低滲透油層低黏度聚驅(qū)微觀剩余油動用機理

王國鋒

(大慶榆樹林油田開發(fā)有限責任公司,黑龍江 大慶 163000)

隨著低滲透油層日益成為石油增儲的主力,人們越來越重視低滲透油層的研究[1-4],研究技術(shù)、手段多樣.本文在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上,利用最新研究方法,采用低分低黏聚合物技術(shù)研究低滲透油層.目前,大慶外圍低滲透油層已進入中高含水階段,研究化學驅(qū)提高采收率技術(shù)日益緊迫,為此開展了CO2驅(qū)[5-8]、表面活性劑驅(qū)[9-10]、微乳液驅(qū)[11-13]和聚合物驅(qū)[14-15]等多種驅(qū)油方式.除CO2驅(qū)進入現(xiàn)場應用外,其他驅(qū)油方式仍處于理論研究階段.前人[16-18]的大量研究表明,聚合物驅(qū)可以應用于低滲透油藏,但針對低滲透條件下各類型剩余油動用狀況研究尚且不足.本文利用實際巖心剖面制作的光刻玻璃模型進行微觀驅(qū)替實驗,研究低分子質(zhì)量聚合物提高水驅(qū)采收率幅度值,同時進一步分析各類剩余油驅(qū)替機理,為低滲透油藏進行聚合物驅(qū)提供理論支撐.

1 實驗設(shè)計

1.1 實驗準備

1)實驗巖心選用大慶第一采油廠直徑為2.5 cm的圓柱形天然巖心.

2)光刻玻璃模型.對大慶油田巖樣進行取心(滲透率分別為5X10-3,15X10-3,25X10-3μm2),將巖樣的孔隙結(jié)構(gòu)印在在玻璃板上,從而得到更接近實際油層的光刻玻璃模型.其尺寸為40 mmX40 mm.

3)實驗用油.實驗用油是大慶榆樹林油田的原油和煤油按一定比例配制而成的模擬油,45℃下模擬油黏度為6.7 mPa.s.

4)實驗用水.礦化度為6 778 mg/L的模擬地層水,用于在模型中造束縛水;礦化度為3 700 mg/L的復合離子水用于配制聚合物溶液;礦化度為508 mg/L的鹽水,用于進行微觀水驅(qū)油實驗.

5)實驗試劑.大慶助劑廠生產(chǎn)的聚丙烯酰胺(HPAM),相對分子質(zhì)量為800X104,水解度為26.7%.

6)實驗方案.仿真模型飽和油,先用驅(qū)替水以0.2 mL/h的速度恒速驅(qū)油,當模型不再有油被采出時,更換不同的驅(qū)替液 (黏度分別為3.8,4.57.4,9.2 mPa.s,對應的質(zhì)量濃度分別為400,600,800,1 000 mg/L)并繼續(xù)驅(qū)替至不再有油被采出.

1.2 實驗步驟

光刻玻璃模型驅(qū)油實驗:1)光刻玻璃模型抽真空后飽和油;2)以恒速(0.03 mL/h)水驅(qū)油,當采出液含水率達到98%時停止驅(qū)替,觀察并實時錄取光刻玻璃模型中剩余油的驅(qū)替動態(tài)圖像;3)4個注入方案驅(qū)油體系恒速驅(qū)替(0.03 mL/h)水驅(qū)后殘余油,至模型內(nèi)殘余油不再變化時結(jié)束實驗,觀察并實時錄取光刻玻璃模型中剩余油的驅(qū)替動態(tài)圖像;4)對圖像進行處理,分別計算水驅(qū)和各方案驅(qū)油體系的驅(qū)油效率.

天然巖心解剖實驗:1)將巖心抽真空并飽和人工合成鹽水;2)巖心飽和油,在45℃的恒溫條件下,用模擬油驅(qū)水至模型出口不出水為止;3)水驅(qū)油,用礦化度為508 mg/L的鹽水恒速驅(qū)替巖心中的原油,巖心出口端含水率達到98%時停止實驗,計算水驅(qū)采收率;4)聚合物以恒速驅(qū)替水驅(qū)后的巖心;5)將驅(qū)油實驗后的巖心折裂,獲取天然巖心的自然斷面,將自然斷面上的各點在顯微鏡下拍攝多張照片;6)應用景深擴展軟件,獲得合成照片;7)應用軟件計算巖心中各孔喉比及含油飽和度,繪制出含剩余油孔隙比例與孔喉比的關(guān)系曲線.

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 聚合物體系驅(qū)油效率

以榆樹林油田天然巖心為實驗對象,采取不同黏度聚合物進行微觀驅(qū)替實驗,繪制不同黏度條件下3種滲透率級別天然巖心采出程度隨聚合物黏度采出程度的變化曲線(見圖1).

圖1 3種滲透率級別天然巖心驅(qū)油效率與聚合物黏度的關(guān)系

由圖1可以看出,對于滲透率為5X10-3,15X10-3,25X10-3μm2的光刻玻璃模型,隨著驅(qū)替液黏度的增大,驅(qū)油效率逐漸增加.當聚合物黏度分別達到7.4,9.2,9.2 mPa.s時,驅(qū)油效率達到最高,分別為45.92%,56.45%,63.66%,與常規(guī)水驅(qū)相比,驅(qū)油效率分別提高了5.78,5.43,4.98百分點.對于滲透率為5X10-3μm2光刻玻璃模型,當聚合物黏度為9.2 mPa.s時,由于模型本身孔隙結(jié)構(gòu)的限制,聚合物在殘余阻力系數(shù)的影響下難以啟動模型內(nèi)原油.在相同滲透率的條件下,隨著流度的增大,采收率逐漸減小.滲透率越大,采收率越大.隨著流度比的降低,此時油水流度比較小,驅(qū)替液驅(qū)替前沿的推進比較均勻,更易進入較小的孔隙喉道.流度比較大時,驅(qū)替液更易進入到大孔隙中,此時在小孔隙中形成剩余油,驅(qū)替效率降低.低黏聚合物通過不同程度地降低各類殘余油量,從而提高微觀驅(qū)油效率.聚合物具有黏彈性,體現(xiàn)出與水驅(qū)不同的滲流特性,通過微觀實驗可以看出,聚合物不僅提高了波及效率,同時也提高了微觀驅(qū)油效率.

對比3種滲透率級別模型,隨黏度變化各類剩余油的剩余油飽和度如表1所示,將水驅(qū)后剩余油分為5類:簇狀、柱狀、盲端狀、油滴狀和盲端狀.各個模型當驅(qū)油效率最高時,殘余油飽和度分別為33.53%,28.31%,24.71%,與常規(guī)水驅(qū)相比,含油飽和度分別降低了3.585,3.530,3.383百分點,其中簇狀剩余油分別降低了2.180,2.059,2.014百分點,柱狀剩余油分別降低了0.650,0.674,0.663百分點,油滴狀剩余油分別降低了0.670,0.546,0.440百分點,膜狀剩余油分別降低了0.05,0.126,0.129百分點,盲端狀剩余油分別降低了0.044,0.125,0.137百分點.這說明,滲透率越小,模型中各類剩余油飽和度越大.增大原油黏度對簇狀、柱狀、油滴狀、膜狀和盲端狀剩余油均能實現(xiàn)有效動用.黏度越大表現(xiàn)為聚合物溶液在驅(qū)替過程中黏彈效應越明顯,簇狀剩余油動用比例最大,柱狀和油滴狀剩余油動用比例相差不很大,而其他類型的剩余油動用比例較小.

2.2 聚合物黏度對剩余油分布狀況影響

以滲透率為15X10-3μm2的天然巖心為例,利用巖心獲得孔喉比和孔隙中的剩余油飽和度數(shù)據(jù).根據(jù)孔喉比大小劃分為若干區(qū)間,統(tǒng)計每個區(qū)間內(nèi)的孔隙總個數(shù)及剩余油飽和度大于15%(含剩余油孔隙)的孔隙個數(shù),從而繪制出含剩余油孔隙比例與孔喉比的關(guān)系曲線(見圖2).

表1 不同類型剩余油剩余油飽和度動用狀況

剩余油孔隙比例和不同黏度條件下孔喉比的關(guān)系如圖2所示,孔喉比越大,孔隙與喉道的差異越大,驅(qū)替液較容易沿著大孔隙通過,殘留在孔隙中的剩余油越多,與之相連的喉道半徑小,水沿著喉道處緩慢推進,剩余油運移過程中發(fā)生斷裂,難以形成連續(xù)通道,剩余油在小喉道處聚集,難以動用.

圖2 含剩余油孔隙比例與孔喉比的關(guān)系

對于低滲透油藏,大孔喉在孔隙結(jié)構(gòu)中占有較大的比例,聚合物在驅(qū)替過程中起到調(diào)剖的作用,通過封堵大孔隙,使驅(qū)替液能夠沿著油相滲透率較大的喉道流動,促使水驅(qū)后分散的油滴再一次聚并,隨驅(qū)替液流出.另一方面,增大了驅(qū)替壓差,黏度增加,驅(qū)替壓力增大,含剩余油孔隙比例減小,能有效改善由于孔隙結(jié)構(gòu)差異引起的采收率低問題.

3 聚合物驅(qū)替殘余油機理

3.1 簇狀剩余油

聚合物驅(qū)替過程中,首先啟動了簇狀剩余油,在相同滲透率的條件下,聚合物黏度的增加表現(xiàn)為驅(qū)替液流度的減小.由于聚合物本身具有黏彈性,隨著流度的增加,降低油水流度比,擴大了波及體積,逐漸向主流通道周圍擴散.簇狀剩余油沿著不同的通道向出口端運移,形成了穩(wěn)定的油絲通道,剩余油所占比例逐漸減小,部分轉(zhuǎn)化為柱狀和膜狀剩余油,柱狀和膜狀剩余油增大,由于低滲透非均質(zhì)的原因,此類型剩余油飽和度仍較大(見圖3)(圖3-7中a-d為驅(qū)替時間先后).

3.2 柱狀剩余油分布狀況

在水驅(qū)后,由于聚合物本身黏彈效應,聚合物可采取拉拽的方式將一部分柱狀剩余油從喉道中驅(qū)替出來.由于喉道半徑較小,剩余油受到毛細管力的作用,由油絲狀逐漸變長、拉斷,或者在油水界面的內(nèi)聚力作用下形成油滴,聚合物黏度增加使驅(qū)替液攜帶剩余油的能力增強,將原來尚未驅(qū)動的柱狀剩余油攜帶出來,柱狀剩余油飽和度減小(見圖4).

圖3 改變驅(qū)替液黏度簇狀剩余油驅(qū)替結(jié)果

圖4 改變驅(qū)替液黏度柱狀剩余油驅(qū)替結(jié)果

3.3 油滴狀剩余油

水驅(qū)時,由于水的流度較大,其黏度較小,此時驅(qū)替壓差較小,不足以克服喉道賈敏效應造成的附加阻力,油滴狀剩余油動用較少.進行聚合物驅(qū)后,驅(qū)替液的流度減小,黏度增大,增大了驅(qū)替壓差,油滴受到的驅(qū)動力增大,當驅(qū)動力增大到大于賈敏效應造成的附加阻力時,油滴發(fā)生變形進而向前運移,以拉伸變形的方式與前方剩余油聚并,形成連續(xù)油相,隨著驅(qū)替過程進行不斷被驅(qū)替出來(見圖5).

圖5 改變驅(qū)替液黏度油滴狀剩余油驅(qū)替結(jié)果

3.4 盲端狀剩余油

盲端剩余油以孤立的塞狀滯留在喉道處,在注入水的正常驅(qū)動作用下,水的剪切作用較小,原油在出口端處殘留下來,很難被驅(qū)替.當進行聚合物驅(qū)后,由于聚合物的黏彈效應,在盲端口處存在剪切力,部分盲端剩余油受到聚合物的拉拽和剝離作用被驅(qū)替出來,但仍有一定量的剩余油難以動用.當改變驅(qū)替液流度后,隨著流度的減小,聚合物黏彈性增加,切口處的剪切力增大,聚合物逐漸沿著切線將盲端剩余油攜帶出來,盲端剩余油開始變薄,但盲端狀剩余油不能被完全驅(qū)替出來(見圖6).

圖6 改變驅(qū)替液黏度盲端剩余油驅(qū)替結(jié)果

3.5 膜狀剩余油

由于水不具有黏彈效應,孔隙壁面速度梯度低,難以將全部油膜從壁面上驅(qū)替下來.由于聚合物固有的黏彈性,聚合物溶液經(jīng)過孔隙壁處的膜狀剩余油時,膜狀剩余油受到來自聚合物的剝離作用,隨著流度的減小,存在微觀作用力[19],微觀驅(qū)動力推動比較突出的部位,致使以后的驅(qū)替液流動方向發(fā)生改變,油膜變薄,此時尖端油膜部分會被剝離下來形成油滴,隨著該過程反復進行,油滴發(fā)生聚并,從而膜狀剩余油進一步被驅(qū)替出來.另一方面,部分孔隙表面由最初的親油變成親水,使此類型剩余油更容易被驅(qū)替出來(見圖7).

圖7 改變驅(qū)替液流度油膜剩余油驅(qū)替結(jié)果

4 結(jié)論

1)聚合物具有增大驅(qū)替壓差,提高波及面積的能力.當滲透率分別為5X10-3,15X10-3,25X10-3μm2時,與常規(guī)水驅(qū)相比,驅(qū)油效率分別提高了5.78,5.43,4.98百分點.

2)進行低黏度聚合物驅(qū)后含油飽和度分別降低了3.585,3.530,3.383百分點,其中簇狀剩余油動用比例最大.聚合物驅(qū)油通過其特有的黏彈效應,增大驅(qū)替壓差,有效改善低滲透油藏孔隙結(jié)構(gòu)復雜造成的驅(qū)油效率低的問題,提高各類剩余油微觀動用狀況.

3)巖心中含剩余油的孔隙比例隨孔喉比減小而減小;對于同孔喉比的孔隙,聚合物黏度越大,含剩余油孔隙比例越小,聚合物驅(qū)油效果越好.