早期注聚油藏殘余油類型及影響因素實驗

李金宜 馬奎前 朱文森 信召玲 李彥來

中海石油（中國）有限公司天津分公司渤海石油研究院

聚合物驅(qū)作為三次采油的成熟手段已在國內(nèi)多個礦場規(guī)模化應用［1-9］，渤海油田也將早期注聚模式在海上油田規(guī)?；瘧茫〉幂^好增油效果［10-11］。對于海上油田依托平臺的開發(fā)方式，需要盡可能考慮全壽命方案，力爭在一次井網(wǎng)條件下盡可能最大程度滿足油藏挖潛的需求，規(guī)避風險。因此，研究早期注聚條件下殘余油的分布可以為早期注聚驅(qū)油過程提供理論支持，為后續(xù)調(diào)整井挖潛局部富集剩余油提供指導［12-14］。目前國內(nèi)對微觀殘余油形態(tài)及分布的實驗研究已取得一定成果。研究方法主要包含熒光薄片分析［1-2］、微觀刻蝕模型［6］［15-17］、數(shù)值模擬分析［3］［18］、核磁共振分析［19］等。蘇娜［20］研究了不同滲透率巖心在不同水驅(qū)速度下的微觀剩余油機理。李潔［1］利用天然巖心熒光薄片技術(shù)分析了水驅(qū)后簇狀、膜狀、盲端和角隅等4種類型微觀剩余油在聚驅(qū)后的降低幅度。劉志宏［15］研究了改變水驅(qū)液流方向?qū)ξ⒂^剩余油分布的影響。馬炳杰［16］分析了注水停止前后微觀剩余油分布。宋考平［4］在前人研究基礎(chǔ)上進一步闡述了聚合物溶液性質(zhì)對剩余油分布的影響。白振強［2］、劉義坤［7］利用薄片熒光技術(shù)分別分析了聚驅(qū)和二元復合驅(qū)后不同水洗程度下微觀剩余油賦存狀態(tài)并進一步明確了原油組分變化特征。侯吉瑞［6］通過微觀仿真刻蝕模型研究了化學驅(qū)體系對微觀剩余油驅(qū)替機理的影響。但前人的研究主要針對陸上油田中高含水期化學驅(qū)情況，而目前國內(nèi)對早期注聚條件下的微觀殘余油形態(tài)及分布的實驗研究還非常少，因此本文通過激光刻蝕非均質(zhì)微觀孔隙模型，在微米級別下對早期注聚條件下殘余油分布形態(tài)及主控因素開展實驗研究。

1 實驗方案設(shè)計

以渤海典型早期注聚厚儲層疏松砂巖L油田儲層薄片、壓汞等實驗資料為基礎(chǔ)，激光刻蝕制作非均質(zhì)微觀孔隙模型。

1.1 實驗材料和條件

（1）實驗用油：用真空泵油與煤油以體積比為2∶1配制，25 ℃條件下黏度19.8 mPa·s。為使實驗過程中便于觀察，向模擬油中加入適量的蘇丹四，將其染成紅色，過濾后使用。

（2）實驗用水：根據(jù)L油田水源井離子組成復配的地層水，K++Na+濃度 2 420 mg/L、Mg2+濃度185 mg/L、Ca2+濃度 697 mg/L、Cl-濃度 5 388 mg/L、SO42-濃度 29 mg/L、HCO3-濃度159 mg/L，總礦化度為 8 878 mg/L；25 ℃條件下黏度 0.92 mPa·s。

（3）聚合物體系：L油田注入聚合物，低濃度聚合物濃度600 mg/L，黏度7.2 mPa·s；高濃度聚合物濃度800 mg/L，黏度9.1 mPa·s；聚表二元體系：600 mg/L聚合物+質(zhì)量分數(shù)0.3%表面活性劑SP-4073（江蘇擎宇化工科技有限公司提供）。

（4）模型：對角非均質(zhì)玻璃刻蝕微觀模型，孔隙半徑范圍約為0.2～1 mm。驅(qū)替方向均為從左下到右上。

（5）實驗條件：實驗溫度25 ℃；低速驅(qū)替速度為0.004 mL/min，高速驅(qū)替速度為0.02 mL/min。

1.2 實驗儀器與流程

微觀實驗儀器包含：顯微鏡、圖像采集系統(tǒng)、微量泵、光源等，實驗流程見圖1。

1.3 實驗步驟

（1）將微觀模型水驅(qū)洗凈后飽和油；

（2）低速驅(qū)，以恒定的驅(qū)替速度0.004 mL/min驅(qū)至模型不出油為止，通過可視化裝置拍照記錄驅(qū)油過程及殘余油存在形式；

（3）高速驅(qū)，提高驅(qū)替速度至0.02 mL/min驅(qū)至模型不出油為止，通過可視化裝置拍照記錄殘余油存在形式；

圖1 實驗流程圖Fig. 1 Flow chart of the experiment

（4）清洗模型，更換驅(qū)油體系重復上述實驗。共進行水驅(qū)、早期注聚低濃度聚驅(qū)、早期注聚高濃度聚驅(qū)和聚表二元驅(qū)4組實驗。

2 實驗結(jié)果分析

2.1 殘余油類型及形成機理

在微觀驅(qū)替實驗中，主要捕捉到4種殘余油分布形態(tài)，分別為膜狀殘余油、Y狀殘余油、柱狀殘余油和簇狀殘余油，如圖2。

圖2 微觀實驗中殘余油分布形態(tài)Fig. 2 Distribution form of residual oil in the microscopic experiment

國內(nèi)學者認為［1-2，4，6-7］：（1）油膜黏附在孔隙表面，水驅(qū)剪切力小于黏附力，水相不能將油膜從孔隙表面剝離，形成膜狀殘余油，其流動阻力相當大；（2）Y狀殘余油本質(zhì)上屬于膜狀剩余油，多形成在形狀為Y狀的孔隙區(qū)域，黏附在孔隙表面的油膜，易在兩個方向受到驅(qū)動力，形成Y狀殘余油；（3）柱狀殘余油的形成是由于細小喉道水相不能進入，油被卡斷，主要以局部充填形態(tài)分布在與孔道相連通的喉道中；（4）水驅(qū)注入水沿大孔道繞流，簇狀殘余油是被細小孔道包圍起來的大油塊。

可見，柱狀和簇狀殘余油的形成機理類似，均是由于注入水比油的毛管力大，阻礙了注入水向細小孔喉的波及，注入水沿著大孔道繞流，將細小孔喉內(nèi)的油卡斷形成殘余油，如圖3。

圖3 注入水繞流對柱狀和簇狀殘余油形成圖Fig. 3 The formation of column-like and cluster-like residual oil due to the bypassing of injected water

2.2 不同注入速度對殘余油分布的影響

方案共設(shè)計了4組不同注入體系下的低速和高速驅(qū)替實驗，研究同一注入體系下注入速度對殘余油形態(tài)和分布的影響。

圖4為水驅(qū)實驗結(jié)果，可以看出，由于水油流度比較高，注入水表現(xiàn)出黏性指進，波及體積較小，低速水驅(qū)后仍存在大量殘余油，且殘余油類型主要為簇狀和柱狀殘余油。提高注入速度后改善了波及情況，簇狀殘余油減少，如圖4b所示，注入水能進入部分簇狀殘余油所在孔隙，將其分割為柱狀殘余油。

由圖4a與圖5a對比可發(fā)現(xiàn)，早期注聚低濃度聚驅(qū)結(jié)束后連片的簇狀殘余油顯著減少，殘余油類型主要是柱狀和膜狀殘余油。由于聚合物不能降低油水界面張力，因而存在較多的膜狀殘余油。在提高注入速度后，早期注聚低濃度聚驅(qū)進一步改善了波及情況，簇狀殘余油進一步減少，如圖5b所示。

圖4 不同注入速度下水驅(qū)殘余油形態(tài)及分布Fig. 4 Form and distribution of residual oil after water flooding at different injection rates

圖5 不同注入速度下早期注聚低濃度聚驅(qū)殘余油形態(tài)及分布Fig. 5 Form and distribution of residual oil after early lowconcentration polymer flooding at different injection rates

高濃度早期注聚和低濃度早期注聚效果類似，均進一步減少簇狀殘余油，殘余油類型主要是柱狀殘余油；低速早期注聚高濃度聚驅(qū)具有更好的改善水油流度比的能力，波及情況好于低速早期注聚低濃度聚驅(qū)。但同時，早期注聚高濃度聚驅(qū)提高注入速度的效果不明顯，略改善了波及情況，簇狀殘余油進一步減少；殘余油主要是小柱狀、膜狀殘余油，如圖6實線所示。需要注意的是細小孔喉中的柱狀殘余油有較高的流動阻力，提高注入速度后，高濃度聚合物有可能在多向通道中從阻力較小的通道繞流走，因此在多孔道連通處，與細小孔喉相通、流動阻力較大的部位反而有可能存在殘余油，如圖6虛線所示。

圖6 不同注入速度下早期注聚高濃度聚驅(qū)殘余油形態(tài)及分布Fig. 6 Form and distribution of residual oil after early highconcentration polymer flooding at different injection rates

聚表二元驅(qū)結(jié)合了聚合物黏度高和表面活性劑驅(qū)降低界面張力的優(yōu)點，不僅能提高波及系數(shù)，還能提高驅(qū)油效率。與聚合物驅(qū)相比，殘余油顯著減少，沒有明顯的柱狀、簇狀殘余油，殘余油類型主要為Y狀殘余油和膜狀殘余油。聚表二元驅(qū)驅(qū)替前緣能均勻推進，在連通多個喉道的孔隙易于形成多方向的受效，導致其形成Y狀殘余油。提高注入速度能使膜狀殘余油變薄，減少殘余油，但是注入速度對殘余油分布的影響較小，如圖7所示。

圖7 不同注入速度下聚表二元驅(qū)殘余油形態(tài)及分布Fig. 7 Form and distribution of residual oil after polymersurfactant binary flooding at different injection rates

2.3 不同注入體系對殘余油分布影響

不同注入體系對不同類型剩余油的影響不同。膜狀殘余油前緣受到驅(qū)動力、黏附力和內(nèi)聚力三個主要作用力，雖然黏彈性的聚合物溶液能增大驅(qū)動力，但是是否驅(qū)動油膜跟聚合物濃度有很大關(guān)系，由圖8可以看出，低濃度聚驅(qū)沒有明顯降低膜狀殘余油，而高濃度聚合物會使膜狀殘余油明顯降低，而聚表二元驅(qū)中表面活劑性能使孔隙表面向親水性轉(zhuǎn)變，降低了油膜的黏附力，并且顯著降低油水界面張力，使拉伸油膜前端變得容易，殘余油容易被拉斷，從而顯著減少膜狀殘余油。

Y狀殘余油基本出現(xiàn)在剩余油高度分散階段，由圖9可以看出，該類型殘余油不容易出現(xiàn)在水驅(qū)階段，主要分布在聚驅(qū)、聚表二元驅(qū)后。實驗中單純聚合物體系濃度增加并未明顯影響Y狀殘余油分布形態(tài)及大小，而聚表二元驅(qū)降低Y狀殘余油效果則較為明顯。可見，Y狀殘余油將是聚后二元復合驅(qū)提高采收率挖潛的主要剩余油類型之一。

柱狀殘余油主要因注入介質(zhì)的指進造成。由圖10可看出，水驅(qū)時由于指進較嚴重，柱狀殘余油較多；聚合物驅(qū)可減少柱狀殘余油，且注入濃度增加殘余油明顯減少；而聚表二元驅(qū)不僅能提高波及系數(shù)也能提高驅(qū)油效率，柱狀殘余油顯著減少。

圖8 不同注入體系降低膜狀殘余油效果Fig. 8 Reducing effect of different injection systems on film-like residual oil

圖9 不同注入體系降低Y狀殘余油效果Fig. 9 Reducing effect of different injection systems on Y-shape residual oil

圖10 不同注入體系下降低柱狀殘余油效果Fig. 10 Reducing effect of different injection systems on column-like residual oil

不同注入體系在兩種注入速度下的簇狀殘余油分布見圖11，可以看出，相同注入體系的簇狀殘余油受注入速度的影響較大，增加注入速度，簇狀殘余油明顯減少。相同注入速度下，不同體系對降低簇狀殘余油影響依次為：聚表二元驅(qū)＞高濃度聚驅(qū)＞低濃度聚驅(qū)＞水驅(qū)。

3 結(jié)論

（1）早期注聚條件下，注入速度和注入體系是影響微觀孔喉殘余油形態(tài)分布的兩大主要影響因素，殘余油主要呈現(xiàn)簇狀、柱狀、膜狀和Y狀等4種分布形態(tài)。

（2）在相同注入體系中，簇狀殘余油受注入速度影響最大，隨著注入速度提高，簇狀殘余油類型具有逐漸向柱狀、膜狀殘余油類型演變的趨勢。在水驅(qū)和早期注聚低濃度聚驅(qū)中，這種趨勢較明顯，注入速度提高可以有效提高波及，減少簇狀殘余油分布，而在早期注聚高濃度聚驅(qū)及二元復合驅(qū)中，注入速度提高對各殘余油形態(tài)及分布影響均不明顯。

（3）在不同注入體系驅(qū)替后，殘余油主要形態(tài)均不同。在低注入速度下，水驅(qū)后殘余油類型主要是簇狀和柱狀殘余油；早期注聚后主要是柱狀和膜狀殘余油，且隨注聚濃度增加，柱狀殘余油有減小趨勢；二元復合驅(qū)后主要是膜狀和Y狀殘余油。不同注入體系對降低殘余油影響依次為：聚表二元驅(qū)＞高濃度聚驅(qū)＞低濃度聚驅(qū)＞水驅(qū)。

圖11 不同注入體系在兩種注入速度下簇狀殘余油分布Fig. 11 Distribution of cluster-like residual oil after being displaced by different injection systems at two injection rates