乳狀液對殘余油的微流調(diào)節(jié)啟動(dòng)機(jī)制及觸發(fā)條件

馬云飛，張宗勛，侯吉瑞

(1.中國科學(xué)技術(shù)交流中心，北京 100045；2.北京德美高科科技有限責(zé)任公司，北京 100102；3.中國石油大學(xué)(北京)，北京 102249)

0 引 言

提高驅(qū)油效率是復(fù)合驅(qū)技術(shù)提高采收率的一大優(yōu)勢[1-3]。乳化作用作為復(fù)合驅(qū)提高驅(qū)油效率的重要機(jī)理之一，是近年化學(xué)驅(qū)理論研究的熱點(diǎn)。室內(nèi)驅(qū)油實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，三元復(fù)合驅(qū)采出液觀察到乳化現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)組，其采收率可比未發(fā)生乳化的實(shí)驗(yàn)組高5%～6%[4]。礦場試驗(yàn)結(jié)果也可以證實(shí)，復(fù)合驅(qū)油過程中發(fā)生原油乳化對采收率的提高有積極作用[5]。

對于乳化作用驅(qū)油機(jī)理的研究，一般認(rèn)為乳狀液在微觀上對不同賦存狀態(tài)的殘余油均具備一定的攜帶作用[6-7]，宏觀上可降低流度、控制黏性指進(jìn)[8-9]。目前對于乳化程度尚未形成統(tǒng)一的量化評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，不同乳化程度對應(yīng)微觀殘余油啟動(dòng)機(jī)制的差別也有待于進(jìn)一步補(bǔ)充。中國大部分老油田的主力油層已進(jìn)入高含水期，地下巖石表面的潤濕性在長期的水驅(qū)過程中已發(fā)生了改變，殘余油的賦存狀態(tài)以孤島或粒間束縛態(tài)為主，膜狀、盲端狀和柱狀為輔[10-11]。以啟動(dòng)孤島或粒間束縛狀殘余油為主的乳化作用啟動(dòng)機(jī)理，較以啟動(dòng)盲端、膜狀殘余油為主的超低界面張力啟動(dòng)機(jī)理更加適應(yīng)高含水油田。能否充分有效地利用乳化作用提高驅(qū)油效率的能力，很大程度上決定了化學(xué)復(fù)合驅(qū)提高采收率的效果。因此，利用圖像處理軟件對不同乳化程度乳狀液的顯微照片進(jìn)行分析，并按照顆粒數(shù)密度這一主要指標(biāo)進(jìn)行量化表征，并以人工制備的不同乳化程度的乳狀液作為驅(qū)替劑，在玻璃刻蝕模型中進(jìn)行微觀驅(qū)油實(shí)驗(yàn)，研究乳化作用啟動(dòng)微觀殘余油的機(jī)制，并確定乳化程度的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑和材料

聚合物為部分水解聚丙烯酰胺(HPAM)，分子質(zhì)量為2 500×104g/mol(中國石油大慶煉化公司)；表面活性劑是重烷基苯磺酸鈉(HABS)(中國石油大慶煉化公司)，有效物含量為40%；堿為分析純氫氧化鈉(NaOH)。

實(shí)驗(yàn)用巖心為露頭砂壓制環(huán)氧樹脂膠結(jié)的人工巖心，規(guī)格為Φ2.5 cm×30 cm，平均氣測滲透率為782×10-3μm2。

實(shí)驗(yàn)用油是大慶原油與航空煤油按比例稀釋配制的模擬油，45 ℃下模擬油黏度為5.6 mPa·s；實(shí)驗(yàn)用水是大慶油田模擬地層水，各礦物離子組成見表1。

表1 模擬水礦物離子含量

1.2 設(shè)備和儀器

微觀模型驅(qū)油實(shí)驗(yàn)儀器主要包括：LSP01-1BH型微量計(jì)量泵(蘭格恒流泵有限公司，保定)、50 mL微型活塞式中間容器、Stemi 2000-C型光學(xué)顯微鏡(Carl Zeiss Jena， Germany)、T10 Basic高速分散機(jī)(IKA儀器設(shè)備有限公司，廣州)、玻璃刻蝕微觀模型、攝像機(jī)及圖像采集系統(tǒng)。

玻璃刻蝕微觀模型與真實(shí)巖石的孔喉系統(tǒng)具備相似的幾何形狀和形態(tài)分布[12]。模擬大慶二類油層孔隙結(jié)構(gòu)和滲透率的玻璃刻蝕微觀模型，其平面有效規(guī)格為30 mm×18 mm，孔徑分布為5～100 μm，制作完成時(shí)內(nèi)表面的原始潤濕性為中性弱親水。

巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)儀器主要包括：HW-II型恒溫箱(海安石油科研設(shè)備公司)，HAS-100HSB型恒壓恒速泵(華安科研設(shè)備)，TY-4型巖心夾持器(海安石油科研設(shè)備公司)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(昆侖海岸)，活塞式中間容器若干。

1.3 步驟和方案

制備驅(qū)替劑。為了判斷乳化程度對殘余油啟動(dòng)的影響，以相同配方的三元復(fù)合體系配制不同油水比乳狀液作為驅(qū)替劑。三元復(fù)合體系配方為：400 mg/L HPAM +0.3%HABS+1.2%NaOH，25 ℃下初始黏度為13.7 mPa·s。配制過程：準(zhǔn)確量取配制好的三元復(fù)合體系50 mL置于錐形瓶中，緩慢加入0～20 mL(根據(jù)顆粒數(shù)密度設(shè)計(jì)需求而定)模擬油，用高速分散機(jī)剪切10 min，攪拌速度為7 500 r/min，吸取乳化層液體作為驅(qū)替劑。對制備的乳狀液進(jìn)行顯微拍攝，放大比例為400∶1，將獲得的顯微照片以Image J軟件進(jìn)行處理，調(diào)整亮度、對比度、色彩飽和度、黑白平衡和閾值識別值，再利用軟件的顆粒分析功能對視野內(nèi)顆粒進(jìn)行計(jì)數(shù)，并計(jì)算顆粒數(shù)密度，計(jì)算公式為：

n=N/A

(1)

式中：n為顆粒數(shù)密度，mm-2；N為視野范圍內(nèi)有效顆粒數(shù)；A為照片真實(shí)面積，mm2。

以乳狀液顆粒數(shù)密度反映乳化程度，制備出不同顆粒數(shù)密度的乳狀液顯微照片(圖1)?？梢钥吹?，實(shí)驗(yàn)制備的三元乳狀液都是O/W型。

圖1 驅(qū)替用乳狀液顆粒數(shù)密度

微觀驅(qū)油實(shí)驗(yàn)步驟：將微觀刻蝕模型置于密封容器內(nèi)，用真空泵抽真空30 min；將模擬地層水注入密封容器，至完全沒過微觀模型，利用模型內(nèi)部負(fù)壓力飽和地層水；通過微量計(jì)量泵飽和模擬油，老化4 h；恒速水驅(qū)10 min，形成殘余油；恒速連續(xù)注入配制好的三元溶液(乳狀液)，驅(qū)替40 min。實(shí)驗(yàn)在室溫下進(jìn)行，流體注入速度為50 μL/min。

為考察不同乳化程度乳狀液在運(yùn)移過程中對壓力的影響，45 ℃下恒溫恒速進(jìn)行巖心注入實(shí)驗(yàn)，流體注入速度為0.5 mL/min。實(shí)驗(yàn)步驟：①按照一般巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)連接實(shí)驗(yàn)裝置；②對巖心抽真空，飽和模擬地層水；③恒速連續(xù)注入配制好的不同乳化程度的乳狀液，至壓力基本穩(wěn)定后停止。三元復(fù)合體系配方為：1 000 mg/L HPAM+0.3%HABS+1.2%NaOH，45 ℃下初始黏度為31.9 mPa·s。

2 結(jié)果與討論

2.1 乳化作用啟動(dòng)殘余油機(jī)制

利用三元復(fù)合體系乳化原油的能力，在驅(qū)替劑波及到殘余油的時(shí)刻，可迅速將大塊殘余油分散成直徑為微米級的小油滴，并隨流體而移動(dòng)，該機(jī)制簡稱為分散啟動(dòng)。例如，大面積粒間束縛狀殘余油被乳化成小油滴，最終離開孔壁，隨流體一起流動(dòng)運(yùn)移；或大面積孤島狀殘余油被分散為小液滴，其中，部分仍然被束縛，部分轉(zhuǎn)化為可動(dòng)油，被流體攜帶運(yùn)移。在殘余油被乳化后，液流不再完全從孤島狀殘余油兩側(cè)繞流，而是一定程度分流通過孤島，攜帶走部分乳狀液顆粒。

孤島狀殘余油通過乳狀液顆粒的堆積擠壓轉(zhuǎn)為可動(dòng)，并被攜帶運(yùn)移，該機(jī)制可稱為攜帶啟動(dòng)。例如，孤島狀大油滴由于沒有處在主要流線上而不可動(dòng)，隨著乳狀液顆粒的堆積和擠壓導(dǎo)致大油滴獲得彈性勢能，最終轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，進(jìn)入到主要流線中并被攜帶(圖2)。

顆粒數(shù)密度較高的乳狀液顆粒堆積與賈敏效應(yīng)的疊加可造成局部流動(dòng)阻力的升高，起到控制微觀流度的作用，該機(jī)制稱為微流調(diào)節(jié)啟動(dòng)。乳狀液在主要流動(dòng)通道的堆積堵塞導(dǎo)致了滲流阻力升高，迫使微觀液流轉(zhuǎn)向，從而波及并攜帶孤島狀殘余油(圖3)。

圖2 孤島狀殘余油被攜帶移動(dòng)

圖3 乳狀液的微流調(diào)節(jié)機(jī)制

2.2 各啟動(dòng)機(jī)制的觸發(fā)條件

以不同顆粒數(shù)密度的乳狀液作為驅(qū)替劑在玻璃刻蝕模型中進(jìn)行微觀驅(qū)油實(shí)驗(yàn)，并以同黏度的三元復(fù)合體系(即顆粒數(shù)密度為0.0 mm-2的乳狀液)作為對照組，研究殘余油的啟動(dòng)情況。實(shí)驗(yàn)觀察到利用乳化作用啟動(dòng)殘余油的3種機(jī)理并非在任意條件下都能觸發(fā)，而是對顆粒數(shù)密度有一定的選擇(表2)。直接注入三元復(fù)合體系，僅觀察到分散啟動(dòng)機(jī)制，并沒有攜帶啟動(dòng)和微流調(diào)節(jié)啟動(dòng)；注入顆粒數(shù)密度為231.4 mm-2的乳狀液作為驅(qū)替劑，殘余油啟動(dòng)方式仍僅有分散啟動(dòng)；注入顆粒數(shù)密度低于624.7 mm-2的乳狀液作為驅(qū)替劑，除了分散啟動(dòng)，還觀察到攜帶啟動(dòng)；而微流調(diào)節(jié)啟動(dòng)，僅在顆粒數(shù)密度高于848.0 mm-2的乳狀液作為驅(qū)替劑時(shí)才能觀察到?？梢?，攜帶啟動(dòng)和微流調(diào)節(jié)啟動(dòng)機(jī)制的觸發(fā)條件比較苛刻，尤其是后者，需要顆粒數(shù)密度較高的乳狀液才能實(shí)現(xiàn)。高顆粒數(shù)密度乳狀液的形成過程，其實(shí)也是三元復(fù)合體系運(yùn)移過程中分散啟動(dòng)和攜帶啟動(dòng)不斷發(fā)揮作用而累積的過程，因此，為了盡早發(fā)揮微流調(diào)節(jié)機(jī)制的效果，需盡早使三元復(fù)合體系溶液接觸到殘余油富集的區(qū)域。

表2 乳狀液顆粒密度對殘余油啟動(dòng)的影響

2.3 微流調(diào)節(jié)啟動(dòng)的宏觀影響

為考察乳化作用啟動(dòng)殘余油的幾種機(jī)制在宏觀上的反映，以不同顆粒數(shù)密度乳狀液作為驅(qū)替劑進(jìn)行巖心注入實(shí)驗(yàn)(圖4)。由圖4可知：顆粒數(shù)密度不大于624.7 mm-2的乳狀液，其注入壓力的穩(wěn)定值與同黏度的三元復(fù)合體系溶液相差不大，說明分散啟動(dòng)機(jī)制和攜帶啟動(dòng)機(jī)制作用對注入壓力幾乎無影響，這2種機(jī)制可啟動(dòng)微觀殘余油，不會提升滲流阻力；顆粒數(shù)密度高于848.0 mm-2乳狀液，其注入壓力穩(wěn)定值明顯高于同黏度的三元復(fù)合體系溶液，也高于低顆粒數(shù)密度的乳狀液，說明微流調(diào)節(jié)啟動(dòng)機(jī)制在微觀層面上會累加，導(dǎo)致滲流阻力的提升，反映在宏觀層面上表現(xiàn)為壓力升高。此外，從壓力明顯的波動(dòng)上也可證實(shí)乳狀液的微流調(diào)節(jié)機(jī)制在發(fā)揮作用。顆粒在孔喉的堆積堵塞導(dǎo)致壓力升高，累積到極限值，乳狀液從孔喉突破導(dǎo)致壓力降低，由此不斷反復(fù)，表現(xiàn)為壓力的頻繁波動(dòng)。

圖4 不同顆粒數(shù)密度乳狀液的注入壓力

微流調(diào)節(jié)機(jī)制可啟動(dòng)微觀殘余油，提高阻力，控制流度。為了充分發(fā)揮乳狀液提高驅(qū)油效率的能力，應(yīng)盡量觸發(fā)微流調(diào)節(jié)啟動(dòng)機(jī)制。形成高顆粒數(shù)密度的乳狀液的條件包括：①三元復(fù)合體系具有優(yōu)良的乳化能力，能迅速將殘余油分散成微米級顆粒，并在運(yùn)移過程中維持體系性能；②需充足的殘余油量，這是形成較高顆粒數(shù)密度乳狀液的必要條件；③需在運(yùn)移過程中不斷累積攜帶，顆粒數(shù)密度需要一個(gè)累積升高的過程，該過程越短，微流調(diào)節(jié)啟動(dòng)機(jī)制觸發(fā)的時(shí)機(jī)越早，則提高驅(qū)油效率的作用區(qū)域越廣。因此，在三元復(fù)合體系性能還處在優(yōu)良狀態(tài)時(shí)充分接觸高殘余油飽和度區(qū)域，對三元復(fù)合體系配方、注入量和注入時(shí)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化具有重要的意義。

3 結(jié) 論

(1) 利用微觀刻蝕模型驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，觀察到三元復(fù)合體系對原油的乳化作用啟動(dòng)殘余油機(jī)制大致可分為3種，即分散啟動(dòng)、攜帶啟動(dòng)和微流調(diào)節(jié)啟動(dòng)。攜帶啟動(dòng)和微流調(diào)節(jié)啟動(dòng)對乳狀液的顆粒數(shù)密度有一定要求，前者要求顆粒數(shù)密度不低于約400 mm-2，后者要求顆粒數(shù)密度大于850 mm-2。

(2) 微流調(diào)節(jié)啟動(dòng)機(jī)制通過乳狀液顆粒的堆積和堵塞作用與賈敏效應(yīng)的疊加，可達(dá)到提高局部滲流阻力，改變微觀液流方向的效果。

(3) 高顆粒數(shù)密度的乳狀液在巖心運(yùn)移時(shí)表現(xiàn)

出壓力升高幅度增大和頻繁波動(dòng)的現(xiàn)象，說明微流調(diào)節(jié)的累加可起到在宏觀上控制流度的作用。為了充分發(fā)揮乳狀液提高驅(qū)油效率的能力，應(yīng)盡量觸發(fā)微流調(diào)節(jié)啟動(dòng)機(jī)制，并需要性能優(yōu)良的三元復(fù)合體系充分接觸高殘余油飽和度區(qū)域。