滲透降黏驅(qū)油劑提高采收率機(jī)理

鄭萬(wàn)剛 ，初 偉，崔文富，管雪倩，曹嫣鑌，于田田，汪廬山

（1.中國(guó)石化勝利油田分公司石油工程技術(shù)研究院，山東東營(yíng) 257000；2.山東省稠油開采技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東東營(yíng) 257000；3.中國(guó)石化勝利石油管理局有限公司博士后科研工作站，山東東營(yíng) 257001；4.中國(guó)石化勝利油田分公司勝利采油廠，山東東營(yíng) 257051；5.中國(guó)石化勝利油田分公司，山東東營(yíng) 257001）

稠油是中國(guó)重要的石油資源，以熱采吞吐和水驅(qū)開發(fā)為主，其中水驅(qū)稠油受油水流度比的影響，易發(fā)生指進(jìn)和水竄現(xiàn)象，驅(qū)替不均衡，總體采收率不足20%。稠油化學(xué)降黏冷采技術(shù)因其工藝簡(jiǎn)單、配套設(shè)備少、低碳環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，備受中外相關(guān)技術(shù)人員的關(guān)注［1-2］?，F(xiàn)有的降黏劑主要以常規(guī)表面活性劑為主，其主要作用原理是在強(qiáng)攪拌作用下乳化分散原油，使油與油之間的摩擦力轉(zhuǎn)變?yōu)樗c水之間的摩擦力，實(shí)現(xiàn)乳化降黏目的［3-4］。此類降黏劑水溶液黏度一般與水接近，致使驅(qū)替過程中仍然會(huì)出現(xiàn)指進(jìn)和繞流現(xiàn)象，大部分的降黏劑無(wú)法有效接觸到原油［5-6］。中外研發(fā)的化學(xué)降黏劑存在油藏低動(dòng)力條件下降黏效果差、成本高以及油藏適應(yīng)性差等諸多問題，因此主要用于近井解堵和輔助井筒舉升等工藝［7-8］。針對(duì)該問題，近年來(lái)，聚合物型表面活性劑用于稠油降黏已成為重點(diǎn)研究方向［9］。

滲透降黏驅(qū)油劑是一種兼顧微動(dòng)力降黏和水相增黏等多功能于一體的高分子型降黏驅(qū)油劑，可在500 mg/L 條件下降低稠油黏度95%以上，同時(shí)具有優(yōu)異的潤(rùn)濕改性功能，洗油效果顯著。該降黏驅(qū)油劑已形成了工業(yè)化產(chǎn)品，并成功應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，初步取得較好的增油效果，為進(jìn)一步推廣該降黏驅(qū)油劑的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，有必要開展提高采收率機(jī)理研究。

中外用于研究降黏驅(qū)油機(jī)理的技術(shù)方法以微觀驅(qū)油為主［10-12］，LENORMAND 通過微觀刻蝕模型驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，研究孔隙級(jí)的滲流規(guī)律及分形描述方法［13］；CHATIZE 等認(rèn)為水驅(qū)后剩余油的微觀分布分為占據(jù)1 個(gè)孔隙空間的單液滴、占據(jù)2 個(gè)孔隙空間的雙液滴、占據(jù)3 個(gè)孔隙空間以上的枝狀液滴等3種形態(tài)［14］。根據(jù)微觀剩余油流動(dòng)形態(tài)、賦存位置以及油水接觸關(guān)系，將其分為膜狀、滴狀、柱狀、多孔及簇狀等5類流態(tài)［15］。

醫(yī)用CT掃描技術(shù)研究降黏驅(qū)油機(jī)理鮮有報(bào)道，采用CT 掃描技術(shù)可對(duì)驅(qū)替過程的含油飽和度進(jìn)行全方位監(jiān)測(cè)。為此，筆者依托該技術(shù)，從介觀層面對(duì)滲透降黏驅(qū)油劑在油藏條件下與稠油作用機(jī)理進(jìn)行深入研究，揭示其通過形成油包水乳液擴(kuò)大波及、潤(rùn)濕改性提高洗油效率以及乳化分散性能提高滲流能力的提高采收率機(jī)理，為該滲透降黏驅(qū)油劑進(jìn)一步推廣應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)器材與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)器材

實(shí)驗(yàn)材料 實(shí)驗(yàn)用油為勝利油區(qū)濱南采油廠某區(qū)塊原油，其在油藏溫度（50 ℃）下的地面測(cè)試黏度為2 742 mPa·s（含乳化水），屬于普通稠油，油乳化含水率為22.4%。實(shí)驗(yàn)用水為勝利油區(qū)濱南采油廠某區(qū)塊注入水（過濾、曝氧），礦化度為23 583 mg/L，鈣鎂離子質(zhì)量濃度為457 mg/L。

實(shí)驗(yàn)所用滲透降黏驅(qū)油劑為自主研發(fā)，其分子式如圖1所示。

圖1 滲透降黏驅(qū)油劑分子結(jié)構(gòu)Fig.1 Molecular structure of permeable viscosity-reducing oil displacement agent

實(shí)驗(yàn)儀器 上海無(wú)陌光學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)的偏光顯微鏡，德國(guó)IKA公司生產(chǎn)的高速攪拌器，江蘇天翎儀器有限公司生產(chǎn)的恒溫水浴鍋，蘇州朗潤(rùn)醫(yī)療系統(tǒng)有限公司生產(chǎn)的CT掃描儀。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

刻蝕模型機(jī)理實(shí)驗(yàn) 采用微流控驅(qū)替芯片模型（圖2）開展實(shí)驗(yàn)研究。注入速率為0.1 μL/min，所對(duì)應(yīng)的礦場(chǎng)驅(qū)替速度為1 m/d。每組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行多次重復(fù)，并在高倍目鏡下觀察微觀驅(qū)替現(xiàn)象，在低倍目鏡下采集視頻用于定量分析油相流態(tài)。

圖2 微觀刻蝕模型構(gòu)建Fig.2 Micro-etching model construction

CT 掃描雙管驅(qū)油實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)中所用設(shè)備有醫(yī)用CT掃描儀、巖心夾持器、加溫加壓循環(huán)設(shè)備、驅(qū)替泵以及連接管線、四通閥和藥劑罐等。實(shí)驗(yàn)所用巖心為雙層巖心，2 層巖心的滲透率分別為1.25 和3.75 mD，滲透率級(jí)差為3，尺寸為30 cm×4.5 cm×4.5 cm。

實(shí)驗(yàn)流程主要為：首先將巖心抽真空并飽和水，然后將巖心飽和油，再進(jìn)行水驅(qū)，隨后進(jìn)行滲透降黏驅(qū)油劑驅(qū)，最后進(jìn)行后續(xù)水驅(qū)，每一步都進(jìn)行1次或多次CT 掃描測(cè)試并得到相應(yīng)測(cè)試數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)溫度為油藏溫度（50 ℃），所用稠油黏度為275 mPa·s（脫水后）。當(dāng)水驅(qū)至含水率為100%時(shí)，滲透降黏驅(qū)油劑注入量為0.5 PV，后續(xù)水驅(qū)至含水率達(dá)到100%，驅(qū)替速度為0.2 mL/min。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 滲透降黏驅(qū)油劑CT掃描驅(qū)油實(shí)驗(yàn)研究

可對(duì)飽和油、水驅(qū)、滲透降黏驅(qū)油劑驅(qū)等全過程進(jìn)行CT掃描，得到驅(qū)替過程中地層原油飽和度場(chǎng)的分布規(guī)律，從介觀層面對(duì)提高采收率機(jī)理進(jìn)行研究。由圖3 可知，整個(gè)水驅(qū)過程（注入量為0～3.3 PV）采收率約為31%，此時(shí)水相主要沿高滲透通道流動(dòng)，高滲透層與低滲透層產(chǎn)量比接近于4∶1，與其滲透率級(jí)差基本一致。而在滲透降黏驅(qū)油劑驅(qū)（注入量為0.33～0.83 PV）過程中，出現(xiàn)2 個(gè)采油峰值。注入初期（注入量為0～0.4 PV），高、低滲透層產(chǎn)出油量大幅增加，此時(shí)出現(xiàn)第1個(gè)采油峰值，采出油以純油相為主；進(jìn)一步注入滲透降黏驅(qū)油劑溶液（注入量為0.4～1.0 PV），低滲透層采出油量大幅增加，超過高滲透層產(chǎn)出油量，此時(shí)得到第2個(gè)采油峰值，非均質(zhì)模型中的高、低滲透層得到均衡動(dòng)用，采收率從31%提升至64.1%。

圖3 含水率和采收率與注入量的關(guān)系Fig.3 Relationships between water cut，recovery and injected volume

為探究高、低滲透層均衡動(dòng)用的原理，將不同驅(qū)替時(shí)期的巖心含油飽和度進(jìn)行了全過程掃描，結(jié)果顯示，在降黏驅(qū)階段1后，高滲透層的前端含油飽和度與水驅(qū)相比不降反升，說(shuō)明此時(shí)油墻產(chǎn)生，致使降黏驅(qū)階段1 出現(xiàn)了純油相的產(chǎn)出油。結(jié)合圖4可以看出，后續(xù)注入的滲透降黏驅(qū)油劑繼續(xù)推動(dòng)乳液流動(dòng)，低滲透層產(chǎn)出油量甚至高于高滲透層的產(chǎn)出油量，分析其原因包括2個(gè)方面：①乳液的卡堵作用致使低滲透層的剩余油進(jìn)一步得到動(dòng)用。②高滲透層由于前期動(dòng)用程度高，含油飽和度大幅下降后，剩余油采出困難。

圖4 高滲透層全流程的含油飽和度變化Fig.4 Variation curve of oil saturation in high-permeability layer in whole process

2.2 滲透降黏驅(qū)油劑微觀刻蝕驅(qū)油實(shí)驗(yàn)研究

利用微觀可視化驅(qū)油實(shí)驗(yàn)，可直觀觀察到藥劑與原油在油藏條件下的滲流狀態(tài)及作用規(guī)律［16］。通過觀察滲透降黏驅(qū)油劑與原油在微觀刻蝕模型中形成的不同流體形態(tài)，研究其在模擬油藏多孔介質(zhì)中的驅(qū)油機(jī)理。微觀驅(qū)替實(shí)驗(yàn)過程中，首先觀察到滲透降黏驅(qū)油劑溶液與原油形成油包水乳液，繼續(xù)驅(qū)替后，滲透降黏驅(qū)油劑溶液通過改變潤(rùn)濕性和乳化分散等作用起到優(yōu)異的降黏洗油性能。

2.2.1 初期形成油包水乳液的滲透驅(qū)油機(jī)理

油包水乳液中油為連續(xù)相，可以較好地滲透進(jìn)微流控模型中的油相，從而有效擴(kuò)大波及范圍，提高波及效率和原油采出程度。從圖5 中可以看出，油包水乳液滲透波及的油相范圍極大，這是由于所形成的油包水乳液的黏度遠(yuǎn)大于滲透降黏驅(qū)油劑溶液黏度和純油相黏度，因此擴(kuò)大了驅(qū)替范圍，抑制了滲透降黏驅(qū)油劑溶液的指進(jìn)效應(yīng)，從而起到提高采收率的效果。

圖5 油包水乳液驅(qū)油效果Fig.5 Oil displacement effect of W/O emulsion

2.2.2 后續(xù)滲透降黏驅(qū)油劑溶液對(duì)油包水乳液的剪切作用

從圖6 中可以看到，后續(xù)驅(qū)油劑溶液對(duì)油包水乳液的剪切作用將高黏的W/O 相剪切成分散的液滴有助于油包水乳液的流動(dòng)與運(yùn)移。隨著滲透降黏驅(qū)油劑溶液的持續(xù)注入，與前緣油包水乳液接觸的降黏驅(qū)油劑溶液大幅增多，油相和水相的質(zhì)量比大幅增大，導(dǎo)致前緣的油包水乳液被進(jìn)一步剪切成W/O/W 型乳液，使不易流動(dòng)的W/O 相轉(zhuǎn)變成了更易流動(dòng)的乳液滴，從而將微流控芯片中的原油驅(qū)替出來(lái)。

圖6 W/O型乳液變?yōu)閃/O/W型乳液Fig.6 Transformation from W/O to W/O/W emulsion

2.2.3 潤(rùn)濕剝離機(jī)理

滲透降黏驅(qū)油劑主要是通過體系在巖石表面的吸附來(lái)改變潤(rùn)濕性。通過毛細(xì)管中的油水界面微流控實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，油水界面上形成了既親油又親水的微乳液相。根據(jù)微乳液溶脹理論［17-19］，表面活性劑形成的界面膜可使界面張力大大下降，甚至?xí)簳r(shí)降低到零，以至產(chǎn)生瞬時(shí)負(fù)界面張力。由于負(fù)界面張力是不可能存在的，因此體系具有自發(fā)擴(kuò)張界面的趨勢(shì)，使更多的表面活性劑吸附到界面，瞬時(shí)負(fù)界面張力導(dǎo)致了體系自發(fā)擴(kuò)張界面，使界面張力恢復(fù)到正值，形成了微乳。因此，可以推測(cè)出微乳液相是造成油濕界面潤(rùn)濕性改變的主要原因。從圖7 和圖8 中可以發(fā)現(xiàn)，滲透降黏驅(qū)油劑溶液具有顯著潤(rùn)濕改性功能，由于形成的微乳液相既親油又親水，因此，導(dǎo)致稠油在巖石上的黏附力下降，甚至被剝離，實(shí)現(xiàn)剩余油的有效動(dòng)用。

圖7 滲透降黏驅(qū)油劑改變潤(rùn)濕性機(jī)理Fig.7 Mechanism of changing wettability of permeable viscosity-reducing oil displacement agent

圖8 油膜剝離作用機(jī)理Fig.8 Mechanism of oil film stripping

2.2.4 乳化分散機(jī)理

滲透降黏驅(qū)油劑與油相能夠形成低界面張力體系，在多孔介質(zhì)流動(dòng)過程中，較易受到外界擾動(dòng)的影響使油相被剪切成小液滴。根據(jù)多孔介質(zhì)孔喉結(jié)構(gòu)不同，乳化分散的形式主要包括匯流中的乳化分散、拖拽分散、孔喉卡斷乳化分散以及分流乳化分散等。經(jīng)過多重孔喉結(jié)構(gòu)的剪切和卡斷作用，形成分散體系的油相在滲透降黏驅(qū)油劑溶液中，受表面自由能的影響，普遍以球狀流態(tài)存在，大幅提高了油相的流動(dòng)能力，降低滲流阻力（圖9）。

圖9 乳化分散形態(tài)Fig.9 Emulsification dispersion form

2.2.5 剩余油賦存狀態(tài)分析

實(shí)驗(yàn)采用微機(jī)圖像處理技術(shù)對(duì)微觀刻蝕模型驅(qū)替后的剩余油分布進(jìn)行定量識(shí)別［20］，對(duì)各個(gè)類型的剩余油的數(shù)量、分布面積等變化情況進(jìn)行梳理。從圖10 和圖11 可知，與水驅(qū)相比，滲透降黏驅(qū)油劑驅(qū)后大面積連片簇狀剩余油含量大幅降低，從65%下降至5%，說(shuō)明滲透降黏驅(qū)油劑實(shí)現(xiàn)了均衡驅(qū)替；同時(shí)，滲透降黏驅(qū)油劑的良好潤(rùn)濕改性剝離原油作用使得膜狀和滴狀剩余油含量降低。相比來(lái)看，多孔狀和柱狀剩余油的相對(duì)含量較多，主要是這2 類剩余油的黏附力過大所造成的。

圖10 水驅(qū)和滲透降黏驅(qū)油劑驅(qū)后剩余油分布狀態(tài)Fig.10 Remaining oil distribution after water flooding and permeable viscosity-reducing agent flooding

圖11 剩余油相對(duì)含量Fig.11 Relative contents of remaining oil

3 結(jié)論

滲透降黏驅(qū)油劑是一種聚合物型表面活性劑，具有提高水相黏度和降低油相黏度的作用，可有效降低油水流度比，擴(kuò)大波及體積，能大幅提高水驅(qū)稠油采收率。采用CT 掃描和微觀刻蝕模型驅(qū)替實(shí)驗(yàn)對(duì)滲透降黏驅(qū)油劑提高采收率的機(jī)理開展分析和探索。非均質(zhì)模型的CT掃描實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，滲透降黏驅(qū)油劑驅(qū)過程中出現(xiàn)了純油相和乳液相2個(gè)采油峰值；全流程的含油飽和度掃描發(fā)現(xiàn)，在滲透降黏驅(qū)油劑驅(qū)初期，驅(qū)替模型中出現(xiàn)油墻，使得高、低滲透層得到均衡動(dòng)用。

微觀刻蝕模型驅(qū)油實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，滲透降黏驅(qū)油劑在不同驅(qū)油階段會(huì)產(chǎn)生不同的產(chǎn)出液形態(tài)：注入初期，由于滲透降黏驅(qū)油劑水相增黏作用，使得竄流被抑制，造成少量滲透降黏驅(qū)油劑溶液進(jìn)入大量油相中并被包裹乳化形成W/O型乳液，而高黏W/O 型乳液作為驅(qū)替相實(shí)現(xiàn)了均衡波及；繼續(xù)注入，W/O 型乳液被進(jìn)一步剪切成易于流動(dòng)的W/O/W 型乳液，提高了滲流能力；注入后期，大量的滲透降黏驅(qū)油劑溶液與稠油接觸，與稠油形成了微乳液相實(shí)現(xiàn)油膜的剝離，提高了洗油效率。同水驅(qū)相比，滲透降黏驅(qū)油劑可顯著降低簇狀和滴狀剩余油的相對(duì)含量，說(shuō)明其具有良好的擴(kuò)大波及和洗油效果。