弱碱三元复合驱增油效果影响因素及其作用机理研究

孙 哲， 卢祥国， 孙学法， 周彦霞

(1. 海洋石油高效开发国家重点实验室，北京 100028； 2. 中海油研究总院有限责任公司，北京 100028； 3. 中国石油大学(北京) 石油工程学院，北京 102249；4. 东北石油大学 提高油气采收率教育部重点实验室，黑龙江 大庆 163318)

碱/表面活性剂/聚合物(ASP)三元复合驱油技术具有采收率增幅较大，注入工艺较为简单和油藏适应性较强等特点，受到油田开发工作者的广泛重视。经过石油科技工作者长期不懈努力，弱碱三元复合驱油技术在大庆油田获得推广应用，为油田“稳油控水”做出了重要贡献[1-3]。尽管该项技术已经投入矿场应用，但有关弱碱三元复合驱油效果影响因素，尤其是乳化作用及其作用机理等方面问题仍受到极大关注。雷征东等[4]利用数值模拟方法，研究了乳化作用对驱油效率和波及效率的影响，认为乳化启动和携带作用提高了驱油效率，高黏度的乳状液提高了波及效率。郭春萍[5]采用不同界面张力体系与原油进行乳化实验，考察了三元复合体系界面张力与乳化性能关系，认为界面张力与乳化性能具有正相关性。张立娟等[6]采用长岩心物理模拟方法，研究了强碱/石油磺酸盐/聚合物三元复合体系在岩心驱替过程中与原油的乳化特性，认为原油和三元复合体系组成对乳化特性和驱油效果存在明显影响。王克亮等[7]采用人造岩心驱替实验方法，研究了弱碱/石油磺酸盐/聚合物三元复合体系与大庆原油间乳化特性及其影响因素，认为含水率和渗透率对乳化效果存在影响，乳状液类型和乳化程度直接影响其注入能力和驱油效果。王俊等[8]研究了弱碱三元复合体系各组分对模拟乳状液乳化稳定性动力学参数、界面黏弹性和扩散双电层Zeta电位等参数的影响，认为表面活性剂浓度愈高，乳状液稳定性愈好；聚合物浓度愈高，油水界面黏弹性愈大，乳状液稳定性愈好。由此可见，三元复合体系与原油间的乳化作用有利于提高三元复合驱增油效果。与强碱三元复合驱采出端结垢不同[9-11]，弱碱三元复合体系配制和注入过程中，弱碱与溶剂水中Ca2+和Mg2+离子发生化学反应，生成碳酸盐微颗粒，沉淀在喂液管、注入泵、流量计、地面管线和地层岩石孔隙内，这势必会对弱碱三元复合体系性能和增油效果造成影响，但相关问题研究文献报道还不多。本文以大庆储层地质特征和流体性质为模拟研究对象，以注入压力和采收率为评价指标，开展了聚合物溶液和弱碱三元复合体系渗流特性和驱油效果实验研究和作用机理分析，对改善弱碱三元复合驱增油效果具有重要参考价值。

1 实验部分

1.1 药剂和复合体系配制

聚合物为中国石油大庆炼化公司生产的部分水解聚丙烯酰胺干粉(HPAM)，相对分子质量为2 500×104，固含量90%；表面活性剂为中国石油大庆炼化公司生产的石油磺酸盐，有效含量39%；碱为Na2CO3。实验用油取自大庆采油五厂弱碱三元复合驱试验区相邻水驱区块油井。实验用水为大庆油田采油五厂注入污水，水质分析见表1。

表1 水质分析Table 1 Water quality analysis

弱碱三元复合体系配制(质量分数)：采用污水配制弱碱三元复合体系(碱1.2%+表面活性剂0.3%+聚合物0.2%)。模拟矿场配制和注入过程中弱碱三元复合体系受到的剪切作用，因此实验前对其进行预剪切，使其黏度保留率为60%。

污水除垢处理：依据污水中钙镁离子浓度，首先计算除垢剂(碳酸钠与氢氧化钠混合物)用量，然后将除垢剂加入污水中搅拌均匀，静置24 h后过滤除去碳酸盐沉淀物。经除垢处理后的污水称之为除垢水。

碳酸盐沉淀物微颗粒粒径分布检测结果见表2。从表2可以看出，聚合物溶液中成垢颗粒粒径分布比较集中，粒径中值D50为11.99 μm。由此可见，当采用污水配制弱碱三元复合体系时，就有碳酸盐微颗粒形成，它们将随弱碱三元复合体系进入岩心孔隙，进而产生液流转向效果。

表2 微颗粒粒径分布测试数据Table 2 The test data of micro particle size distribution μm

1.2 岩心概况

实验岩心为石英砂环氧树脂胶结人造岩心[12-14]，包括二维纵向层内非均质岩心和柱状岩心。二维纵向非均质岩心包括2个渗透层，渗透率Kg分别为200×10-3、500×10-3μm2。岩心采用环氧树脂浇铸密封处理，在中部均匀布置2个测压和取样孔(见图1)。岩心外观几何尺寸：高×宽×长=4.5 cm×4.5 cm×30 cm，各小层厚度为2.25 cm。人造柱状岩心的几何尺寸为2.5 cm×10 cm，Kg为350×10-3μm2。

图1 多测压孔岩心结构示意图

Fig.1Schematicdiagramofcorewithmultiplepressuredetectingpoints

1.3 仪器设备

岩心驱替实验装置主要包括平流泵、压力传感器和中间容器等。除平流泵外，其它部分置于45 ℃恒温箱内。

实验步骤：①岩心常温下抽空饱和水，计算孔隙度；②岩心油藏温度下饱和油，计算含油饱和度；③岩心水驱至含水率98%，计算采收率；④岩心注入弱碱三元复合体系，计算采收率；⑤岩心后续水驱至含水率98%，计算采收率。除特殊说明外，岩心驱替实验注入速度为0.3 mL/min，它是依据大庆油田平均注入速度确定的。

1.4 方案设计

1.4.1 聚合物溶液和三元复合体系渗流特性(柱状岩心)

方案1-1：5 PV聚合物溶液(CP=2 000 mg/L，污水配制)+后续水驱。

方案1-2：5 PV弱碱三元复合体系(CP=2 000 mg/L，CA=12 000 mg/L，CS=3 000 mg/L，污水配制)+后续水驱。

方案1-3：5 PV聚合物溶液(CP=2 000 mg/L，除垢水配制)+后续水驱。

方案1-4：5 PV弱碱三元复合体系(CP=2 000

mg/L，CA=12 000 mg/L，CS=3 000 mg/L，除垢水配制)+后续水驱。

1.4.2 聚合物溶液和三元复合体系驱油效果(多测压孔岩心)

(1)恒速实验

方案2-1：水驱98%+0.7 PV聚合物溶液(CP=2 000 mg/L，污水配制)+后续水驱98%。

方案2-2：水驱98%+0.7 PV弱碱三元复合体系(CP=2 000 mg/L，CA=12 000 mg/L，CS=3 000 mg/L，污水配制)+后续水驱98%。

方案2-3：水驱98%+0.7 PV聚合物溶液(CP=2 000 mg/L，除垢水配制)+后续水驱98%。

方案2-4：水驱98%+0.7 PV弱碱三元复合体系(CP=2 000 mg/L，CA=12 000 mg/L，CS=3 000 mg/L，除垢水配制)+后续水驱98%。

(2)恒压实验

方案3-1：水驱98%+0.7 PV聚合物溶液(CP=2 000 mg/L，污水配制。注入压力为“方案2-1”实施过程中最高注入压力)+后续水驱98%。

方案3-2：水驱98%+0.7 PV弱碱三元复合体系(CP=2 000 mg/L，CA=12 000 mg/L，CS=3 000 mg/L，污水配制。注入压力为“方案2-2”实施过程中最高注入压力)+后续水驱98%。

方案3-3：水驱98%+0.7 PV聚合物驱(CP=2 000 mg/L，除垢水配制。注入压力等于2倍水驱结束时注入压力)+后续水驱98%。

方案3-4：水驱98%+0.7 PV弱碱三元复合驱(CP=2 000 mg/L，CA=12 000 mg/L，CS=3 000 mg/L，除垢水配制。注入压力等于2倍水驱结束时注入压力)+后续水驱98%。

2 结果分析

2.1 聚合物溶液和弱碱三元复合体系渗流特性

在驱油剂黏度相同(近)条件下，测试聚合物溶液和弱碱三元复合体系阻力系数和残余阻力系数，结果见表3。

表3 阻力系数和残余阻力系数Table 3 Resistance coefficient and residual resistance coefficient

注：在聚合物质量浓度(CP=2 000 mg/L)相同条件下，采用预剪切方式使聚合物溶液和三元复合体系黏度相同(近)。

从表3可以看出，与聚合物溶液相比较，弱碱三元复合体系阻力系数和残余阻力系数较大，表明弱碱三元复合体系在岩心孔隙内滞留量较大，渗流阻力较大。与除垢水相比较，注入水配制驱油剂阻力系数和残余阻力系数较大，表明驱油剂中碳酸盐微颗粒在岩心孔隙滞留，增加了渗流阻力。

2.2 聚合物溶液和三元复合体系驱油效果

2.2.1 恒速实验 在0.3 mL/min注入速度条件下，聚合物和弱碱三元复合驱采收率实验结果见表4。

表4 恒速实验采收率数据Table 4 The recovery date of constant speed experiment

从表4可以看出，在驱油剂黏度和段塞尺寸相同(近)条件下，与聚合物驱相比较，弱碱三元复合驱采收率较高，其中污水配制提高6.6%，除垢水提高4.9%。分析表明，由于聚合物溶液和弱碱三元复合体系黏度相同(近)和段塞尺寸相同，表明它们流度控制即扩大波及体积能力相同，其采收率差异则是由于驱油剂与原油间界面张力不同造成的。与聚合物溶液相比较，弱碱三元复合体系与原油间界面张力较低，一方面，提高了洗油效率；另一方面，低界面张力可以引起弱碱三元复合体系与原油间乳化作用，形成O/W型或W/O型乳状液，乳状液在通过岩石孔喉时会产生“贾敏效应”，造成渗流阻力增加，继而产生附加液流转向效果。因此，弱碱三元复合驱采收率增幅较大。

图2 注入压力与PV数关系

Fig.2Therelationshipbetweeninjection-pressureandporevolume

从图2可以看出，对于污水配制驱油剂，弱碱三元复合驱过程中各个测压点压力值都高于聚合物驱的值。对于除垢水配制驱油剂，仍然是弱碱三元复合体系注入压力高于聚合物溶液的值。由此可见，在驱油剂黏度和滞留能力相近条件下，注入压力差异表明岩心孔隙内存在乳化现象或碳酸盐微颗粒滞留作用，它们增大了渗流阻力，提高了注入压力，进而产生了附加液流转向效果，最终提高了采收率。

采用显微观测的方法分析采出液的乳化类型，形成O/W型乳状液(见图3(a))，乳状液液滴尺寸较小，大小分布较均匀。当岩心的剪切作用较强时，还会形成W/O/W型二重型乳状液(见图3(b))。

图3 采出液乳化类型

Fig.3Emulsiontypeofproducedliquid

2.2.2 恒压实验 在化学驱物理模拟过程中，驱油剂注入压力升高幅度往往不会受限制，而矿场注入压力则会受到地层岩石破裂压力和注入设备耐压能力的限制。因此，室内实验因注入压力大幅度升高而获得较大采收率增幅，但矿场却难以实现这样的注入压力升幅，所以增油效果难以达到预期目标。例如，大庆油田聚驱过程中注入压力已经接近储层破裂压力，室内实验结果表明，聚驱后进一步提高采收率,取得了显著的增油降水效果，但矿场试验都未达到预期试验效果。为了消除注入压力升幅过大造成采收率增幅虚高现象，采取恒压方式进行化学驱实验。

采用污水和除垢水配制聚合物溶液和弱碱三元复合体系，在恒压条件下进行驱替实验，采收率实验结果见表5。

表5 恒压实验采收率数据Table 5 The recovery date of constant pressure experiment

从表5可以看出，在恒压和驱油剂黏度相近实验条件下，与聚合物驱相比较，弱碱三元复合驱采收率较高，其中污水配制提高7.0%，除垢水提高6.4%。分析表明，污水弱碱三元复合体系不仅洗油能力较强，而且其中所含碳酸盐微颗粒增加了渗流阻力，提高了注入压力，进而获得了附加液流转向效果。除垢水配制驱油剂消除碳酸盐微颗粒的影响，但此时仍然是三元复合驱采收率增幅较大，表明三元复合体系与原油间乳化作用影响了采收率，这一点可以从采液速度变化得到进一步证实(见图4、5)。

从图4可以看出，当采用污水配制驱油剂时，由于注入压力是采用恒速实验过程中驱油剂最高注入压力作为恒压值，尽管弱碱三元复合驱注入压力要远高于聚合物的值，但弱碱三元复合驱采液速度却并未明显增加，表明岩心内渗流阻力较大，渗流速度较低，进一步证实了乳化现象和碳酸盐微颗粒滞留作用增加了渗流阻力。从图5可以看出，实验采用恒速实验过程中水驱结束时，2倍注入压力作为恒压值(模拟大庆化学驱注入压力从水驱6 MPa升高到12 MPa，即注入压力增加1倍情形)。尽管化学驱和后续水驱过程中注入压力都相同，但弱碱三元复合驱和聚合物驱采液速度却呈现不同变化趋势。在化学驱药剂注入初期，与聚合物溶液相比较，由于弱碱三元复合体系与原油间乳化作用，导致渗流阻力增加，此时采液速度较低。在化学驱药剂注入中后期和后续水驱阶段，由于弱碱三元复合体系洗油效率较高，岩心含油饱和度降低幅度较大，渗流阻力减小，因而采液速度增加并超过聚合物驱的采液速度。

Fig.4Therelationshipbetweeninjection-pressure,liquidproductionrateandporevolume(sewage)

图5 注入压力和采液速度与PV数关系(除垢水) Fig.5 The relationship between injection-pressure, liquid production rate and pore volume(descaling water)

2.2.3 2种注入方式增油效果对比及其作用机理分析 将恒速与恒压实验采收率结果进行对比，见表6。

从表6可以看出，在驱油剂类型和段塞尺寸相同条件下，恒速实验采收率比恒压实验高1.0%～6.4%，其中污水配制驱油剂采收率差异较小，除垢水的差异较大。此外，对于污水驱油剂实验，尽管恒速和恒压实验峰值压力都相同，但前者注入压力是随驱油剂注入量增加而逐渐升高，最终达到峰值压力，并且持续时间较短。后者是从水驱结束后就开始采用峰值压力进行驱替，持续时间较长。从岩心中低渗透层吸液压差(δp=p注入-p启动)角度来看，恒压实验过程中中低渗透层保持较高吸液压差的时间较长，这看似有利于增加中低渗透层吸液量即扩大波及体积，但由于大量驱油剂快速进入中低渗透层,尤其是低渗透层后，会引起严重滞留甚至堵塞，启动压力快速升高，同时高渗透层窜流现象加剧，加快了吸液剖面反转速度。因此，无论是聚合物驱还是弱碱三元复合驱，恒速实验增油效果都好于恒压实验的增油效果。

表6 恒速与恒压实验采收率数据Table 6 Comparison of the recovery date between constant speed and constant pressure experiments

3 结论

(1) 在驱油剂黏度和段塞尺寸相同条件下，与聚合物驱相比，弱碱三元复合驱过程中存在乳化作用和贾敏效应,造成渗流阻力和注入压力较高，加之自身较强洗油能力，因此采收率增幅较大。

(2) 与除垢水三元复合体系相比较，污水三元复合体系中含有碳酸盐微颗粒，它在多孔介质内发生滞留，产生附加渗流阻力和液流转向效果，最终导致采收率增幅较大。

(3) 与恒速实验相比较，恒压实验采用峰值压力驱替时间较早，造成药剂在岩心高渗透层中推进速度加快，突破时间缩短，波及效率和洗油效率降低。

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