薄膜狀剩余油動用條件研究

夏惠芬，王立輝，韓培慧，曹瑞波，劉麗麗，張思琪

(1.東北石油大學，黑龍江 大慶 163318；2.中國石油大慶油田有限責任公司，黑龍江 大慶 163712)

0 引 言

大多數油藏經過水驅后，親油巖石表面仍有大量的剩余油賦存，其中，大多為薄膜狀剩余油，如何將其激活為可動油是亟需解決的問題[1-6]。現有研究常采用微孔道模擬、理論推導、微觀驅油實驗等方法，基于威森伯格數及其滲流方程對薄膜狀剩余油的驅替機理進行研究，而對薄膜狀剩余油的受力分析及動用條件的研究鮮見發表，同時將數值模擬與微觀可視化驅油圖像相結合的報道也較為少見[7-12]。因此，利用數值模擬研究不同界面張力三元復合體系驅替薄膜狀剩余油的臨界破裂條件，并結合微觀可視化驅油圖像，驗證數值模擬的結果，直觀展示薄膜狀剩余油動用的過程。同時，根據給出的定量化參數，精確指導油田開發。

1 實驗材料及設備

化學藥劑：2 500×104相對分子質量的聚丙烯胺酰胺，有效含量為90%；表面活性劑為石油磺酸鹽，有效含量為40%；堿為Na2CO3，有效含量為99%。以上化學藥劑均為大慶煉化公司生產。模擬地層水，清水中NaCl質量濃度為950 mg/L、污水中NaCl質量濃度為4 500 mg/L，所有體系采用清水配制母液，污水稀釋目的液，可視化模型飽和水和驅替實驗均采用污水。實驗用油采用原油與煤油按照一定比例配制的模擬油，45 ℃時黏度為10 mPa·s。

微觀可視化模型：采用光化學刻蝕技術制作光刻玻璃模型，尺寸為40 mm×40 mm，將鑄體薄片的真實孔結構照片置于涂有光敏材料的玻璃上，曝光顯影后在玻璃上復制孔結構圖案。然后，利用氫氟酸處理暴露在外的玻璃模板，以顯示孔隙結構印痕。最后，添加蓋板，進行高溫燒結，得到所需模型。該玻璃模型與實際巖心的孔隙結構的尺寸和形狀上基本一致，可清晰觀察到流體流動。采用美國Texas-500旋滴界面張力儀檢測溶液性質，采用微觀可視化系統進行驅油實驗。

2 實驗方法

2.1 薄膜狀剩余油受力及變形模擬

采用Polyflow軟件對薄膜狀剩余油變形及運移進行模擬(圖1)。驅替液在2個平行平板間流動，流道長度為100 μm，寬度為20 μm，簡化的物理模型如圖1a所示。驅替液在x方向的壓差作用下流動，由于邦德數Bo<1(Bo為驅替液與油膜的重力差與二者間的界面張力的比值)，重力作用忽略不計。不可壓縮黏彈性流體在微尺度孔道中呈等溫、層流流動，在微通道壁面底部有剩余油，設定流道為光滑均勻，忽略邊界層的影響。當計算剩余油膜受力時，假定剩余油為靜止狀態；當計算剩余油變形時，假定三相接觸點A、B固定。使用Gambit作為前處理軟件，用于生成網格，劃分流場區域。計算區域采用四邊形結構化網格進行剖分，網格長度為10h，寬度為2h(h為初始剩余油的高度，μm)，網格節點數為1 758，剩余油的網格節點數為301，運動過程中采用自適應網格防止驅替液和剩余油界面前端過度變形(圖1b)。

圖1 薄膜狀剩余油受力分析Fig.1 The force analysis of film remaining oil

驅替液密度為1 000 kg/m3，油膜密度為850 kg/m3，注入流量為2-10m3/s，驅替液黏度為40 mPa·s，油膜的黏度為10 mPa·s，界面張力為0.03 mN/m，驅替壓力梯度保持在0.02 MPa/m，通過改變油膜的尺寸、體積及潤濕性，計算油膜的變形情況，基礎參數見表1。

表1 模擬基礎數據Table 1 The simulation basic data

2.2 微觀可視化驅油實驗

2.2.1 實驗材料及參數步驟

實驗用水：模擬地層水，清水中NaCl質量濃度為950 mg/L；污水中NaCl中質量濃度為4 500 mg/L。實驗用油：大慶油田采出井原油過濾后與煤油按照1∶9的比例配制模擬油，在45 ℃條件下模擬油黏度為10 mPa·s。堿：分析純碳酸鈉，有效含量為99.99%。表面活性劑：石油磺酸鹽，有效含量為40%。聚合物：相對分子質量為2 500×104的普通聚合物，有效含量為90%。上述試劑均由大慶煉化公司生產。

采用聚合物、堿及表面活性劑配制不同界面張力的三元復合體系進行微觀可視化驅油實驗，組分及界面張力見表2。

表2 不同界面張力三元復合體系組成Table 2 The composition of ASP flooding system with different interfacial tension

實驗步驟：實驗在45 ℃恒溫下進行，模型抽真空后，飽和模擬油，以0.03 mL/h的速度進行水驅，當模型不再出油時，實驗停止，對不同驅替時刻的圖像進行檢驗，計算水驅階段的采收率。水驅結束后，分別注入不同組合的三元復合體系至模型不再產出油，計算三元復合驅替階段的采收率。

2.2.2 可視化模型采收率計算

采用四川大學圖像信息研究所研發的CIAS-2000微觀可視化驅油圖像分析系統采集動態圖像并計算采收率，操作步驟為：①在顯微鏡頭視域內選擇計算區域并校對光源；②將視域內模型邊緣處的無效區域去掉；③水、油和可視化模型通過灰色閾值區分，閾值設置為106，利用最大方差法，采用紅色標記，計算視域內模型的骨架面積；④通過模型干燥與飽和油后的質量差得到模型孔隙體積，輸入軟件中；⑤不同驅替階段結束后，通過計算剩余油塊的總像素數，得到剩余油的總面積，通過產出油面積與孔隙面積的比值，計算不同驅替方式的采收率。

3 結果與討論

3.1 薄膜狀剩余油受力分析

采用matlab軟件中心差分算法計算變形后的油膜界面各點的曲率半徑：

(1)

式中：R為曲率半徑；y′為x關于y的一階導數；y″為x關于y的二階導數。

驅替3 s時油膜受力分析如圖2所示。由圖2可知，在拐點A左側，油膜界面所受的法向力與毛管力方向相反，在A點右側，法向應力和毛管力均指向油膜內部，只有B點附近存在一個小區域，法向應力背離油膜，指向驅替液，毛管力和法向力方向相反。由拉普拉斯方程可知，界面張力不變，曲率半徑越小，毛管力越大。該區域曲率半徑與其他區域相比更小，毛管力更大。法向力雖然與毛管力方向相反，但法向力數值非常小，二者的合力依然朝向油膜內部。因此，線段AC右側的油膜界面所受的合力均指向油膜內部，加劇了該部分油膜的收縮，在驅替液不斷地剪切作用下，逐漸收縮成球形，并且沿著流動方向拉伸，與剩余油膜母體距離逐漸拉大，直至破裂分離出小油滴。綜上所述，油膜將會在拐點A、C處向油膜內部收縮，A、C點為油膜破裂點。

圖2 油膜應力分布Fig.2 The stress distribution of oil film

3.2 薄膜狀剩余油變形計算

毛管數為黏性力與界面張力的比值，毛管數越大，驅替液作用在油膜上的黏性力越大，油膜越易變形，因此，可采用毛管數來判定油膜破裂條件，確定剩余油的動用條件。毛管數的計算公式為：

(2)

式中：Ca為毛管數；μ為驅替液的黏度，mPa·s；G為壁面的剪切速率，s-1；R為靜止時油滴的曲率半徑；σ為驅替液與油膜間的界面張力，mN/m。

當毛管數分別為0.01、0.05、0.10、1.00時，不同油膜尺寸的變形情況如圖3所示。由圖3可知，對于同一油膜，毛管數越大，油膜變形越大。當毛管數小于0.10時，油膜變形幅度較小，當毛管數達到1.00時，油膜變形明顯增大。由圖3a、b對比可知：油膜長度相同，高度不同的情況下，油膜高度大，其初始潤濕角較大，巖石親油性越弱，變形情況更明顯；由圖3b、c對比可知：油膜高度相同的情況下，巖石潤濕性相同，油膜越長，體積越大，變形程度越小，更加難以驅替。

圖3 不同油膜隨毛管數形狀變化Fig.3 The shape change with capillary number of different oil film

為了定量描述油膜體積和潤濕性對油膜變形的影響，定義變形率的概念。油膜在驅替液作用下發生變形的過程中體積不變，但是油膜與驅替液的界面面積隨著油膜的變形而不斷發生變化。因此，將變形后與變形前的界面面積差與變形前界面面積的比值定義為變形率：

(3)

式中：δ為變形率；A′為變形后的界面面積，μm2；A為變形前的界面面積，μm2。

利用式(3)計算不同條件下油膜的變形率，結果如表3所示。由表3可知：對于同一油膜，毛管數越大，油膜的變形越大。當毛管數不大于0.10時，不同大小油膜的變形均較小；當毛管數為1.00時，油膜變形非常大，長度或高度相同情況下，油膜縱橫比越大，對應初始潤濕角越大，變形率越大。油膜潤濕角相同時，油膜體積越小，變形越大；油膜體積相同時，初始潤濕角越大，變形越大。

表3 不同油膜毛管數與變形率的關系Table 3 The relationship between capillary number of different oil film and deformation rate

將油膜達到穩定狀態時的毛管數定義為臨界毛管數，當模型內流場毛管數小于臨界毛管數，無論驅替液作用多長時間，油膜形狀不再發生變化，此時油膜可達到穩定狀態。當毛管數不小于臨界毛管數，隨著驅替液不斷作用在油膜上，油膜形狀持續變化，直到破裂分離。通過變形計算得到不同情況下的臨界毛管數(表4)，其中，驅替液黏度為40 mPa·s，油膜黏度為10 mPa·s，驅替壓力梯度為0.02 MPa/m。由表4可知：不同大小的油膜臨界毛管數和臨界界面張力不同。油膜長度相同，高度越小，油膜體積越小，初始潤濕角越小，臨界毛管數增加，臨界界面張力降低；油膜高度相同，長度越小，初始潤濕角越大，油膜體積越大，臨界毛管數降低，臨界界面張力增加。

表4 不同油膜尺寸對應的臨界毛管數Table 4 The critical capillary numbers corresponding to different oil film sizes

4 微觀可視化驅油實驗

采用不同界面張力的三元復合體系在可視化模型中進行驅油實驗，由于水濕模型的薄膜狀剩余油較少，因此，采用油濕模型進行驅油實驗。親油孔道中的薄膜狀剩余油的連續性隨著孔道親油性的增強而增強，孔道對薄膜狀剩余油的束縛作用也越強，采出薄膜狀剩余油的難度越大。圖4為不同界面張力三元復合體系驅替薄膜狀剩余油的圖像。由圖4可知：當界面張力為0.180 0 mN/m時，在驅替液的作用下，附著在孔道的薄膜狀剩余油未出現明顯變薄或減少，但在驅替方向上，油膜前端富集的剩余油出現明顯形變，且隨著驅替的進行，變形幅度越來越大，表明驅油體系流經薄膜狀剩余油富集前端時所受法向應力大于毛細管力，造成油膜變形(圖4a)。當驅油體系界面張力為0.018 0 mN/m時，貼壁附著的薄膜狀剩余油在驅替過程中富集在某一部位，受剪切力及拉伸力影響，富集的尖端逐漸拉長，在某一部位斷裂形成油滴，油滴在三元體系的攜帶作用下向采出端運移，尖端收縮。薄膜狀剩余油經過反復的“拉長—斷裂油滴—收縮—拉長”過程，薄膜狀剩余油被逐漸采出，直觀展示了油膜受力—變形—分離的過程(圖4b)。水驅后薄膜狀剩余油附著在孔壁上，壁面潤濕性親油，接觸角大于90 °，由于水對油膜的剪切力小于油膜的附著力，不足以將油膜剝離，當界面張力為0.001 8 mN/m時，驅替液與油膜接觸后，原油與孔壁的接觸角逐漸變小，隨著孔壁潤濕性的改變，薄膜狀剩余油逐漸從貼壁的油膜變形、聚集成油滴狀，與孔壁的接觸面積之間減小，最終薄膜狀剩余油從孔壁上剝離(圖4c)。

圖4 不同界面張力驅油體系對薄膜狀剩余油作用微觀圖像Fig.4 The microscopic images of the effect of displacement system with different interfacial tension on film remaining oil

利用Polyflow軟件數值方法對油膜受力變形情況進行分析，通過定義油膜變形率定量給出薄膜狀剩余油的動用條件，并運用微觀可視化驅油實驗中的動態圖像驗證了數值模擬結果的正確性，即當驅油體系界面張力達到10-2mN/m數量級時，附著在孔道壁面上的薄膜狀剩余油可以被動用。

5 結 論

(1) 通過對油膜進行受力分析可知，驅替液作用在油膜上的法向力大于油膜自身毛管力時，油膜在某一部位發生破裂。

(2) 當毛管數小于0.10時，油膜大小對變形率的影響非常小；當毛管數達到1.00時，油膜變形率非常大。油膜長度相同，高度越小，油膜體積越小，初始潤濕角越小，臨界面毛管數增加，臨界界面張力降低；油膜高度相同，長度越小，初始潤濕角越大，油膜體積越大，臨界毛管數越小，臨界界面張力小幅增加。當界面張力低于0.0700 mN/m時，薄膜狀剩余油發生破裂。

(3) 微觀驅油圖像及數值模擬結果表明，當界面張力達到10-2mN/m數量級時，附著在孔道壁面上的薄膜狀剩余油可以被動用。