非均質微觀模型驅替剩余油分布規律研究

王欣然，李紅英，谷志猛，楊志成，柴秋會

（中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300452）

巖心驅替實驗能分析各種驅油實驗的采收率，而非均質模型驅替實驗可以分析宏觀剩余油分布規律以及開發動態等[1-3]，但不能觀察微觀驅替過程。水驅后的微觀剩余油尺度非常小，一般屬于微米級[4-7]。玻璃刻蝕模型可以動態直觀地觀察整個孔隙規模級的驅替過程以及剩余油的分布形態，為研究驅油過程提供理論支持。本文通過微觀孔隙模型研究早期注聚條件下剩余油富集規律影響及主控因素。

1 實驗準備

1.1 實驗條件及流程

實驗儀器：顯微鏡、可視化裝置、針管泵、注射器、光源等。實驗溫度為25 ℃。實驗流程見圖1。

圖1 實驗流程

1.2 實驗材料及模型

實驗用油：真空泵油，與煤油體積比為 2:1配制，25 ℃條件下黏度為19.8 mPa·s。為便于觀察，將適量的蘇丹紅加入模擬油，將模擬油染成紅色，過濾后使用。

實驗用水：根據渤海 J油田水源井離子組成復配的地層水，礦化度為3 878 mg/L，25 ℃條件下黏度 0.9 mPa·s。

聚合物體系：渤海 J油田注入聚合物，低黏聚合物濃度400 mg/L，黏度5.3 mPa·s；高黏聚合物濃度600 mg/L，黏度7.2 mPa·s。

聚表二元體系：聚合物濃度600 mg/L加表面活性劑質量分數0.3%。

模型：對角均質玻璃刻蝕微觀模型，孔隙半徑為 0.2～1.0 mm。

2 實驗方案及步驟

2.1 實驗方案

編制不同方案，觀察不同驅替介質在不同驅替速度下的剩余油分布規律（表1）。

2.2 實驗步驟

實驗包括水驅、低黏聚合物驅、高黏聚合物驅和聚表二元驅。①將微觀模型水驅洗凈后飽和油；②低速驅，以恒定的驅替速度0.004 mL/min至模型不出油為止，通過可視化裝置拍照記錄驅油過程及剩余油存在形式；③高速驅，提高驅替速度至0.020 mL/min至模型不出油為止，通過可視化裝置拍照記錄剩余油存在形式。④清洗模型，更換驅油體系重復上述實驗。

表1 實驗方案

3 實驗結果與分析

文中所有圖片的水流方向均為從左下到右上，暗紅色代表染色模擬油。圖2為飽和油后（即驅替開始之前）模型中玻璃油刻蝕模型中選定單元的含油孔隙分布。

圖2 模型飽和油初始時刻及流動方向

3.1 不同驅替速度下不同驅替介質剩余油分布

3.1.1 水驅剩余油分布

以速度為0.004 mL/min的低速水驅后選定單元的剩余油分布見圖3a，以速度為0.020 mL/min的高速水驅后選定單元的剩余油分布見圖3b。低速水驅后剩余油類型主要為簇狀、柱狀、膜狀和Y狀剩余油。①膜狀剩余油主要在弱親油孔隙表面，油粘附在孔隙表面，水驅剪切力小于粘附力，不能將油膜從孔隙表面剝離形成膜狀剩余油，其流動阻力很大。② Y狀剩余油本質上屬于膜狀剩余油，多形成在形狀為Y狀的孔隙區域，粘附在孔隙表面的油膜易在兩個方向受到驅動力，形成Y狀剩余油。③柱狀剩余油是由于模型內孔隙存在微觀非均質性，大孔道內的油被驅走，小孔道內阻力較大，水相不能進入，油被卡斷，形成柱狀剩余油。④簇狀剩余油是被細小孔道包圍起來的大油塊。低速水驅時簇狀剩余油較多，而高速水驅注入水能夠進入簇狀剩余油，將其分割成柱狀剩余油，減少剩余油。

圖3 水驅后剩余油分布

3.1.2 低濃度聚合物驅剩余油分布

用濃度為600 mg/L，黏度為7.2 mPa·s的聚合物分別進行速度為0.004 mL/min的低速驅替和速度為0.020 mL/min的高速驅替，選定單元的最終剩余油分布情況如圖4。

圖4 低濃度聚驅后剩余油分布形式

由水驅（圖3）和低濃度聚驅（圖4）剩余油分布情況可知，與水驅相比，注入聚合物能夠顯著驅替簇狀、柱狀剩余油，較大幅度地提高水相的波及系數，從而減少剩余油。低濃度聚合物驅替條件下，剩余油模式主要以柱狀和膜狀剩余油為主，這是因為簇狀剩余油的粘附力相對較小，聚合物擴大驅替相波及體積的同時，能夠有效驅替簇狀剩余油；高濃度聚合物驅替條件下，提高聚合物驅替速度可增大驅替相剪切力，使粘附力較大的部分柱狀剩余油得到動用，微觀模型中剩余油模式主要以膜狀剩余油為主，剩余油飽和度進一步降低。

3.1.3 高濃度聚合物驅剩余油分布

用濃度為800 mg/L、黏度為9.1 mPa·s的聚合物分別進行速度為0.004 mL/min的低速驅替和速度為0.020 mL/min的高速驅替，研究單元的剩余油分布情況(圖5)。

對比低濃度聚驅（圖4）和高濃度聚驅（圖5）剩余油分布情況可以看出：在相同注入速度下，注入高濃度聚合物后，簇狀剩余油分布的區域顯著減少，部分較大的柱狀剩余油也進一步減少，這是由于提高注入聚合物濃度能夠使驅替相的黏度增加，從而進一步減小油水流度比，同時還能提高驅替相剪切力的作用。特別是在高濃度聚合物高速驅替的情況下，簇裝剩余油幾乎消失，剩余油以小柱狀、膜狀剩余油為主；但由于細小孔喉中的柱狀剩余油有較高的滲流阻力，即使提高高濃度聚合物的注入速度，也無法使小柱狀剩余油得到有效驅替。

3.1.4 聚表二元體系驅剩余油分布

圖5 高濃度聚驅后剩余油分布

用聚合物濃度為600 mg/L、表面活性劑質量分數為0.3%的復合體系，分別進行速度為0.004 ml/min的低速驅替和速度為 0.020 ml/min的高速驅替，所選單元的剩余油分布情況如圖6。

圖6 聚表二元驅后剩余油分布形式

聚表二元復合驅結合了聚合物驅的高黏度和表面活性劑驅低界面張力的優點，不僅能提高波及系數，還能提高驅油效率[8-10]。聚表二元驅驅替前緣能相對均勻地推進，連通多個喉道的孔隙，導致Y狀剩余油的形成。與單一聚合物驅相比，聚表二元驅沒有明顯的簇狀和柱狀剩余油，剩余油類型以Y狀和膜狀為主，說明二元復合驅能夠改善流度比，同時降低油水界面張力，使粘附力較高的剩余油被驅替出來。提高聚表二元驅的注入速度，能夠有效增加毛管數，提高微觀驅油效率，使Y狀和膜狀剩余油變薄，驅替效果進一步變好。

3.2 注入體系對不同模式剩余油分布的影響

不同注入體系對不同類型的剩余油的影響不同，為有效對比不同驅替介質的驅油效果，在低注入速度下分析各注入體系對剩余油分布的影響。

3.2.1 對膜狀剩余油分布的影響

膜狀剩余油前緣受驅動力、粘附力和內聚力三個主要作用力的影響。聚合物驅能增大驅動力，但低濃度聚合物不足以驅動油膜，高濃度聚合物會使膜狀剩余油明顯降低。聚表二元體系中的表面活性能使孔隙表面向親水性轉變，降低了油膜的粘附力，并且顯著降低油水界面張力，剩余油容易被拉斷，聚表二元驅能顯著減少膜狀剩余油。

3.2.2 對柱狀剩余油分布的影響

柱狀剩余油主要是由注入水指進造成的，水驅時由于指進現象嚴重，柱狀剩余油較多，聚合物能夠提高注入相的波及系數，且高濃度聚合物驅效果好于低濃度聚合物，使柱狀剩余油減少。聚表二元體系所產生的協同作用，可使柱狀剩余油進一步減少。

3.2.3 對簇狀剩余油分布的影響

聚合物驅降低簇狀剩余油機理與降低柱狀剩余油機理相同。低濃度聚驅和高濃度聚驅可將孔隙內柱狀的剩余油進一步驅替，在喉道內形成柱狀剩余油。聚表二元驅能將柱狀剩余油進一步驅替，驅替后剩余油類型主要為膜狀剩余油。降低簇狀剩余油效果的驅油體系由高到低分別為聚表二元驅、高濃度聚驅、低濃度聚驅。

4 結論

（1）水驅后剩余油類型主要為簇狀、柱狀和膜狀剩余油，前兩者為主要分布模式。

（2）對于相同的驅替介質，高速驅替下的剩余油均少于低速驅替下的剩余油，說明適當增大驅替速度能夠改善驅替效果。

（3）聚合物驅能夠提高水相的波及系數，降低剩余油飽和度，且高濃度聚合物驅替效果優于低濃度聚合物。聚表二元驅協同作用，不僅能提高波及系數，還能提高驅油效率，驅替后剩余油最少，驅替效果最好。