二元復(fù)合驅(qū)油體系乳狀液形成及運移規(guī)律研究*

欒和鑫，闕庭麗，云慶慶，關(guān)丹，帕提古麗·麥麥提，唐文潔 焦秋菊，向湘興

（1.中國石油新疆油田分公司實驗檢測研究院，新疆克拉瑪依 834000；2.中國石油天然氣集團(tuán)公司礫巖油氣藏勘探開發(fā)重點實驗室，新疆克拉瑪依 834000；3.中國石油天然氣集團(tuán)公司油田化學(xué)重點實驗室新疆油田分研究室，新疆克拉瑪依 834000）

0 前言

隨著表面活性劑/聚合物二元復(fù)合驅(qū)（以下簡稱二元復(fù)合驅(qū)）技術(shù)在新疆、遼河等重大開發(fā)試驗的成功，二元復(fù)合驅(qū)配套技術(shù)取得了重大突破［1］，這對中高滲透老油田水驅(qū)后效益開發(fā)具有重要指導(dǎo)意義［2-6］。新疆七中區(qū)二元復(fù)合驅(qū)礦場試驗實施過程中，60%油井采出液出現(xiàn)不同程度乳化現(xiàn)象，室內(nèi)實驗和礦場試驗結(jié)果表明，二元復(fù)合驅(qū)過程中的乳化對提高采收率有重要作用［7-9］。根據(jù)乳狀液形成機(jī)理和毛管數(shù)理論［10］，乳狀液既能提高波及體積又能提高洗油效率，并可降低非牛頓流體界面張力［11-12］，表面活性劑的乳化作用使得原油乳化成粒徑小于巖石孔喉直徑的O/W油型乳狀液隨驅(qū)替介質(zhì)運移，而大于孔喉直徑的乳狀液能對孔喉產(chǎn)生封堵作用，改善儲層平面非均質(zhì)性，擴(kuò)大波及體積。但由于乳狀液為熱力學(xué)不穩(wěn)定體系，形成O/W和W/O乳狀液的影響因素復(fù)雜，相態(tài)間轉(zhuǎn)變時機(jī)尚不清晰、乳狀液運移規(guī)律和提高采收率貢獻(xiàn)不明確，這已成為化學(xué)驅(qū)提高采收率關(guān)鍵和難點問題。本文在前期堿/表面活性劑/聚合物三元復(fù)合驅(qū)體系乳化強(qiáng)度對提高采收率作用研究的基礎(chǔ)上［13］，分析了新疆二元復(fù)合驅(qū)油井現(xiàn)場采出乳狀液的流變特性，通過研究不同乳化強(qiáng)度的表面活性劑/聚合物二元復(fù)合驅(qū)油體系的驅(qū)油效果明確了乳化綜合指數(shù)范圍，并確定了二元體系乳化對提高采收率的極限貢獻(xiàn)率。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

石油磺酸鹽KPS，活性物含量為50%，工業(yè)品，新疆克拉瑪依金塔公司；部分水解聚丙烯酰胺HJ1000，相對分子質(zhì)量1.0×107，水解度24.9%，固含量91.3%，北京恒聚化工集團(tuán)有限責(zé)任公司；實驗用模擬油，由七中區(qū)新疆原油和航空煤油按一定比例配制，黏度9.7 mPa·s（40℃）；石英砂（80 目、240目），天津風(fēng)船化學(xué)試劑廠；配液用水為新疆油田某區(qū)塊現(xiàn)場注入水，礦化度3400 mg/L，主要離子質(zhì)量濃度（單位mg/L）：HCO3-762.75、Cl-1063.59、SO42-114.1、Ca2+28.06、Mg2+19.3、Na++K+1023.27；飽和巖心用水為新疆油田某區(qū)塊現(xiàn)場產(chǎn)出水，礦化度13000 mg/L，主要離子質(zhì)量濃度（單位mg/L）：HCO3-4005.17、Cl-4251.45、SO42-193.30、Ca2+140.35、Mg2+14.13、Na++K+4126.69；人造柱狀均質(zhì)巖心，尺寸φ3.8 cm×30 cm，氣測滲透率0.2～0.5 μm2。

Nano-Zs Zeta 型電位儀，英國馬爾文公司；Haake型流變儀，德國熱電公司；DVⅡ型黏度計，美國Brookfield 公司；Axioimager 型熒光生物顯微鏡，德國Carl Zeiss AG 公司；Physical MCR300 型流變儀，奧地利Anton Paar公司；Agilent型高效液相色譜儀，美國安捷倫科技有限公司；巖心驅(qū)油裝置，江蘇海安石油科研儀器有限公司。

1.2 實驗方法

（1）采出液性質(zhì)分析

取七中區(qū)12口油井（TD72223A、T72224、T72234、T72235、TDT72245、T72246、T72247、T72256A、T72257、T72261、HWT72267、T72275）的采出液，采用DVⅡ型黏度計，在溫度42℃、剪切速率10 s-1下測定采出液的黏度；采用Physical MCR300型流變儀測定采出液的流變性能和黏彈性能；采用AXIOIMAGER 熒光生物顯微鏡測定采出液的粒徑。

（2）長巖心驅(qū)油實驗

驅(qū)替實驗裝置如圖1所示，選用6根尺寸為φ2.5 cm×100 cm 的填砂管模型（3 根直管，3 根半圓管），每根模型管中間設(shè)置取樣點，取樣點距離注入口分別為0.5、1.5、2.5、3.5、4.5、5.5、6 m，除出口外，注入口和其他6個取樣點分別連接有壓力感應(yīng)器。將80目和200目的石英砂烘干24 h，按照質(zhì)量比1:2混合均勻；稱取5700 g 的石英砂，分為3 等分，將模型管連接成3根L型管，加入石英砂，震動模型管保證石英砂分布均勻；連接模型管，測試氣密性，氣測滲透率；長巖心抽真空72 h，飽和模擬地層水48 h，計算孔隙體積及孔隙度，利用模擬地層水測定滲透率。經(jīng)測試，填砂管巖心參數(shù)如下：孔隙度30.19%，滲透率184.01×10-3μm2，含油飽和度72.37%。

圖1 長巖心實驗裝置圖

將模型在40 ℃恒溫箱中老化一周，飽和模擬油至出口端量筒水體積3 h 內(nèi)不再增加，記錄飽和油體積，計算原始含油飽和度、束縛水飽和度；以0.12346 mL/min 的注入速率進(jìn)行水驅(qū)至含水大于98%時停止，計算采收率；二元復(fù)合驅(qū)時，每注0.1 PV的二元復(fù)合體系后，在采樣點采集3 mL的液體，按設(shè)計量共注入2.0 PV二元復(fù)合體系，排除取樣損失共注入2.5 PV 的二元復(fù)合體系；后續(xù)水驅(qū)階段，每注入0.1 PV的模擬水后，在各采樣點采集3 mL的液體，直到出口端含水達(dá)98%結(jié)束，計算總采收率，分析檢測各取樣點樣品化學(xué)劑濃度、黏度、乳狀液粒徑等參數(shù)。各取樣點實際注入量如1表所示。

表1 各取樣點實際注入量

表1 （續(xù)）

2 結(jié)果與討論

2.1 剪切作用對驅(qū)油體系黏度的影響

現(xiàn)場12 口井采出液的黏度隨剪切速率變化如圖2 所示。由圖2 可知，現(xiàn)場采出液的性質(zhì)差異較大，低、中、高黏度的采出液表現(xiàn)出的流變性能有所不同。對于低黏度（1～20 mPa·s）采出液，隨著剪切速率的增大，采出液的黏度呈現(xiàn)先下降再上升后又下降的趨勢，這是由于在較低剪切速率下采出液不穩(wěn)定，隨著剪切速率的增大，采出液趨于穩(wěn)定，表現(xiàn)出剪切變稀的行為。對于中黏度（40～60 mPa·s）采出液，乳狀液的穩(wěn)定性高于低黏度的采出液，隨著剪切速率的增大，采出液黏度呈現(xiàn)先下降再上升的趨勢。對于高黏度（220～410 mPa·s）采出液，由于乳化液滴數(shù)目較多，排列緊密，液滴自身有抵抗形變的能力，當(dāng)剪切速率較小時，要破壞現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)所需的外力較大，因此黏度變化不大；隨著剪切速率增大，液滴被外力所剪切，液滴被分散成更小的液滴，導(dǎo)致黏度下降。

圖2 二元復(fù)合驅(qū)采出液的黏度隨剪切速率的變化

2.2 不同黏度采出液的黏彈性

在相同振幅條件下，對現(xiàn)場12口井的采出液進(jìn)行頻率掃描，考察其黏彈性，結(jié)果如圖3所示。由圖3 可知，對于低黏度（1～20 mPa·s）采出液，乳狀液類型為水包油型，在較低剪切速率時，儲能模量G'大于損耗模量G''，乳狀液性能以彈性為主；隨著剪切速率的增加，G''逐漸大于G'，乳狀液性能以黏性為主。對于中黏度（40～60 mPa·s）采出液，乳狀液類型由水包油型變成了油包水型，隨著剪切速率的增大，乳狀液的G''均高于G'，說明此時乳狀液性能以黏性為主。對于高黏度（220～410 mPa·s）采出液，乳狀液的G''和G'的差異性進(jìn)一步加大，這是由于乳化液滴排列緊密，液滴自身有抵抗形變的能力，當(dāng)剪切速率較小時，要破壞現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)所需的外力較大，隨著剪切速率增大，液滴被分散成更小的液滴。另外，在較高剪切速率下，黏度40～410 mPa·s 的采出液均表現(xiàn)出黏性，說明高黏度的油包水型乳狀液在剪切作用下黏性形變大，有利于堵塞水竄大孔道，同時在高剪切速率下的剪切變稀性也會增加其流動能力，對提高采收率有一定貢獻(xiàn)。

圖3 二元復(fù)合驅(qū)采出液的黏彈性能

2.3 乳化作用對提高采收率的影響

根據(jù)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/SY 17583—2018 中的乳化綜合指數(shù)計算公式，測定4 種二元復(fù)合驅(qū)油體系的乳化綜合指數(shù)，結(jié)果如表2所示。在相同條件下，超低界面張力+低乳化強(qiáng)度體系提高采收率比低界面張力+中等乳化體系的低，這說明在巖心滲透率一定的條件下，體系的乳化作用比界面張力作用對提高采收率的影響大。在相同界面張力（2×10-2mN/m）條件下，體系的乳化綜合指數(shù)由45 增至67，可以實現(xiàn)采收率進(jìn)一步增加8個百分點。繼續(xù)增大乳化綜合指數(shù)至81%形成的“超低界面張力+超強(qiáng)乳化”驅(qū)油體系提高采收率只有12.22%，這是因為乳化性能強(qiáng)的體系一旦進(jìn)入巖心會迅速將剩余油乳化，并在進(jìn)口端富集，一般剩余油分布孔喉為10 nm～10.00 μm，而乳化后的乳狀液中值粒徑在100 nm～50 μm之間。粒徑較大的乳狀液會封堵小孔喉，而大孔道的剩余油有限，驅(qū)油體系只能沿著高滲通道運移而起不到擴(kuò)大波及體積和提高洗油效率的目的，因此此時化學(xué)驅(qū)提高采收率效果并不明顯。低界面張力體系下乳化作用是礫巖油藏大幅度提高采收率重要機(jī)理，要實現(xiàn)礫巖油藏二元復(fù)合驅(qū)大幅度提高采收率，必須將驅(qū)油體系乳化控制在合理的范圍內(nèi)。

表2 驅(qū)油體系乳化綜合指數(shù)對提高采收率的影響

不同滲透率、乳化綜合指數(shù)和含油飽和度條件下的提高采收率結(jié)果如圖4 所示。由圖4 可知，滲透率小于100×10-3μm2時，隨著乳化綜合指數(shù)增加，提高采收率幅度先增加后降低，最佳乳化綜合指數(shù)為55%；滲透率大于100×10-3μm2時，隨著乳化綜合指數(shù)增加，提高采收率幅度逐漸增加，最佳乳化綜合指數(shù)為88%。

圖4 二元復(fù)合驅(qū)不同滲透率、乳化綜合指數(shù)和含油飽和度下的提高采收率結(jié)果

2.4 乳化對驅(qū)油體系黏度的補(bǔ)償作用

6 m長填砂管驅(qū)替實驗中不同取樣點的聚合物相對濃度和體系相對黏度隨注入體積變化如圖5所示。在地層條件下產(chǎn)生乳狀液的黏度在一定程度上依賴于聚合物濃度，但當(dāng)聚合物濃度下降時乳狀液能夠保持驅(qū)替體系相對黏度的穩(wěn)定性。乳化消失時體系的黏度迅速降低，故乳化對于控制流度比有重要作用，在驅(qū)替過程中乳化對驅(qū)油體系黏度具有補(bǔ)償作用，適當(dāng)乳化有利于提高采收率。

圖5 各取樣點驅(qū)油體系的相對黏度和聚合物相對濃度隨注入體積變化

2.5 乳狀液的運移規(guī)律

各取樣點乳狀液的粒徑分布隨注入體積變化如圖6 所示。前3 個取樣點（50 cm，150 cm 和250 cm）處乳狀液的乳化情況基本一致，乳化初期乳狀液的粒徑分布較廣，隨著驅(qū)替的進(jìn)行，乳狀液的粒徑以3～6 μm、6～9 μm 為主，注入體積大于1.54（1.7）PV后，乳狀液的粒徑變小，粒徑以0～3 μm為主，在0～12 μm 范圍內(nèi)變化，直到乳化結(jié)束。在250 cm處，采出液的含水率比較穩(wěn)定，有小幅波動，乳狀液粒徑變化主要由化學(xué)劑濃度變化決定，含水率波動會使乳狀液粒徑產(chǎn)生一定波動。

圖6 各取樣點乳狀液粒徑隨注入體積變化

在350 cm 處，乳化初期乳狀液的粒徑分布較廣，粒徑波動較大，注入體積為0.86（1.0）PV時主要以6～15 μm 為主，0.95～1.04（1.1～1.2）PV 時主要以0～9 μm 為主，1.12～1.29（1.3～1.5）PV 時呈現(xiàn)出乳化初期粒徑分布較廣的趨勢，說明此時的乳狀液未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。1.29（1.5）PV以后開始進(jìn)入乳化中期，粒徑分布較窄。在后續(xù)驅(qū)替過程中，1.81（2.1）PV 后乳狀液出小粒徑為主，而后粒徑恢復(fù)正常，乳化消失前乳狀液粒徑以0～6 μm為主。

將各點的乳化情況按照乳狀液粒徑進(jìn)行分類，乳化分為乳化初期、乳化中期和乳化末期，在乳化中期根據(jù)乳狀液粒徑變化情況又分為中等乳化階段和強(qiáng)乳化階段。在乳化初期，由于化學(xué)劑濃度分布不均勻，乳化穩(wěn)定性較差；乳化末期化學(xué)劑濃度較低，乳化液滴數(shù)目較少，乳化程度較弱；乳化初期和乳化末期的采出液與地層中的乳化真實情況有一定差異。乳化中期化學(xué)劑濃度較高，乳狀液粒徑變化規(guī)律性較好，能夠反映地層中實際的乳化情況。取樣點450 cm 處的黏度變化趨勢與聚合物的相對濃度變化趨勢一致，但該點的相對黏度明顯高于聚合物的相對濃度，原因是在乳化初期形成了油墻，乳狀液含油量高，黏度大，而乳狀液可對多孔介質(zhì)中的油膜有效地驅(qū)替剝離，故在驅(qū)替過程中有效黏度保持在較高的水平上。在600 cm 處的乳化產(chǎn)生于二元復(fù)合驅(qū)末期，說明在巖心中乳化產(chǎn)生后擴(kuò)散速率依賴于注劑速度，乳化開始時表面活性劑濃度較低，隨后持續(xù)增加但增幅小，此時取樣點600 cm 處采出液黏度隨乳化出現(xiàn)迅速上升并達(dá)到最大值，隨后開始緩慢下降，在乳化期間黏度變化平穩(wěn)。在聚合物濃度開始下降以后采出液黏度才開始下降，在乳化后期由于乳狀液中含水率較高，在水驅(qū)0.5 PV（3.0 PV）后含水率已接近99%，此時乳狀液黏度迅速下降，不能起到調(diào)節(jié)流度比的作用。

在乳化中期，乳化中等階段隨著化學(xué)劑濃度逐漸升高，乳狀液大粒徑的液滴占比逐漸減少，以中小粒徑為主；強(qiáng)乳化階段化學(xué)劑濃度穩(wěn)定，粒徑分布均勻，變化穩(wěn)定。從各點采出液的油水比變化來看，乳化中期含水率變化較大，同時能夠保持在一定范圍內(nèi)穩(wěn)定，不會出現(xiàn)含水率大幅度上升的現(xiàn)象，分析認(rèn)為該階段為乳化増油的主要階段。乳化初期和乳化末期的乳化程度較弱，具有一定的増油效果，但沒有乳化中期明顯。

2.6 化學(xué)劑的運移規(guī)律

2.6.1 表面活性劑的運移規(guī)律

各取樣點表面活性劑相對濃度隨注入體積變化如圖7 所示。從圖7 可以看出，注入0.1 PV 的二元復(fù)合驅(qū)油體系后，在50 cm處開始出現(xiàn)KPS，其濃度隨著注入體積開始逐漸上升，達(dá)到最高點后持續(xù)減小，最大相對濃度為0.7，水驅(qū)后濃度持續(xù)降低。隨著運移距離的增加，保留的KPS 濃度逐漸降低，相對濃度最高點也依次降低，600 cm處在注入1.38（1.9）PV 開始出現(xiàn)KPS，相對濃度最大值僅為0.24，說明表面活性劑在多孔介質(zhì)中損失嚴(yán)重。同時水驅(qū)后表面活性劑濃度變化也可以看出，距注入端越近表面活性劑濃度受注入體系的影響也越明顯。

2.6.2 聚合物運移規(guī)律

聚合物在二元復(fù)合驅(qū)過程中主要起到調(diào)節(jié)流度比、擴(kuò)大波及體積、調(diào)整水竄大通道的作用。通過不同位置聚合物濃度的變化可以看出聚合物在多孔介質(zhì)中的變化規(guī)律，確定聚合物有效作用的時間。各取樣點聚合物相對濃度隨注入體積變化如圖8所示。從圖8可看出，在注劑0.1 PV后在50 cm處可以檢測出聚合物，隨后在各點依次檢測出聚合物，除了前3 個點在注入相應(yīng)體積后能夠檢測到聚合物外，后續(xù)各取樣點檢測到聚合物時的注入體積都有明顯的間隔，說明除了在取樣點損失外，聚合物的吸附損失隨運移距離越遠(yuǎn)越明顯。聚合物優(yōu)先進(jìn)入大孔道，隨后吸附在孔隙表面，對大孔道進(jìn)行調(diào)剖，聚合物溶液具有黏彈性，大孔隙被堵塞后注入壓力上升，聚合物在小孔道會出現(xiàn)屈服流動，從而進(jìn)行解堵。

圖8 驅(qū)替過程中聚合物相對濃度隨注入體積的變化

3 結(jié)論

對于低黏度（1～20 mPa·s）采出液，在較低剪切速率時，乳狀液性能以彈性為主；隨著剪切速率的增加，乳狀液性能以黏性為主；黏度40～410 mPa·s的采出液均表現(xiàn)出黏性。

巖心滲透率小于100×10-3μm2時，二元復(fù)合驅(qū)過程中隨著乳化綜合指數(shù)增加，提高采收率幅度先增加后降低，最佳乳化綜合指數(shù)為55%；滲透率大于100×10-3μm2時，隨著乳化綜合指數(shù)增加，提高采收率幅度逐漸增加，最佳乳化綜合指數(shù)為88%。

在乳化初期，由于化學(xué)劑濃度分布不均勻，乳化穩(wěn)定性較差；乳化中期化學(xué)劑濃度較高，存在乳化對驅(qū)油體系黏度補(bǔ)償作用。