泡沫驅前預注低礦化度水提高油濕砂巖原油采收率*

尹玉川，陳 超，姚普勇，周小淞，張忠武，付 紅

（1.中國石油吐哈油田分公司工程技術研究院，新疆鄯善 838200；2.成都理工大學能源學院，四川成都 610059）

0 前言

泡沫驅作為一種三次采油技術，已在保護油層、提高油氣產量方面發揮重要作用。國內外對泡沫驅提高采收率相關機理和影響泡沫驅性能相關因素進行了大量實驗研究［1-3］。泡沫能大幅度提高氣體的表觀黏度，延緩氣體的指進現象，封堵高滲通道，提高采油過程中的波及體積，降低油水界面張力，提高洗油作用［4］。地層壓力、溫度、地層滲透率［5］、地層非均質性、原油、注入方式［6］及注入速率［7］等因素均會影響泡沫驅油性能，發揮泡沫穩定性能對泡沫驅提高采收率具有重大意義。

大量實驗研究已經證明低礦化度水驅可以大幅提高原油采收率［8-9］。原油的極性組分在黏土礦物和儲層巖石中的吸附量隨黏土表面二價陽離子總濃度的增加而增加，進而影響巖石潤濕性［10］；黏土中的羧基物質以與砂巖表面形成靜電橋接的形式黏結多價陽離子［11］。當低礦化度鹽水侵入多孔介質時，發生離子交換，有機絡合物被移除，被未絡合陽離子取代，從而提供了親水性更強的環境，進而提高原油采收率。低礦化度鹽水遇到原油時會形成油包水型微乳液［12］，降低注入水的離子強度會使得油水界面膜黏彈性增加［13］，抑制原油斷裂，并使油聚集形成具有更大油滴的連續相，這些油滴會阻塞孔喉并使水流向未經過流通的含油孔隙，從而提高原油采收率并降低殘余油飽和度。

低礦化度水驅能改變巖石潤濕性并能降低殘余油飽和度，而泡沫在水濕孔隙介質比在油濕孔隙介質更易于生成泡沫。因此，為提高多孔介質中的泡沫驅油性能，通過室內巖心驅替實驗研究在低礦化度水驅協助下泡沫驅的驅油效果，并對比了兩種原油（酸堿含量不同）飽和巖心的驅油效果。

1 實驗部分

1.1 材料和儀器

實驗用油為吐哈油田溫西區塊和溫米區塊脫水原油，分別命名為原油A和原油B，原油A和原油B 在室溫（25℃）下的密度分別為0.831 g/cm3和0.823 g/cm3，在溫度80 ℃、剪切速率170 s-1條件下原油黏度分別為1.53 mPa·s 和1.34 mPa·s，原油總酸值分別為1.314 mg（KOH）/g 和0.976 mg（KOH）/g，原油總堿值分別為0.263 mg（KOH）/g 和0.146 mg（KOH）/g。起泡劑配液用水為模擬地層水。實驗用模擬地層水（FW）和低礦化度水（LSW1 和LSW2）為蒸餾水與各種無機鹽混合而成，具體離子質量濃度見表1，NaCl、KCl、CaCl2、MgCl2、Na2SO4、NaHCO3均為分析純試劑，國藥集團化學試劑有限公司。實驗用巖心均為溫西區塊天然露頭砂巖巖心，巖心參數見表3。表面活性劑XHY-4，有效物含量30%，成都華陽興華化工廠；甲苯（純度99.9%），丙酮，成都科龍化工試劑廠；N2，成都天源氣體制造有限公司。

表1 不同鹽水的離子組成

常規物理模擬驅替實驗裝置，江蘇海安石油科研儀器有限公司，包括中間容器、平流泵、手搖泵、巖心夾持器等；JJ2000B3 旋轉滴界面張力儀，上海中晨數字技術設備有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 巖心預處理

將露頭巖心切片、打磨制得6塊巖心薄片，分別用甲苯、丙酮和蒸餾水進行清洗，然后在100 ℃烘箱中放置2 h。

1.2.2 巖心潤濕性測定

模擬地層條件下巖心受原油老化過程并測量老化巖心受配制水驅替后的潤濕性變化。具體實驗步驟如下：將巖心薄片抽真空、飽和模擬地層水（FW）直至無氣泡離開薄片，在80 ℃下將巖心浸泡在FW 中72 h；將巖心薄片從FW 中取出后放入80 ℃的原油A（或原油B）中72 h；將巖心薄片從原油中取出后放在80 ℃的FW（或低礦化度水LSW1、LSW2）中浸泡1 h，取巖心薄片并拭去表面多余水；最后測量蒸餾水在巖心薄片表面上的接觸角。

1.2.3 巖心驅替實驗

巖心驅替實驗具體步驟如下：①使用真空泵將巖心飽和FW，測巖心濕重，計算巖心的孔隙度和孔隙體積；②將巖心放入巖心夾持器中，用FW水驅替巖心，待驅替壓力穩定后計算巖心的滲透率；③用原油驅替巖心至無水產出，建立束縛水飽和度，在80 ℃下老化72 h；④向飽和原油的巖心中注入FW進行水驅至出口端含水達到98%，接著注入2 PV的LSW 或FW，最后按氣/起泡劑溶液體積流量1∶1 交替注入氮氣和質量分數為0.1%的起泡劑溶液總共2 PV（0.5 PV 起泡劑溶液+0.5PV 氮氣+0.5 PV 起泡劑溶液+0.5 PV 氮氣）。記錄驅替過程中原油采收率與注入量和驅替壓力的實驗數據。整個驅替過程中，溫度為80℃，巖心夾持器圍壓為3 MPa，回壓閥壓力為0 MPa，驅替速率為0.5 mL/min。

2 結果與討論

2.1 注入水礦化度對巖心潤濕性的影響

受兩種酸堿含量不同原油老化處理后的巖心與不同礦化度水接觸到平衡后，巖心潤濕性測試結果見表2。在高礦化度模擬地層水條件下，老化巖心表現為油濕；對于飽和原油A（總酸值1.314 mg（KOH）/g）或原油B（總酸值0.976 mg（KOH）/g）的老化巖心，LSW1（礦化度27840 mg/L）和LSW2（礦化度27840 mg/L）均能改變巖心潤濕性，將油濕巖心改變為水濕巖心，且礦化度越低，巖心潤濕性改變越大。FW 中含有大量的二價陽離子（Ca2+和Mg2+），能夠在原油和砂巖間充當橋梁作用，使帶負電的酸性物質吸附于砂巖表面，由于酸性組分另一端為親油基，因此導致砂巖表面親油性更強；注入低礦化度鹽水時，鹽水／石油（酸性組分）界面、礦物／鹽水界面之間的陽離子數量減少，兩個界面間的雙電層膨脹，兩個界面間的靜電斥力增強導致酸性組分從礦物表面脫落，巖石表面水潤濕性增強。

表2 受原油老化巖心與不同礦化度水接觸到平衡后的潤濕性

在低礦化度效應作用下，和飽和原油A（總酸值為1.314 mg（KOH）/g）的巖心相比，飽和原油B（總酸值為0.976 mg（KOH）/g）的巖心親水性更強。對于總酸值/總堿值的比值高的原油（原油中含有大量的酸性組分，堿性組分含量很少），原油酸性組分含量越低且注入水礦化度越低，二價陽離子橋接作用越弱，吸附在巖石表面的原油也越少。對于總酸值/總堿值的比值低的原油（原油中含有大量的堿性組分，酸性組分含量很少），原油堿性組分濃度高，在地層水作用下原油堿性組分會電離出帶正電荷的極性化合物，原油會直接吸附在巖石表面上使巖石油潤濕，高濃度堿性組分原油對于低礦化度水驅增強巖石親水性不敏感，甚至會增加原油在巖石表面的吸附量。本文對總酸值/總堿值的比值低的原油對低礦化度水驅和泡沫驅的影響不做研究。

2.2 低礦化度水驅和泡沫驅的驅油效果

1 號、2 號和3 號巖心飽和原油A，4 號、5 號和6號巖心飽和原油B。1號（4號）巖心驅替順序為FW水驅-LSW2 水驅-泡沫驅，2 號（5 號）巖心驅替順序為FW水驅-LSW1水驅-泡沫驅，3號（6號）巖心驅替順序為FW水驅-FW水驅-泡沫驅。采收率隨注入量變化情況分別見圖1和圖2，采收率結果見表3。

表3 巖心參數及驅油實驗采收率

圖1 1、2和3號巖心水驅及泡沫驅采收率曲線

圖2 4、5和6號巖心水驅及泡沫驅采收率曲線

FW水驅后，1號、2號和3號巖心原油采收率分別為32.91%、37.60%和35.78%，FW 水驅后建立了殘余油飽和度，經過LSW2、LSW1 和FW 水驅后原油提高采收率分別為4.60%、2.20%和0.13%，經過泡沫驅后原油采收率較LSW2、LSW1和FW水驅提高分別為5.80%、3.40%和1.50%。由實驗結果可知，1號和2號巖心經過低礦化度水驅和泡沫驅后原油采收率有大幅度提升，且1 號巖心提高采收率幅度最大，泡沫驅結束后與FW 水驅相比提高采收率10.40%；2號巖心提高采收率幅度次之，泡沫驅結束后與FW 水驅相比提高采收率5.6%；3 號巖心泡沫驅后與FW 水驅相比提高采收率最小，僅為1.63%。低礦化度水驅改變巖心潤濕性，使巖心表面傾向于水濕，促進巖心表面的原油脫離，且礦化度越低，巖心水濕改善程度越大，后續泡沫驅過程中泡沫更容易生成且穩定，因此經過低礦化度水驅和泡沫驅后原油采收率有大幅度提升。而FW水驅沒能改變巖心潤濕性，且由于殘余油飽和度過高，氣液交替注入過程中原油與泡沫接觸時泡沫容易破裂，主要依靠表面活性劑降低油水界面張力以提高采收率，故最終采收率不高。

FW水驅后，4號、5號及6號巖心的原油采收率分別為39.81%、33.67%和34.40%，FW 水驅后注入2 PV的LSW2、LSW1和FW后原油提高采收率分別為6.80%、3.50%和0.09%，經過泡沫驅后原油采收率較LSW2、LSW1 和FW 提高分別為7.40%、4.30%和2.40%。4 號巖心經過低礦化度水驅和泡沫驅后提高采收率幅度最大，泡沫驅結束后與FW 水驅相比提高采收率為14.20%；5 號巖心提高采收率幅度次之，泡沫驅結束后與FW 水驅相比提高采收率8.8%；6 號巖心泡沫驅后與FW 水驅相比提高采收率最小，僅為2.49%。

不管是低礦化度水驅還是泡沫驅，飽和了原油B的巖心提高原油采收率幅度均比飽和原油A的巖心提高原油采收率幅度高。

低礦化度水驅進一步降低了殘余油飽和度，原油在巖石表面的吸附量減少，巖心親水性增強，為后續泡沫驅提供一個更為水濕的多孔介質以促進泡沫的生成和穩定，最終提高原油采收率。此外，低總酸值原油對低礦化度水驅改變巖心潤濕性更敏感，原油酸性組分含量越低，低礦化度水越能提高巖心水潤濕性，后續泡沫驅提高采收率幅度越高。

2.3 泡沫驅過程中注入壓力變化情況

圖3 和圖4 分別為氣液交替過程中的1、2 和3號巖心和4、5 和6 號注入壓力隨注入量變化。可知，在孔隙介質中，氣液交替注入形成泡沫時注入壓力波動比較大；與3 號和6 號巖心相比，1 號、2 號及4號和5號巖心注入壓力波動比較大，表明1號、2號及4號和5號巖心在氣液交替注入時形成了有效泡沫，對巖心的高滲通道有一定的封堵作用。泡沫驅前的低礦化度水驅改變巖心潤濕性有助于后續氣液交替時生成泡沫。

圖3 1、2和3號巖心泡沫驅注入壓力變化

圖4 4、5和6號巖心泡沫驅注入壓力變化

泡沫驅前注入LSW2的1號和4號巖心，泡沫驅時的最高驅替壓力最大，分別為0.21 MPa 和0.24 MPa；泡沫驅前注入LSW2 的2 號和5 號巖心，泡沫驅時的最高驅替壓力次之，分別為0.18 MPa和0.21 MPa；而泡沫驅前注入模擬地層水的3 號和6 號巖心，泡沫驅時的最高驅替壓力最小，分別為0.09MPa和0.08 MPa。這表明注入LSW2后泡沫驅的封堵效果最佳，注入LSW1后泡沫驅的封堵效果次之，注入FW后泡沫驅的封堵效果最差。注入水的礦化度越低，二價陽離子橋接作用越弱，巖心親水性變得越強，氣液交替時越容易生成穩定泡沫，從而提高泡沫的封堵能力。

當飽和原油的總酸值含量越低時，低礦化度效應越明顯，泡沫驅時的最高驅替壓力越大，低礦化度水驅和泡沫驅產生協同效應更大幅度提高原油采收率。

所有實驗結果表明，先進行低礦化度水驅再進行泡沫驅能大幅度提高原油采收率，其它因素比如原油組分、原油瀝青質含量、地層溫度和壓力、地層黏土礦物的溶解和泡沫注入方式對于這種驅油方式提高原油采收率的影響還有待進一步研究。

3 結論

在地層水條件下，原油中的負電酸性組分主要通過二價陽離子架橋吸附于砂巖表面。注入低礦化度水時，砂巖表面與酸性組分之間的陽離子減少，砂巖表面和原油酸性組分間的雙電層膨脹，酸性組分脫離砂巖表面，巖石親水性增強。礦化度越低，礦化度水與老化巖心接觸后，巖心潤濕接觸角越小。

注入低礦化度水后泡沫驅階段氣液交替注入更容易生成穩定泡沫，對巖心的封堵效果更好。

低總酸值原油對低礦化度水增強巖石親水性更敏感。飽和低濃度酸性組分原油的巖心，注入低礦化度水后泡沫驅過程中更容易生成高封堵效果的穩定泡沫，提高原油采收率幅度更大。