基于乳狀液滲流機(jī)理的三元復(fù)合體系設(shè)計(jì)方法及應(yīng)用

岳 青

(中國(guó)石油大慶油田有限責(zé)任公司,黑龍江 大慶 163000)

0 引 言

三元復(fù)合驅(qū)油技術(shù)既可以提高驅(qū)油效率又可以提高波及系數(shù)[1-2]，已成為中、高滲油田開(kāi)發(fā)后期大幅度提高采收率的重要手段[3-6]。為模擬三元復(fù)合體系在地層中的滲流過(guò)程，研究人員通過(guò)建立填砂管模型評(píng)價(jià)驅(qū)替性能。目前的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析大多集中在化學(xué)劑的色譜分離、擴(kuò)散與彌散等滲流特征[7-8]，卻較少分析復(fù)合體系生成乳狀液的傳輸及運(yùn)移規(guī)律[9-10]。三元復(fù)合體系中的表面活性劑以及堿與原油皂化反應(yīng)生成的活性物質(zhì)，使采出液絕大多數(shù)以乳狀液形式存在[11]。乳狀液具有調(diào)剖封堵的作用，可以進(jìn)一步擴(kuò)大波及體積，提高采收率[12-15]。因此，需要對(duì)復(fù)合體系生成的乳狀液進(jìn)行深入分析，研究乳狀液的粒徑變化規(guī)律、復(fù)合體系生成乳化段塞的時(shí)機(jī)和距離及其對(duì)采收率的影響。基于長(zhǎng)巖心物理模擬驅(qū)油實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，分析乳狀液運(yùn)移規(guī)律，并進(jìn)行乳狀液段塞驅(qū)實(shí)驗(yàn)，分析三元復(fù)合體系形成的乳狀液對(duì)提高采收率的影響，應(yīng)用于指導(dǎo)段塞設(shè)計(jì)及參數(shù)調(diào)整。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

大慶油田第四采油廠脫氣脫水原油；模擬油(原油與航空煤油混配，45 ℃下模擬油黏度為10 mPa·s)；模擬污水，礦化度為5 608.3 mg/L；模擬地層水，礦化度為8 217.5 mg/L，離子成分見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)用水離子成分Table 1 The ion composition of test water

大慶煉化公司石油磺酸鹽；大慶煉化公司水解聚丙烯酰胺(相對(duì)分子質(zhì)量為2 500×104，水解度為25%；)；天津大茂試劑廠試劑堿(NaOH)。

實(shí)驗(yàn)裝置與儀器包括：DE-100LA型高速剪切分散乳化機(jī)(南通克萊爾混合設(shè)備有限公司)、DIN5309型黏度計(jì)、1200infintyseries型高效液相色譜(美國(guó)AGILENT公司)、Axbstar Plus顯微鏡(德國(guó)JENOPTIK公司)、P300001型電子天平、ISCO計(jì)量泵、填砂管、活塞容器及恒溫箱等。

1.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ途鶠槿嗽焯钌肮?，分為短巖心模型與長(zhǎng)巖心模型2組，其中，短巖心實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ烷L(zhǎng)度為30 cm，直徑為2.5 cm，平均滲透率為523 mD；長(zhǎng)巖心實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ烷L(zhǎng)度為6 m，直徑為2.5 cm，平均滲透率為479 mD，孔隙度為26.89%。設(shè)置7個(gè)采樣點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)流程示意圖Fig.1 The schematic diagram of test process

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

1.3.1 長(zhǎng)巖心模型實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)步驟為：①45 ℃恒溫箱中，將長(zhǎng)巖心模型抽真空48 h后飽和地層水，隨后飽和油老化7 d。②以0.14 mL/min的驅(qū)替速度水驅(qū)，當(dāng)出口端含水率達(dá)98%時(shí)停止。③實(shí)際注入段塞設(shè)計(jì)：第1段塞為聚合物段塞，聚合物質(zhì)量濃度為1 300 mg/L，注入量為0.06倍孔隙體積；第2段塞為三元主段塞，聚合物質(zhì)量濃度為1 900 mg/L，堿質(zhì)量濃度為1.2%，表面活性劑質(zhì)量濃度為0.3%，注入量為0.35倍孔隙體積；第3段塞為三元副段塞，聚合物質(zhì)量濃度為1 900 mg/L，堿質(zhì)量濃度為1.0%，表面活性劑質(zhì)量濃度為0.2%，注入量為 0.15倍孔隙體積；第4段塞為聚合物段塞，質(zhì)量濃度為1 700 mg/L，注入量為0.2倍孔隙體積，4個(gè)段塞總長(zhǎng)度為0.76倍孔隙體積，然后水驅(qū)至出口端，含水率達(dá)98%時(shí)停止水驅(qū)，驅(qū)替速度為0.14 mL/min，實(shí)驗(yàn)溫度為45 ℃。④每注入0.10倍孔隙體積驅(qū)替液體，各采樣點(diǎn)采集3 mL樣本，使用熒光顯微鏡分析其平均粒徑變化。

1.3.2 短巖心模型實(shí)驗(yàn)

①根據(jù)長(zhǎng)巖心實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，選擇最強(qiáng)乳化狀態(tài)的采樣點(diǎn)，根據(jù)其乳狀液的化學(xué)劑濃度、油水比、黏度，復(fù)配乳狀液。②模型飽和鹽水并稱重，得到填砂模型的孔隙體積，鹽水驅(qū)替，水相注入速度恒定為0.14 mL/min。③飽和油并水驅(qū)至含水98%，然后注入0.10倍孔隙體積的乳狀液段塞，后續(xù)水驅(qū)至含水98%，記錄注入量、產(chǎn)油量及產(chǎn)水量，實(shí)驗(yàn)中注入速度恒定為0.14 mL/min，實(shí)驗(yàn)溫度為45 ℃。④改變?nèi)闋钜憾稳笮?.20、0.30、0.50和0.70倍孔隙體積，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟①～③。

2 結(jié)果與討論

2.1 三元復(fù)合體系乳化階段分析

圖2為長(zhǎng)巖心模型實(shí)驗(yàn)動(dòng)態(tài)驅(qū)替曲線。由圖2可知：采收率呈現(xiàn)先快速增加，隨后基本不變，然后緩慢增加，最后基本不變的趨勢(shì)。具體分為以下4個(gè)階段。

圖2 含水率和采收率變化曲線Fig.2 The curve of changes in water cut and recovery efficiency

第1階段為水驅(qū)階段：隨注入量增加含水率升高，含水率快速大幅上升，注入0.40倍孔隙體積時(shí)含水率升至75%以上，水驅(qū)階段注入總量為2.00倍孔隙體積，最后含水率達(dá)到98%。

第2階段為乳化增強(qiáng)階段：三元復(fù)合體系注入2.00～2.70倍孔隙體積，含水率快速下降，采收率增幅不斷增加，2.70倍孔隙體積時(shí)含水率降至三元復(fù)合驅(qū)階段最低值，采收率增幅最大，達(dá)到乳化最強(qiáng)狀態(tài)。

第3階段為乳化減弱階段：三元復(fù)合體系注入2.70～3.50倍孔隙體積，含水率持續(xù)增加，采收率上升幅度減慢，3.50倍孔隙體積時(shí)含水率最高，采收率基本達(dá)到最大值。

第4階段為乳化消失階段：三元復(fù)合體系注入3.50～4.00倍孔隙體積，含水率基本不變，采收率基本不變，乳化效果不明顯。

2.2 乳狀液平均粒徑變化

圖3為各采樣點(diǎn)乳狀液的平均粒徑變化曲線，圖3中的注入體積從注入三元復(fù)合體系段塞開(kāi)始計(jì)算。乳狀液在各采樣點(diǎn)處的平均粒徑表現(xiàn)為先減小后增大的變化趨勢(shì)，距離注入端入口越近，粒徑降低時(shí)間越早，降至最低值后開(kāi)始增大時(shí)間越早，增大速度越快。乳狀液的平均粒徑越小，復(fù)合體系的乳化程度越高，通過(guò)采樣點(diǎn)處平均粒徑的最小值可以看出，50、150 cm采樣點(diǎn)處最小平均粒徑處于10 μm范圍內(nèi)，250、350、450、550、600 cm采樣點(diǎn)處最小平均粒徑為15～20 μm，即填砂管前1/4段乳狀液處于較強(qiáng)的乳化狀態(tài)，填砂管后3/4段乳狀液處于較弱的乳化狀態(tài)。

圖3 乳狀液平均粒徑變化曲線

由圖3可知：50 cm采樣點(diǎn)處與150 cm采樣點(diǎn)處的粒徑變化曲線較為接近，且三元復(fù)合體系注入量為0.40、0.50、0.60倍孔隙體積時(shí)，乳狀液的平均粒徑均小于10 μm。進(jìn)一步分析50、150 cm采樣點(diǎn)處情況，體系注入量為0.40、0.50、0.60倍孔隙體積時(shí)，乳狀液的粒徑分布(表2)，可以發(fā)現(xiàn)這2組的粒徑累積分布范圍也極為接近，大部分乳狀液的粒徑為1～15 μm，說(shuō)明此時(shí)三元復(fù)合體系的乳化強(qiáng)度基本一致，生成的乳狀液形態(tài)也基本一致，即三元復(fù)合體系在50 cm采樣點(diǎn)與150 cm采樣點(diǎn)之間形成了一段相同乳狀液組成的乳化段塞，該段塞自體系注入量為0.40倍孔隙體積時(shí)開(kāi)始，體系注入量為0.60倍孔隙體積時(shí)結(jié)束，乳化段塞注入量為0.20倍孔隙體積。

表2 50、150 cm采樣點(diǎn)注入量為0.40、0.50、0.60倍孔隙體積時(shí)平均粒徑分布數(shù)據(jù)Table 2 The data list of average particle size distribution when theinjection volume of 50 and 150 cm sampling points was 0.40, 0.50, 0.60 time the pore volume

2.3 乳狀液段塞對(duì)采收率的影響

表3為短巖心模型乳狀液段塞驅(qū)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。由表3可知：5組實(shí)驗(yàn)的前期水驅(qū)采收率大致相同，均處于57.00%附近，注入乳狀液段塞后，各組的總采收率均呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，且總采收率隨著注入段塞的增加而增加。乳狀液在多孔介質(zhì)中運(yùn)移的過(guò)程中，根據(jù)粒徑的不同，分為卡堵與吸附方式在地層滯留，一部分乳狀液起到封堵作用，改變驅(qū)替液運(yùn)移方向，提高化學(xué)劑波及效率。此外乳狀液還可以通過(guò)剝蝕、擠壓的作用對(duì)殘余油進(jìn)行驅(qū)替。因此，注入的乳狀液段塞越大，體系的總采收率也越大。

表3 短巖心模型乳狀液段塞驅(qū)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 3 The test data of emulsion slug flooding of short core model

圖4為采收率提高幅度(總采收率與前期水驅(qū)采收率的差值)隨注入段塞尺寸變化曲線。由圖4可知，隨著注入段塞增大，采收率提高幅度增加，當(dāng)注入體積為0.10～0.30倍孔隙體積時(shí)，采收率提高幅度快速增加，當(dāng)注入體積為0.30～0.70倍孔隙體積時(shí)，采收率提高幅度趨于平緩，即乳狀液的最佳驅(qū)替段塞尺寸為0.30倍孔隙體積，段塞尺寸繼續(xù)增加，總采收率提高幅度趨緩。結(jié)合長(zhǎng)巖心模型的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，長(zhǎng)巖心模型實(shí)驗(yàn)僅形成了0.20倍孔隙體積的乳化段塞，并未達(dá)到乳狀液的最佳驅(qū)替段塞尺寸，因此，還需要對(duì)三元復(fù)合體系的驅(qū)替配方進(jìn)行優(yōu)化，應(yīng)進(jìn)一步加大三元復(fù)合體系的注入體積，增強(qiáng)體系的乳化強(qiáng)度和乳化持續(xù)時(shí)間，以便于形成最佳尺寸的乳狀液驅(qū)替段塞。

圖4 注入段塞尺寸對(duì)采收率提高幅度的影響曲線

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

杏3區(qū)于2014年投產(chǎn)，2016年開(kāi)展三元復(fù)合驅(qū)試驗(yàn)，總井?dāng)?shù)為321口，其中，注入井為151口，生產(chǎn)井為170口，目的層為葡I1—葡I3油層，共6個(gè)沉積單元，區(qū)塊面積為5.8 km2，石油地質(zhì)儲(chǔ)量為658.97×104t，孔隙體積為1 168.79×104m3；采用五點(diǎn)法面積井網(wǎng)，注采井距為125 m；平均單井射開(kāi)砂巖厚度為12.1 m，有效厚度為9.3 m，有效滲透率為482 mD，目前化學(xué)驅(qū)注入量為0.83倍孔隙體積，綜合含水為92.61%，提高采收率為11.13個(gè)百分點(diǎn)。

驅(qū)油方案段塞設(shè)計(jì)為：第1段塞聚合物段塞，質(zhì)量濃度為1 300 mg/L，注入量為0.06倍孔隙體積；第2段塞為三元主段塞，聚合物質(zhì)量濃度為1 900 mg/L，堿質(zhì)量濃度為12 000 mg/L，表面活性劑濃度為3 000 mg/L，注入量為 0.35倍孔隙體積；第3段塞為三元副段塞，聚合物質(zhì)量濃度為1 900 mg/L，堿質(zhì)量質(zhì)量濃度為1.0%，表面活性劑質(zhì)量濃度為2 000 mg/L，注入量為 0.15倍孔隙體積；第4段塞聚合物段塞，質(zhì)量濃度為1 700 mg/L，注入量為0.2倍孔隙體積，4個(gè)段塞總長(zhǎng)度為0.76倍孔隙體積。三元段塞合計(jì)為0.50倍孔隙體積,其中，主段塞為0.35倍孔隙體積，副段塞為0.15倍孔隙體積。

按照方案三元主段塞結(jié)束時(shí)已注入0.43倍孔隙體積，含水降至最低值83%，處于受效高峰期，由于原方案未達(dá)到最佳乳狀液驅(qū)替段塞尺寸，因此，三元主段塞增加0.14倍孔隙體積，促使含水低值期延長(zhǎng)8個(gè)月；三元副段塞延長(zhǎng)了0.2倍孔隙體積，促使含水回升速度由每月0.35個(gè)百分點(diǎn)降至0.08個(gè)百分點(diǎn)，含水穩(wěn)定在92%左右長(zhǎng)達(dá)12個(gè)月，累計(jì)產(chǎn)油量較原方案增加了3.86×104t，提高采收率0.58個(gè)百分點(diǎn)。通過(guò)優(yōu)化三元復(fù)合體系驅(qū)替配方，加大三元復(fù)合體系注入量，杏3區(qū)開(kāi)發(fā)效果得到顯著改善(圖5)。

圖5 杏3區(qū)生產(chǎn)曲線Fig.5 The production curve of Xing 3 Block

4 結(jié) 論

(1) 通過(guò)長(zhǎng)巖心模型三元復(fù)合驅(qū)實(shí)驗(yàn)的采出動(dòng)態(tài)曲線，可以將三元復(fù)合驅(qū)階段的乳化強(qiáng)度分為乳化增強(qiáng)、乳化減弱、乳化消失3個(gè)階段；隨著三元復(fù)合體系運(yùn)移距離的增加，體系的乳化能力不斷減弱，填砂管前1/4段體系處于較強(qiáng)的乳化狀態(tài)，填砂管后3/4段體系處于較弱的乳化狀態(tài)。

(2) 50、150 cm采樣點(diǎn)處，體系注入量為0.40、0.50、0.60倍孔隙體積時(shí)，復(fù)合體系生成的乳狀液粒徑分布極為一致，可視為同種形態(tài)，即復(fù)合體系在50 cm采樣點(diǎn)與150 cm采樣點(diǎn)之間形成了0.20倍孔隙體積的乳化段塞。

(3) 不同大小的乳狀液段塞驅(qū)油實(shí)驗(yàn)表明，最佳的驅(qū)油段塞尺寸為0.30倍孔隙體積，實(shí)際在地層中僅形成了0.20倍孔隙體積的乳化段塞，乳化段塞未達(dá)到最佳尺寸，因此，還需要繼續(xù)優(yōu)化復(fù)合體系的驅(qū)替方案，以便于形成最佳尺寸的乳狀液驅(qū)替段塞。現(xiàn)場(chǎng)區(qū)塊增加三元段塞注入量后，開(kāi)發(fā)效果得到顯著改善。