乳狀液在巖心中調剖能力及影響因素研究

雷雨希，張志全，陳曉宇，蘇 醒，彭科翔

（長江大學， 湖北 武漢 430100）

乳狀液在巖心中調剖能力及影響因素研究

雷雨希，張志全，陳曉宇，蘇 醒，彭科翔

（長江大學， 湖北 武漢 430100）

油藏驅油過程中乳狀液在提高采收率方面發揮著重要的作用。但是由于乳狀液本身的復雜性和多孔介質的復雜性，乳狀液在孔隙介質中的流動相當復雜。以乳狀液在巖心中的阻力系數、殘余阻力系數為指標，并增加聚合物溶液在巖心中的滲流實驗，客觀地評價乳狀液在油層中的調剖能力，確定其主要影響因素。實驗結果表明，同一種乳狀液注入到滲透率從100 mD到1 D的柱狀巖心，殘余阻力系數先上升后降低；當乳狀液的粒徑大于巖心孔喉半徑時，調剖的效果較好；在柱狀巖心中，乳狀液可以對孔喉有效的封堵，起到的調剖效果要比相同粘度的聚合物溶液好很多。

乳狀液；巖心滲透率；滲流；調剖；阻力系數

從我國油藏地質條件和技術的應用條件上講，表面活性劑是適用面最廣、提高采收率幅度最大、最具有發展潛力的一種化學驅油劑[1]，而乳狀液是伴隨著表面活性劑驅的一個重要產物。現有的一些研究表明[2,3]，油藏驅油過程中乳狀液在提高采收率方面發揮著重要的作用[4-6]。乳狀液在均質柱狀巖心中滲流時壓力梯度較高，壓力波動大，說明乳狀液顆粒在其中運移時存在滯留現象[7]，其中部分滯留的乳狀液顆粒對巖心孔道產生封堵效果，使液流轉向，從而提高乳狀液以及后續水驅的波及效率。本文針對乳狀液的相關性質和巖心的滲透率對乳狀液在巖心中調剖能力的影響進行實驗研究，以評價乳狀液的調剖能力和確定其影響因素。

1 實驗條件及步驟

本文實驗所用的模擬水按江漢油田水質分析所得離子組成人工配制而成，模擬地層水和注入水的礦化度為26 324 mg/L，實驗所用模擬油為煤油（粘度0.725 mPa·s），實驗所用巖心為Φ2.5 cm×30 cm的均質巖心，選用0.3% XBS-1作為乳化劑，選用AN125VHM作為實驗用聚合物，實驗溫度為80 ℃。

（1）篩選滲透率100～200、500～700、900～1 000 mD的均質巖心三組，將乳化劑與煤油1∶9混合，由FA25型實驗室高剪切分散乳化機在轉速10 000 r/min攪拌10 min制備乳狀液，開展乳狀液滲流實驗[8,9]，研究巖心滲透率對乳狀液調剖能力的影響。

（2）篩選滲透率600 mD左右的巖心三組，按照油水比1∶19、1∶9、3∶7由FA25型實驗室高剪切分散乳化機在轉速10 000 r/min攪拌10 min制備乳狀液，開展乳狀液滲流實驗，研究乳狀液粒徑對調剖能力的影響。

（3）篩選滲透率600 mD左右的巖心三組，將乳化劑與煤油1:9混合，由FA25型實驗室高剪切分散乳化機在轉速10 000 r/min攪拌10 min制備乳狀液，通過加入乳化劑分別稀釋成濃度50%和25%的乳狀液，研究乳狀液濃度對調剖能力的影響。

（4）篩選滲透率800～1 000 mD左右的巖心兩組，配置合適質量濃度的聚合物溶液，使其粘度與按照油水比1:9制備的乳狀液粘度相近，開展乳狀液滲流實驗，對聚合物溶液和乳狀液的調剖能力進行比較。

2 巖心滲透率對乳狀液調剖能力影響

三根巖心測得滲透率分別為135、459、970 mD，并且每根巖心分六段測滲透率，測得每段滲透率相近，說明巖心均質，符合實驗要求(表1)。

表1 不同滲透率巖心參數及實驗結果Table 1 Different permeability core parameters and experimental results

殘余阻力系數 RRF是描述聚合物驅過程中提高波及效率的重要指標，一般用來描述聚合物溶液降低地層滲透率的能力。參考其定義，用來作為乳狀液調剖性能的指標。

殘余阻力系數反映了乳狀液液滴在地層中卡堵后引起的滲透率降低的能力，它的數值總大于1，并且其值越大，反映滲透率降低的程度越大[9]。在對多孔介質注入相同PV數的乳狀液后進行后續注水，本節三組巖心乳狀液滲流實驗注入乳狀液的PV數為5 PV，經過實驗驗證，乳狀液注入量達到5 PV時，巖心中間四段的壓力已經穩定，且出口端流出的乳狀液性質穩定；乳狀液的粒徑中值為3.732 μm，研究在單相滲流實驗中乳狀液對介質滲透率降低的能力。

具體定義式如下：

式中: Ka—封堵前后巖心的水測滲透率，μm2；

Kb—封堵后巖心的水測滲透率，μm2。

計算殘余阻力系數時，封堵后巖心水測滲透率取得是巖心中間四段的平均值，去掉巖心首尾兩段的滲透率值，減小巖心端面效應帶來的的影響;在后續注水滲透率時，觀察發現剛開始出口端流出少量乳狀液，然后流出的是地層水，滲透率取得是出口端含水100%時的滲透率。

表1中最后一列壓力梯度值指的是巖心中乳狀液滲流穩定時的平均壓力梯度，取得是中間四段巖心壓力梯度平均值，該值反映了乳狀液滲流過程中與巖心孔喉的相互作用力的大小，因此該值越大，乳狀液驅替殘余油以及剝離油膜的能力越強。

有表1可以看出，三組巖心的巖心滲透率在注入乳狀液后均明顯降低，但是降低的程度不同，459 mD巖心的殘余阻力系數最大，為69.58，降低程度最大；135 mD巖心的殘余阻力系數為25.30；970 mD巖心的殘余阻力系數為23.67；殘余阻力系數與巖心滲透率并沒有線性關系，本節中柱狀巖心滲透率從100 mD升到1 D，殘余阻力系數先上升在下降。

根據毛管束滲流模型[10]，計算得到459 mD的巖心平均孔隙半徑4.37～5.82μm，135 mD的巖心平均孔隙半徑為2.47～3.73 μm，970 mD的巖心平均孔隙半徑為5.30～7.48 μm，這里迂曲度取值1～1.4；所注入乳狀液的粒徑中值為 3.682 μm,乳狀液的粒徑與459 mD和135 mD的巖心平均孔隙半徑接近，所以當乳狀液在巖心孔隙中滲流時，單個乳狀液顆粒即能形成對孔喉的有效封堵，對于孔隙半徑大于乳狀液粒徑的情況，例如970 mD的巖心，乳狀液顆粒通過不斷地累積才能形成有效的封堵，對于巖心孔隙半徑明顯小于乳狀液粒徑的情況，我們認為乳狀液顆粒通過變形通過孔喉[11]，當乳狀液顆粒變形時承受的壓力超過乳狀液的破裂極限時，乳狀液顆粒破裂為小粒徑通過孔喉。

3 乳狀液性質對調剖能力的影響

本節研究了乳狀液性質對調剖能力的影響，主要從乳狀液的粒徑以及乳狀液的顆粒濃度兩方面來研究，每組實驗中控制巖心的滲透率相近并且均質。

3.1 乳狀液粒徑

表2是實驗參數及結果。

表2 不同乳狀液粒徑條件下的實驗結果Table 2 The experimental results under different emulsion particle size conditions

本節三組實驗巖心的滲透率在600 mD左右，根據毛管束滲流模型，可計算得到巖心的平均孔隙半徑為 4.56～6.39 μm,對比三組實驗的乳狀液粒徑d(0.5)，只有第三組實驗的乳狀液d(0.5)大于巖心的平均孔隙半徑，第一組和第二組的 d(0.5)都略微小于巖心平均孔隙半徑。

從上表可以看出，大粒徑的乳狀液的殘余阻力系數最高, 殘余阻力系數為 193.75，說明其降低巖心滲透率的能力最強，其壓力梯度值也最大，乳狀液滲流阻力高；另外兩組實驗所用的乳狀液粒徑相差不大，實驗結果相近。

本組實驗說明當乳狀液的粒徑大于巖心孔喉半徑時，調剖的效果較好，因為乳狀液顆粒可以通過變形進入半徑較大的孔喉，相比于依靠多個乳狀液顆粒聚集對孔喉的封堵，封堵強度更高。

第三組實驗使用的乳狀液顆粒為7.421 μm，只是稍微大于巖心平均孔隙半徑，如果使用粒徑更大的乳狀液，效果不一定好，因為乳狀液顆粒的形變能力有限，超出其形變界限乳狀液顆粒會破裂為小粒徑乳狀液甚至是直接破乳。

3.2 乳狀液濃度

實驗使用了三種濃度的乳狀液，一種是濃度為100%的乳狀液，另外是通過加入乳化劑溶液將稀釋成濃度50%及濃度25%的乳狀液，并且經粒徑檢測，稀釋前后的乳狀液粒徑沒有發生明顯變化，濃度100%的乳狀液稀釋到50%后，乳狀液的粒徑d（0.5）由3.682變為3.448 μm，粒徑的變化很小，不影響實驗結果。表3是實驗參數及結果。

表3 不同乳狀液濃度條件下的實驗結果Table 3 The experimental results under different emulsion concentration conditions

從表3可以看出，雖然乳狀液的濃度不同，但是三組實驗的結果相近，殘余阻力系數都是 90左右，壓力梯度在1.5 MPa/m左右。

需要說明的是，三組實驗注入的乳狀液PV數不同，第一組注入9 PV，巖心最后一段壓力沒有上升，說明乳狀液顆粒在最后一段巖心沒有滯留；第二組注入7 PV，在注入5 PV時最后一段壓力開始上升；第三組注入5 PV，注入3 PV時最后一段巖心壓力開始上升。因此，實際上三組實驗最后滯留在巖心中的乳狀液顆粒的總量是相近的，起到的封堵和調剖效果相近。

本節實驗中注入的乳狀液粒徑中值略小于巖心平均孔道半徑，乳狀液在巖心中主要依靠多個顆粒的累積產生封堵效果，因此雖然注入到巖心中乳狀液顆粒濃度不同，但只要使注入的乳狀液顆粒量相同，最后的封堵和調剖結果相同。

4 乳狀液與聚合物溶液調剖能力比較

本組實驗選用了在一定剪切速率范圍內（1～ 1 000 s-1）粘度相近的乳狀液和聚合物溶液展開巖心滲流實驗，選用AN125VHM作為實驗用聚合物，聚合物溶液的濃度為118 mg/L，剪切速率為10 s-1時粘度為3 mPa s左右，在100～1 000 s-1范圍內，聚合物溶液和乳狀液的粘度在1 mPa s左右，實驗溫度為80 ℃，80 ℃時水的粘度約為0.355 mPa s約為乳狀液和聚合物溶液粘度的 1/3。實驗中乳狀液和聚合物溶液的注入量相近，均為 4～5個 PV。表 4是巖心參數以及實驗結果。

表4 不同驅油體系條件下的實驗結果Table 4 The experimental results under different oil displacement system conditions

從上表可以看出，對于粘度相近的乳狀液和聚合物溶液，乳狀液的殘余阻力系數明顯高于聚合物溶液的殘余阻力系數，說明乳狀液與聚合物溶液的調剖機理不同。本實驗中使用的是低濃度聚合物溶液，依靠大分子聚合物的吸附滯留、堵塞液流通道產生的調剖效果較弱，而相同粘度的乳狀液可以對孔喉有效的封堵，起到的調剖效果要比聚合物溶液好很多。

5 結 論

（1）同一種乳狀液注入到滲透率從100 mD到1 D的柱狀巖心，殘余阻力系數先上升后降低。

（2）乳狀液顆粒粒徑與巖心孔道的匹配關系是影響乳狀液調剖能力的關鍵因素，當乳狀液的粒徑大于巖心孔喉半徑時，調剖的效果較好，因為乳狀液顆粒可以通過變形進入半徑較大的孔喉，相比于依靠多個乳狀液顆粒聚集對孔喉的封堵，封堵強度更高。

（3）在柱狀巖心中，乳狀液可以對孔喉有效的封堵，起到的調剖效果要比相同粘度的聚合物溶液好很多。

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Study on the Factors Affecting Emulsion Profile Control Ability in Core

LEI Yu-xi，ZHANG Zhi-quan，CHEN Xiao-yu，SU Xing，PENG Ke-xiang
（Yangtze University, Hubei Wuhan 430100，China）

Emulsion plays an important role in improving oil recovery in process of oil displacement. Emulsion flow in the porous media is quite complicated because of the complexity of emulsion and the porous media. In this paper, taking the resistance coefficient and residual resistance coefficient of emulsion in the core as indicators, using polymer solution in seepage experiment of the core, emulsion profile control ability in oil layer was objectively evaluated, and the main influencing factors were determined. The results show that the residual resistance coefficient increases first and then decreases during injecting same kind of emulsion into the columnar core with 100mD～1D permeability; The effect of profile control is better when the emulsion particle size is larger than the core pore throat radius; The emulsion can effectively plug the pore throats, its profile control effect is better than the same viscosity of polymer solution in columnar core.

Emulsion; Core permeability; Seepage flow; Profile control; Resistance coefficient

TE 357

A

1671-0460（2016）03-0485-03

2015-12-03

雷雨希（1991-），男，湖北松滋人，在讀碩士研究生，研究方向：采油工程。E-mail：ft2202965@126.com。