了水的流度，从而改善了流度比，增加了波及系数，提高了采收率。,三、乳化-捕集(Emuls-Entrap)机理,按此机理，碱驱应有如下特点：（1）油可在碱水相中形成乳状液；（2）分散的油珠会被捕集在较小孔道，改善了碱驱的波及系数；（3）碱水突破前采油量可以增加；
5、（4）油珠的聚并性质对过程有有利的影响。,四、由油湿反转为水湿（OWWW）机理,在高的碱质量分数和低的盐含量下,在高的碱质量分数和低的盐含量下，碱可通过改变吸附在岩石表面的油溶性表面活性剂在水中的溶解度而解吸，恢复岩石表面原来的亲水性，使岩石表面由油湿反转为水湿，提高洗油效率，同时也可使油水相对渗透率发生变化，形成有利的流度比，提高波及系数。,图54 通过OW WW机理提高采收率,可提高油湿油层和高含水油层的采收率,五、由水湿反转为油湿（WW OW）机理,在高的碱质量分数和高的盐含量下，碱与石油酸反应生成的表面活性剂主要分配到油相并吸附到岩石表面上来，使岩石表面从水湿转变为油湿。这样，非连续的
6、剩余油变成连续的油相，为原油流动提供通道。与此同时，在连续的油相中，低界面张力将导致油包水乳状液的形成，这些乳状液中的水珠将起到堵塞流通孔道的作用，并在有水珠堵塞的孔隙介质中产生高的压力梯度。这高的压力梯度能克服被低界面张力所降低的毛管阻力。油是从乳化水珠与砂粒之间的连续油相这条通道排泄出去，而将高水含量的乳状液留在后面，达到减小地层剩余油饱和度的目的。,图55 通过WW OW机理提高采收率,六、自发乳化与聚并机理,在最佳的碱质量分数下，原油可自发乳化到碱水之中。这种自发乳化现象是由于油中的石油酸与碱水中的碱在表面上反应产生表面活性剂，先是浓集在界面上，然后扩散至碱水中引起的。油中的石油酸主要
7、为羧酸，它可与碱（氢氧化钠）反应产生羧酸钠。羧酸钠在水中的聚集状况，决定于它的质量分数。,图56 十二酸钠水体系相图,十二酸钠浓体系增加水的质量分数时胶束所经历的变化,图58 水驱难以采出的油,层状胶束、棒状胶束六角束、棒状技术、球形胶束都可以增溶油,最佳碱体系驱替时，体系经历自乳化至聚并，因此可以采取水驱难以采出的油。,七、增溶刚性膜机理,在三次采油时，油处在分散状态，沥青质可在油水界面上形成一层刚性膜。这种膜的存在，使油珠通过孔喉结构时不易变形通过，使水不能有效排驱剩余油。碱水的注入，增加了沥青质的水溶性，使它刚性减小，提高了剩余油的流度能力。,碱驱机理实现的条件,第二节 碱驱提高采收率的
8、作用机理,第三节 界面张力与碱质量分数曲线的解释与应用,设原油中的酸性成分为HA，它可在水中解离：HAH+A-(I),HA与NaOH反应生成的表面活性剂NaA，也可在水中解离：NaANa+A-(II),H2OH+OH-(III),在上述物质中，只有A能有效地降低油水界面张力。HA、NaA均没有A那种界面活性。,界面张力与碱质量分数的关系是碱驱的基础。,当水中无碱时，A来源于反应（）。由于HA在水中解离度很小，所以A含量很少，油水界面张力高。当水加碱时，反应（）的平衡向左移动，H浓度减小，使反应（）向右移动，A含量增加，油水界面张力减小。当加碱到最佳值，A的浓度最大，它在油水界面上吸附达到饱和，
9、油水界面张力达到最低值。若进一步加碱，由于反应（）左移，A的浓度减小，油水界面张力增加。由此解释了图52曲线的变化。,Jennings碱系数(caustic coefficient,cc),图59 碱系数的概念,碱系数是指双对数坐标内油水界面张力与碱质量分数的关系曲线和0.01mNm-1 1.0mNm-1所包的面积与0.01mNm-1 1.0mNm-1与0.001%1.0%碱质量分数总面积之比乘6。碱系数可用于评价油对碱驱的适应性和选用碱驱用碱。碱系数越大的油，越适宜碱驱。,第四节 碱驱用碱,一般碱,潜在碱,碱木素,图510 pH值与碱质量分数的关系,第五节 适合碱驱的原油,原油酸值是指1g原
10、油被中和到pH值产生突跃时所需氢氧化钾的质量，单位为mgg-1。一般要求原油的酸值大于0.2 mgg-1。原油粘度要求小于35mPas。一定的酸值是进行碱驱的必要条件，但不是充分条件。用Jennings碱系数评价原油碱驱适应性比用原油的酸值合理。,图511 原油的酸值与密度的统计关系,第六节 碱与地层和流体的反应,一、碱与地层的反应1.矿物转换,以氢氧化钠为例说明碱与地层和地层流体的反应。,2.溶蚀作用,二、碱与地层水的反应,3.离子交换,主要是与二价金属离子反应,三、碱与油中酸性物质的反应,1.与酚反应,2.与环烷酸反应,3.与沥青质（酸）反应,第七节 适合碱驱油田的筛选标准,第八节 碱驱存
11、在的问题,一、碱耗,二价金属离子含量高的地层水会引起可观的碱耗。矿物中，石膏的碱耗是严重的。,表53 矿物的碱耗,二、结垢,配碱溶液用水中的Ca2+、Mg2+，可引起注入系统和注入井近井地带结垢；碱与地层矿物反应产生的可溶性硅酸盐和铝酸盐，也可在油井产出时与其他方向来水中的Ca2+、Mg2+反应，引起油井近井地带和生产系统结垢。,三、乳化,乳化机理是碱驱的重要机理，碱驱的产出液为原油与水的乳状液。碱与石油酸反应生成的表面活性剂在低盐含量条件下为水溶性表面活性剂，可生成水包油乳状液；在高盐含量条件下为油溶性表面活性剂，可生成油包水乳状液。,四、流度控制,由于碱水的流度高，而油的流度低，所以碱水很
12、容易沿高渗透层而不起驱油作用。当碱驱用于开采粘度较高而碱驱机理又是按低界面张力和乳化携带机理设计时，这个问题显得特别突出。因此在注入碱水之后必须注入流度控制剂控制碱水的流度，使它能平稳地通过地层起驱油作用。可用的流度控制剂主要有两类：一类为聚合物（如聚丙烯酰胺）溶液；另一类是泡沫（以磺酸盐型表面活性剂作起泡剂，以氮气为气相生成）。,本章小结（1）碱驱及其提高采收率的基本机理；（2）说明碱驱的段塞及其原因；（3）解释界面张力与碱质量分数关系曲线及其应用；（4）碱驱常用的碱有那几种；（5）什么原油适合于碱驱；（6）碱会与地层和地层流体发生那些反应；（7）适合碱驱油田的筛选标准是什么；（8）碱驱存在的问题分析及其改善的方法。,
