低滲透油藏內烯烴磺酸鹽微乳液體系配方優選及性能評價*

趙柏楊，夏連晶

（大慶油田第四采油廠，黑龍江大慶163511）

殼牌石油公司實驗室在1990年開始研究大分子內烯烴與SO3的磺化過程和由此產生的產品［1］。2008年，俄羅斯West Salym油田將內烯烴磺酸鹽應用于礦場試驗，發現水驅后90%的剩余油得到動用，取得了良好的效果［2］。將高分子內烯烴磺酸鹽與助表劑和堿復配后，展現出界面活性較高、增溶能力較強和界面張力較低的特點，同時該體系可以明顯提高采收率［3］。高分子內烯烴磺酸鹽能應用于更為廣泛的油藏條件。國外從內烯烴磺酸鹽的制備到內烯烴磺酸鹽驅油體系的復配都進行了全面深入地研究。目前國內絕大多數油田已進入開發中高后期，未來低滲透油氣田必然會成為保障油氣產量的首要開發目標，尋找高性能的微乳液配方成為當務之急。丁穎等［4］發現高分子量內烯烴磺酸鹽對高含蠟量和高黏度原油有著非常好的驅替效果。當高碳數內烯烴磺酸鹽與適量的助表劑、堿和鹽復配時，微乳液的相行為類型和超低表面張力均能大幅改善驅油條件，提高驅油效率［5-6］。目前國內對于高分子內烯烴磺酸鹽微乳液的研究多應用于中高滲油藏，缺乏對于低滲透油藏應用的研究，同時有關高分子內烯烴磺酸鹽微觀驅油機理的研究較少。

筆者首先通過正交實驗確定高分子內烯烴磺酸鹽微乳液最佳相態配方；接著通過微觀驅油實驗研究微乳液微觀驅油機理，對微乳液在低滲透油藏微小孔道的微觀力以及相行為進行可視化研究；然后進行低滲透巖心驅油實驗，對微乳液宏觀驅油效果進行分析；最后對高分子內烯烴磺酸鹽微乳液的性能進行評價，并在大慶榆樹林油田進行了現場試驗。該研究對于改善低滲透油藏驅替環境和提高采收率具有重要的意義。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

內烯烴磺酸鹽（C24-28IOS），自制；正己烷，分析純，東莞市源旺化工有限公司；t-戊醇、氯化鈉，分析純，上海進才石油化工有限公司；碳酸鈉，分析純，青島鵬興化工科技有限公司；二次去離子水；原油，大慶油田榆樹林采油廠；模擬油由原油和煤油配制，黏度（45℃）約為10 mPa·s；低滲透人造巖心，2.5×2.5×10（cm）；模擬地層水，礦化度5888.4 mg/L，離子組成（mg/L）為：Na++K+2013.9、Ca2+116.2、Mg2+19.5、SO42-14.41、HCO3-1034.9、Cl-2559.5；注入水，礦化度485 mg/L，pH值為7.64，NaHCO3型，離子組成（mg/L）為：Na++K+28.3、Ca2+64.1、Mg2+21.9、SO42-11.5、HCO3-350、Cl-8.86；親水透明微觀刻蝕玻璃模型，40 mm×40 mm，潤濕性與現場一致；朝陽溝油田天然巖心砂。

UX-2型雙聯恒溫箱，江蘇聯友科研儀器有限公司；85-2型磁力攪拌器，青島聚創環保有限公司；HKY型恒速恒壓驅替泵、CK-1型真空泵，海安縣石油科研儀器有限公司；BS355巖心切割機，德陽福瑞達有限公司；DY-4型高壓洗油儀，南通市中京機械有限公司；HBS-400型恒速恒壓驅替泵，南通市中京機械有限公司；BX43型奧林巴斯顯微鏡，上海普赫光電科技有限公司；TX-500D旋轉界面張力儀，北京北信科儀分析儀器有限公司；馬爾文3000激光粒度儀，上海思百吉儀器系統有限公司；CIR-100界面流變儀，英國Camtel公司。

1.2 實驗方法

（1）IOS中相微乳液的制備

配制含有C24-28IOS、t-戊醇、NaCl和Na2CO3的水溶液5 mL；向試管中加入5 mL正己烷，用磁力攪拌器攪拌均勻使整個體系充分混合之后放入45℃的恒溫箱中靜置；每隔一段時間讀取各相體積，直到每相體積穩定，并記錄每相體積界面刻度。設計了L9（34）的正交實驗［7-8］，見表1。其中，固定油和水的體積比為1∶1，表面活性劑、助溶劑和醇加量均為質量分數。

表1 新型內烯烴磺酸鹽微乳液正交實驗設計表

（2）IOS微乳液微觀驅油實驗

選取透明刻蝕玻璃用于模擬地層微觀孔隙結構，計算機將顯微鏡獲取的圖像進行數值分析，并對水驅后剩余油的成因及類型進行區分，對后續微乳液驅油效果進行可視化分析。實驗設備及流程見圖1。實驗步驟為：過濾原油及注入水，防止阻塞模型；模型抽真空后飽和模擬油；利用驅替泵以0.03 mL/h速度對玻璃模型進行恒速恒壓水驅油，水驅至含水95%，用配好的IOS微乳液繼續驅替，計算機收集剩余油形態及分布圖像資料；分析圖像；清洗刻蝕玻璃模型；重復上述步驟。實驗溫度為45℃。

圖1 IOS微乳液微觀驅油實驗裝置示意圖

（3）IOS微乳液巖心流動實驗

經測定，0.3%C24-28IOS+0.6%t-戊醇+1.25%NaCl+1.25%Na2CO3微乳液體系的礦化度為508 mg/L，飽和巖心的模擬榆樹林模擬地層水礦化度為5888.4 mg/L，為避免注入微乳液與巖心礦化度相差太大引發水敏效應，將礦化度為485 mg/L的注入水分批次注入巖心。實驗步驟為：①將驅替裝置、壓力檢測裝置、采出液收集裝置等按正確的流程連接，檢查各個點漏氣和漏液情況，確保均無漏點；②將巖心切割成若干圓柱狀小巖心，抽提洗油并干燥，測定巖心的孔滲參數，選取2塊物性和尺寸均十分接近的巖心作為實驗巖心；③將選好的巖心浸入模擬地層水中，使用真空泵對巖心抽真空，利用巖心內的負壓吸水，為減小誤差，用稱重法測量巖心飽和前后的質量差，計算巖心飽和水體積；④使用巖心夾持器夾持水濕巖心，利用恒速泵向巖心中注入模擬油，對驅出的水進行計量，與飽和進入模型的水量進行比較，計算巖心的初始含油飽和度；⑤取2塊巖心，分批次注入注入水，進行水驅油實驗，對出口端采出液進行油、水體積測量，直至采出液含水率為95%；⑥選取一塊巖心，繼續水驅至含水100%；另一塊巖心注入0.5 PV的C24-28IOS/t-戊醇/NaCl/Na2CO3微乳液體系，后續水驅至含水率100%。分別記錄2塊巖心不同時刻的采出液中油和水的體積以及巖心兩端的壓差。

（4）微乳液性能評價

配制C24-28IOS溶液（0.3%C24-28IOS+0.6%t-戊醇+1.25%NaCl+1.25%Na2CO3），分別測量其界面張力、微粒含量、黏度、增溶能力等。①界面張力的測定。利用旋轉界面張力儀測量微乳液與模擬油之間的界面張力［9］。②粒徑的測定。用恒速壓汞方法測量低滲透率巖心的喉道直徑分布，用激光粒度儀測量微乳液的粒度分布。③黏度與黏彈性的測定。在45℃下，用界面流變儀測定微乳液的黏度、儲能模量和耗能模量。④增溶能力評價。在裝有10 mL微乳液的試管中通過微量滴定管加入一定量模擬油，晃動試管，若溶液變澄清則繼續加入油相，如此往復直到晃動后渾濁不消失即為增溶終點，記錄滴加的模擬油體積。增溶能力可用增溶參數（SP）表示，即單位質量的表面活性劑所增溶油的體積，利用公式SPo=Vo/ms、SPw=Vw/ms算出油相、水相的增溶參數（SP）［10］。式中，Vo、Vw—增溶到表面活性劑中油、水的體積，ms—表面活性劑的質量。當SPw和SPo相等時的SP記為SP*，作為衡量微乳液增溶能力強弱的重要指標。⑤吸附損耗評價。在錐形瓶中放入10 g天然巖心砂，加入50 mL微乳液，密封后在45℃恒溫箱中振蕩8 h，靜置后取上層清液，測定吸附前后溶液中C24-28IOS的濃度，按式（1）計算表面活性劑吸附損耗量。

式中，Z—單位質量的天然巖心砂吸附C24-28IOS的量，mg/g；c0—吸附前C24-28IOS的質量濃度，mg/L；c—吸附后C24-28IOS的質量濃度，mg/L；V—C24-28IOS溶液的體積，L；m—油砂的質量，g。

2 結果與討論

2.1 IOS中相微乳液配方優選

按照不同的高分子內烯烴磺酸鹽微乳液配方制備微乳液體系，所得油相、水相、中相微乳液的體積見表2，正交實驗結果見表3。由表3可見，3種組分濃度對形成中相微乳液的影響程度從大到小依次為：cIOS＞ct-戊醇＞c碳酸鈉＞cNaCl。當C24-28IOS加量為0.3%、t-戊醇加量為0.6%、NaCl加量為1.25%、Na2CO3加量為1.25%時，內烯烴磺酸鹽微乳液接近達到最佳中相微乳液狀態。按此加量配制IOS微乳液備用。

表2 按不同配方配制的體系體積

表3 正交實驗結果分析表

2.2 IOS微乳液微觀驅油機理

通過刻蝕玻璃的微觀水驅油可視化分析（顯微鏡放大30倍），發現水驅后大致有兩類殘余油：第一類為水驅過程中尚未波及區域的殘余油，在遠離水驅主流線的區域存在大量的殘余油無法動用；第二類為水淹區內的殘余油，水驅到的區域由于潤濕性以及毛管力等的作用，部分油無法被驅替而形成殘余油。根據水驅孔道中的殘余油所在孔道的特點，可以將其分為以下5種類型：柱狀、油滴狀、膜狀、盲端狀和簇狀。

2.2.1 油滴狀殘余油

水驅后，那些沒有進出通道的孔隙中存在殘余油，其量的多少取決于死孔隙的體積。水驅過程中，水沿著水濕孔道的孔壁突破，將油從孔壁剝離下來，以被水相包裹的形式運移，當遇到一些孔道半徑小于油滴半徑時，油滴通過這些喉道時需要發生變形。由于水驅時油水界面張力高，油滴不易變形，以至于油滴在喉道處滯留，形成了油滴狀殘余油［11］。微乳液的超低界面張力以及黏彈性對油滴的形變有著非常積極的影響。首先，IOS微乳液體系/油的界面張力極低，殘余油滴收縮力的減小使油滴容易發生變形和拉長；其次，由于IOS微乳液流線變形而產生的彈性力作用于油滴，使油滴更加容易變形；最后，由于流線改變方向和速度而產生的動能力，不斷推動油滴向前移動。殘余油在IOS微乳液持續擴散裹挾下，不斷變形、拉長、斷裂，最終通過狹小喉道（圖2）。

圖2 油滴狀殘余油的啟動和運移過程

2.2.2 柱狀殘余油

水驅時，一些長孔道中的油受到的驅動力小于滯留力，只有部分油能采出（或者沒有采出），從而在孔道中滯留下一部分油（圖3）。在當前的注入條件下，只通過水驅已經不能將其采出，形成柱狀殘余油。柱狀殘余油在形態上一般表現為占據一個單獨的孔道，且不與其他的油相連通。IOS微乳液首先激活啟動壓力較小的柱狀殘余油。一方面，由IOS微乳液的黏彈效應可以拉拽出部分這類殘余油；另一方面，柱狀殘余油通過親油細孔道時須克服毛細管力。實驗中IOS微乳液體系/油的界面張力最低可降至10-4mN/m，接觸角也存在著不同程度的降低，孔道潤濕性發生改變，因此與水驅相比，毛細管阻力可大大降低［12］。

圖3 柱狀殘余油的啟動和運移過程

2.2.3 油膜狀殘余油

膜狀殘余油的形成有2種因素：原油中的部分極性物質、重組分物質膠結在孔壁上，形成膜狀剩余油；在水驅過程中，水中攜帶的氧將油膜表面氧化，導致油膜表面稠化，水驅的剪切力小于油膜的黏滯力，形成膜狀殘余油。在微乳液驅過程中，首先，IOS微乳液驅油體系的黏彈性使油膜表面逐漸軟化、變形、拉長；其次，油膜變形引起油膜上的驅替速度發生變化，產生的微觀力又作用于膜狀殘余油；同時，IOS微乳液的吸附可以改變壁面的潤濕性，導致油膜前緣與壁面之間的接觸角變小；最后，IOS微乳液體系改變油膜的流變性，油膜邊界層對油膜的約束力減小，油膜逐漸變薄，最終被驅替（圖4）。

圖4 油膜狀殘余油的啟動和運移過程

2.2.4 簇狀殘余油

這類殘余油常存在于被暢通的大孔道包圍的小孔道中。注入水沿著阻力較小的大孔道優先突破，小孔喉群由于繞流作用存在大量由許多“油滴”或“油柱”組成的簇狀殘余油。水驅過程中，注入水沿著高滲孔道前緣突破后，滯留區內殘余油難以啟動。在IOS微乳液驅油過程（圖5）中，首先由于黏彈性流體“可變直徑活塞”效應［13］，IOS微乳液流邊緣的流速和流量均比水高，所產生的微觀推動力也大，殘余油不斷被擾動和攜帶；其次IOS微乳液體系的超低界面張力使得前端凸起部分的毛管力大幅度降低，形成一個新的、可以向前移動的、獨立的油滴；最后隨著部分油滴被IOS微乳液剪切驅替，水驅后的殘余油滯留力與驅動力平衡態被打破，微乳液依靠其黏彈性逐漸進入滯留區，隨著殘余油與IOS微乳液接觸面積逐漸增大，大量簇狀剩余油被推出滯留區。

圖5 簇狀殘余油的啟動和運移過程

2.2.5 盲端殘余油

在水驅過程中，盲端殘余油呈孤島狀存在于孔喉比較大的孔隙死角處，具有開口端較窄而封閉端較深的特點，導致水驅的啟動壓力難以將其驅動。盲端殘余油的啟動和運移過程見圖6。IOS微乳液體系的黏滯力使得殘余油前端受到拉扯形成凸起，同時微乳液體系因流速改變產生的微觀力又作用于殘余油，盲端開口處的殘余油不斷被微乳液拉拽，殘余油前緣逐漸變形、拉長，最后殘余油的一側被微乳液突破，剝落成小油滴而被驅替。盲端深處的殘余油持續補充斷脫成小油滴被微乳液運移。

圖6 盲端殘余油的啟動和運移過程

2.3 IOS微乳液驅油效果

在長10.2 cm、直徑2.50 cm、孔隙度13.7%、滲透率7.8×10-3μm2、束縛水飽和度0.34的巖心中水驅的驅油效率為32.97%，在長10.1 cm、直徑2.50 cm、孔隙度13.4%、滲透率7.5×10-3μm2、束縛水飽和度0.31的巖心中進行IOS微乳液驅的驅油效率為42.13%。水驅和IOS微乳液驅過程中含水率和驅油效率的變化見圖7。低滲透巖心的驅油效果從驅油效率角度來看，水驅油效率為32.97%，當加入IOS微乳液體系時采收率可達42.13%，最終采收率與水驅相比提高9.16%。從含水率角度來看，當水驅含水率約95%時開始注入IOS微乳液，最多可以降低含水率8.2%。高含水開發后期注入IOS微乳液能起到明顯的增油降水作用。一方面微乳液能通過吸附降低油/水界面張力，降低殘余油飽和度，提高驅油效率；另一方面微乳液具有乳化增黏作用，可降低高滲透層滲流能力、提高低滲透層波及體積，起到流度控制的作用從而提高低滲透層動用程度；同時由于微乳液的彈性，依靠其變形的微觀力起到提高驅油效率的作用［14-15］。

圖7 水驅（a）和IOS微乳液驅（b）過程中含水率和采收率的變化

2.4 IOS微乳液性能評價

2.4.1 界面張力

用旋轉界面張力儀測得IOS微乳液與模擬油之間的界面張力為6×10-4mN/m。

2.4.2 粒徑

低滲透率巖心的喉道直徑分布和IOS微乳液的粒度分布見圖8。對于直徑較小的喉道，IOS微乳液粒徑略小于喉道直徑，可以起到驅替的作用；對于直徑較大的喉道，IOS微乳液粒徑略大于喉道直徑，可以起到堵塞的作用。

2.4.3 黏度

黏度是衡量微乳液性能好壞的重要指標［16］。對于低滲透油藏，黏度的影響尤為明顯。在45℃下，IOS微乳液黏度隨剪切速率的變化見圖9。由圖可見，IOS微乳液黏度適中。該黏度區間既不會造成注入困難，也不會引起微乳液的竄流［17］。

圖8 IOS微乳液粒徑分布

圖9 IOS微乳液黏度隨剪切速率的變化

2.4.4 黏彈性

在45℃下，IOS微乳液儲能模量和耗能模量隨角速度的變化見圖10。當角速度低于1.6 rad/s時，耗能模量G''高于儲能模量G'，IOS微乳液主要表現為黏性溶膠狀；當角速度高于1.6 rad/s時，引起彈性響應，儲能模量G'高于耗能模量G''。在低剪切速率條件下，IOS微乳液體現出彈性為主的特性［18］。

圖10 IOS微乳液儲能模量、耗能模量隨角速度的變化

2.4.5 增溶能力

增溶能力為單位表面活性劑質量增溶的油相體積。實驗測得10 mL IOS微乳液體系的增溶參數SP*為35 mL/g，增溶能力較強。

2.4.6 吸附損耗

IOS微乳液在巖心表面的吸附量隨吸附時間的變化見圖11。IOS微乳液在7 h左右達到吸附平衡，最大吸附量為1.86 mg/g，平衡吸附量為1.1 mg/g。

2.5 IOS微乳液礦場試驗

大慶榆樹林油田滲透率和孔隙度低，孔喉結構特征差異大，非均質性十分嚴重［19］。截至2018年12月，樹103區進入中高含水階段后，含水上升速度及產量下降速度明顯加快，純老井自然遞減率為13%數15%。部分油井平均關井時間為4個月，且產量遞減較快，平均產液量從投產初期的2.74 t/d降至目前的1.16 t/d。

圖11 IOS微乳液在巖心表面的吸附量隨吸附時間的變化

選取樹103區的樹57-30井進行IOS微乳液現場試驗，效果較好。（1）水井吸水能力提高。樹57-30井的流動壓力由試驗前的破裂壓力23.5 MPa降至20.3 MPa，下降幅度為15.7%，日注水量由試驗前的18.7 m3增至25.9 m3，提高幅度為38.5%。（2）提高低滲透儲層動用比例。試驗前樹57-30井的低滲透儲層動用層數為3個，試驗后達到5個，試驗前動用比例為16.9%，試驗后上升到28.5%，提高了11.6%。（3）周圍油井產量明顯提升。周圍8口采油井受效，日產液由試驗前的55 t增至73 t，日產油由試驗前的17 t增至23 t，含水由試驗前的69%降至68%，沉沒度由試驗前的226.8 m降至198.9 m。試驗區8口油井累積增油1989 t。原油價格按3499元/t、噸油成本按1235元/t計算，扣除投入費用115萬元，試驗10個月后獲純經濟效益：（3499-1235）×1989-1150000＝335.31萬元。投入產出比為1∶3.35。

3 結論

配方為0.3%C24-28IOS、0.6%t-戊醇、1.25%NaCl、1.25%Na2CO3的內烯烴磺酸鹽微乳液接近達到中相狀態。IOS微乳液驅油機理為：微乳液能與油形成低界面張力，降低殘余油飽和度，增大采油量；微乳液黏度比水大，依靠IOS微乳液的賈敏效應起到控制流度的作用；通過微乳液的調驅作用擴大波及體積；由于微乳液的彈性，依靠其變形的微觀力起到提高驅油效率的作用。

低滲透油藏開發后期高含水階段注入IOS微乳液能起到明顯的增油降水作用，與水驅相比，微乳液驅最終采收率提高9.16%，含水率降低8.2%。將IOS微乳液用于大慶榆樹林油田樹57-30井的增油效果明顯。