高溫高壓潤濕性及界面張力儀功能擴展的探討與應用

劉宏生中國石油大慶油田有限責任公司勘探開發研究院（黑龍江　大慶　163712）

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研究與探討

高溫高壓潤濕性及界面張力儀功能擴展的探討與應用

劉宏生
中國石油大慶油田有限責任公司勘探開發研究院（黑龍江大慶163712）

高溫高壓潤濕性及界面張力儀可以真實模擬油藏條件測量接觸角和界面張力。為了使高溫高壓潤濕性及界面張力儀可以測量二氧化碳與原油最小混相壓力功能，增加了高溫高壓氣體進樣系統，改進了原有油相、水相進樣系統，使其功能得到擴展。儀器功能擴展后可以測量二氧化碳與原油最小混相壓力，相對細管實驗測量二氧化碳與原油最小混相壓力的方法，該方法簡單、快速，同時儀器的測量精度和使用范圍也得到了提高，可以測量常溫凝固的稠油等樣品的界面張力、接觸角及最小混相壓力，且儀器的清洗和操作更加簡單。

高溫高壓；潤濕性及界面張力儀；混相壓力

石油是不可再生的能源，經濟有效地開發現有油田是永恒的課題，水驅可以提高采收率三分之一到五分之一。我國各大油田均已處于水驅后期，但有半數以上的石油地質儲量殘留在地下[1-2]。需要開展有效的三次采油使我國石油產量增加10%～20%。三次采油中應用最廣泛、最成熟技術是化學驅，而化學劑在油藏條件下的潤濕性及界面張力等參數，決定了油藏中流體分布和流動狀態，最終影響化學劑的驅油效果[3-4]。而化石燃料的燃燒排放大量二氧化碳，二氧化碳作為一種主要的溫室氣體對地球環境影響越來越大[5-6]。近年來，二氧化碳驅油技術成為綠色低碳戰略的重要追求目標，而且還能提高低滲透油藏的原油采收率受到越來越多的重視。二氧化碳驅油的核心問題是最小混相壓力的確定[7-8]。

潤濕性及界面張力儀主要包括常溫常壓型、高溫型、超高溫型、便攜型，其中高溫高壓型潤濕性及界面張力儀能夠真實模擬油藏條件測量接觸角和界面張力。為了擴展高溫高壓潤濕性及界面張力儀可以測量二氧化碳與原油最小混相壓力功能，且可以使常溫凝固的稠油等樣品，實現順利進樣測量和測量，需要對現有設備進行改造。通過增加高溫高壓氣體進樣系統，改進原有油相、水相進樣系統，使其功能得到擴展。

1　高溫高壓潤濕性及界面張力儀性能及存在的問題

1.1高溫高壓潤濕性及界面張力儀性能

高溫高壓潤濕性及界面張力儀如圖1所示。高溫高壓潤濕性及界面張力儀主要由高溫高壓樣品池、油相進樣系統、水相進樣系統、自動記錄測量系統構成。高溫高壓樣品池測量腔體容積為20cm3，兩側具有藍寶石觀察窗，最大工作溫為120℃，最大耐壓可達70MPa。水相樣品通過手動泵加壓進入高溫高壓樣品池中。油相樣品通過手動泵加壓進入由底部插入高溫高壓樣品池中的針頭形成油滴。自動記錄測量系統通過攝像頭拍攝記錄油滴形狀，利用Young-Laplace公式計算油水界面張力。同時儀器可以測量油滴在水平或傾斜的巖石的表面測量接觸角和表面能。接觸角擬合方法有5種不同選擇，分別是：切線法、θ/2法、液滴形狀分析、橢圓擬合法、真實液滴法、Spline曲線擬合法[9]。高溫高壓潤濕性及界面張力儀界面張力的測量范圍0.01～2 000mN/m；其接觸角測量范圍是0°～180°，可讀精度為0.01°。

圖1　高溫高壓潤濕性及界面張力儀示意圖

1.2高溫高壓潤濕性及界面張力儀存在的問題

高溫高壓潤濕性及界面張力儀主要用于測定模擬油、烴類與驅油體系在高溫、高壓條件下的潤濕性和界面張力。其中僅有高壓樣品池具有加熱功能，而水相和油相進樣系統不具加熱功能。且水相和油相進樣系統是樣品裝入敞口樣品池，經高壓手動泵加壓進入高壓樣品池，這導致常溫不流動樣品不能實現進樣測量，且儀器清洗困難。高溫高壓潤濕性及界面張力儀沒有配備高壓氣體進樣系統，不能測量二氧化碳與原油的最小混相壓力。

2　高溫高壓潤濕性及界面張力儀的功能擴展

為了擴展高溫高壓潤濕性及界面張力儀的功能可以測量二氧化碳與原油最小混相壓力，且可以使常溫凝固的稠油等樣品，實現順利進樣測量，需要對現有設備進行改造。首先，增加高溫高壓氣體進樣系統，主要包括氣體增壓泵、活塞容器及加熱控溫系統；其次，改進原有油相、水相進樣系統，在手動泵與樣品池之間增加微型活塞容器，在微型活塞容器、管線及閥門等加裝加熱控溫系統。改進后的高溫高壓潤濕性及界面張力儀如圖2所示。

高溫高壓氣相進樣系統主要包括氣瓶、二氧化碳泵、活塞容器、活塞容器加熱控溫系統、集成化機架等部分（圖2）。高溫高壓氣體進樣系統通過將鋼瓶的二氧化碳注入活塞容器儲存并加熱，利用高壓電動泵注入液壓油到二氧化碳活塞容器內壓縮二氧化碳到70 MPa。活塞容器加溫系統采用高溫橡膠筒式加熱器加熱，最高工作溫度為120℃。水路管線及閥門主要采用恒溫電熱帶及管線外套保溫形式，恒溫電熱帶恒溫溫度最高120℃。

結合高溫高壓潤濕性及界面張力儀原說明書及儀器功能擴展原理編寫了儀器工作原理及使用操作說明書，同時附加了儀器使用注意事項。使改進后的高溫高壓潤濕性及界面張力儀使用更加安全、規范。

圖2　改進后高溫高壓潤濕性及界面張力儀示意圖

3　儀器功能擴展后的應用

二氧化碳混相驅已成為一項重要且成熟的提高采收率方法，且可以減少環境污染，混相壓力的確定是混相驅油的核心問題。

目前測量混相壓力的方法如圖3所示。國內外許多專家研究了確定最小混相壓力的方法，包括理論計算和實驗測定。但是，一般的理論計算精確度都不高，而實驗測定方法具有較高的可靠性。實驗測定方法包括細管實驗、升泡儀法及界面張力法等。其中，界面張力法是通過直接測定注氣相與地層原油間的界面張力來確定最小混相壓力，既能觀測到形成混相的狀態，而且操作時間也較短。細管實驗法被認為是最可靠的測量最小混相壓力方法，但細管實驗也有局限性，不能模擬黏性指進、重力超覆等因素，實驗周期長，大約需要7～14天，且實驗工作量大。升泡儀法是直接觀察混相過程，測量周期短，1h可以完成測量，測量結果受人為因素影響嚴重。而界面張力法是通過直接測定注氣相與地層原油間的界面張力來確定最小混相壓力,既能觀測到形成混相的狀態,而且操作時間也較短，僅需5～6h。

3.1儀器功能擴展后具體應用

應用改進后的高溫高壓潤濕性及界面張力儀測量了二氧化碳與大慶原油的界面張力與壓力的關系曲線如圖4所示。由于最小混相壓力是界面張力為零時的壓力，通過曲線外推可得到二氧化碳與大慶原油的最小混相壓力。改進后的高溫高壓潤濕性及界面張力儀測量的結果與彭寶仔等人做的結果相比較，得出的曲線變化趨勢相近，說明儀器改造后測量的結果是準確可靠的[11]。

圖3　CO2與原油混相壓力測量方法

圖4　表面活性劑對CO2與大慶原油混相壓力的影響

由圖4可知，表面活性劑在一定程度上可以降低原油混相壓力。表面活性劑C14可以降低最小混相壓力接近1MPa，而表面活性劑C18可以降低最小混相壓力接近2MPa，這在理論上可以實現大慶油田二氧化碳混相區的實現，但在降低二氧化碳最小混相壓力方面還需繼續完善和研發新型添加劑。對高溫高壓潤濕性及界面張力儀功能擴展為大慶油田二氧化碳驅油研究提供了有利的基礎保障。

3.2儀器功能擴展應用效果分析

高溫高壓潤濕性及界面張力儀的改造費用為30萬元，增加了測量二氧化碳與原油混相壓力的功能，可以減少引進二氧化碳混相裝置，而二氧化碳混相裝置價格一般為400萬元。同時可以使常溫凝固的稠油等樣品，實現順利進樣測量，增加了儀器測量范圍。因此，儀器改造的經濟效益顯著。

二氧化碳與原油最小混相壓力如果應用細管實驗方法測量，測量一個混相壓力需要7～14天，價格為3 000元/個。而改進后的實驗裝置測量二氧化碳與原油最小混相壓力僅需5～6h，價格為300元/個。按一年測量100個樣品計算，節約測量費用27萬元。最少節約測量時間638天，即節約人工成本為19.1萬元。每年共節約費用46.1萬元。儀器按使用年限10年計算可創造經濟效益461萬元。

4　結論

1)高溫高壓潤濕性及界面張力儀功能擴展后可以測量二氧化碳與原油最小混相壓力，相對細管實驗測量二氧化碳與原油最小混相壓力的方法，該儀器測量方法簡單、快速。實際應用中可以使用該儀器預先優選最佳條件，對優選出的結果再進行細管實驗進行對比，降低了工作量。

2)高溫高壓潤濕性及界面張力儀功能擴展后可以測量常溫凝固的稠油等樣品的界面張力、接觸角及最小混相壓力，提高了儀器的測量精度和使用范圍，同時儀器的清洗和操作更加簡單。

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The high-temperature and high-pressure wettability and interfacial tension instrument can simulate the reservoir conditions and measure the contact angle and interfacial tension between oil and water. The oil and water sample injection systems of the instru?ment are improved and a gas sample injection system is added to the instrument in order to extent its function for the measurement of the minimum miscible pressure of carbon dioxide with crude oil. Compared with the carbon dioxide-crude oil minimum miscible pressure measurement method using slim-tube test, the measurement method using the improved instrument is convenient and fast, and of high measurement accuracy and wide measurement range. The improved instrument can be used to measure the interfacial tension, the con?tact angle and the minimum miscible pressure of the heavy oil sample solidifying at normal temperature, and its cleaning and operation is also very simple.

high temperature and high pressure; wettability and interfacial tension instrument; miscible pressure

國家科技部重大專項(編號：2011ZX05010-005)。

劉宏生(1979- )，男，碩士，工程師，從事三次采油研究。

本文編輯：尉立崗2015-12-14