弱堿三元復(fù)合驅(qū)剩余油微觀驅(qū)替機(jī)理

張繼紅 李鑫

摘 ? ? ?要： 在堿、聚合物和表面活性劑的協(xié)同作用下，三元復(fù)合驅(qū)驅(qū)替效果顯著提升，對(duì)各類剩余油的動(dòng)用效果也明顯增強(qiáng)。通過室內(nèi)微觀驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，使用一種弱堿三元復(fù)合驅(qū)體系對(duì)水驅(qū)后形成的簇狀、柱狀、盲端狀、油滴狀和膜狀5類剩余油類型進(jìn)行驅(qū)替機(jī)理分析。研究表明：在三元復(fù)合驅(qū)體系內(nèi)，堿有利于生成具有表面活性劑性質(zhì)的物質(zhì)、溶解界面膜、改變巖石潤濕性、充當(dāng)“犧牲劑”;表面活性劑可以改變油水界面張力、改變巖石浸潤性;聚合物起到降低驅(qū)替劑與原油的流度比、增大驅(qū)替劑黏度、增大驅(qū)替壓力的作用。在該體系的作用下，水驅(qū)后難以被動(dòng)用的剩余油驅(qū)替效果顯著提升。

關(guān) ?鍵 ?詞：三元復(fù)合驅(qū);剩余油類型;驅(qū)替機(jī)理;光刻玻璃模型;協(xié)同作用

中圖分類號(hào)：TE327 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? 文章編號(hào)： 1671-0460（2020）04-0645-04

Abstract： Under the synergistic action of alkali， polymer and surfactant， the displacement effect of ASP flooding is significantly improved， and the utilization effect of various remaining oil is also significantly enhanced. In this paper， a weak alkali ASP flooding system was used to analyze the displacement mechanism of five types of residual oil formed after water flooding through laboratory micro-displacement experiments. The results showed that，in the three component flooding system， alkali as "sacrificial agent" was beneficial to the formation of substances with surfactant properties to dissolve the interfacial film and change the rock wettability; surfactant changed the interfacial tension of oil and water and changed the wettability of rock; polymer reduced the mobility ratio of displacing agent to crude oil， increased the viscosity of displacement agent and increased the displacement pressure. Under the action of this system， the displacement effect of residual oil which is difficult to be used after water flooding is significantly improved.

Key words： ASP flooding; Remaining oil type; Displacement mechanism; Photolithographic glass model; Synergistic effect

低滲透油藏是我國油氣藏類型中最典型的形式，針對(duì)低滲透油田的開發(fā)研究具有重要意義。由于低滲透油田滲透率低、儲(chǔ)能豐度差，經(jīng)過長期的注水開發(fā)后，地層中尚有大量的剩余油難以開發(fā)。針對(duì)機(jī)理及效果具有極大的應(yīng)用價(jià)值。本文通過利用微觀驅(qū)替系統(tǒng)和光刻玻璃模型對(duì)一種三元復(fù)合驅(qū)替體系針對(duì)不同剩余油類型的驅(qū)替效果進(jìn)行分析，可以驗(yàn)證三元復(fù)合驅(qū)替體系的作用機(jī)理及驅(qū)油效果，并為實(shí)際應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 ?三元復(fù)合驅(qū)驅(qū)替體系作用機(jī)理

三元復(fù)合驅(qū)是指堿、表面活性劑與聚合物的混合驅(qū)替體系。這三種驅(qū)替體系如果在配伍條件下聯(lián)合使用，則在功能和作用機(jī)理上優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)從而達(dá)到最佳的驅(qū)油效果[1-3]。

1.1 ?各種化學(xué)劑的作用

1.1.1 ?堿劑作用

（1）堿液能與原油組分中的活性物質(zhì)（不僅限于有機(jī)酸）發(fā)生皂化反應(yīng)，生成具有乳化功能的天然表面活性劑物質(zhì)。

（2）原油中的瀝青質(zhì)、膠質(zhì)和石蠟堆積會(huì)形成界面膜，導(dǎo)致油滴隔離、孔喉變窄、油滴運(yùn)移受限。堿液能與上述物質(zhì)反應(yīng)融解界面膜，促使原油乳化和聚集。

（3）堿液可以與原油-巖石表面間的表面活性組分發(fā)生反應(yīng)，改變巖石潤濕性，降低原油與巖石表面的吸附性。

（4）通過化學(xué)反應(yīng)，堿可以降低其他化學(xué)劑的吸附滯留以及減少化學(xué)劑與原油、巖石因化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的損耗，從而充當(dāng)“犧牲劑”保護(hù)整個(gè)驅(qū)替體系的藥劑濃度。同時(shí)，堿與原油、巖石表面或地表水中離子反應(yīng)會(huì)形成具有一定黏度的絮狀物，協(xié)同驅(qū)替。

1.1.2 ?表面活性劑作用

表面活性劑具有“兩親結(jié)構(gòu)”，一端具有親水性，另一端具有親油性。[4，5]如圖1所示是表面活性劑的作用機(jī)理。注入地層后，親油基團(tuán)的一端與原油吸附，在原油表面緊密排布，露出的一端為親水基團(tuán)。相當(dāng)于在油水界面中增加了一個(gè)中間地帶，降低了油水界面的表面張力。同時(shí)，表面活性劑會(huì)改變巖石表面的浸潤性，將親油巖石轉(zhuǎn)變?yōu)橛H水巖石。在界面張力作用下，被表面活性劑包裹著的油滴趨向于成球，乳化后的原油對(duì)親水性巖石表面的吸附性大大降低，增加了油水混合物的流動(dòng)性，從而達(dá)到活化剩余油的作用。

1.1.3 ?聚合物作用

聚合物主要是用高分子化合物的空間結(jié)構(gòu)，增加溶液的黏度，改善驅(qū)油過程中的油水流度比，延緩采出液的含水上升速度。[6-9]同時(shí)因?yàn)榫酆衔锔唣ざ忍匦裕梢詫?duì)高滲透層進(jìn)行有效封堵，擴(kuò)大波及體積，提高采收率。

1.1.4 ?體系內(nèi)的協(xié)同效應(yīng)

（1）堿可與原油等物質(zhì)反應(yīng)生成具有表面活性劑作用的物質(zhì)，與體系內(nèi)的表面活性劑協(xié)同作用。也可以提高某些聚合物（例如HPAM）的稠化能力，促進(jìn)聚合物空間結(jié)構(gòu)的形成;還可以提高生物聚合物的生物穩(wěn)定性。

（2）表面活性劑可降低聚合物溶液與油的界面張力，使其具有一定的洗油能力。同時(shí)，部分表面活性劑還可與聚合物形成絡(luò)合物結(jié)構(gòu)，使該種結(jié)構(gòu)具備乳化原油、高黏度的特點(diǎn)。

（3）聚合物能有效降低表面活性劑和堿溶液對(duì)油的流度比，增大化學(xué)劑體系的波及體積;提高堿和表面活性劑形成的水包油乳狀液的穩(wěn)定性。[10-14]

2 ?光刻玻璃模型微觀驅(qū)油實(shí)驗(yàn)

光刻玻璃模型是一種仿真模型，即參照天然巖心鑄體薄片的孔隙結(jié)構(gòu)，運(yùn)用光化學(xué)刻蝕手段，精密地刻蝕到平面玻璃上制成的微觀模型，可以很好地模擬出天然油氣藏巖石的真實(shí)孔隙結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，具有與實(shí)際情況相似的空間分布和孔隙形狀，而且具備可視性，透光度好，可以清楚地觀察到孔喉中各種流體的分布，及流體之間的界面現(xiàn)象和相互作用機(jī)理。[15，16]

2.1 ?實(shí)驗(yàn)儀器及材料

YB-WWJ60型全無油靜音空壓機(jī)，MODEL 260D雙缸恒壓恒速泵，OLYMPUS SZX16型光學(xué)顯微鏡，恒溫箱（南通市中京機(jī)械有限公司制造）。

實(shí)驗(yàn)所用模擬油是以大慶第七采油廠原油與煤油按一定比例配制而成，模擬油45 ℃的動(dòng)力黏度為12 mPa·s;模擬鹽水的礦化度為5 150 mg/L。實(shí)驗(yàn)用三元復(fù)合驅(qū)體系選用聚合物為相對(duì)分子質(zhì)量為2 500×104的水解聚丙烯酰胺，弱堿選用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98%的Na2CO3，表面活性劑為重烷基苯石油磺酸鹽，有效質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%。實(shí)驗(yàn)溶劑水為大慶油田第七采油廠生產(chǎn)污水（圖2）。

2.2 ?實(shí)驗(yàn)方法

①對(duì)所選光刻玻璃模型抽真空后飽和地層水，隨后注入樣品油驅(qū)替地層水，直至油品完全充滿整塊模型。

②將注入水以0.2 mL/h的速度恒速驅(qū)替模型中的原油。對(duì)驅(qū)替過程全程錄像，實(shí)時(shí)記錄水驅(qū)油過程中剩余油的形態(tài)和分布狀況。當(dāng)模型采出液含水率達(dá)到 100% 時(shí)停止驅(qū)替。

③將三元復(fù)合驅(qū)體系以0.2 mL/h的速度繼續(xù)驅(qū)替模型中原油，至不再出油停止實(shí)驗(yàn)。對(duì)驅(qū)替過程進(jìn)行拍攝，記錄復(fù)合驅(qū)過程中剩余油的形態(tài)和分布。

2.3 ?各類剩余油動(dòng)用機(jī)理研究

針對(duì)低滲透油藏，將水驅(qū)后形成的微觀剩余油劃分為 5 種類型： 簇狀、柱狀、盲端狀、油滴狀和膜狀。在驅(qū)替過程拍攝的圖片中，選取五種的剩余油類型進(jìn)行觀測(cè)分析。

2.3.1 ?簇狀剩余油

簇狀剩余油指的是被通暢的大孔道所包圍的小喉道控制群中的剩余油。 由于“大孔包圍小孔”孔隙結(jié)構(gòu)中的小孔道尺寸較小，毛細(xì)作用較強(qiáng)，又由于高低滲孔道變徑比較大，使驅(qū)替液發(fā)生繞流，導(dǎo)致簇狀剩余油采收率較低（圖3）。

圖3（b）為三元復(fù)合驅(qū)對(duì)簇狀剩余油驅(qū)替效果，圖3（a）是水驅(qū)后簇狀剩余油狀態(tài)。簇狀剩余油大量形成與遠(yuǎn)離主流線的部位，由于“大孔包圍小孔”的特殊孔隙結(jié)構(gòu)，驅(qū)替液會(huì)突破與簇狀剩余油兩端相聯(lián)的孔道，導(dǎo)致內(nèi)部無法被驅(qū)替液波及。在注入ASP后，簇狀剩余油兩端原油界面張力減小、油水的流度比降低，在堿和表面活性劑的作用下逐漸被乳化成小油滴。剩余油更易被“剝離”，繞流效應(yīng)相應(yīng)減弱。剩余油因此可以流動(dòng)，進(jìn)而被驅(qū)替出來。但由于ASP驅(qū)替效果有限，仍有部分剩余油無法被驅(qū)替。

2.3.2 ?柱狀剩余油

柱狀剩余油是由于驅(qū)替壓力與粘附力相互作用形成的，在驅(qū)替壓力小于粘附力時(shí)，原油被“吸附”在孔壁，無法流動(dòng)，驅(qū)替液沿柱狀剩余油兩端相連的孔道突破，在柱狀剩余油區(qū)域外形成繞流，無法被驅(qū)替。它主要以兩種形式存在，一種形式是存在于并聯(lián)孔道的細(xì)長喉道內(nèi)，另一種是存在于“H”型孔道中（圖4）。

在注入ASP后，驅(qū)替體系中聚合物的存在使驅(qū)替壓力升高，堿與表面活性劑又降低了粘附力，使剩余油可以被驅(qū)替。柱狀剩余油被動(dòng)用主要分兩種形式，一種是形成段塞整體隨驅(qū)替液移動(dòng)，另一種是被驅(qū)替液從一段突破，但驅(qū)替后會(huì)殘余一部分油，形成油膜。

2.3.3 ?盲端狀剩余油

盲端狀剩余油是指在水驅(qū)過后，密封在死角或一端封閉孔隙內(nèi)的剩余油。由于盲端一端開放一端封閉，所以沒有流通孔道，不具備流動(dòng)條件，不受驅(qū)替壓差影響，驅(qū)替效果極差（圖5）。

當(dāng)驅(qū)替劑沿主流道流經(jīng)盲端時(shí)，在驅(qū)替劑的作用下，盲端的剩余油逐漸擺脫“吸附”，隨驅(qū)替劑剪切力方向改變形狀，逐漸被拉長，在末端乳化成小油滴，被驅(qū)替劑攜帶出來。相比于單一驅(qū)替劑，ASP體系驅(qū)替盲端剩余油效果更好。這是因?yàn)樽⑷階SP后降低界面張力和增大驅(qū)替體系粘彈性的共同作用。界面張力的降低使得粘彈性驅(qū)替劑能夠深入盲端孔隙;驅(qū)替體系粘彈性的增加使得驅(qū)替劑接觸更多的剩余油（流度比的降低導(dǎo)致波及體積變大）。

2.3.4 ?油滴狀剩余油

油滴狀剩余油主要分布在狹小喉道的入口處。由于“海恩斯跳躍現(xiàn)象”的存在，表面了在多孔介質(zhì)滲流過程中，流體并不是均勻地流過多孔介質(zhì)，而是躍進(jìn)式突破多孔介質(zhì)。即在驅(qū)替過程中，原油是以大小不一的油滴形式通過喉道口。在吼道內(nèi)，不同的油滴相互接觸、聚并，形成更大的油滴，直至在喉道口處再次分散成小油滴。在部分狹小的喉道入口處，油滴因賈敏效應(yīng)無法流動(dòng)，形成油滴狀剩余油，如圖6所示。

當(dāng)注入驅(qū)替劑后，聚合物的存在使得體系內(nèi)的粘彈性增大，從而增大驅(qū)替壓力;同時(shí)表面活性劑與堿液的作用下使得油滴乳化，形成眾多更小的油滴，降低了賈敏效應(yīng)，使油滴能過通過喉道口。

2.3.5 ?膜狀剩余油

膜狀剩余油主要存在于親油的孔隙結(jié)構(gòu)中，由于油在巖石壁面的附著力大于水驅(qū)的剪切力，注入水在孔隙中間通過，使粘附在巖石表面的油留下，形成油膜或油環(huán)（圖7）[17-19]。

膜狀剩余油在驅(qū)替劑的作用下發(fā)生潤濕滯后，膜狀剩余油發(fā)生“滑動(dòng)”，前進(jìn)角逐漸增大，后退角逐漸減小，剩余油變形越來越大，油膜前端被不斷拉長，直至發(fā)生“脫離”，形成新的小油滴后被驅(qū)替液攜帶走[20]。

3 ?結(jié) 論

（1）分析了三元復(fù)合驅(qū)體系中各化學(xué)劑的作用及協(xié)同作用，通過微觀驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了一種三元復(fù)合驅(qū)體系針對(duì)剩余油的動(dòng)用效果。

（2）利用光刻玻璃模型結(jié)合觀測(cè)裝置觀察微觀三元復(fù)合體系驅(qū)油過程油水兩相滲流過程。結(jié)果顯示，該方法具有較高的精度和可行性，是一種較實(shí)用的研究剩余油分布及動(dòng)用機(jī)理的方法。

（3）將常見的微觀剩余油分為簇狀、柱狀、盲端、油滴、膜狀5種類型，針對(duì)每一種類型剩余油的形成原因和動(dòng)用機(jī)理進(jìn)行了分析。

（4）通過微觀驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了三元復(fù)合驅(qū)體系能有效地驅(qū)替水驅(qū)后形成的簇狀剩余油、柱狀剩余油、盲端剩余油、油滴狀剩余油和膜狀剩余油， 從而提高原油采收率。

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