非均質(zhì)油藏二元復合驅(qū)合理毛管數(shù)實驗

李堪運，李翠平，趙 光，溫棟良

（1.中國石油長慶油田第一采油廠，陜西延安716000；2.中國石油大學（華東）國家重質(zhì)油重點實驗室，山東青島266580；3.中國石化河南油田分公司石油工程技術(shù)研究院，河南南陽473132）

非均質(zhì)油藏二元復合驅(qū)合理毛管數(shù)實驗

李堪運1，李翠平1，趙 光2，溫棟良3

（1.中國石油長慶油田第一采油廠，陜西延安716000；2.中國石油大學（華東）國家重質(zhì)油重點實驗室，山東青島266580；3.中國石化河南油田分公司石油工程技術(shù)研究院，河南南陽473132）

為研究非均質(zhì)油藏毛管數(shù)對二元復合驅(qū)油體系最終采收率的影響，選取滲透率級差為2的非均質(zhì)物理模型，考察了不同粘度和界面張力下二元復合體系的增油效果。結(jié)果表明：在一定的界面張力條件下，二元復合體系粘度越大采收率增值越大，但存在臨界粘度，即15 mPa·s；達到臨界粘度后采收率增值變化趨于平緩，且界面張力為1.865×10-2mN/m時采收率增值最大，此時界面張力即為二元復合體系的合理界面張力，其與臨界粘度所對應的毛管數(shù)即為二元復合體系合理毛管數(shù)，即1.975×10-2。采用微觀可視化模型，對比了10-3，10-2，10-1mN/m這3個數(shù)量級毛管數(shù)二元復合體系的驅(qū)油差異。結(jié)果表明：針對非均質(zhì)油藏，二元復合體系并非毛管數(shù)越大提高采收率能力越強，合理毛管數(shù)下的二元復合體系除具有一定的洗油能力外，其所形成的乳化液滴對非均質(zhì)油藏高滲透層還具有一定的封堵作用，提高采收率能力更強。

非均質(zhì)油藏合理毛管數(shù)二元復合驅(qū)臨界粘度界面張力采收率

由20世紀中期Taber等提出的經(jīng)典毛管數(shù)理論［1］可知，只有最大限度地增大毛管數(shù)才可大幅度提高原油采收率。由于受現(xiàn)場注入壓力和注入速度的限制，要取得較大的毛管數(shù)必然要求界面張力達到10-3mN/m數(shù)量級以下［2-5］。但也有研究表明［6-8］，平衡界面張力為10-3mN/m數(shù)量級不是復合驅(qū)的必要條件，10-2mN/m數(shù)量級時也能取得與其相同甚至更好的驅(qū)油效果，這主要是因為經(jīng)典毛管數(shù)理論是以單一均勻毛管孔道模型為基礎(chǔ)建立的，只考慮了油水界面張力、驅(qū)油體系的粘度以及驅(qū)替速度3個參數(shù)，而沒有考慮儲層的非均質(zhì)性和油層巖石的潤濕性等因素。但實際油藏是存在非均質(zhì)性的，筆者優(yōu)選出36個不同粘度和不同界面張力數(shù)量級的二元復合體系，考察了非均質(zhì)油藏中毛管數(shù)對二元復合體系驅(qū)油效果的影響，并采用微觀可視化驅(qū)油實驗，對比分析了不同毛管數(shù)二元復合體系啟動殘余油的差異，發(fā)現(xiàn)在非均質(zhì)油藏中存在一個合理毛管數(shù)，且此毛管數(shù)對應的采收率增值最大。

1 實驗準備及方法

1.1 實驗儀器及藥品

實驗儀器包括：Brookfield DV-Ⅱ粘度計、Tex? as-500型界面張力儀、DY-III型多功能物理模擬裝置、平流泵、堵劑罐、精密壓力表等。實驗藥品包括：相對分子質(zhì)量為2.5×107，水解度為27.67%的高分子聚丙烯酰胺，部分水解聚合物SNF3640D，石油磺酸鹽KPS，陰-非離子表面活性劑YG210-10，粘度為20 mPa·s（65℃）的實驗用油，礦化度為8 094.6 mg/L且二價離子質(zhì)量濃度為668 mg/L的實驗用水。

1.2 實驗模型

采用滲透率級差為2的雙層非均質(zhì)模型，模型尺寸為4.5 cm×4.5 cm×30 cm，高滲透層滲透率為2.0～2.5 μm2，低滲透層滲透率為0.8～1.2 μm2。

1.3 實驗方法

驅(qū)油體系選擇 選用高分子聚丙烯酰胺作為驅(qū)油用聚合物；由石油磺酸鹽KPS與陰-非離子表面活性劑YG210-10組成的復配體系作為驅(qū)油用表面活性劑；通過調(diào)節(jié)聚合物和表面活性劑的組成，得到一系列不同粘度（分別為5，10，15，20，25，30 mPa·s）和不同界面張力數(shù)量級（分別為10-4，10-3，10-2，10-1，1，10 mN/m）的36個二元復合體系（表1）。

粘度測定 在轉(zhuǎn)速為6 r/min，溫度為65℃的條件下，采用Brookfield DV-Ⅱ粘度計測定粘度。

油水界面張力測定 在轉(zhuǎn)速為5 000 r/min，溫度為65℃的條件下，采用Texas-500型界面張力儀，利用旋轉(zhuǎn)滴法測定油水界面張力。

表1 二元復合體系組成

物理模擬實驗 實驗步驟包括：①抽空巖心，飽和實驗用水，計算孔隙體積和孔隙度，飽和原油；②將飽和原油的巖心放在65℃的水浴鍋中，恒溫老化48 h；③以1 mL/min的流速進行水驅(qū)至含水率達95%，注入0.3倍孔隙體積的二元復合體系，繼續(xù)水驅(qū)至含水率再次達到95%，計算采收率增值。

微觀可視化實驗 主要設(shè)備包括物理模擬攝像臺、錄像機、監(jiān)視器、多媒體計算機、可變微量泵、高位水瓶等。實驗時，將微觀可視化模型放在物理模擬攝像臺上。觀察二元復合體系對油的驅(qū)替機理，根據(jù)觀察到的微觀現(xiàn)象對比分析不同毛管數(shù)二元復合體系啟動殘余油的差異。

2 實驗結(jié)果分析

2.1 臨界粘度和合理界面張力

2.1.1 臨界粘度

針對非均質(zhì)油藏的單一聚合物驅(qū)油體系，隨著聚合物溶液粘度的增加采收率增加，當溶液粘度增大到一定值時采收率增加幅度基本保持不變，驅(qū)替相粘度存在一臨界粘度［9-11］。

圖1 二元復合體系粘度對采收率增值的影響

由二元復合體系粘度與采收率增值的關(guān)系（圖1）可以看出，在不同的界面張力下，二者的關(guān)系存在相同的規(guī)律，當二元復合體系粘度小于15 mPa·s（即聚合物質(zhì)量濃度小于1 600 mg/L）時，采收率增值均隨復合體系粘度增加而大幅度增加；當粘度達到15 mPa·s（即聚合物質(zhì)量濃度大于1 600 mg/L）之后，再繼續(xù)提高粘度，采收率增值上升幅度變緩且變化很小。究其原因，主要由于隨著二元復合體系粘度的增大，被驅(qū)替相與驅(qū)替相流度比逐步減小，對低滲透層的啟動程度逐步增大，當粘度增至臨界粘度時絕大部分低滲透層已被啟動，繼續(xù)增大聚合物質(zhì)量濃度對采收率增值貢獻較小，增值幅度變小。因此，此非均質(zhì)模型二元復合體系的臨界粘度為15 mPa·s。

2.1.2 合理界面張力

由二元復合體系界面張力對采收率增值的影響（圖2）可以看出，當體系粘度小于臨界粘度（15 mPa·s）時，界面張力越低采收率增值越大但變化幅度較小。這主要是由于當粘度小于臨界粘度時，體系主要進入高滲透層，降低界面張力只能驅(qū)替出高滲透層的殘余油，低滲透層的殘余油則很少被驅(qū)替出；當粘度大于臨界粘度（15 mPa·s）時，隨著界面張力降低采收率增值變大，但當界面張力繼續(xù)變小至1.865×10-2mN/m后再降低，采收率增值變化趨于減小，當二元復合體系界面張力為1.865×10-2mN/m左右（10-2mN/m數(shù)量級）時采收率增值最大，則界面張力對應的表面活性劑體系在未到達超低狀態(tài)（10-3mN/m數(shù)量級）下即可獲得較高的采收率增值，有效降低了表面活性劑用量，考慮到驅(qū)油成本，該值即為二元復合體系的合理界面張力。

圖2 二元復合體系界面張力對采收率增值的影響

2.2 合理毛管數(shù)

根據(jù)不同界面張力、不同粘度二元復合體系驅(qū)油實驗結(jié)果，繪制采收率增值等值線（圖3）。由經(jīng)典毛管數(shù)理論可知，二元復合體系粘度越大或界面張力越低（即毛管數(shù)越大）采收率增值越大，但由圖3可知，針對非均質(zhì)驅(qū)油模型，在采收率增值等值圖上出現(xiàn)了2個區(qū)域，區(qū)域Ⅰ為采收率增值極大值區(qū)，區(qū)域Ⅱ內(nèi)粘度極大，界面張力超低，為毛管數(shù)極大值區(qū)；區(qū)域Ⅱ?qū)拿軘?shù)普遍大于區(qū)域Ⅰ內(nèi)的毛管數(shù)，但所獲得的采收率增值略小于區(qū)域Ⅰ內(nèi)的采收率增值，表明針對非均質(zhì)油藏最大毛管數(shù)并未獲得最大的采收率增值，區(qū)域Ⅰ內(nèi)對應的毛管數(shù)較為合理，提高采收率能力更強。

圖3 二元復合體系的采收率增值等值線

根據(jù)毛管數(shù)的定義式［12-13］可計算每個體系的毛管數(shù)（驅(qū)油用人造巖心材料相同，忽略潤濕性影響）和不同毛管數(shù)條件下的采收率增值，不同體系的毛管數(shù)如表2所示。從圖4可以看出隨體系的毛管數(shù)增大采收率增值逐漸增大，當毛管數(shù)增大至10-2數(shù)量級時采收率增值最大，毛管數(shù)繼續(xù)增大，采收率增值趨于減小，當毛管數(shù)為10-2數(shù)量級，粘度分別為15，20，25，30 mPa·s時，采收率增值相差不大。考慮到驅(qū)油成本，當二元復合體系粘度為15 mPa·s，界面張力為1.865×10-2mN/m（合理界面張力），對應毛管數(shù)為1.975×10-2，此時驅(qū)油效果最佳，該值即為合理毛管數(shù)，即16號二元復合體系對應的毛管數(shù)。

2.3 不同數(shù)量級毛管數(shù)體系驅(qū)油差異對比

選定15號，16號，17號3個體系，其毛管數(shù)分別為1.827×10-3，1.975×10-2，1.133×10-1，在微觀可視化仿真平面物理模型上進行驅(qū)油實驗，研究啟動殘余油的差別。由3種體系的驅(qū)油效果（圖5）可以看出：①在水驅(qū)階段主要沿著高滲透層或優(yōu)勢通道驅(qū)替，采出端見水較早，水驅(qū)波及系數(shù)較小；②注入二元復合體系后波及面積及其洗油能力都有所改善；③局部乳化液滴粒徑從大到小依次為15號體系—16號體系—17號體系；④最終驅(qū)油效果由好到差依次為16號體系—17號體系—15號體系，即16號體系（合理毛管數(shù)體系）提高采收率能力最強，且由注入端至模型中部的波及系數(shù)由大到小依次為16號體系—15號體系—17號體系，16號體系和17號體系由模型中部至采出端的波及系數(shù)相差不大，15號體系的最小。

表2 不同體系對應的毛管數(shù)

圖4 毛管數(shù)與采收率增值的關(guān)系

圖5 不同毛管數(shù)體系驅(qū)油效果對比

右上角為注入端，左下角為采出端，驅(qū)替方向如圖中箭頭所示

對于15號體系（圖5a），由于其形成乳化液滴粒徑最大，乳化液滴可在主流通道或高滲透層產(chǎn)生賈敏效應，具有一定的封堵能力，致使注入壓力升高，使后續(xù)流體發(fā)生轉(zhuǎn)向，在注入端至模型中部呈現(xiàn)一定的波及效果，但當注入壓力升至一定值后會造成后續(xù)流體突破，并且所形成的乳狀液滴極不穩(wěn)定，在后期注水過程中，乳狀液調(diào)剖作用變?nèi)?，該體系與原油的界面張力較高，在突破后洗油能力較差，所以由模型中部至采出端波及范圍明顯變小，最終采收率較差。

對于16號體系（圖5b），由于其形成乳化液滴的粒徑居中且在滲流過程比較穩(wěn)定，并可在主流通道或高滲透層產(chǎn)生賈敏效應，致使注入壓力升高，其與原油的界面張力近超低狀態(tài)且具有較好的洗油作用，后續(xù)流體突破后仍可以具有較好的洗油作用，在注入端至采出端波及效果都較好，最終采收率最高。

對于17號體系（圖5c），由于界面張力達到超低，具有較好的洗油效果和高度分散能力，所形成的乳化液滴粒徑最小，所形成的乳化液滴很快被后續(xù)流體帶走，乳狀液滴對高滲透層或主流通道的封堵能力較差，只能依靠較強的洗油能力均勻地將原油一層層剝離下來，所以油水界面較為平滑，從注入端至采出端波及范圍也比較均勻，由于具有較好的洗油效果，所以其最終驅(qū)油效果好于15號體系，但由于與16號體系相比乳狀液封堵效果較差，所以最終驅(qū)油效果差于16號體系。

3 結(jié)論

針對非均質(zhì)油藏，二元復合體系存在一個臨界粘度和合理界面張力，分別為15 mPa·s和1.865× 10-2mN/m。

物理模擬實驗表明，非均質(zhì)油藏中存在一個合理的毛管數(shù)使采收率增值較高，而非毛管數(shù)越大采收率增值越大，合理毛管數(shù)的提出大大降低了表面活性劑的質(zhì)量濃度，降低了驅(qū)油成本，改善了在篩選表面活性劑時追求超低界面張力增大毛管數(shù)而帶來的問題。

微觀可視化驅(qū)油實驗結(jié)果表明，當二元復合體系達到臨界粘度后，界面張力為10-2mN/m數(shù)量級的體系形成的乳化液滴對高滲透孔道具有一定的封堵作用，為合理毛管數(shù)的提出提供了理論依據(jù)。

［1］ Taber J J.Dynamic and static forces required to remove a discon?tinuous oil phase from porous media containing both oil and water ［J］.SPEJ，1969，9（1）：3-12.

［2］ Paul G W，Lake L W，Pope G A.A simplified predictive model for micellar polymer flooding［C］.SPE 10733，1982.

［3］ 朱友益，沈平平.三次采油復合驅(qū)用表面活性劑合成性能及應用［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2002.

［4］ 趙琳，李愛芬，李會會，等.三季銨鹽表面活性劑界面性能及驅(qū)油效果評價［J］.油氣地質(zhì)與采收率，2012，19（1）：72-74.

［5］ 別夢君，盧祥國，于濤，等.二元復合驅(qū)增油效果及采出液性質(zhì)實驗研究［J］.特種油氣藏，2010，17（6）：97-99.

［6］ 陳中華，李華斌，曹寶格.復合驅(qū)中界面張力數(shù)量級與提高采收率的關(guān)系研究［J］.海洋石油，2005，25（3）：53-57.

［7］ 唐鋼，李華斌.復合驅(qū)界面張力與驅(qū)油效率的關(guān)系研究［J］.大慶石油地質(zhì)與開發(fā)，2005，24（3）：81-83.

［8］ 袁慶勝.動態(tài)界面張力特征及影響因素研究［J］.油氣地質(zhì)與采收率，2003，10（3）：59-61.

［9］ 侯吉瑞，劉中春，岳湘安，等.低堿ASP三元復合驅(qū)技術(shù)的適用界限分析［J］.石油大學學報：自然科學版，2003，27（3）：47-49.

［10］馮國強，陳爽，郭緒強，等.油氣藏流體粘度預測模型的對比分析［J］.油氣地質(zhì)與采收率，2007，14（5）：80-83.

［11］劉春天，李星.驅(qū)油體系的主要性質(zhì)對驅(qū)油效率的影響［J］.油氣地質(zhì)與采收率，2012，19（1）：66-68.

［12］李東霞，蘇玉亮.非混相驅(qū)替中毛管壓力的影響研究［J］.油氣地質(zhì)與采收率，2006，13（1）：85-86，98.

［13］陳濤平，劉金山，劉繼軍.低滲透均質(zhì)油層超低界面張力體系驅(qū)替毛管數(shù)的研究［J］.西安石油大學學報：自然科學版，2007，22 （5）：33-35.

編輯劉北羿

TE357.43

A

1009-9603（2014）01-0087-05

2013-11-10。

李堪運，男，助理工程師，碩士，從事油田開發(fā)井筒動態(tài)管理工作。聯(lián)系電話：15891569892，E-mail：lkylcp@163.com。