潤濕性的改變對提高原油采收率的影響研究

付美龍 （湖北省油氣鉆采工程重點實驗室；長江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢430100）

周玉霞 （長江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢430100）

低滲油田開發(fā)在我國石油工業(yè)持續(xù)發(fā)展中的作用越來越重要，低滲油田開發(fā)的科學(xué)研究、技術(shù)攻關(guān)和現(xiàn)場試驗都列入了國家重點和幾大石油集團(tuán)公司的重大項目，提高低滲油藏的采收率尤為迫切[1]。油藏采收率的高低和巖石潤濕性密切相關(guān)，如果油藏巖石是水濕的，通過自然滲析作用油藏的采收率就能得到改進(jìn)。20世紀(jì)50年代，一些學(xué)者提出了注入化學(xué)劑改變油藏巖石潤濕性提高采收率的基本觀點，有關(guān)經(jīng)濟(jì)、高效化學(xué)劑研制及其對巖石潤濕性改變的機(jī)理研究一直備受關(guān)注[2，3]。

儲層巖石的潤濕性與原油、巖石性質(zhì)與組成、地層水特性及pH值、地層環(huán)境條件等有關(guān)，即巖石所處條件不同，其潤濕性不同，油藏潤濕性改變機(jī)理也呈現(xiàn)多重性變化。文獻(xiàn)表明[4]，巖石潤濕性的改變主要包括以下機(jī)理：①極性交互作用，主要是極性有機(jī)分子的吸附作用。②表面沉淀作用。原油中的瀝青質(zhì)、膠質(zhì)在巖石表面形成沉淀，改變巖石潤濕性。③酸基交互作用，它通過控制巖石表面界面電荷，影響水膜的親和性，進(jìn)而影響極性作用與吸附行為，改變巖石潤濕性。④離子結(jié)合作用，主要是鹽水中的多價離子。大部分試驗證實了巖石的潤濕性與原油采收率有著密切的聯(lián)系，但是潤濕性改變提高采收率的機(jī)理和主控因素還缺乏強(qiáng)有力的理論支持。筆者在廣泛調(diào)研的基礎(chǔ)上，討論了影響潤濕性改變的因素，分析了潤濕性的改變使采收率提高的機(jī)理，并指出利用表面活性劑驅(qū)提高低滲油藏原油采收率意義重大。

1 潤濕性改變的影響因素

1.1 內(nèi)在因素

1.1.1 巖石礦物組成

油藏巖石礦物成分不同，其表面的荷電性、酸堿性及表面基團(tuán)的極性不同，其吸附離子的性質(zhì)和吸附離子的能力就不同。當(dāng)它們與周圍環(huán)境中的各種無機(jī)離子或分子接觸時，形成不同形態(tài)的絡(luò)合物和配合物，礦物表面的絡(luò)合物和配合物的穩(wěn)定性和存在形態(tài)因礦物類型不同而表現(xiàn)出較大的差異，這樣就導(dǎo)致了不同類型的礦物表現(xiàn)出不同的潤濕性[5]。

1.1.2 原油成分

原油的組分非常復(fù)雜，影響巖石潤濕性的物質(zhì)有：原油中的極性化合物、非極性的烴類、原油的酸值。傳統(tǒng)觀點認(rèn)為，原油中的膠質(zhì)和瀝青質(zhì)在巖石表面的吸附是使巖石的潤濕性變化的主要原因。王業(yè)飛等[6]用漫反射紅外光譜分析了瀝青質(zhì)甲苯溶液處理前后石英粉表面化學(xué)性質(zhì)的變化，由此推斷出了瀝青質(zhì)改變石英表面潤濕性的機(jī)理，認(rèn)為瀝青質(zhì)聚集體在石英片表面的吸附和沉積是使石英片表面由親水向親油方向轉(zhuǎn)變的原因之一，石英片表面水膜不能阻止但能減少瀝青質(zhì)在石英片表面的吸附；彭鈺等[7]認(rèn)為水膜不穩(wěn)定破裂是引起潤濕性改變的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，只有當(dāng)水膜的穩(wěn)定性被破壞時，礦物才能與原油中的膠質(zhì)和瀝青質(zhì)作用使油藏油濕。

進(jìn)一步的研究表明，原油中酸性物質(zhì)的含量是影響潤濕性改變的關(guān)鍵因素，而與膠質(zhì)瀝青質(zhì)含量關(guān)系不大。通過試驗對比發(fā)現(xiàn)了用高酸值低膠質(zhì)瀝青質(zhì)含量的原油飽和巖心后表現(xiàn)出強(qiáng)的親油性[8]。在原油開采過程中，應(yīng)采取相應(yīng)的措施避免瀝青質(zhì)在巖石表面的吸附，阻礙潤濕反轉(zhuǎn)的發(fā)生。

1.1.3 地層水的組成和pH值

地層水的離子組成、濃度和pH值大小影響著油藏潤濕性的改變程度，這些因素影響著巖石－流體界面上的表面電荷分布，而表面電荷是影響極性物質(zhì)在巖石表面吸附的主要因素。Rezaei Gomar等[9]試驗研究表明，組分中的Mg2＋或SO影響巖石表面的潤濕性：當(dāng)pH＞7時，加入Mg2＋會使體系的親水性增強(qiáng)，而加入SO會使體系的親油性增強(qiáng)；當(dāng)pH＜7時，加入Mg2＋或SO固體表面的潤濕性由親油變?yōu)橛H水，Na＋在pH值增大的過程中會使固體表面的親水性增強(qiáng)。

1.2 外界因素

1.2.1 溫度的影響

研究表明，溫度影響著巖石表面的潤濕性[10，11]。Roosta應(yīng)用玻璃微模型研究溫度對巖石表面潤濕性影響，在溫度升高時，方解石、石英等表面沉淀的有機(jī)組成物質(zhì)通過解吸附，使巖石表面恢復(fù)到原始水濕狀態(tài)。但至今溫度引發(fā)的潤濕性改變的機(jī)理仍有待進(jìn)一步的研究確定。

1.2.2 老化時間的影響

為了研究老化時間對潤濕性的影響，Roosta、Kerman將礦物在原油中浸泡不同的時間，并測量其接觸角的變化。試驗結(jié)果表明，隨老化時間的增加，礦物的油濕性逐漸增加。即礦物在原油中老化，其油濕性增強(qiáng)。

此外，油藏巖石潤濕性的改變還受試驗方法、油藏束縛水飽和度、巖石礦物表面的粗糙度、水驅(qū)和化學(xué)驅(qū)流體的性質(zhì)及注入速度等因素的影響。總之，油藏巖石的潤濕性是巖石與地層流體相互作用的結(jié)果，是地層－流體的綜合特性。研究油藏潤濕性的改變機(jī)理，對提高原油采收率意義重大。

2 潤濕性改變提高原油采收率的機(jī)理

油藏巖石的潤濕性決定了儲層中油、水相對分布情況及毛細(xì)管力的大小和方向，并影響油、水相對滲透率，對采收率具有重要影響[12～14]。因此，開展了不同潤濕性條件下低滲巖心流動試驗以及對不同潤濕性條件下油水相滲曲線的分布特征進(jìn)行了分析。

2.1 潤濕性改變程度對提高原油采收率的影響

選擇具有不同潤濕性的低滲巖心，考察不同潤濕性巖心對采收率的影響。試驗中所用巖心的基本參數(shù)見表1，不同潤濕性巖心驅(qū)油試驗結(jié)果見表2。

表1 試驗用巖心的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

表2 不同潤濕性巖心的水驅(qū)采收率

從表1、表2中可以看出：不同潤濕類型低滲巖心的采收率是有差別的，其中中性潤濕的采收率最高，強(qiáng)水濕巖心其次，強(qiáng)油濕巖心最低。當(dāng)油藏為中性潤濕時，對提高原油采收率最有利。

圖1為不同潤濕性低滲巖心采收率對比，可以看到，中等潤濕條件下最終采收率最高，親水的油藏也有利于水驅(qū)采收率的提高，但其幅度不如中性潤濕油藏大。這種趨勢可以解釋如下：在親水低滲巖心中，毛細(xì)管力是驅(qū)油的動力，但因黏土吸水膨脹，產(chǎn)生的賈敏效應(yīng)阻礙了原油在孔隙中流動，相對中性潤濕巖心，其采收率不高；在中性潤濕巖心中，由于產(chǎn)生的賈敏效應(yīng)不顯著，此外由于潤濕滯后，毛細(xì)管力降低，水在孔隙中處于動力學(xué)穩(wěn)定狀態(tài)，提高了注入水的波及系數(shù)，從而提高了采收率；在低滲油濕性巖心中，毛細(xì)管力是驅(qū)油的阻力，同時又由于低滲油藏復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)中的油水界面產(chǎn)生的毛細(xì)管力使得滲流阻力方向混亂，而且油膜影響著最終采收率，使得水驅(qū)采收率相對較低。因此，強(qiáng)親油低滲油藏在開采過程中不要過多地采取水驅(qū)方法開采。

2.2 潤濕性的改變對油水相對滲透率曲線的影響

圖2為兩組潤濕性不同的巖心的相對滲透率曲線：①隨著巖心由親油向親水方向轉(zhuǎn)化，油水相滲曲線右移，殘余油飽和度下降，可動油飽和度范圍明顯增加。如SWC1－c11、SWC1－c12兩塊巖心，由于潤濕性由親油向親水方向的變化，殘余油飽和度由原來的0.4變?yōu)?.3，下降了25%，油、水兩相共滲區(qū)范圍明顯擴(kuò)大，采出程度提高；②隨著巖心由親油向親水轉(zhuǎn)化，油相相對滲透率逐漸增高。如SWC1－b11、SWC1－b12兩塊巖心，當(dāng)含水飽和度為50%，由于潤濕性的改變，親水巖石的油相滲透率上升了50%左右。總趨勢可以作如下解釋：巖石潤濕性不同，油水在孔隙結(jié)構(gòu)中的分布規(guī)律不同。在親水巖石中，水通常分布于細(xì)小孔隙和巖石壁面處，對油的滲流妨礙較??；而在親油巖石中，水以液滴形式分布在大孔道中，由于孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，水滴流動到孔道窄口時便遇阻，產(chǎn)生賈敏效應(yīng)，阻礙油相的滲流，使油相的相對滲透率降低。巖石潤濕性發(fā)生變化，油水在巖石中的分布發(fā)生了變化，油水相對滲透率因此發(fā)生變化，油藏的開發(fā)效果得到改善。

圖1 不同潤濕性巖心采收率與注入孔隙體積倍數(shù)的關(guān)系

圖2 潤濕性對相對滲透率 （Kr）的影響

3 改變潤濕性提高采收率舉措

目前油田主要在注入水中加入表面活性劑改變油藏巖石的潤濕性，表面活性劑主要有陰離子、陽離子和非離子表面活性劑?，F(xiàn)對3種表面活性劑進(jìn)行評價，找到其各自的優(yōu)劣。陰離子和非離子表面活性劑通過離子或極性基團(tuán)吸附在固體表面，表面活性劑分子的單層膜覆蓋在巖石表面上吸附原油中的極性物質(zhì)，并且表面活性劑分子的親水基指向水相，而使巖石表面變?yōu)樗疂?。陰離子表面活性劑并不會使極性分子徹底脫附固體表面，這一過程是可逆的，容易脫附而失效，但其所需要的濃度相對陽離子表面活性劑要低。陽離子表面活性劑主要通過吸附作用吸附在帶負(fù)電的固體表面來改變潤濕性，通過吸附作用，使得水相滲透率降低，油相滲透率增大，使孔隙中的殘余油聚集并脫離巖石表面，起到了選擇性堵水的作用[15]。陽離子表面活性劑也可以與原油中帶負(fù)電的羧基作用，使其脫離巖石表面，溶于膠束中，這就要求陽離子表面活性劑有較高的臨界膠束濃度。陽離子作用機(jī)制較為簡單，但經(jīng)濟(jì)上價格較高且存在環(huán)境污染問題。目前，很多學(xué)者著力于表面活性劑的研究，通過調(diào)節(jié)潤濕性來提高采油效率。

此外，現(xiàn)場還使用海水驅(qū)、低礦化度水驅(qū)、分子沉積膜 （MD膜）驅(qū)、CO2驅(qū)以及微生物法等改變油藏巖石的潤濕性以提高原油采收率。因此，研究油藏開發(fā)過程中潤濕性改變對采收率的貢獻(xiàn)具有深遠(yuǎn)意義。

4 結(jié) 論

1）深入研究巖石的礦物成分、原油的性質(zhì)、地層水的性質(zhì)、pH值、溫度對巖石潤濕性的影響以及潤濕性的改變對提高原油采收率的影響，對今后判斷油藏的潤濕類型和分析水驅(qū)開發(fā)效果具有重要意義。

2）改變潤濕性可以改善油、水在油藏巖石中的分布和相對滲透率，但是目前沒有一種行之有效的方法將碳酸鹽油藏潤濕性控制在一個合理的潤濕范圍內(nèi)，油藏潤濕性的改變還需要深入的理論研究和現(xiàn)場試驗以盡快滿足實際生產(chǎn)的需要。

3）改變低滲油藏潤濕性是提高油藏原油采收率的一個較可行的方法，因此，尋找廉價、高效的表面活性劑可能成為今后工作的重點。

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