裂縫性油藏微乳液配方優(yōu)選及驅(qū)油效果

趙洪鵬，姜貴璞

（大慶油田有限責(zé)任公司第四采油廠，黑龍江大慶163511）

1985 年，Shah 對(duì)微乳液有了比較完善的定義，認(rèn)為微乳液是一種由表面活性劑和助表面活性劑與油、水組成的熱力學(xué)穩(wěn)定性體系[1-2]。1986 年后，微乳液驅(qū)成為石油行業(yè)的重點(diǎn)研究對(duì)象。由于微乳液的粒徑分布范圍較窄，可以有效控制流度、擴(kuò)大波及體積、提高洗油效率，因此比較適用于孔隙喉道半徑較小的低滲透油藏。微乳液可以形成超低的界面張力、降低滲流阻力，達(dá)到提高采收率的效果；高黏度的微乳液具有增溶作用，能夠降低原油的黏度、增加流動(dòng)性，從而將孔隙壁上的殘余油驅(qū)除[3-5]，達(dá)到提高驅(qū)油效率的效果。 Schulman 和Prince 等提出的瞬時(shí)負(fù)界面張力理論和膠團(tuán)增溶理論充分解釋了微乳液的自發(fā)形成和穩(wěn)定性，微乳液驅(qū)油體系較強(qiáng)的穩(wěn)定性能夠保持表面活性劑的表面活性，增加界面能，促進(jìn)界面張力的降低[6]。目前微乳液驅(qū)廣泛用于三次采油，在提高采收率方面起到至關(guān)重要的作用。前人對(duì)微乳液的復(fù)配體系研究比較多，但通過(guò)分析微乳液性能與微觀含剩余油孔隙比例的關(guān)系來(lái)優(yōu)選微乳液配方的研究相對(duì)較少。本文通過(guò)改變表面活性劑類型來(lái)分析微乳液性能對(duì)含剩余油孔隙比例的影響，最終優(yōu)選出最佳微乳液驅(qū)油體系。利用驅(qū)油實(shí)驗(yàn)和含剩余油孔隙比例的分析驗(yàn)證微乳液體系對(duì)原油提高采收率的效果，為低滲透油藏提高采收率奠定基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器及試劑

材料：采用第十采油廠裂縫性巖心；大慶第十采油廠原油與煤油按一定體積比配制模擬油（45 ℃黏 度 為9.6 mPa?s）；礦 化 度 為6 778 mg/L 的 模 擬鹽水。

藥品：正辛烷、羧基甜菜堿、十二烷基硫酸鈉（SDS）、吐溫-60、正丁醇、NaCl。

儀器：MS3000 激光粒度儀（英國(guó)馬爾文儀器有限公司）、TX500C 旋滴界面張力儀（北京盛維基業(yè)科技有限公司）、真空泵（上海真空泵廠海安分廠）、保溫箱、巖心夾持器（江蘇海安石油儀器廠）、活塞容器、環(huán)壓泵。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

微乳液的性能不僅與微乳液體系中的各組分類型有關(guān)，還與各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和比例有關(guān)。通過(guò)改變表面活性劑類型，研究微乳液體系性能對(duì)含剩余油孔隙比例的影響來(lái)優(yōu)選出最佳微乳液驅(qū)油體系，具體配方為：

配方一：正辛烷8 mL、水8 mL，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.5% 的十二烷基硫酸鈉（SDS）、6% 的正丁醇、5%的NaCl。

配方二：正辛烷8 mL、水8 mL，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.5% 的吐溫-60、6% 的正丁醇、5% 的NaCl。

配方三：正辛烷8 mL、水8 mL，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.5% 的羧基甜菜堿、6% 的正丁醇、5% 的NaCl。

驅(qū)油實(shí)驗(yàn)：以篩選出的最優(yōu)微乳液體系為驅(qū)替液，大慶外圍低滲透油藏裂縫性巖心為驅(qū)替巖心，按以下步驟進(jìn)行驅(qū)油實(shí)驗(yàn)：（1）將巖心抽空，并在真空條件下飽和模擬地層水，測(cè)定其滲透率和孔隙體積。（2）用模擬油驅(qū)替，直至巖心出口端不再含水為止，測(cè)定其含油飽和度。（3）用模擬鹽水驅(qū)替，直至采出液中含水率達(dá)到98% 為止，然后轉(zhuǎn)注0.3 PV 的段塞，之后進(jìn)行后續(xù)水驅(qū)，直至采出液中含水率再次達(dá)到98%。

巖心解剖實(shí)驗(yàn)：

（1）將驅(qū)油實(shí)驗(yàn)結(jié)束后的裂縫性巖心折斷，獲取巖心的自然斷面。

（2）使用微觀顯微鏡拍攝巖心的微觀孔隙結(jié)構(gòu)，計(jì)算巖心孔隙半徑大小，研究孔隙半徑與驅(qū)油效率的關(guān)系，分析含剩余油孔隙比例分布狀況。

2 結(jié)果與分析

2.1 配方優(yōu)選

2.1.1 粒徑分布 利用激光粒度儀測(cè)量微乳液體系的粒徑分布，測(cè)量?jī)x的測(cè)量范圍是0.01～3 500 μm，可以通過(guò)放大不同倍數(shù)觀察微乳液粒徑分布。分別記錄各微乳液的粒徑大小，統(tǒng)計(jì)粒徑的分布狀況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1 所示。由圖1 可知，微乳液粒徑分布存在一個(gè)窄峰。微乳液體系不同，其粒徑分布不同，但都近似于正態(tài)分布，且各微乳液的粒徑分布 為0.01～0.20 μm，主 要 集 中 分 布 在0.07～0.12 μm。 其中，配方三的粒徑主要分布在0.05～0.10 μm，說(shuō)明粒徑相對(duì)較小，比較容易進(jìn)入細(xì)小的孔隙中。

圖1 粒徑分布Fig.1 Particle size distribution diagram

圖2 為微乳液粒徑與含剩余油孔隙比例關(guān)系。

圖2 微乳液粒徑與含剩余油孔隙比例關(guān)系Fig.2 Relationship between microemulsion particle size and ratio of porosity with remaining oil

由圖2 可以發(fā)現(xiàn)，含剩余油孔隙比例隨孔隙半徑的減小而降低，微乳液粒徑越小，越容易進(jìn)入孔隙中驅(qū)替剩余油。 相同孔隙半徑，微乳液粒徑越小，含剩余油孔隙比例越小。低滲透油藏的巖心孔隙比較細(xì)小，微乳液驅(qū)的粒徑一般分布在1～100 nm，能夠通過(guò)細(xì)小孔隙增大驅(qū)油面積，所以微乳液驅(qū)可以廣泛應(yīng)用于低滲透油藏，提高采收率。

2.1.2 黏度 微乳液黏度是衡量驅(qū)油效果的重要指標(biāo)，不同黏度的微乳液其驅(qū)油效果不同。溶液的流變性、鹽類質(zhì)量濃度等均影響微乳液的黏度，且不同黏度的溶液其微乳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同?，F(xiàn)研究不同配方的微乳液體系，其黏度與微乳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)和含剩余油孔隙比例與半徑的關(guān)系，結(jié)果如圖3、4 所示。

圖3 黏度與微乳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系Fig.3 Relationship between viscosity and mass fraction of microemulsion

圖4 含剩余油孔隙比例與半徑的關(guān)系Fig.4 Relationship between ration of pore with residual oil and radius

從圖3 可以看出，當(dāng)達(dá)到臨界膠束質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)，溶液中可以生成微乳液，隨著微乳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增多，體系的黏度增大。其中，配方三的黏度較大，且微乳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，配方二的黏度最小。一般來(lái)說(shuō)，由于微乳液的黏度比水大得多，在驅(qū)油過(guò)程中會(huì)降低驅(qū)替液的流度和水油流度比，從而減小指進(jìn)現(xiàn)象，進(jìn)一步擴(kuò)大波及體積，達(dá)到提高原油采收率的目的。

從圖4 可以看出，含剩余油孔隙比例隨孔隙半徑的減小而降低，高黏度的微乳液體系具有良好的增溶作用，改變油水流度比，增大洗油效率，從而增大驅(qū)油效率。相同孔隙半徑的條件下，驅(qū)替液黏度越高，含剩余油孔隙比例越小。

2.1.3 穩(wěn)定性 微乳液是一種熱力學(xué)穩(wěn)定體系，具有超低的界面張力。在理想條件下，其穩(wěn)定性不隨時(shí)間發(fā)生變化。但是在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)中，微乳液穩(wěn)定性隨時(shí)間的增加而變化[7-10]。兩種實(shí)驗(yàn)對(duì)比，研究微乳液的穩(wěn)定性：一是將不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的表面活性劑溶液放置2 d 后與原油混合，利用旋滴界面張力儀測(cè)定體系界面張力；二是將不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的表面活性劑溶液形成的微乳液體系放置2 d 后，測(cè)定微乳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)，結(jié)果如圖5 所示。從圖5 可以看出，配方一的微乳液放置2 d 后界面張力和微乳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)發(fā)生明顯的變化，穩(wěn)定性差；配方二的界面張力比較大，放置2 d 后微乳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)比較??；配方三的界面張力較小，且放置2 d 后界面張力增幅也相對(duì)較小，但微乳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大。所以，配方三的穩(wěn)定性較好。在同一質(zhì)量分?jǐn)?shù)的表面活性劑下，靜置2 d 后的微乳液體系的界面張力稍微高于原樣品的界面張力，且微乳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)也略有降低。這是因?yàn)?，微乳液體系隨時(shí)間的增加其穩(wěn)定性略有降低，但是微乳液體系靜置2 d 后仍然能夠保持較低的界面張力和較高的微乳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)，說(shuō)明微乳液體系具有較好的穩(wěn)定性。

圖5 三種配方穩(wěn)定性Fig.5 Stability Diagrams of Three Formulas

綜上所述，最終優(yōu)選出的最佳微乳液驅(qū)油體系是：正辛烷8 mL、水8 mL，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.5% 的羧基甜菜堿、6% 的正丁醇、5% 的NaCl。

2.2 驅(qū)油效果

裂縫性巖心制作過(guò)程：取若干大慶外圍低滲透巖心，利用三軸應(yīng)力機(jī)對(duì)巖心施加一個(gè)小于巖心破裂壓力的擠壓力，持續(xù)一周時(shí)間，從而將巖心壓出一定程度的微裂縫。

2.2.1 注入壓力 測(cè)定微乳液的注入能力，按照實(shí)驗(yàn)步驟以恒定速度注入微乳液，分別記錄注入壓力。繪制注入體積倍數(shù)與注入壓力的關(guān)系曲線如圖6 所示。

圖6 不同滲透率巖心的注入壓力Fig.6 Injection pressure of cores with different permeability

由圖6 可以看出，進(jìn)行一次水驅(qū)（0～0.14 PV)時(shí)，注入壓力開(kāi)始迅速上升，這是因?yàn)樵诘蜐B透油藏中流體需要克服啟動(dòng)壓力才能流動(dòng)；注入微乳液后（0.14 ～0.18 PV），注入壓力開(kāi)始下降，主要是因?yàn)槲⑷橐撼偷慕缑鎻埩梢越档蛦?dòng)壓力梯度，降低驅(qū)替阻力，使油滴更容易進(jìn)入小喉道，從而增大采收率；后續(xù)水驅(qū)（0.18 PV 后）時(shí)，注入壓力逐漸趨于平穩(wěn)，是因?yàn)槲⑷橐候?qū)階段，原油在巖石表面的黏附力降低，使巖石表面的油膜剝落下來(lái)與油滴一起被驅(qū)替出去，在進(jìn)行后續(xù)水驅(qū)時(shí)，部分油滴聚并形成油帶而被驅(qū)替出來(lái)。滲透率越大，其注入壓力越小。

2.2.2 驅(qū)油效果 根據(jù)含水率與采出程度的關(guān)系繪制曲線，反映裂縫性巖心的驅(qū)油效果，結(jié)果如圖7 所示。由圖7 可以看出，早期注水時(shí)，含水率為0，此時(shí)產(chǎn)出液中只含油，隨累積注入PV 數(shù)的增大，含水率逐漸增大，當(dāng)增大到98% 時(shí)注入微乳液體系，隨后含水率開(kāi)始降低，達(dá)到最低點(diǎn)后逐漸增大直至趨于平穩(wěn)。 注水前期，隨累積注入倍數(shù)的增加，采出程度迅速增大，高含水期采出程度增加比較緩慢；當(dāng)注入微乳液體系后，采出程度隨含水率的降低而急劇上升，采油速度相對(duì)比較大，采收率顯著提高。

圖7 巖心驅(qū)油效果Fig.7 Core flooding effect diagram

表1 為裂縫性巖心驅(qū)油實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 由表1 可見(jiàn)，相對(duì)于水驅(qū)，微乳液驅(qū)最終采收率明顯增大，從24.1% 增大到49.7%，且隨滲透率的增大，采收率增幅逐漸增大，說(shuō)明微乳液驅(qū)顯著提高采收率。

表1 裂縫性巖心驅(qū)油實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table1 Experimental settlement of fractured core oil displacement experiment

采用大慶第十采油廠4 塊不同滲透率的裂縫巖心進(jìn)行微乳液驅(qū)油實(shí)驗(yàn)，然后利用巖心解剖實(shí)驗(yàn)測(cè)得各巖心的平均孔隙半徑[11-15]，繪制孔隙半徑和含剩余油孔隙比例關(guān)系曲線，如圖8 所示。從圖8（a）可以看出，不同滲透率的巖心其含剩余油孔隙比例均隨孔隙半徑的減小而減小。在相同孔隙半徑的條件下，含剩余油孔隙比例隨滲透率的增大而減小。巖心基質(zhì)滲透率從2.8×10-3μm2增大到27.4×10-3μm2，含剩余油孔隙體積比例從79.86% 降低到31.23%，不同的孔隙半徑對(duì)剩余油的分布具有顯著影響。這是因?yàn)椋瑢?duì)于水濕性巖石，驅(qū)油過(guò)程中的毛管力是驅(qū)替動(dòng)力，且毛管力隨孔隙半徑的減小而增大，驅(qū)替液優(yōu)先進(jìn)入半徑較小的孔隙[16]，降低含剩余油孔隙比例。從圖8（b）可以看出，隨裂縫滲透率的增大，與相同孔隙半徑對(duì)應(yīng)的含剩余油孔隙比例也增加，微裂縫的滲流阻力很小，它是油水兩相流動(dòng)的優(yōu)勢(shì)通道，這會(huì)導(dǎo)致注入水沿裂縫竄流，加速無(wú)效循環(huán)通道的形成，使孔隙中的原油更難被驅(qū)替出來(lái)，因此剩余油會(huì)相應(yīng)增加[17]。

圖8 孔隙半徑與含剩余油孔隙比例關(guān)系Fig.8 The relation curve of pore radius and ratio of porosity with remaining oil

與無(wú)裂縫性巖心相比，裂縫對(duì)巖心的驅(qū)油效率有很重要的影響，驅(qū)油效率有所降低。 主要是因?yàn)?，微裂縫較小的滲流阻力，形成油水兩相流動(dòng)的優(yōu)勢(shì)通道，尤其是當(dāng)微裂縫周圍的基質(zhì)物性較差時(shí)，其滲流優(yōu)勢(shì)更為明顯，注入液沿裂縫竄流，加速無(wú)效循環(huán)通道的形成，大量殘余油將滯留在基質(zhì)孔隙中，使微乳液驅(qū)油效率降低。隨裂縫滲透率的增大，驅(qū)油效率下降幅度增大。

微乳液驅(qū)雖然可以在很大程度上提高驅(qū)油效率，但由于成本過(guò)高，限制了其在油田的推廣應(yīng)用。因此，下一步攻關(guān)方向是降低微乳液制備成本。

3 結(jié) 論

（1）配方三的粒徑主要分布在0.05～0.10 μm，粒徑較小，對(duì)于喉道細(xì)小的低滲透油藏適用性高；其溶液的最高黏度為4.8 mPa?s，微乳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)到42%；其較強(qiáng)的穩(wěn)定性能夠保持微乳液較好的性能。

（2）配方三的含剩余油孔隙比例較小，說(shuō)明驅(qū)油效果較好。其正辛烷8 mL、水8 mL，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.5% 的 羧基甜菜堿，6% 的 正 丁 醇，5% 的NaCl 為最優(yōu)微乳液驅(qū)油體系。

（3）從驅(qū)油實(shí)驗(yàn)得知，微乳液的注入壓力相對(duì)較??；采收率增幅隨滲透率的增大而增大。與水驅(qū)相 比，巖 心 滲 透 率 從2.8×10-3μm2增 大 到27.4×10-3μm2，微 乳 液 驅(qū)的最終 采 收 率 從24.1% 增 大 到49.7%，采收率最大增幅達(dá)到10.8%，說(shuō)明微乳液驅(qū)提高采收率效果顯著。

（4）含剩余油孔隙比例隨孔隙半徑的減小而減小，表明孔隙半徑對(duì)剩余油分布有顯著影響。與基質(zhì)巖心相比，裂縫性巖心的含剩余油孔隙比例相對(duì)較大，驅(qū)油效率相對(duì)較低。