吉7井區(qū)稠油自乳化特征分析*

謝建勇，石 彥，褚艷杰，李 旭，劉娟麗，韓曉程

（中國石油新疆油田分公司準(zhǔn)東采油廠，新疆阜康 831511）

0 前言

目前國內(nèi)外研究普遍認(rèn)為乳化對(duì)提高采收率有重要作用，W/O型乳狀液是一種提高采收率的有效驅(qū)替液，如何形成穩(wěn)定的乳狀液成為研究的重點(diǎn)［1-10］。對(duì)于水驅(qū)開發(fā)油藏，在開采過程中只要有油水存在，就有生成乳化液的可能，但要形成穩(wěn)定的乳狀液卻具有一定的難度［11］。新疆油田吉7井區(qū)屬于中深層稠油油藏，油藏埋深1300～1800 m，油層溫度50 ℃，平均孔隙度19.53%，平均滲透率85×10-3μm2，50 ℃地面原油黏度100.5～17 027.0 mPa·s。目前該區(qū)塊采用常溫注水開發(fā)，初期方案預(yù)測的最終采收率為15%，而目前階段采出程度已接近20%，綜合含水穩(wěn)定在40%左右，開發(fā)效果遠(yuǎn)好于預(yù)測。按以往的經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為，由于油水流度比過大，稠油水驅(qū)開采過程中會(huì)出現(xiàn)黏性指進(jìn)或舌進(jìn)，導(dǎo)致含水快速上升，水驅(qū)波及效率低［12］，但是吉7井區(qū)的開采效果偏離了以往的認(rèn)識(shí)規(guī)律。目前關(guān)于乳化液提高采收率的研究很多，大多是基于室內(nèi)人工配制乳液開展實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)實(shí)際井口產(chǎn)出液的乳化現(xiàn)象缺少相應(yīng)的分析描述。結(jié)合前人的研究成果，為了明確乳化對(duì)開發(fā)效果的影響，選取具有代表性的54口生產(chǎn)井，對(duì)吉7 井區(qū)現(xiàn)場稠油井口產(chǎn)出液的乳化特征進(jìn)行分析，對(duì)進(jìn)一步研究利用乳化作用提高稠油油藏采收率具有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

硝酸銀、鉻酸鉀，分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；碳酸鈉、硫酸，分析純，天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司；油漆工業(yè)用溶劑油，新疆中泰化學(xué)股份有限公司；去離子水，自制；實(shí)驗(yàn)用油為吉7井區(qū)54 口井原油樣品，50 ℃地面脫氣原油黏度142.8～8092 mPa·s；油田地層水，NaHCO3型，礦化度11595.7 mg/L，主要離子質(zhì)量濃度（單位mg/L）為：Ca2+138.5、K++Na+4266.6、Mg2+28.0、Cl-6204.28、893.82，pH值為7.05；油田注入水，礦化度3398.26 mg/L，主要離子質(zhì)量濃度（單位mg/L）為：Ca2+24.98、K++Na+1230.82、Mg2+7.53、Cl-1965.3598.24，pH值為6.72。

DV-Ⅲ旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，美國Brookfield 公司；DSX510型光學(xué)顯微鏡，日本Olympus公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

（1）乳狀液類型判斷

將乳狀液滴在濾紙上，靜置30 min后觀察。如果乳狀液是水包油型乳狀液（水為外相），則水很快會(huì)在吸水濾紙上滲出，表現(xiàn)為液滴周圍有水環(huán)出現(xiàn)；如果乳狀液是油包水型乳狀液（油為外相），則在吸水濾紙上形成油斑而沒有水環(huán)出現(xiàn)，由此可以快速判斷乳狀液類型。

（2）氯離子含量測定

參照中國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5523—2016《油田水分析方法》，采用莫爾滴定法分別測定地層水、注入水以及井口產(chǎn)出水中的氯離子含量。

（3）原油及乳狀液中的含水量測定

參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 8929—2006《原油水含量測定蒸餾法》，使用由玻璃蒸餾燒瓶、冷凝管、帶刻度的接收器和加熱器組成的蒸餾儀器分別測定原油及乳狀液中的含水量。

（4）黏度測定

參照中國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 0520—2008《原油黏度測定 旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)平衡法》，用DV-Ⅲ旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)在50 ℃下分別測定乳狀液及脫水原油的黏度。

（5）乳狀液鏡下觀察及粒徑測定

將乳狀液均勻涂在載玻片上，使用DSX510 三維數(shù)碼光學(xué)顯微鏡觀察乳狀液形態(tài)，測定微粒的粒徑及其分布。

2 結(jié)果與討論

2.1 吉7井口產(chǎn)出液的狀態(tài)

吉7 井口產(chǎn)出液以乳狀液形式存在，采用濾紙潤濕法可以快速測定乳狀液的類型。將吉7井和其它不同區(qū)塊共6 口井的井口產(chǎn)出液（含水均在35%左右）分別滴在同一張濾紙上，靜置30 min 后對(duì)比觀察，并以水作參照物。吉7 井區(qū)的幾個(gè)油樣沒有水滲出的現(xiàn)象，而其他的幾口井的產(chǎn)出液很快就有水滲出。靜置8 h 后，有水滲出的幾口井的產(chǎn)出液在濾紙上油水界面清晰，外圍有明顯的水環(huán)，而吉7井區(qū)產(chǎn)出液則沒有，由此可以判斷吉7 井口產(chǎn)出液為油包水型乳狀液。

2.2 乳化發(fā)生時(shí)機(jī)

乳化發(fā)生的時(shí)機(jī)對(duì)于驅(qū)油效率的影響極大。油水在地層、井筒流動(dòng)過程中受到各種剪切、拉伸作用以及溫度、壓力的變化，會(huì)促進(jìn)原油與水形成乳狀液。通常認(rèn)為原油從井底到井口的攪動(dòng)作用最強(qiáng)，這個(gè)過程最易于發(fā)生乳化，而在地層流動(dòng)過程中并不會(huì)很快乳化，因而稠油水驅(qū)時(shí)更容易發(fā)生注入水指進(jìn)現(xiàn)象，表現(xiàn)為含水上升速率快，無水采油期和中低含水采油期短，最終采收率低。如果油水在地層流動(dòng)過程中早期就發(fā)生乳化，乳狀液就能快速參與驅(qū)油、調(diào)控流度，形成穩(wěn)定的驅(qū)替前緣，起到擴(kuò)大水驅(qū)波及體積的作用。經(jīng)測定，吉7 井區(qū)地層水中氯離子含量平均為6204.28 mg/L，注入水中氯離子含量較低，平均為1965.35 mg/L。該區(qū)單井注水量為10～20 m3/d，與地層水體積相比注入量較小，若注入水進(jìn)入地層后與原油接觸很快形成乳狀液，注入水與地層水發(fā)生離子交換較少，那么產(chǎn)出液中氯離子含量應(yīng)該與注入時(shí)變化不大，略有增加但遠(yuǎn)低于地層水的含量，反之若注入水進(jìn)入地層后與原油形成乳狀液的時(shí)間較晚，注入水與地層水發(fā)生充分的離子交換，則氯離子含量應(yīng)該相對(duì)較高，接近地層水中氯離子的含量。經(jīng)檢測，井口乳狀液中的氯離子含量平均為2581.21 mg/L，略高于注入水中氯離子含量。這說明吉7井區(qū)注入水與原油一經(jīng)接觸即快速發(fā)生乳化，形成乳狀液參與驅(qū)油，乳化發(fā)生時(shí)間早，乳化能力強(qiáng)。

2.3 乳化程度及乳液穩(wěn)定性

通常情況下，雖然產(chǎn)出液從井口流出時(shí)可能呈乳化狀態(tài)，但通過靜置沉降后大多會(huì)發(fā)生油水分層。然而吉7井口產(chǎn)出的乳狀液在長時(shí)間靜置后仍不發(fā)生分層現(xiàn)象，井口取樣在常溫靜置30 d后也沒有游離水析出，乳化液很穩(wěn)定。

為獲得更清晰的認(rèn)識(shí)，對(duì)現(xiàn)場不同黏度、不同含水范圍的54口生產(chǎn)井取樣進(jìn)行分析，經(jīng)測定該批井口產(chǎn)出液的含水范圍2.99%～94.89%，平均39.35%，黏度142.8～8092 mPa·s（50 ℃），平均1577.31 mPa·s。將產(chǎn)出液模擬地層溫度在50 ℃水浴中靜置24 h后分別測定游離水和乳狀液含量，分離游離水后測量乳狀液的黏度和含水，計(jì)算游離水與乳狀液各自占比以及樣品的綜合含水，測量脫水原油黏度。

2.3.1 產(chǎn)出液的乳化情況

吉7 原油的乳化現(xiàn)象很普遍，54 個(gè)樣品全部都有乳化液，只是乳化液占比隨著含水變化而變化。產(chǎn)出液的綜合含水和乳化液占比關(guān)系見圖1。由圖1可以看出，綜合含水在40%以下時(shí)，井口產(chǎn)出液表現(xiàn)為完全乳化狀態(tài)，基本不含游離水。隨著綜合含水的升高，產(chǎn)出液開始出現(xiàn)游離水，乳化液占比逐漸降低，乳化液占比與綜合含水負(fù)相關(guān)。但是即便綜合含水超過80%以后，依然存在著W/O型乳化液。

圖1 產(chǎn)出液綜合含水與乳化液占比的關(guān)系

54口生產(chǎn)井的脫水原油黏度從142.8 mPa·s到8092 mPa·s（50 ℃）不等，從原油黏度與產(chǎn)出液中乳化液占比的關(guān)系圖可以看出（見圖2），乳化液占比的高低與原油黏度沒有相關(guān)性，不同黏度的原油均可形成乳化液，再次說明吉7 井區(qū)原油極易發(fā)生乳化，乳化狀態(tài)與含水有關(guān)，而與原油的黏度沒有明顯關(guān)系。

圖2 原油黏度與乳化液占比的關(guān)系（50 ℃）

2.3.2 乳化液的持水率

在相同條件下，W/O型乳狀液中分散在原油中的水量有一定的限度，超過這個(gè)限度水就難以穩(wěn)定存在，而會(huì)析出形成游離水，這個(gè)限度就是乳狀液能包容的最大水量，定義為持水率。用乳化液的持水率可以反映原油的乳化能力，在相同條件下持水率越高，原油的乳化能力越強(qiáng)，乳化程度越高。對(duì)于水驅(qū)油藏，乳化液持水率的高低對(duì)于驅(qū)油作用有很大的影響。如果注入水進(jìn)入地層后與原油形成乳狀液的持水率高，被穩(wěn)定包裹的水量越多，剩余游離水就越少，就不容易產(chǎn)生水竄現(xiàn)象，有利于提高采收率。吉7井口產(chǎn)出液中乳化液含水普遍比較高，表明該區(qū)原油乳化能力強(qiáng)，乳化程度高。產(chǎn)出液綜合含水與乳化液含水關(guān)系見圖3。由圖3可知，隨著產(chǎn)出液綜合含水的升高，乳化液含水隨之升高，當(dāng)產(chǎn)出液的綜合含水超過60%以后，乳化液含水開始出現(xiàn)拐點(diǎn)，游離水增多，乳化液的含水率降低，乳化液最高含水可達(dá)61%，即吉7井口產(chǎn)出液的最高持水率為61%。

圖3 產(chǎn)出液綜合含水與乳化液含水關(guān)系

將脫水原油黏度與乳狀液含水率進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，得出不同黏度的原油持水率情況，結(jié)果如表1所示。由表1 可以看出，原油黏度在1000 mPa·s 以內(nèi)時(shí)，乳化液最高含水率可以達(dá)到61%，隨著原油黏度的增加，乳化液最高含水率逐步下降，說明吉7原油的持水率受黏度影響，黏度越高持水率越低。

表1 乳化液最高含水率統(tǒng)計(jì)表

2.3.3 乳化液的黏度

原油乳化形成W/O型乳狀液，其表觀黏度會(huì)增大，作為驅(qū)替液黏度高于原油，可以有效地改善油水流度比，增大驅(qū)替壓力，提高驅(qū)油效率［13］。由吉7井口產(chǎn)出液測定得出，乳狀液黏度比脫水原油黏度增加了0.83～7.26倍，平均增加2.23倍，且以W/O型乳狀液存在，成為有利的原油驅(qū)替液。乳化后黏度增加倍數(shù)與乳化液含水關(guān)系如圖4所示?？梢钥闯鲭S著乳化液含水升高，乳化液黏度增大，黏度增加幅度與乳化液含水正相關(guān)。

圖4 乳化液含水與乳化后黏度增加倍數(shù)關(guān)系圖

由于儲(chǔ)層存在非均質(zhì)性，在水驅(qū)過程中，注入水更容易進(jìn)入高滲透層，導(dǎo)致高滲層含水飽和度相對(duì)較高，容易造成指進(jìn)，影響驅(qū)油效率。由于乳化液黏度增加幅度與乳化液含水正相關(guān)，在含水高的高滲透層形成的乳化液黏度相對(duì)更高，增加了流動(dòng)阻力，乳狀液自發(fā)起到調(diào)控非均質(zhì)性的作用，可以有效改善驅(qū)油效果。

2.4 乳化液的微觀形貌

將J1366 井油樣（含水35%）涂于載玻片上，在高倍顯微鏡下使用1000倍物鏡進(jìn)行觀測并拍照（見圖5），可以看到液滴顆粒數(shù)量多，以平面密堆積型排列，基本不移動(dòng)，液滴直徑主要分布（見表2）在0～1.0 μm之間，占比達(dá)到90.2%。

圖5 原油乳化液的顯微圖片

表2 原油乳化液滴粒徑分布

與常見的原油乳化狀態(tài)不同，吉7 原油乳化液液滴尺寸較小，分散更均勻，具備微乳液的多種特性。微乳液一般由表面活性劑、助表面活性劑、油和水組成，分散相質(zhì)點(diǎn)很小，在食品、燃料、化學(xué)等許多領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用［14］，我們常用的化妝品乳液屬于微乳液，選取一種常見化妝品乳液在顯微鏡下觀察，乳化顆粒分布均勻，顆粒大小相對(duì)集中，液滴直徑為0.9～1.6 μm。通過對(duì)比可以看出，吉7 原油乳化液液滴尺寸接近化妝品乳液的，即吉7原油乳化液接近微乳液狀態(tài)，與常見的稠油乳狀液有所不同。

采用顯微鏡觀察不同黏度的井口產(chǎn)出乳化液并測量乳化液顆粒的粒徑，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。乳化液的液滴直徑越小，大小越統(tǒng)一，其分散程度越均勻，乳化液的穩(wěn)定性就越好，從表3 可知，吉7 產(chǎn)出液的液滴粒徑在0.67～1.42 μm 范圍，分布范圍很窄，且液滴大小分布與原油黏度沒有相關(guān)性，不同的黏度原油都能形成粒徑較小的乳化液，呈現(xiàn)出接近微乳液的穩(wěn)定狀態(tài)。

表3 不同的黏度原油所形成乳狀液的粒徑

2.5 乳狀液自乳化特征分析

關(guān)于乳狀液的形成和穩(wěn)定性的理論有很多相關(guān)研究，通常認(rèn)為，要形成穩(wěn)定的乳狀液必須有乳化劑的存在，雖然原油中含有天然乳化劑，但很難形成穩(wěn)定的乳狀液參與驅(qū)油，需要添加外來乳化劑，因而康萬利等提出了利用自發(fā)乳化驅(qū)油的方法［15-17］。通過對(duì)吉7井口產(chǎn)出液的乳化狀態(tài)分析可以看出，吉7 井區(qū)原油自乳化特征與上述自發(fā)乳化的定義不同，是在沒有加入外來乳化劑的情況下，在地層滲流過程中自發(fā)實(shí)現(xiàn)快速乳化，從而形成穩(wěn)定的乳狀液，避免了水驅(qū)油藏利用乳化作用提高采收率的高成本難題。

為了了解吉7 井區(qū)稠油的特殊性，對(duì)其四組分進(jìn)行分離，與其他兩個(gè)類似稠油油田相比較［18］，結(jié)果如表4 所示。從表4 可以看出，幾種稠油的四組分含量接近，并無明顯差別。

表4 幾種稠油的四組分分析

大量研究認(rèn)為，原油中的有機(jī)酸、膠質(zhì)、瀝青質(zhì)以及油中所含微細(xì)固體顆粒等都是天然的乳化劑，在驅(qū)替過程中能引起乳化作用［19-20］。將煤油中加入吉7 井區(qū)地層水配制成含水35%的基礎(chǔ)油，然后分別加入吉7 稠油中分離出的蠟、飽和烴、芳香烴、膠質(zhì)、瀝青質(zhì)和石油酸配制成一系列模擬油，進(jìn)行乳化實(shí)驗(yàn)及乳化液性質(zhì)測定，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，原油單組分對(duì)乳化作用的影響分別為石油酸＞瀝青質(zhì)＞膠質(zhì)＞飽和烴≈芳香烴＞蠟。由于乳化行為的復(fù)雜性，關(guān)于吉7 稠油自乳化的特殊性還需要進(jìn)一步開展深入研究。

2.6 現(xiàn)場生產(chǎn)情況

吉7 井區(qū)稠油具有特殊的自乳化特征，形成穩(wěn)定的乳狀液。對(duì)于注水開發(fā)來說，乳狀液的穩(wěn)定性極為重要，原油自乳化后可形成穩(wěn)定的驅(qū)替液，作為水驅(qū)前緣控制流度比，保證注入水穩(wěn)步推進(jìn)，避免水竄現(xiàn)象的發(fā)生，有效擴(kuò)大驅(qū)油面積。吉7 井區(qū)自投入注水開發(fā)八年以來，油田綜合含水始終保持穩(wěn)定，2019 年在8 口注水井上實(shí)施了微地震法水驅(qū)前緣監(jiān)測，由結(jié)果擬合圖可以看出（見圖6），雖然該區(qū)滲透率極差達(dá)到131，儲(chǔ)層非均質(zhì)性較強(qiáng)，水驅(qū)前緣還是比較穩(wěn)定，注入水向四周推進(jìn)，沒有明顯的單向突進(jìn)，波及面積較大，油井多方向見效，與實(shí)際生產(chǎn)情況相吻合。

圖6 微地震水驅(qū)前緣監(jiān)測圖

吉7 稠油油藏目前水驅(qū)效率高，與其特殊原油易乳化形成穩(wěn)定的亞微米結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系，尤其是乳化液性能不受原油黏度的影響，對(duì)于吉7 井區(qū)更高黏度區(qū)域可實(shí)現(xiàn)水驅(qū)開發(fā)具有重要意義。

3 結(jié)論

吉7 井區(qū)油井采出液為穩(wěn)定的油包水型乳化液，最高含水率可達(dá)到61%，在地面原油黏度142.8～10462 mPa·s 的范圍內(nèi)，持水率隨原油黏度增加從61%降至35%。

吉7原油在沒有添加外來乳化劑的情況下遇水易發(fā)生乳化，乳化發(fā)生時(shí)機(jī)早，有利于快速形成乳化液參與驅(qū)油，這是該區(qū)注水效果好的主要原因。

吉7 井口產(chǎn)出的乳化液粒徑主要分布在0～1 μm，接近微乳液狀態(tài)，具有良好的穩(wěn)定性，且乳化液性能不受原油黏度的影響。

在含水2.99%～94.89%范圍內(nèi)，原油乳化后黏度平均升高2.23倍，乳狀液在水驅(qū)過程中具有調(diào)控水流通道、擴(kuò)大水驅(qū)波及體積的作用。乳化液的驅(qū)油效率高，在吉7井區(qū)的生產(chǎn)實(shí)踐中得到了驗(yàn)證。