三元復(fù)合驅(qū)巖心微觀尺度油相動用機制

林 立

（中國石油大慶油田有限責(zé)任公司第三采油廠，黑龍江 大慶 163113）

0 引 言

三元復(fù)合驅(qū)是由堿、表面活性劑和聚合物復(fù)合作為驅(qū)油劑的一種采油技術(shù)，其在大慶油田已被廣泛應(yīng)用，提高原油采收率可達20%［1-4］。雖然三元復(fù)合驅(qū)現(xiàn)場應(yīng)用效果顯著，但對其驅(qū)油機制特別是微觀尺度驅(qū)油機理還沒有完全清楚。對于三元復(fù)合驅(qū)驅(qū)油機理的研究，目前大部分工作還是采用常規(guī)巖心/填砂管驅(qū)替實驗方法，探討流體黏度、油水界面張力對驅(qū)油效率的影響及貢獻程度，得出的結(jié)論也是三元復(fù)合驅(qū)擴大波及體積、提高洗油效率等宏觀上的定性認(rèn)識［5-9］。對于三元復(fù)合驅(qū)微觀尺度驅(qū)油機理的研究，目前主流的方法是采用可視化玻璃刻蝕模型驅(qū)替實驗，但模型較為理想化：一是物性很難體現(xiàn)油藏的巖石特征及高溫高壓，二是孔隙也很難真正做到微觀尺度，因此，很難得到符合實際油層條件的三元復(fù)合驅(qū)微觀驅(qū)油機理［10-13］。因此，為了更為真實、準(zhǔn)確地認(rèn)識三元復(fù)合驅(qū)驅(qū)油機理，本文在儲層巖心驅(qū)替實驗基礎(chǔ)上，結(jié)合新興的核磁共振技術(shù)和巖心冷凍制片-熒光成像技術(shù)對三元復(fù)合驅(qū)微觀驅(qū)油特征進行定量研究，分析微觀尺度下不同巖心孔徑分布及賦存狀態(tài)的油相的動用程度，以期為三元復(fù)合驅(qū)技術(shù)下一步的攻關(guān)方向提供理論依據(jù)和應(yīng)用指導(dǎo)。

1 實驗設(shè)計

1.1 實驗材料及儀器

1.1.1 實驗材料

三元復(fù)合驅(qū)驅(qū)油體系組成：聚合物（部分水解聚丙烯酰胺）、表面活性劑（石油磺酸鹽）和堿劑（Na2CO3）。其中，部分水解聚丙烯酰胺，相對分子質(zhì)量1 900×104，有效固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)89.8%，大慶油田勘探開發(fā)研究院提供；石油磺酸鹽，有效固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%，大慶油田第三采油廠提供；Na2CO3，分析純（純度大于99.9%），國藥集團化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)。實驗用油為大慶油田原油（脫水脫氣）與煤油按照1∶2.2 的體積配比混合配制的模擬油，黏度為8.8 mPa·s（45 ℃）。實驗用水：模擬地層水，礦化度4 012.76 mg/L，離子組成如表1 所示。實驗巖心：大慶油田北二西東塊天然巖心（長度7.96 cm，直徑2.5 cm），礦物組分以石英為主，有效滲透率為0.44 μm2，孔隙度為25.6%。

表1 模擬地層水離子組成Table 1 Mineral ion composition of simulated formation water

1.1.2 實驗儀器

油藏高溫高壓多功能模擬驅(qū)替裝置，江蘇海安石油科研儀器有限公司生產(chǎn)；低磁場MacroMR 12-110H-I 型核磁共振儀，蘇州紐邁分析儀器股份有限公司生產(chǎn)；熒光顯微鏡，上海無陌光學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)。

1.2 實驗方法

1.2.1 巖心驅(qū)替實驗

實驗在高溫高壓多功能驅(qū)替裝置中進行，溫度設(shè)定為45 ℃。將巖心抽真空、飽和模擬地層水；飽和模擬油，老化3 d；初始水驅(qū)至采出液含水率高于99%，再進行不同體系的化學(xué)驅(qū)至采出液含油率低于1%，最后后續(xù)水驅(qū)至采出液中的含油量少到可以忽略為止，計算采收率。注入速率均為0.1 mL/min。在不同的化學(xué)驅(qū)體系中，部分水解聚丙烯酰胺質(zhì)量濃度為1 950 mg/L，石油磺酸鹽的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%，Na2CO3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.2%。

1.2.2 核磁共振測試

核磁共振技術(shù)采用抑制弛豫時間的方法來區(qū)分不同流體，可用于分析巖石孔隙大小及流體分布［14］。其中，橫向弛豫時間（T2）可反映巖石孔隙比表面積的大小，T2與孔隙尺寸呈正比，信號幅度與孔隙內(nèi)液體體積呈正比。在驅(qū)替實驗的不同階段對巖心進行核磁共振T2圖譜掃描，可定量表征巖心內(nèi)不同尺寸孔隙內(nèi)的剩余油，進而分析可動流體的變化情況［15］。

1.2.3 巖心冷凍制片-熒光成像分析

不同驅(qū)替階段結(jié)束后將巖心放入液氮中低溫保存，完全冷凍后取出，在巖心端面截取厚度2 mm切片，并將切片厚度研磨至0.05 mm 的薄片。將巖心薄片放置于改進后的熒光顯微鏡下進行微觀油相觀測，并通過圖像采集系統(tǒng)對不同賦存狀態(tài)的油相進行定量分析［16］。改進后的熒光顯微鏡采用高壓汞燈發(fā)射紫外光進行激發(fā)，全波段濾鏡接收圖像信息，油、水及巖石界面清晰，如圖1 所示。

圖1 巖心薄片油、水、巖石熒光顯微鏡成像照片F(xiàn)ig. 1 Fluorescence microscope image of oil, water and rock in thin core section

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 三元復(fù)合驅(qū)提高采收率效果

圖2 為三元復(fù)合驅(qū)體系采油程度、含水率及注入壓力隨注入量（PV）的變化。從整個驅(qū)油過程可以看出，進行初始水驅(qū)時，采油程度增長幅度較快，當(dāng)水驅(qū)進行到一定程度（1.5 PV）后形成水流通道，發(fā)生水竄，產(chǎn)出液的含水率接近100%，基本不再產(chǎn)油，采出程度為43.2%。當(dāng)轉(zhuǎn)為三相復(fù)合驅(qū)后，采出程度又有較大幅度的提高（26.4 百分點），采出液最低含水率可低至77.4%，注入壓力峰值達到0.19 MPa，最終采收率為69.6%。

圖2 三元復(fù)合驅(qū)采出程度、含水率及注入壓力隨注入量的變化Fig. 2 Variation of recovery degree, water cut and injection pressure of ASP flooding with injected volume

三元復(fù)合體系與單獨堿劑（單堿）、單獨表面活性劑（單表）、單獨聚合物（單聚）、聚合物/堿二元復(fù)合體系（聚堿）及聚合物/表面活性劑二元復(fù)合體系（聚表）的驅(qū)油效果及參數(shù)見表2。由表2 可以看出，不同化學(xué)驅(qū)體系在驅(qū)油過程中表現(xiàn)出不同的驅(qū)油效果和特征。單堿和單表體系的注入壓力與水驅(qū)基本一致，流體擴大波及區(qū)域的能力較弱，采收率提高幅度較小。對于含聚體系，注入壓力明顯增大，表明聚合物主要起到提高流體波及系數(shù)的作用。聚堿體系中，堿劑會降低聚合物溶液黏度（注入壓力峰值相對較低）；聚表體系不能達到超低界面張力（10-1mN/m 數(shù)量級）。三元復(fù)合體系既保持了較高的注入壓力，同時又將界面張力由水驅(qū)降低到超低界面張力范圍（10-3mN/m 數(shù)量級），可最大限度降低采出液含水率（谷值最?。?，表明在堿和表面活性劑的作用下，三元復(fù)合體系在擴大波及區(qū)域的同時又表現(xiàn)出最好的洗油效果。因此，實驗所用三元復(fù)合體系在油田目標(biāo)區(qū)塊的應(yīng)用中將會具有最好的采油效果。

表2 不同化學(xué)驅(qū)體系各階段的驅(qū)油效果及參數(shù)Table 2 Recovery and parameters of different chemical flooding systems at various stages

2.2 巖心不同尺度孔隙內(nèi)油相的動用規(guī)律

三元復(fù)合驅(qū)不同階段（飽和水、飽和油、水驅(qū)、三元復(fù)合驅(qū)）的核磁共振T2圖譜測試結(jié)果見圖3。巖心飽和水狀態(tài)下的核磁共振T2圖譜（圖3（a））可反映出其孔隙尺寸的分布情況。通過計算不同尺寸孔隙中的飽和水分量在孔隙體積飽和水總量中的比例可知，直徑在［0.1，1） μm 的微孔隙占比5.94%，直徑在［1，10） μm 的小孔隙占比46.89%，直徑在［10，50） μm 的中孔隙占比37.28%，直徑在［50，100） μm 的大孔隙占比9.37%，直徑小于0.1 μm 的超微孔隙和直徑大于100 μm 的超大孔隙分布較少，占比僅為0.52%。

圖3 三元復(fù)合驅(qū)各階段巖心核磁共振T2測試結(jié)果Fig. 3 Core NMR T2 test results for various stages of ASP flooding

飽和油、水驅(qū)及三元復(fù)合驅(qū)后不同孔隙中的油相分布情況見圖3（b）—（d），孔隙中總的油量在經(jīng)歷水驅(qū)及三元復(fù)合驅(qū)后呈現(xiàn)逐漸減少的趨勢，不同尺寸孔隙中的油相分布也有所變化。三元復(fù)合驅(qū)過程中不同尺寸孔隙中油相的動用情況如表3所示。

表3 三元復(fù)合驅(qū)驅(qū)替過程中巖心不同尺寸孔隙中油相動用情況Table 3 Oil producing in pores of different sizes in the core during ASP flooding

從表3 可以看出，水驅(qū)和三元復(fù)合驅(qū)的采出油主要來自于小孔隙、中孔隙和大孔隙。對于少量的微孔隙，其開始即被束縛水占據(jù)，由于巖心的親水性，幾乎未飽和進入油相，因此，在驅(qū)替過程中不予考慮。水驅(qū)階段油相的采出程度為43.2%，其中，小孔隙對油相動用的貢獻率最低（4.6%），中孔隙對油相動用的貢獻率最高（88.1%），表明水驅(qū)動用的主要是中孔隙內(nèi)的油，小孔隙內(nèi)的油較難動用。三元復(fù)合驅(qū)階段油相的采出程度為26.4%，其中，中孔隙油相動用貢獻率仍是最高（50.0%），小孔隙油相動用貢獻率則升高至46.0%，表明三元復(fù)合驅(qū)強化了小孔道內(nèi)的剩余油采出程度。

堿驅(qū)、表面活性劑驅(qū)、聚合物驅(qū)、聚/堿二元復(fù)合驅(qū)、聚/表二元復(fù)合驅(qū)及三元復(fù)合驅(qū)對巖心不同尺度孔隙內(nèi)油相的動用程度如圖4 所示。從圖4可以看出，單堿或單表體系僅能強化中、大孔隙內(nèi)油相洗油效果，并且中、大孔隙內(nèi)被剝離出的油以微小液滴的形式進入微小孔道，導(dǎo)致小孔隙中的剩余油反而增加（單堿體系小孔隙增加2.77 百分點，單表體系小孔隙增加4.83 百分點），更難被驅(qū)出。對于單聚體系，較高的注入壓力擴大了小孔隙的波及程度，但是洗油效果較差，小孔隙采出程度僅為1.15%。對于聚堿體系，由于堿劑降低體系黏度，流體波及能力降低，且堿劑無法形成超低界面張力，小孔隙采出程度僅為0.64%。對于聚表體系，雖然表面活性劑可增強洗油效率，但也無法形成超低界面張力，小孔隙采出程度僅為3.31%。對于三元復(fù)合驅(qū)，在聚合物、表面活性劑及堿劑的協(xié)同作用下，小孔隙內(nèi)油相的采出程度可達12.16%。

圖4 不同化學(xué)驅(qū)體系對巖心不同尺寸孔隙內(nèi)油相動用情況Fig. 4 Oil producing in pores of different sizes in the core by different chemical flooding systems

儲層巖石孔隙較小時具有明顯的毛細(xì)管力效應(yīng)，而且，孔隙越小，毛細(xì)管力越大。油層中的巖石在油相的長期浸潤下表面潤濕性往往呈現(xiàn)出油濕，當(dāng)水相驅(qū)替液流經(jīng)這部分小孔隙時，毛細(xì)管力表現(xiàn)為阻力，因此驅(qū)替流體很難進入小孔隙中，導(dǎo)致小孔隙中的油相較難被采出。在三元復(fù)合體系中，聚合物具有明顯的黏彈性，除了可以驅(qū)替出大、中孔隙中的油相外，還可以通過對中、大孔隙的封堵作用，使得驅(qū)替液流體轉(zhuǎn)向小孔隙，擴大對微小孔隙的波及程度。

隨后，表面活性劑和堿劑進入微小孔道內(nèi)，在協(xié)同作用下形成超低界面張力，將吸附滯留在小孔隙中的油相洗出來。同時，表面活性劑通過在油濕巖石表面的吸附作用將巖石潤濕性反轉(zhuǎn)為水濕，毛細(xì)管力由阻力變?yōu)閯恿Γ沟抿?qū)替流體更易進入小孔隙，因此，利用三元復(fù)合驅(qū)中、小孔隙內(nèi)的油相可以得到有效動用。

2.3 不同賦存狀態(tài)剩余油動用程度

受油層非均質(zhì)性、巖石表面潤濕性及毛管液阻效應(yīng)等因素的影響，油層中存在不同賦存狀態(tài)的油相：束縛態(tài)油相、半束縛態(tài)油相和自由態(tài)油相。其中，束縛態(tài)油相包括膜狀油、顆粒吸附狀油和狹縫狀油，半束縛態(tài)油相包括角隅狀油和喉道狀油，自由態(tài)油相包括簇狀油和粒間吸附狀油［17］。

巖心飽和油及在不同驅(qū)替階段的熒光圖像如圖5 所示，通過油相識別軟件計算其在孔隙中所占的比例（表4）。從表4 可以看出，飽和油巖心孔隙中以自由態(tài)油相為主，占比50.91%，其次是束縛態(tài)油相，占比16.55%，半束縛態(tài)油相最少，占比僅3.43%。

圖5 巖心飽和油及不同驅(qū)替階段的熒光圖像Fig. 5 Fluorescence images of cores saturated oil and different displacement stages

表4 三元復(fù)合驅(qū)驅(qū)替過程中不同賦存狀態(tài)油相在孔隙中所占的比例Table 4 Proportion of oil in pores with different occurrence states during ASP flooding%

從表4 可以看出，水驅(qū)后粒間吸附狀油減小了18.20 百分點、簇狀油減小了17.07 百分點、喉道狀油減小了0.02 百分點、狹縫狀油減小了0.02 百分點、角隅狀油增加了3.00 百分點、膜狀油增加了2.13 百分點。由此可知，水驅(qū)階段的采油效果主要來自于自由態(tài)油相（粒間吸附狀油和簇狀油）的貢獻，束縛態(tài)及半束縛態(tài)油相在水驅(qū)油中的貢獻很少。而且，隨著簇狀油及粒間吸附狀油被采出，水驅(qū)后又形成了新的膜狀油和角隅狀油，更難被水相驅(qū)出。在水驅(qū)基礎(chǔ)上進行三元復(fù)合驅(qū)后，粒間吸附狀油減小了6.91 百分點、簇狀油減小了3.96 百分點、角隅狀油減小了2.36 百分點、喉道狀油減小了1.37%、狹縫狀油減小了0.05 百分點、顆粒吸附狀油減小了0.47 百分點、膜狀油減小了3.61 百分點（表4）。三元復(fù)合驅(qū)階段采出程度為26.42%，其中，自由態(tài)油相采出程度為5.34%，半束縛態(tài)油相對水驅(qū)采出程度提高了5.26%，束縛態(tài)油相對水驅(qū)采出程度提高了5.82%。上述數(shù)據(jù)表明，三元復(fù)合體系能夠在水驅(qū)的基礎(chǔ)上大幅度提高半束縛態(tài)油相和束縛態(tài)油相采出效果。

利用巖心冷凍制片和油相熒光軟件識別得到的采收率與驅(qū)油實驗結(jié)果基本一致（表5），表明方法可行。由不同驅(qū)油體系對不同賦存狀態(tài)油相的動用情況可知，單獨堿劑和單獨表面活性劑的采收率主要來自于自由態(tài)油相（粒間吸附狀油、簇狀油）的貢獻，束縛態(tài)及半束縛態(tài)油相貢獻很小。聚合物不僅能提高自由態(tài)油相的洗油效果，同時還可以提高注入壓力并擴大狹小孔隙的波及程度，但聚合物溶液的洗油效果較差，束縛態(tài)及半束縛態(tài)油相的動用程度不高。對于聚堿體系，束縛態(tài)及半束縛態(tài)油相的采出程度僅比單獨聚合物驅(qū)提高了0.12 百分點，但其對自由態(tài)油相的采出程度卻降低了2.95百分點。對于聚表體系，表面活性劑單獨使用時不能充分發(fā)揮良好的洗油效果，但束縛態(tài)及半束縛態(tài)油相的采出程度比單獨使用聚合物驅(qū)時提高了3.94百分點。對于三元復(fù)合體系，束縛態(tài)及半束縛態(tài)油相的動用程度均有顯著提高，其中膜狀油、角隅狀油、簇狀以及粒間吸附狀油的動用效果更明顯。

表5 不同化學(xué)驅(qū)體系驅(qū)油效果及不同賦存狀態(tài)油相在巖心孔隙中所占的比例Table 5 Oil displacement efficiency and proportion of oil in core pores with different occurrence states by different chemical flooding systems%

三元復(fù)合驅(qū)中主流通道被聚合物大分子封堵，造成簇狀油及粒間吸附狀油所在孔道兩端的壓差升高。油相受到驅(qū)替液的推動力和切向拉力而發(fā)生運移，從一個大的簇狀油或者粒間吸附狀油分散成多個更小的部分。在較低的界面張力條件下，分散的油相更易被乳化成油滴而逐漸被采出。

膜狀油主要是以薄膜的形式吸附在油濕巖石表面，束縛性較強。一般情況下，聚合物的剪切及拉伸作用對于此類油相的動用效果較差。當(dāng)油水界面張力大于10-1mN/m 數(shù)量級時，油膜也很難被驅(qū)動。當(dāng)油水界面張力降低至10-3mN/m 數(shù)量級時，油膜會逐漸被驅(qū)替液拉長變薄，直至從喉道表面剝離下來。對于三元復(fù)合體系，表面活性劑與堿協(xié)同作用形成超低界面張力，因此，可以有效啟動薄膜狀油相。

角隅狀油主要賦存在儲層形成的夾角凹陷處，驅(qū)替過程中這類剩余油受聚合物溶液的拉拽、剪切變形作用導(dǎo)致一部分被驅(qū)替出來，動用這部分剩余油需要增大驅(qū)動力并減小油水界面張力。在三元復(fù)合體系切向力的作用下，角隅狀油逐漸形成前端類似蝌蚪狀的殘余油，并被拉拽伸長，進而斷裂形成油滴而被采出。

3 結(jié) 論

（1）實驗條件初始水驅(qū)不產(chǎn)油后，三元復(fù)合驅(qū)可提高注入壓力，降低產(chǎn)液含水率，油相采收率仍可提高26.42 百分點。三元復(fù)合驅(qū)的驅(qū)油效率優(yōu)于單一組分及二元復(fù)合體系的驅(qū)油效率，堿、表面活性劑和聚合物的復(fù)合顯著起到協(xié)同增效驅(qū)油的作用。

（2）在主要動用中孔隙油相的基礎(chǔ)上，三元復(fù)合驅(qū)可進一步強化對小孔隙油相的動用程度。在產(chǎn)出油中，小孔隙內(nèi)油相的采出程度可達12.16%，在總孔隙采出油的貢獻率可達46.0%。

（3）三元復(fù)合體系能夠大幅度提高半束縛態(tài)油相采出程度（5.26%） 和束縛態(tài)油相采出程度（5.82%），其中對簇狀油、粒間吸附狀油、膜狀油以及角隅狀油的動用作用效果更加明顯。