三元復(fù)合體系啟動水驅(qū)后剩余油微觀機(jī)理

吳晨宇，侯吉瑞*，趙鳳蘭，張鳳敏，郝宏達(dá)，劉　剛

（1.中國石油大學(xué)（北京）提高采收率研究院，北京102249；2.中國石油三次采油重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室低滲油田提高采收率應(yīng)用基礎(chǔ)理論研究室，北京102249；3.石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102249）

三元復(fù)合體系啟動水驅(qū)后剩余油微觀機(jī)理

吳晨宇1，2，3，侯吉瑞1，2，3*，趙鳳蘭1，2，3，張鳳敏1，2，3，郝宏達(dá)1，2，3，劉剛1，2，3

（1.中國石油大學(xué)（北京）提高采收率研究院，北京102249；2.中國石油三次采油重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室低滲油田提高采收率應(yīng)用基礎(chǔ)理論研究室，北京102249；3.石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102249）

為了提高水驅(qū)后原油采收率，三元復(fù)合驅(qū)技術(shù)被廣泛應(yīng)用到大慶油區(qū)薩爾圖油田二類油層中。為明確三元復(fù)合體系啟動水驅(qū)后剩余油機(jī)理，根據(jù)研究區(qū)二類油層天然巖心鑄體薄片的真實(shí)孔喉制作微觀仿真模型，并進(jìn)行微觀模型驅(qū)油實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：水驅(qū)后剩余油主要以簇團(tuán)狀、膜狀和孤島狀分布為主，少部分以喉道狀和盲端/角隅狀分布；三元復(fù)合體系的超低界面張力和高粘彈特性，能夠乳化油滴，將油珠拉成油絲，并能剝離油膜，驅(qū)替出盲端油，進(jìn)而大幅度降低水驅(qū)后簇團(tuán)狀、膜狀剩余油，增加孤島狀油滴的數(shù)量，從而提高驅(qū)油效率。驅(qū)油效果定量分析結(jié)果表明：水驅(qū)驅(qū)油效率為50%，復(fù)合驅(qū)驅(qū)油效率最高可達(dá)38.68%；2種微觀模型的最終驅(qū)油效率最高可達(dá)88.68%，4種三元復(fù)合體系的最終驅(qū)油效率均在77%以上。

微觀模型二類油層三元復(fù)合驅(qū)剩余油形態(tài)啟動機(jī)理

三元復(fù)合驅(qū)技術(shù)目前被廣泛應(yīng)用于大慶油區(qū)薩爾圖油田二類油層的礦場試驗(yàn)，并取得了顯著效果［1-3］。它是由堿、表面活性劑和聚合物3種化合物混合作為驅(qū)油劑的一種采油技術(shù)，具有表面活性劑驅(qū)和聚合物驅(qū)的共同優(yōu)點(diǎn)，既能提高驅(qū)油效率，又可擴(kuò)大波及體積［4-6］。質(zhì)量濃度不同的三元復(fù)合體系對于最終的驅(qū)替效果會有不同影響，而普通的宏觀驅(qū)替實(shí)驗(yàn)一般只能通過比較原油的最終驅(qū)油效率等來對比不同驅(qū)替劑的作用效果，但無法說明驅(qū)替劑在地層條件下的運(yùn)移及其與原油的作用過程。為此，筆者利用微觀可視化模擬技術(shù)［7-11］，進(jìn)行三元復(fù)合體系啟動各類剩余油的微觀驅(qū)油實(shí)驗(yàn)，以分析超低界面張力、體系粘度對最終驅(qū)油效率的影響，通過觀察驅(qū)替過程了解驅(qū)替劑對不同類型剩余油的啟動機(jī)理［12-16］，以期為三元復(fù)合驅(qū)技術(shù)的發(fā)展提供理論依據(jù)。

1　實(shí)驗(yàn)器材與方法

1.1實(shí)驗(yàn)器材

微觀模型實(shí)驗(yàn)所用微觀模型是根據(jù)薩爾圖油田二類油層［17-18］的孔喉及連通性，利用光學(xué)玻璃，根據(jù)天然巖心鑄體薄片制作的二維透明仿真模型，在結(jié)構(gòu)上具有儲層巖石孔隙的真實(shí)標(biāo)配、相似的幾何形狀和形態(tài)分布。模型規(guī)格為30 mm×20 mm，模型滲透率為0.3～0.4 μm2。

通過研究現(xiàn)場提供的巖心切片照片，根據(jù)孔隙、喉道直徑數(shù)據(jù)，制作模型分為2種類型：模型Ⅰ，孔隙大，喉道窄，孔喉比較大；模型Ⅱ，孔隙、喉道半徑相近，孔喉比相對較小。

實(shí)驗(yàn)材料聚合物為有效物含量為88%的部分水解聚丙烯酰胺（HPAM）；表面活性劑為有效物含量為50%的重烷基苯磺酸鹽（HABS）；堿為NaOH，分析純。實(shí)驗(yàn)中所用的三元復(fù)合體系成分見表1。實(shí)驗(yàn)用油為薩爾圖油田原油，45℃時的表觀粘度為10 mPa·s。實(shí)驗(yàn)用水為薩爾圖油田地層水，總礦化度為6 778 mg/L，其中NaHCO3，Na2SO4， MgCl2·6H2O，CaCl2，KCl和NaCl的質(zhì)量濃度分別為2 828，114，554，64，20和3 488 mg/L。

表1　微觀模型驅(qū)油三元復(fù)合體系組成Table1　ASP compound system for oil displacement of microscopic model

1.2實(shí)驗(yàn)方法

粘度測試方法在剪切速率為7.34 s-1的條件下，采用MCR301型界面流變儀測試粘度。

界面張力測試方法采用旋滴法，在轉(zhuǎn)速為5 000 r/min的條件下，采用SVT20N型視頻旋轉(zhuǎn)滴張力儀測試界面張力。

微觀驅(qū)替實(shí)驗(yàn)方法微觀驅(qū)油實(shí)驗(yàn)流程參見文獻(xiàn)［5］。實(shí)驗(yàn)步驟包括：①將微觀模型抽真空，飽和地層水，用原油驅(qū)替地層水，建立束縛水飽和度；②以5 μL/min的恒定流速，用地層水驅(qū)替孔隙介質(zhì)中的原油20 min，觀察水驅(qū)后剩余油分布；③以相同流速改注三元復(fù)合體系驅(qū)替30 min，觀察三元復(fù)合驅(qū)后的剩余油分布，并用顯微照相和錄像設(shè)備記錄剩余油的分布及體系驅(qū)替剩余油過程；④分析圖像，計(jì)算該驅(qū)替條件下的驅(qū)油效率；⑤清洗微觀模型，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。采用ZEISS光學(xué)顯微鏡記錄實(shí)驗(yàn)過程及圖像處理設(shè)備對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1水驅(qū)后剩余油的類型及形態(tài)

由模型Ⅰ及模型Ⅱ水驅(qū)后剩余油的分布（圖1）可見：水驅(qū)后剩余油以簇團(tuán)狀（圖1中A）為主，其存在于大孔隙及孔喉交匯處；還有一部分以膜狀（圖1 中B）形式存在；許多在水驅(qū)過程中形成的油珠以孤島狀剩余油（圖1中C）的形式存在于孔隙及喉道中；此外還有較少部分呈現(xiàn)盲端/角隅狀（圖1中D）及喉道狀（圖1中E）。由圖1亦可看出，5類剩余油在2種微觀模型中均存在，只是各自所占比例不同。

圖1　模型Ⅰ及模型Ⅱ水驅(qū)后剩余油分布形態(tài)Fig.1　Remaining oil state after water flooding in modelⅠand modelⅡ

2.2三元復(fù)合體系對各類剩余油的啟動

2.2.1對各類剩余油的啟動過程

三元復(fù)合體系注入模型后，剩余油的變化及運(yùn)移過程如圖2所示。

簇團(tuán)狀剩余油三元復(fù)合體系可不斷沿其表面將簇團(tuán)狀剩余油剝離下來，體系的超低界面張力也可將簇團(tuán)狀邊緣的油乳化成油滴，并被后續(xù)驅(qū)替液帶走，剩余的大塊油未被剝離干凈而孤立殘余在孔道中（圖2a）。

圖2　三元復(fù)合體系對5類剩余油的啟動過程Fig.2　Driving process of five kinds of remaining oil by the ASP compound system

盲端/角隅狀剩余油具有粘彈性的三元復(fù)合體系沿著一側(cè)巖石壁面剝離盲端油，同時復(fù)合體系中所含的表面活性劑可以降低界面張力，乳化邊界油，最后大團(tuán)聚合物變形驅(qū)替出原油（圖2b）。

膜狀剩余油三元復(fù)合體系在流動過程中逐步將上層的油膜乳化成油滴并將其剝離下來，隨著復(fù)合體系的進(jìn)入，這一過程持續(xù)進(jìn)行（圖2c）。

喉道狀剩余油該類剩余油存在于兩塊巖石中間，三元復(fù)合體系沿著一側(cè)巖石壁面流動，將該側(cè)壁面上的油乳化并剝離下來，隨著復(fù)合體系的進(jìn)入，喉道狀剩余油逐漸變成膜狀剩余油，最終附著在巖石顆粒表面的油膜全部以油滴的形式被帶走（圖2d）。

孤島狀剩余油該類剩余油一般是由于大塊的簇團(tuán)狀油未被剝離干凈而孤立殘余在孔道中的，三元復(fù)合體系的超低界面張力能夠?qū)⑵淙榛尚∮偷?，由后續(xù)進(jìn)入的復(fù)合體系將其攜帶走（圖2e）。

2.2.2對各類剩余油的作用效果

4種三元復(fù)合體系中的堿、表面活性劑和聚合物含量各不相同：體系Ⅰ中三者含量均最高，其界面張力達(dá)到10-3mN/m數(shù)量級，體系粘度最大，驅(qū)替劑性能最好；而體系Ⅳ中三者含量均最低，油水界面張力較大，體系粘度最小，驅(qū)替劑性能最差。三元復(fù)合體系中各組分含量不同，導(dǎo)致4種三元復(fù)合體系對水驅(qū)后剩余油的作用效果也不同；而同一復(fù)合體系，對于2種微觀模型的驅(qū)替結(jié)果差異也較大。

簇團(tuán)狀剩余油由圖3可以看出，2種微觀模型水驅(qū)后均有大量的簇團(tuán)狀剩余油存在。經(jīng)過4種三元復(fù)合體系分別驅(qū)替后，體系Ⅰ對簇團(tuán)狀剩余油的作用效果最好，其將微觀模型中的簇團(tuán)狀剩余油全部驅(qū)替掉；雖然體系Ⅳ的驅(qū)油效果不如其他3種，但也可驅(qū)替約60.33%的簇團(tuán)狀剩余油，說明各組分含量越高，三元復(fù)合體系越容易將原油乳化、拉長并攜帶，驅(qū)油效果也越好。

圖3　三元復(fù)合體系對各類剩余油的作用效果Fig.3　Effect of ASP compound system on all kinds of remaining oil

盲端/角隅狀剩余油水驅(qū)后，模型Ⅰ中的盲端/角隅狀剩余油含量較少，經(jīng)4種三元復(fù)合體系分別驅(qū)替后，該類剩余油含量幾乎不變，說明4種體系不能有效驅(qū)替模型Ⅰ中的該類剩余油。模型Ⅱ中的盲端/角隅狀剩余油含量高于模型Ⅰ的，但經(jīng)三元復(fù)合驅(qū)后，模型中的盲端/角隅狀剩余油含量明顯下降，說明4種體系的低界面張力及粘彈性能夠有效驅(qū)替出模型Ⅱ中的盲端/角隅狀剩余油。

膜狀剩余油水驅(qū)后，2種微觀模型中的膜狀剩余油含量均較多，但經(jīng)三元復(fù)合驅(qū)后，此類剩余油含量均大幅下降，對該類型剩余油的驅(qū)油效率最低也可達(dá)57.78%，說明4種三元復(fù)合體系在流動過程中都能有效地將上層的油膜乳化成油滴，并將其剝離下來。

喉道狀剩余油水驅(qū)后，2種模型中的喉道狀剩余油含量均較少，體系Ⅰ及體系Ⅱ性能較好，可將其他類型剩余油轉(zhuǎn)化為喉道狀剩余油。4種三元復(fù)合體系的進(jìn)入能夠有效地攜帶此類剩余油，并將其轉(zhuǎn)化為膜狀剩余油，使其含量下降，三元復(fù)合體系對模型I的喉道狀剩余油驅(qū)替效果不如模型Ⅱ是因?yàn)槟Ｐ虸喉道較窄所致。

孤島狀剩余油4種體系對2種微觀模型水驅(qū)后孤島狀剩余油的作用差異較大。對于模型Ⅰ，水驅(qū)后孤島狀剩余油含量較多，達(dá)10.79%，經(jīng)過三元復(fù)合體系驅(qū)替后，該類剩余油含量總體來說呈下降趨勢，這是由于水驅(qū)后剩余的孤島狀油滴被后續(xù)的復(fù)合體系快速驅(qū)替，而其他類型剩余油轉(zhuǎn)化成的孤島狀油滴數(shù)量較少，故三元復(fù)合驅(qū)后的孤島狀剩余油含量少于其水驅(qū)后的含量。對于模型Ⅱ，水驅(qū)后模型中的孤島狀剩余油含量較少，但經(jīng)過4種復(fù)合體系驅(qū)替后，該類剩余油含量大幅增加，說明在4種體系作用下，其他類型的剩余油在被驅(qū)替過程中被大量轉(zhuǎn)化為孤島狀剩余油，并且驅(qū)替劑性能越好，其他類型的剩余油越易被轉(zhuǎn)化為孤島狀剩余油。

2.3三元復(fù)合體系驅(qū)油效果對比

由于微觀實(shí)驗(yàn)所需的飽和油量及驅(qū)替液量較少，且驅(qū)替過程較快，微觀模型孔隙中所飽和的油極易被驅(qū)替液大量驅(qū)替，為了獲得較為理想的微觀水驅(qū)采收率，實(shí)驗(yàn)過程中應(yīng)嚴(yán)格控制驅(qū)替速度。由模型Ⅰ和模型Ⅱ水驅(qū)后三元復(fù)合驅(qū)的最終驅(qū)油效率（圖4）可以看出：模型Ⅰ及模型Ⅱ的水驅(qū)驅(qū)油效率均為50%；在水驅(qū)基礎(chǔ)上，經(jīng)體系Ⅰ至體系Ⅳ分別驅(qū)替后，2種微觀模型的驅(qū)油效率增幅均逐漸下降，且變化規(guī)律相同，這是因?yàn)椋?種體系中堿、表面活性劑及聚合物的含量均逐漸減小，體系Ⅰ至體系Ⅳ的驅(qū)替性能逐漸變差，故對水驅(qū)后剩余油的作用也逐漸減弱。由圖4亦可看出，雖然體系Ⅳ的性能最差，但其在水驅(qū)基礎(chǔ)上的驅(qū)油效率仍可達(dá)到27.25%，說明體系Ⅳ也能較好地驅(qū)替水驅(qū)后剩余油；對于模型Ⅰ，體系Ⅰ的驅(qū)油效率最高可達(dá)38.68%，最終驅(qū)油效率為88.68%。以上分析說明，體系Ⅰ至體系Ⅳ，雖然油水界面張力逐步增大、體系粘度逐步降低，但4種體系均可較好地乳化、剝離原油，從而進(jìn)一步提高采收率。

圖4　不同三元復(fù)合體系下模型Ⅰ和模型Ⅱ驅(qū)油效率變化Fig.4　Displacement efficiencies of modelⅠand modelⅡunder different ASP compound systems

3　結(jié)論

2種微觀模型水驅(qū)后的剩余油主要以簇團(tuán)狀、膜狀和孤島狀分布為主，少部分以喉道狀和盲端/角隅狀分布。對于2種微觀模型，4種三元復(fù)合體系在水驅(qū)基礎(chǔ)上仍可驅(qū)替至少將近60.33%的簇團(tuán)狀剩余油，及57.78%的膜狀剩余油，三元復(fù)合體系對這2類剩余油作用效果明顯。2種微觀模型的最終驅(qū)油效率最高可達(dá)88.68%，4種三元復(fù)合體系的最終驅(qū)油效率均在77%以上；體系Ⅰ的驅(qū)油效率最高，可達(dá)38.68%，體系Ⅳ最低，仍可達(dá)27.25%，說明4種三元復(fù)合體系對水驅(qū)后剩余油均有較好的驅(qū)油效果。

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編輯常迎梅

Study on the microscopic mechanism of driving remaining oil by ASP compound system after water flooding

Wu Chenyu1，2，3，Hou Jirui1，2，3，Zhao Fenglan1，2，3，Zhang Fengmin1，2，3，Hao Hongda1，2，3，Liu Gang1，2，3

（1.Research Institute of Enhanced Oil Recovery，China University of Petroleum（Beijing），Beijing City，102249，China；2.Basic Theory Laboratory of Enhanced Oil Recovery in Low Permeability Oilfield，Key Laboratory of Tertiary oil Recovery，PetroChina，Beijing City，102249，China；3.MOE Key Laboratory of Petroleum Engineering，Beijing City，102249，China）

ASP flooding technology is being used in the second class reservoirs of Saertu oilfield in Daqing to improve the oil recovery after water flooding.In order to know the mechanism of ASP system driving remaining oil after water flooding，microscopic simulated model was built according to the real pore throat of casting body slice of the natural core and experiment of ASP flooding using this model was performed.The results show that，the main types of remaining oil after water flooding are the cluster type，the film type and the island type.There are also a little blind end type and the throat type.The ultra-low interfacial tension（IFT）and high viscoelasticity enable the ASP system to emulsify oil，drag the oil droplets into oil thread，peel oil film and sweep out the blind end oil，and therefore most of the cluster and the film type oil reduced while the island type oil increased，which improves the oil displacement efficiency.The quantitative analyses of oil displacement effect show that the water displacement efficiency is 50%，while the ASP displacement efficiency is 38.68%.The highest ultimate oil displacement efficiency of the microscopic models is 88.68%.The ultimate oil displacement efficiencies of the four ASP compound systems are all above 77%.

microscopic model；second class reservoirs；ASP compound flooding；remaining oil form；mechanism of driving remaining oil

TE357.43

A

1009-9603（2015）05-0084-05

2015-07-13。

吳晨宇（1989—），女，黑龍江五常人，助理工程師，碩士，從事油氣田開發(fā)方面的研究。聯(lián)系電話：13796999596，E-mail：89wchy @163.com。

侯吉瑞（1965—），男，吉林九臺人，教授，博導(dǎo)。聯(lián)系電話：（010）89731663，E-mail：houjirui@126.com。

國家示范工程“大慶長垣特高含水油田提高采收率示范工程”（2011ZX05052），國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“ASP復(fù)合驅(qū)油藏油水界面張力變化規(guī)律及剩余油啟動機(jī)制研究”（51174216）。