聚合物表面活性劑溶液微觀驅油特征*

侯吉瑞，陳宇光，吳 璇，方 舟

（1.中國石油大學（北京）非常規油氣科學技術研究院，北京 102249；2.中石油三次采油重點實驗室低滲油田提高采收率應用基礎理論研究室，北京 102249；3.石油工程教育部重點實驗室，北京 102249）

目前大慶油田基本進入中高含水階段，為了提高油田的采油率，油田開展了CO2驅［1-3］、聚合物驅［4-5］、表面活性劑驅［6-7］及三元復合驅［8-9］等多種化學驅技術。聚合物表面活性劑（簡稱聚表劑）是一種新型的化學試劑，同時具有聚合物改善流度比和表面活性劑乳化原油的能力，且由于試劑中不含堿，可以減少地層傷害，有效提高油田的驅油效果。目前關于聚表劑的研究較多，但基本都是評價聚表劑的基本性能和通過巖心驅替實驗分析提高采收率的效果［10-14］，缺少有關聚表劑微觀驅油方面的研究。因此我們采用微觀刻蝕仿真模型進行模擬實驗。該模型以天然巖心鑄體薄片的孔隙結構為基礎，用光化學刻蝕技術將這種孔隙結構精密地復制到有機玻璃上，既有良好的可視性，又具有與儲層孔隙結構相似的幾何形狀和形態分布，仿真性較好。本文通過微觀刻蝕仿真模型進行微觀可視化驅油實驗，研究微觀模型水驅后和聚表劑驅后的殘余油類型，明確聚表劑驅對模型中殘余油驅替的機理，并對比分析不同濃度聚表劑在微觀模型和巖心驅替實驗中的驅油效果。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

1 號模擬油，脫氣脫水原油與航空煤油按一定比例混合而成，油藏溫度45℃條件下的黏度為7.3 mPa·s；2 號模擬油，脫氣脫水原油與航空煤油按一定比例混合而成，在室溫下的黏度為7.3 mPa·s；大慶油田注入清水，礦化度4032 mg/L，離子組成（單位mg/L）為：K++Na+1234.87、Ca2+21.66、Mg2+11.94、HCO3-1845.42、Cl-864.52；Ⅰ型聚表劑，主要由部分水解聚丙烯酰胺、重烷基苯磺酸鹽及乳化劑OP-10制成，45℃下2000 mg/L聚表劑的黏度為50.1 mPa·s，自制；人造實心圓柱巖心，φ2.5 cm×30 cm，水測滲透率約為770×10-3μm2。

微量泵，北京星達科技發展有限公司；蔡司Stemi 2000-C體視顯微鏡，德國蔡司公司；布氏黏度計，美國博勒飛公司；HW-II型自控恒溫箱，江蘇海安華達石油儀器廠；平流泵，北京衛星制造廠；微觀刻蝕仿真親水模型，幾何尺寸為55 mm×25 mm，有效尺寸為25 mm×18 mm，在模型兩邊分別打孔，模擬一注一采的開發方式，微觀刻蝕仿真模型實物如圖1所示。

圖1 微觀刻蝕仿真模型實物圖

1.2 實驗方法

（1）微觀可視化模型驅替實驗步驟：①安裝實驗儀器；②在室溫下對模型進行抽真空，飽和地層水；③飽和2 號模擬油，用模擬油驅替模型中的水，直至出口端不出水，建立起原始含油飽和度為止；④以0.05 mL/min 流速恒速進行水驅至出口端含水率達到98%時停止水驅，建立起一定的殘余油飽和度；⑤以0.05 mL/min 流速注入聚表劑溶液驅替殘余油。在整個實驗過程中，利用顯微鏡觀察并記錄不同驅替階段模型中油水分布的變化情況。實驗流程圖如圖2所示。

（2）巖心驅替實驗步驟：①安裝實驗儀器，檢測裝置密封性；②對模型抽真空，飽和地層水，測量孔隙體積，計算孔隙度并計算水測透率；③在45℃條件下飽和模擬油，用1號模擬油驅替模型中的水，直至出口端不出水為止，計算束縛水狀態下的原始含油飽和度；④水驅至出口端含水率達到98%時停止水驅；⑤注入0.6 PV聚表劑溶液；⑥后續水驅，當出口端含水率達到98%時停止水驅；⑦記錄油水產量，計算采收率。實驗溫度45℃，流速為0.4 mL/min。

圖2 微觀可視化模型驅替實驗流程圖

2 結果與討論

2.1 水驅后殘余油類型

微觀模型水驅后殘余油類型如圖3 所示，放大倍數10×2倍（目鏡放大倍率×物鏡放大倍率）。水驅結束后，模型中的殘余油類型可以分為以下6 種：（1）殘余油存在于一些不連續的盲孔中，無法被水有效地驅替到，形成盲端殘余油；（2）殘余油附著在孔壁上，形成膜狀殘余油；（3）在水驅過程中一些油最終失去連續性并破裂形成油滴或油珠，以“孤島狀”分布在大孔道的中間部位，形成孤島狀殘余油；（4）殘余油存在于直徑較小、滲流阻力較大、注入水未能波及到的細小孔隙中，形成柱狀殘余油；（5）當一些小孔隙相互連通時，殘余油占據這些細小孔隙而無法流動，形成簇狀殘余油；（6）殘余油在較大孔道中連成一片，面積較大，形成片狀殘余油。通過以上分析可知，在微觀模型中，水驅的波及效率和洗油能力都比較低，水驅主要把大孔道中易驅動的油驅替出去，而不同類型且數量較多的殘余油留在模型中未被驅出，剩余的殘余油需要進一步開發。

圖3 微觀模型水驅后殘余油類型

2.2 聚表劑驅油機理

在水驅結束后，使用2000 mg/L 的聚表劑進行微觀驅替實驗。在聚表劑溶液驅替過程中，由于聚表劑的增黏作用、黏彈性作用和乳化作用，可有效驅替出模型中的殘余油。

2.2.1 增黏作用

聚表劑的增黏作用效果圖如圖4 所示，放大倍數10×2倍。注入聚表劑溶液后，由于聚表劑的黏度遠大于水的黏度，能有效改善油水間的流度比，達到擴大波及體積的目的。因此，黏度較高的聚表劑溶液先是順著大孔道流動，并吸附滯留于大孔道中，增加了大孔道的滲流阻力，使得后續注入的聚表劑溶液進入小孔道流動，擴大了波及體積，而且聚表劑吸附在孔壁上，也降低了油相的滲流阻力。

圖4 聚表劑的增黏作用效果圖

2.2.2 黏彈性作用

聚表劑的黏彈性作用效果圖如圖5 所示，放大倍數10×8 倍。由于聚表劑與原油之間的剪切應力要大于水與原油之間的剪切應力，聚表劑對原油的攜帶能力更強［15］，并且聚表劑溶液的黏彈性也會對殘余油產生一個“拉”、“拽”的作用，通過側向擠壓和刮削的方式使較大的油珠被不斷拉伸、拖拽，逐漸變長變細，最終被拉斷、剝離，形成許多小油滴或油絲，將分布在大孔隙中間的孤島狀殘余油和附著在孔壁上的膜狀殘余油攜帶走，從而減少殘余油飽和度，提高采收率。

圖5 聚表劑的黏彈性作用效果圖

2.2.3 乳化作用

聚表劑的乳化作用效果圖如圖6 所示，放大倍數10×8倍。聚表劑可以與原油產生乳化作用，將無法自由流動的殘余油乳化分散成小體積的油滴而能夠自由流動，即在驅油過程中能將大油滴乳化分散成許多微小油滴，從而產生流動阻力比較小的乳狀液繼續向后運移，并且在運移過程中不再發生聚并。而且聚表劑本身黏度較大，能促使油滴發生變形，在運移過程中油滴更容易通過狹小的孔隙。這種不斷乳化-攜帶的過程會一直緩慢地進行下去，直至油膜和油珠被全部剝離帶走。

圖6 聚表劑的乳化作用

2.3 聚表劑驅后殘余油類型

使用2000 mg/L的聚表劑進行微觀驅替實驗結束后，微觀模型中還有未驅出的殘余油，見圖7（放大倍數10×2 倍）。水驅后產生的6 種殘余油類型中，聚表劑對盲端殘余油的驅替效果不明顯，還有部分盲端殘余油殘留在微觀模型中，靠近主流線的少量盲端殘余油會被聚表劑通過剪切拖拽和乳化作用帶走，而留在盲孔深處的殘余油卻無法被啟動。總體來說，聚表劑對水驅后殘余油的啟動比較明顯，能把大部分殘余油驅替出去，可有效地提高波及效率和洗油效率，最終驅替結束時只存在少量的殘余油，且該殘余油主要以小油滴的形式分布在孔道中或以油膜的形式附在孔壁上或是殘留在盲孔中。

圖7 聚表劑驅后的殘余油

2.4 不同濃度聚表劑微觀驅油效果

聚表劑的濃度對驅油效果的影響較大。選用5種不同濃度的聚表劑進行微觀驅油，聚表劑驅后的殘余油分布情況如圖8所示，放大倍數10×2倍。隨著聚表劑濃度的增大，殘余油的量基本呈現減小的趨勢。1600 mg/L聚表劑溶液驅替后殘余油的分布情況與質量濃度為2000 mg/L時比較相近。在1600數2000 mg/L 加量區間內，聚表劑均能有效降低殘余油飽和度，驅油效果較好，即在這個濃度區間內聚表劑濃度的降低對其殘余油啟動能力的影響較低。但當溶液質量濃度低于1600 mg/L 時，濃度降低對于聚表劑啟動殘余油能力的不利影響開始凸顯。隨著濃度的不斷降低，殘余油的飽和度越來越高，剪切拖拽和乳化作用逐漸減弱，聚表劑對殘余油的啟動能力減弱。質量濃度降至400 mg/L 時的驅油效果較差，聚表劑驅后殘余油飽和度較高。為了使聚表劑在驅替過程中保持較好的殘余油啟動能力，溶液的濃度需要維持在1600 mg/L以上。

圖8 不同濃度聚表劑驅后的殘余油分布

2.5 不同濃度聚表劑巖心驅油效果

由于微觀模型的尺寸較小，無法有效計量采出量，因此使用巖心驅替實驗來計量不同濃度聚表劑提高采收率的效果，并與微觀模型驅油實驗效果進行比較。為了更好的模擬大慶油田油藏地層的實際情況，使用大慶油田注入清水配制400數2000 mg/L 的聚表劑溶液。不同濃度聚表劑溶液在巖心驅油實驗中的驅油效果如表1所示。隨著聚表劑溶液濃度的升高，聚表劑驅采收率升高。400、2000 mg/L 聚表劑的采收率分別為6.36%、19.69%，這與微觀模型驅油效果規律相符。唯一的區別在于微觀模型驅油實驗中，1600 mg/L 聚表劑溶液驅替后殘余油的分布情況與2000 mg/L 時的相近，而在巖心驅油實驗中，1600 mg/L和2000 mg/L聚表劑驅油的采收率相差3.75%。造成這種差距的原因是多方面的。一方面微觀模型是在平面上驅油，所需注入壓力較小，殘余油易被驅出，而巖心實驗是在巖心空間上驅油，所需注入壓力較大，殘余油難被驅出；另一方面是實驗條件不同，微觀模型是在室溫下進行的實驗，而巖心驅替實驗為了更好的與油藏條件對應，在45℃條件下進行，由于溫度不同，同濃度的聚表劑的黏度也不同，而驅替液的黏度能影響波及體積，從而影響驅油效果；并且由于模型的尺寸不同，致使驅替液的注入速度和注入量也不一致，這也會對驅油效果造成影響。整體來說，兩種模型的驅油效果基本相符，當聚表劑濃度較低時，驅油效果差，殘余油啟動能力低，增大聚表劑濃度，驅油效果變好，殘余油啟動能力升高。

表1 聚表劑巖心驅替實驗結果

3 結論

在微觀驅油實驗中，水驅后模型中產生6 種類型殘余油，而聚表劑驅主要通過增黏作用、黏彈性作用和乳化作用來擴大波及體積，降低滲流阻力，“拉”、“拽”殘余油，將大油滴乳化分散成小油滴，從而將殘余油有效驅出。聚表劑對于盲端殘余油的驅替效果不明顯，靠近主流線的少量剩余油會被剪切拖拽和乳化作用帶走，但是盲孔深處的剩余油無法被啟動。

不同濃度的聚表劑在微觀模型和巖心驅替實驗中的驅油效果基本相符。當聚表劑濃度較低時，驅油效果差，殘余油啟動能力低，增大聚表劑濃度，驅油效果變好，殘余油啟動能力升高。當聚表劑質量濃度為2000 mg/L 時的驅油效果最好，可在水驅基礎上提高采收率19.69%。