三元復(fù)合驅(qū)微觀剩余油驅(qū)替機(jī)理及動(dòng)用比例研究

殷代印房雨佳

(東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院,黑龍江大慶163318)

三元復(fù)合驅(qū)微觀剩余油驅(qū)替機(jī)理及動(dòng)用比例研究

殷代印,房雨佳

(東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院,黑龍江大慶163318)

通過(guò)天然巖心和微觀可視化驅(qū)替實(shí)驗(yàn),分析了界面張力對(duì)三元復(fù)合體系驅(qū)油效果的影響規(guī)律和作用機(jī)理。將微觀剩余油進(jìn)行分類,重點(diǎn)研究了三元復(fù)合體系驅(qū)動(dòng)各類剩余油的微觀機(jī)理。結(jié)果表明,界面張力越低,三元復(fù)合體系提高采收率的幅度越大,采收率提高值最高可達(dá)23.88%。將剩余油分為簇狀、柱狀、盲端狀、油滴狀和膜狀5種類型,三元復(fù)合驅(qū)后各類型剩余油的動(dòng)用比例隨界面張力的降低而增大,其中簇狀剩余油的動(dòng)用比例最大,盲端狀剩余油的動(dòng)用比例最小。

三元復(fù)合驅(qū); 界面張力; 驅(qū)油效果; 微觀剩余油; 驅(qū)替機(jī)理

目前,我國(guó)已經(jīng)進(jìn)入了油藏開(kāi)發(fā)的后期,許多油田面臨著注水開(kāi)發(fā)效率低、含水率過(guò)高的問(wèn)題。因此,三次采油技術(shù)的發(fā)展變得尤為重要。通過(guò)對(duì)礦場(chǎng)試驗(yàn)研究,復(fù)合驅(qū)相比于單一的表面活性劑其驅(qū)替效果要好,三元復(fù)合驅(qū)綜合發(fā)揮了不同化學(xué)劑的協(xié)同效應(yīng)[1-6]。在大慶油田進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),采收率可以達(dá)到20%左右[7]。李華斌等[8]對(duì)不同界面張力數(shù)量級(jí)的4種三元復(fù)合體系進(jìn)行了巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn),研究結(jié)果表明,對(duì)于大慶油田的三元復(fù)合驅(qū),最低的油水界面張力值才是影響驅(qū)油效果的重要因素。R. L.Reed等[9]研究了表面活性劑與原油形成的超低界面張力是決定驅(qū)油效果的關(guān)鍵。目前,人們對(duì)三元復(fù)合驅(qū)的研究普遍局限在界面張力宏觀驅(qū)油機(jī)理和與黏彈性的綜合作用上,而專門研究三元復(fù)合驅(qū)中界面張力對(duì)水驅(qū)后的殘余油動(dòng)用機(jī)理較少。為此,本文通過(guò)進(jìn)行不同界面張力數(shù)量級(jí)的三元復(fù)合體系驅(qū)替實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了三元復(fù)合體系的驅(qū)油效果,并通過(guò)光刻玻璃模型實(shí)現(xiàn)了微觀驅(qū)油的可視化[10-13],對(duì)微觀剩余油進(jìn)行分類并研究了三元復(fù)合驅(qū)各類剩余油的微觀驅(qū)替機(jī)理及動(dòng)用比例,為大慶油田進(jìn)一步開(kāi)展三元復(fù)合驅(qū)起到重要的指導(dǎo)作用。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)用油:大慶油田第四采油廠生產(chǎn)的原油與煤油按一定比例配制的模擬油,45℃下黏度為10 m Pa·s。

實(shí)驗(yàn)用水:礦化度為6.7 g/L的模擬地層水用于巖心飽和水;礦化度為3.7 g/L的模擬鹽水用于配制三元復(fù)合體系;礦化度為0.508 g/L的模擬鹽水用于進(jìn)行水驅(qū)油實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)用巖心及模型:大慶油田第四采油廠天然巖心;玻璃刻蝕的透明微觀模型(40 mm×40 mm)。

實(shí)驗(yàn)用化學(xué)試劑:表面活性劑ORS-41(分析純,大慶油田ASP復(fù)合驅(qū)礦場(chǎng)試驗(yàn)區(qū)),強(qiáng)堿(氫氧化鈉),弱堿(碳酸鈉),大慶煉化公司生產(chǎn)的相對(duì)分子質(zhì)量1 600×10-4的聚合物。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

天然巖心驅(qū)油實(shí)驗(yàn):①測(cè)定巖心氣測(cè)滲透率;②將巖心模型抽真空4 h,飽和模擬地層水并測(cè)量孔隙度;③將巖心放置在恒溫箱內(nèi)恒溫12 h(45℃);④巖心飽和油用模擬地層水驅(qū)替巖心至出口不含水為止;⑤水驅(qū)油至巖心出口端含水率達(dá)到98%為止,計(jì)算水驅(qū)采收率;⑥注入0.3 PV的三元體系,并進(jìn)行后續(xù)水驅(qū)至采出液含水率98%為止,計(jì)算最終采收率。

光刻玻璃模型驅(qū)油實(shí)驗(yàn):①過(guò)濾原油、污水及驅(qū)替體系,防止阻塞模型;②微觀模型抽真空后飽和油;③以0.03 m L/h恒定流速水驅(qū)油,觀察水驅(qū)過(guò)程中的微觀滲流過(guò)程,并采集驅(qū)替過(guò)程中的動(dòng)態(tài)圖像。水驅(qū)至采出液中不含油為止,拍攝微模型內(nèi)剩余油分布及剩余油形態(tài);④分別用3種復(fù)合體系恒速驅(qū)替(0.03 m L/h)水驅(qū)后的殘余油至模型出口端采出液不含油為止,觀察實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的微觀滲流過(guò)程,并實(shí)時(shí)采集驅(qū)替過(guò)程中的動(dòng)態(tài)圖像。

2 結(jié)果與分析

2.1 三元復(fù)合體系驅(qū)油效果研究

根據(jù)表1配制不同界面張力的三元復(fù)合體系。使用不同界面張力的三元復(fù)合體系進(jìn)行驅(qū)油實(shí)驗(yàn),并計(jì)算其采收率,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 不同界面張力三元體系配方Table 1 Alkaline/Surfactant/Polymer(ASP)system with different interfacial tension

表2 三元復(fù)合驅(qū)實(shí)驗(yàn)巖心參數(shù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Core parameters and experimental results of ASP flooding experiment

從表2中可以看出,對(duì)于相同滲透率的巖心,隨著油水界面張力的降低,三元復(fù)合體系提高采收率幅度逐漸增強(qiáng)。界面張力從1.29×10-1m N/m降至3.86×10-3m N/m。平均滲透率為684 mD的巖心采收率提高值從11.50%增大到20.59%,增幅為9.09%;平均滲透率為815 m D的巖心采收率提高值從12.04%增大到22.26%,增幅為10.22%;平均滲透率為1 097 mD的巖心采收率提高值從12.79%增大到23.88%,增幅為11.09%。

分析認(rèn)為,一方面,三元體系中的聚合物使油水流度比發(fā)生變化,并起到封堵高滲層的作用,進(jìn)而擴(kuò)大了波及體積。另一方面,三元體系中表面活性劑可以降低油水界面張力,使油水界面膜更容易發(fā)生變形,殘余油逐漸向流動(dòng)方向以拖拉成絲的方式斷裂成小油滴[14]。此外,界面張力越低,乳化作用越強(qiáng),原油更容易被乳化成小油滴。隨著界面張力的降低,在孔喉處賈敏效應(yīng)的影響減小,油滴更易變形通過(guò)小孔道,使殘余油飽和度大幅度降低。

2.2 三元復(fù)合體系可視化微觀驅(qū)油效果研究

以光刻玻璃模型為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,分別用表1中所示的3種三元復(fù)合體系進(jìn)行驅(qū)油實(shí)驗(yàn),得到了不同界面張力下的原油采收率,結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同界面張力下的原油采收率Fig.1 Oil recovery at different interfacial tensions

由圖1可知,對(duì)于同一塊光刻玻璃模型,其水驅(qū)采收率是基本無(wú)差別的,而三元復(fù)合體系驅(qū)油后的最終采收率卻差別明顯,三元復(fù)合體系的界面張力越低,最終采收率越高,與水驅(qū)相比采收率提高的幅度也越大。這說(shuō)明界面張力低的三元復(fù)合體系驅(qū)油效果更好[15]。這與天然巖心驅(qū)油實(shí)驗(yàn)所得到的結(jié)論是一致的,從而進(jìn)一步證明了光刻玻璃模型的可靠性。

2.3 各類剩余油驅(qū)替機(jī)理及動(dòng)用比例研究

為了深入研究三元復(fù)合體系提高原油采收率的微觀機(jī)理,對(duì)光刻玻璃模型驅(qū)油實(shí)驗(yàn)后形成的微觀剩余油進(jìn)行分析,將模型中的微觀剩余油分為5種類型:簇狀、柱狀、盲端狀、油滴狀和膜狀。利用圖像采集系統(tǒng)對(duì)驅(qū)替過(guò)程進(jìn)行高頻率連續(xù)拍攝,追蹤各類型剩余油在驅(qū)替過(guò)程中的變化情況,以深入分析三元復(fù)合驅(qū)的微觀驅(qū)油機(jī)理。

2.3.1 簇狀剩余油 三元復(fù)合體系的注入使主流通道被體系中的聚合物封堵,造成簇狀剩余油所在孔道兩端的壓差升高,剩余油逐漸被驅(qū)替液突破。簇狀剩余油驅(qū)替過(guò)程如圖2所示,隨著界面張力的降低,驅(qū)替剩余油時(shí)受到的阻力越來(lái)越小,剩余油受到驅(qū)替液的推動(dòng)力和切向拉力而發(fā)生運(yùn)移,從而將一個(gè)簇狀剩余油分散成多個(gè)部分。當(dāng)數(shù)量級(jí)達(dá)到10-3時(shí),體系的乳化作用顯著增強(qiáng),簇狀殘余油被乳化成油滴而逐漸減少。

圖2 簇狀剩余油驅(qū)替過(guò)程Fig.2 Cluster residual oil displacement process

2.3.2 柱狀剩余油 在油濕的孔隙介質(zhì)中,水驅(qū)后柱狀剩余油存在毛管力和黏附力兩種力,三元復(fù)合體系將界面張力由水驅(qū)26 m N/m降低到10-3m N/ m。毛管力和黏附力降低,因而在相同的壓力梯度下,三元復(fù)合體系易進(jìn)入更小的喉道,將柱狀剩余油驅(qū)替出來(lái)。柱狀剩余油的驅(qū)替過(guò)程如圖3所示,當(dāng)三元復(fù)合體系的界面張力高于10-1數(shù)量級(jí)時(shí),其對(duì)水驅(qū)后形成的柱狀殘余油作用很小,柱狀剩余油并沒(méi)有發(fā)生明顯的啟動(dòng)跡象。隨著界面張力的進(jìn)一步降低,三元體系逐漸沿孔壁突破,在柱狀殘余油的孔道中形成連續(xù)的水相通道。此時(shí),柱狀剩余油的活性增強(qiáng),柱狀剩余油在驅(qū)替液的切向力作用下沿著孔道被拉長(zhǎng)甚至斷裂,從而被驅(qū)替出來(lái)。

圖3 柱狀剩余油驅(qū)替過(guò)程Fig.3 Columnar residual oil displacement process

2.3.3 盲端狀剩余油 盲端狀剩余油驅(qū)替過(guò)程如圖4所示。當(dāng)盲端狀剩余油在界面張力為10-1數(shù)量級(jí)時(shí),部分剩余油運(yùn)移至盲端處發(fā)生聚并,盲端剩余油并未減少。當(dāng)界面張力低于10-2數(shù)量級(jí)時(shí),在三元復(fù)合體系切向力的作用下,盲端狀剩余油逐漸形成前端類似蝌蚪狀的殘余油,并被拉拽伸長(zhǎng),進(jìn)而斷裂形成油滴而被采出。界面張力越低,盲端中的剩余油越少。

圖4 盲端狀剩余油驅(qū)替過(guò)程Fig.4 Dead-end residual oil displacement process

2.3.4 油滴狀剩余油 油滴狀剩余油是賈敏效應(yīng)造成的。當(dāng)油滴通過(guò)細(xì)小喉道時(shí),其前端會(huì)發(fā)生變形,形成一個(gè)曲率半徑更小的球面,從而使油滴受到一個(gè)附加阻力F,附加阻力與驅(qū)替力相互抵消,最終油滴狀原油會(huì)滯留在狹小喉道處形成剩余油。

式中,σ為油水界面張力,m N/m;θ為潤(rùn)濕接觸角(°);r、R分別為兩個(gè)球面的曲率半徑,mm。

三元復(fù)合體系會(huì)使油水界面張力降低,進(jìn)而使油滴變形后受到的附加阻力減小。驅(qū)油體系與原油之間的作用增強(qiáng),油滴在驅(qū)替力作用下會(huì)克服附加阻力并向前運(yùn)移。油滴狀剩余油在采出端方向拉出蝌蚪狀前端,隨著蝌蚪狀前端不斷被拉長(zhǎng),整個(gè)油滴就能以變形的方式通過(guò)狹小喉道,并在驅(qū)替過(guò)程中發(fā)生聚并而被采出,驅(qū)替過(guò)程如圖5所示。

圖5 油滴狀剩余油驅(qū)替過(guò)程Fig.5 Droplets residual oil displacement process

當(dāng)體系界面張力在10-1數(shù)量級(jí)時(shí),只有小部分油滴狀殘余油發(fā)生運(yùn)移。當(dāng)體系界面張力達(dá)到10-3數(shù)量級(jí)時(shí),大多數(shù)油滴狀剩余油會(huì)采取變形的方式發(fā)生運(yùn)移,驅(qū)替結(jié)束后模型中幾乎不存在油滴狀剩余油。

2.3.5 膜狀剩余油 在部分親油的孔道中,孔道表面對(duì)膜狀殘余油的束縛較強(qiáng)。三元復(fù)合體系對(duì)膜狀剩余油的驅(qū)替過(guò)程如圖6所示,當(dāng)體系界面張力為10-1數(shù)量級(jí)時(shí),油膜沒(méi)有發(fā)生明顯變化。說(shuō)明三元復(fù)合體系對(duì)油膜的剪切力還不足以使油膜發(fā)生移動(dòng)。當(dāng)體系界面張力達(dá)到10-2數(shù)量級(jí)時(shí),油膜的一部分會(huì)形成尖端并拉長(zhǎng)斷裂,油膜開(kāi)始變薄,油膜前緣與孔隙壁面的接觸角變小,逐漸以拉長(zhǎng)、斷脫的形式隨驅(qū)替液滲流。當(dāng)體系界面張力達(dá)到10-3數(shù)量級(jí)時(shí),油膜變得更薄,甚至從孔道表面剝離下來(lái),這說(shuō)明孔壁的潤(rùn)濕性逐漸從油濕向水濕轉(zhuǎn)變。

圖6 膜狀剩余油驅(qū)替過(guò)程Fig.6 Oil film residual oil displacement process

利用圖像分析軟件分別計(jì)算水驅(qū)和三元復(fù)合驅(qū)后各類剩余油的面積,進(jìn)而得到三元復(fù)合驅(qū)后各類剩余油的動(dòng)用比例,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 三元復(fù)合驅(qū)后各類剩余油的動(dòng)用比例Table 3 The utilization ratio of remaining oil after ASP flooding

由表3可知,三元復(fù)合體系的界面張力越低,各類剩余油的動(dòng)用比例也就越高。簇狀剩余油的動(dòng)用比例最大,柱狀剩余油次之,而盲端狀剩余油的動(dòng)用比例最小。這說(shuō)明,三元復(fù)合驅(qū)對(duì)簇狀剩余油的驅(qū)替效果最好,對(duì)盲端狀剩余油的驅(qū)替效果最差。

3 結(jié)論

(1)對(duì)于相同滲透率的巖心,隨著界面張力的降低,三元復(fù)合體系提高采收率的幅度逐漸增大。三元復(fù)合體系能夠擴(kuò)大波及體積,減小油水界面膜變形的難度,降低賈敏效應(yīng)的影響,從而提高原油采收率,采收率提高值最高可達(dá)23.88%。

(2)利用光刻玻璃模型實(shí)現(xiàn)了微觀驅(qū)油的可視化,并且原油驅(qū)替特征與天然巖心一致,從而證明了光刻玻璃模型的可靠性。

(3)通過(guò)對(duì)光刻玻璃模型中的微觀剩余油進(jìn)行分析,將剩余油分為簇狀、柱狀、盲端狀、油滴狀和膜狀5種類型。研究了各類剩余油的微觀驅(qū)替過(guò)程,得到了三元復(fù)合體系提高原油采收率的微觀機(jī)理。

(4)剩余油的動(dòng)用比例隨界面張力的降低而增大。簇狀剩余油的動(dòng)用比例最大,盲端狀剩余油的動(dòng)用比例最小。表明三元復(fù)合驅(qū)對(duì)簇狀剩余油的驅(qū)替效果最好,對(duì)盲端狀剩余油的驅(qū)替效果最差。

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(編輯 王戩麗)

Mechanism and Utilization Ratio of Microscopicresidual Oil Displacement in ASP Flooding

Yin Daiyin,Fang Yujia
(College of Petroleum Engineering,Northeast Petroleum University,Daqing Heilongjiang163318,China)

The effect of interfacial tension on the displacement efficiency of the ASP system was analyzed by the natural core and microscopic visual displacement experiment.The microscopic residual oil was classified,and the microscopic mechanism of the residual oil driven by the ASP system was studied emphatically.The results show that the lower the interfacial tension is, the higher the recovery rate is,and the recovery rate is up to 23.88%.The remaining oil is divided into 5 types,including cluster type,columnar type,dead-end type,droplets type and oil film type.The proportion of the remaining oil displaced in the ASP flooding increases with the decrease of the interfacial tension.The proportion of cluster residual oil displaced is the largest and the proportion of the dead-end residual oil is the smallest.

Alkaline/Surfactant/Polymer(ASP)Flooding;Interfacial tension;Oil displacement effect;Microscopic residual oil;Displacement mechanism

TE357

:A

10.3969/j.issn.1006-396X.2017.01.004

1006-396X(2017)01-0018-05投稿網(wǎng)址:http://journal.lnpu.edu.cn

2016-12-03

:2016-12-13

國(guó)家自然科學(xué)基金“低滲透油藏表面活性劑驅(qū)微乳液滲流機(jī)理及數(shù)值模擬研究”(51474071)。

殷代印(1966-),男,博士,教授,從事油藏?cái)?shù)值模擬和油田開(kāi)發(fā)動(dòng)態(tài)分析方面研究;E-mail:yindaiyin@163.com。

房雨佳(1992-),女,碩士研究生,從事油藏?cái)?shù)值模擬和提高油氣采收率研究;E-mail:xiaofangzi_101@163.com。