低渗透油藏微乳液驱启动压力梯度研究

殷代印，贾江芬，康红庆

（1.东北石油大学石油工程学院，黑龙江大庆163318；2.大庆油田有限责任公司，黑龙江大庆163318）

低渗透油藏具有低孔、低渗、开采难度大等特点，由于固液界面张力和吸附作用的存在，孔隙内壁表面会形成一个边界层，这个边界层会阻碍流体通过，增大渗流阻力。低渗透油藏存在启动压力梯度，当驱替压力梯度小于启动压力梯度时，油藏中的流体不会发生流动，这给油藏的开发带来了很大的难度[1-2]。因此，降低启动压力梯度在低渗透油藏开发过程中显得尤为重要。目前，降低启动压力梯度的方法主要为提高油层温度和表面活性剂驱油。然而，提高油层温度具有很大的局限性，且操作复杂、成本偏高。表面活性剂驱油可行性较高，但界面张力降低程度有限，原油采收率增幅不太理想。近年来，微乳液驱油技术迅速发展，并在三次采油中展现出广阔的应用前景[3-5]。与表面活性剂驱油相比，微乳液驱油能够进一步降低油水界面张力，且具有增溶油和水的作用，从而极大地提高了原油采收率。前人对微乳液驱油效果的研究已经相当成熟，但对于其在低渗透油藏中的非线性渗流特征和降低启动压力梯度等方面的研究却少有报道。为了探究微乳液在低渗透油藏中对渗流产生的影响，本文采用“压差-流量”法分别对低渗透油藏水驱和微乳液驱的启动压力梯度进行了精细测定，证明了微乳液驱能够减小渗流阻力并降低启动压力梯度。深入分析了微乳液驱降低启动压力梯度的机理，为低渗透油藏微乳液驱油提供了理论支持和技术指导[6-9]。

1 启动压力梯度测定

1.1 实验仪器

HW-4A型恒温箱，海安华达石油仪器有限公司；TY-2型岩心夹持器，南通市中京机械有限公司；2XZ-8型旋片式真空泵，纳西（中国）真空设备有限公司；1000D型ISCO泵，北京卫星制造厂；JB-3型手动计量泵，海安县石油科研仪器有限公司；TDS-100F型微流量计量仪，北京永瑞达科技有限公司等。其中，微流量计量仪能够测量的最小流量为0.000 1 mL/d，可以极大地提高实验的精确程度，保证了研究成果的可靠性[10-13]。

1.2 实验方法

实验原理是利用“压差-流量”法，通过改变岩心两端流体驱替压差并测量通过岩心的流量来绘制“压差-流量”曲线。延长曲线起始段，其与压力梯度轴相交得到的截距即为岩心的启动压力梯度。

实验步骤如下：将实验仪器连接好，并确保实验装置的密闭性。将岩心在真空条件下饱和测试流体，放入岩心夹持器中。通过改变岩心两端的驱替压差，待渗流达到稳定状态后，用微流量计量仪测量其对应的渗流速度，最终得到一系列的压差和流量数据。整个实验过程在45℃的条件下完成。

2 实验结果

2.1 水驱启动压力梯度

为了研究不同渗透率岩心的非线性渗流特征和启动压力梯度，选用朝阳沟油田、榆树林油田、头台油田的不同渗透率岩心共计15块，采用地层水测定其“压差-流量”曲线，得到启动压力梯度。不同渗透率岩心启动压力梯度测定结果见表1。图1为以两个不同渗透率级别的岩心为例绘制的“压差-流量”曲线。由图1可知，低渗透油藏的“压差-流量”曲线是一条上凹型曲线，随岩心渗透率的变化，曲线的弯曲程度不同。

图1 水驱“压差-流量”曲线Fig.1 Pressur e-consumption of water curve

2.2 微乳液驱启动压力梯度

表面活性剂是微乳液体系的重要成分，不同类型或不同质量分数的表面活性剂制备出的微乳液的性质会有所不同，因此其渗流参数也会有所不同。以十二烷基甜菜碱为表面活性剂，正丁醇为助表面活性剂配制微乳液，通过正交实验设计法优选出配方的质量分数（见表2）。

由表2可知，界面张力最低的组合为A2B2C3，即质量分数为4.5%的十二烷基甜菜碱、8%的正丁醇、5.0%的NaCl。具体配方：正辛烷5 mL，水5 mL，质量分数为4.5%的十二烷基甜菜碱、8%的正丁醇、5%的NaCl。

采用旋转液滴界面张力仪对所配微乳液的界面张力进行测定，实验温度为恒温45℃。实验结果表明，微乳液与油的界面张力为1.2×10-3mN/m，达到了超低水平。

选取大庆油田低渗透岩心共8块，以微乳液为测试流体进行启动压力梯度测试，得到了一系列压力梯度下的渗流速度。绘制各岩心的微乳液驱“压差-流量”曲线，发现这些曲线变化趋势一致，但随着岩心渗透率的变化，曲线弯曲程度发生变化。现选取两种不同渗透率级别的岩心绘制的曲线，结果如图2所示。实验岩心的基本参数及对应的启动压力梯度见表3。

表1 低渗透岩心水驱启动压力梯度Table1 Star t-up pressure gr adient of water flooding in low per meability r eser voir

图2 微乳液驱“压差-流量”曲线Fig.2 Pr essur e-consumption cur ve of microemulsion dr ive

2.3 低渗透岩心非线性渗流特征

由各岩心水驱和微乳液驱的“压差-流量”曲线得知，曲线不是一条完整的直线，属于非达西渗流。其非达西渗流特征如下：

（1）“压差-流量”曲线由两部分组成，当压力梯度较低时，是一条上凹型曲线，当压力梯度增大到一定值后，曲线变为一条直线，岩心达到了拟线性渗流阶段。

（2）岩心的渗透率越低，“压差-流量”曲线越弯曲，此时非线性渗流特征就越明显。岩心渗透率越小，曲线与横坐标轴相交处的压力梯度值越大，说明岩心渗透率与启动压力梯度成反比。

为了定量研究启动压力梯度与渗透率的关系，分别绘制水驱和微乳液驱的启动压力梯度与渗透率的关系曲线，结果如图3所示。

表2 正交实验设计及计算结果Table2 The r esults of or thogonal exper iment design and calculation tables

表3 低渗透岩心微乳液驱启动压力梯度Table3 Start-up pressure gradient of microemulsion flooding in low permeability reservoir

图3 启动压力梯度与渗透率关系曲线Fig.3 Relationship between permeability and start-up pressure gradient of the curve

由图3可知，低渗透岩心启动压力梯度特征如下：

（1）启动压力梯度与岩心渗透率呈乘幂关系，启动压力梯度随渗透率的减小而增大。根据曲线的弯曲程度大致可分为3个不同的上升阶段：当渗透率大于7×10-3μm2时，曲线处于缓慢上升阶段；当渗透率为（3～7）×10-3μm2时，曲线处于快速上升阶段;当渗透率小于3×10-3μm2时，曲线处于急剧上升阶段。

（2）水驱启动压力梯度为0.012～0.133 MPa/m时，平均启动压力梯度为0.050 MPa/m。微乳液驱启动压力梯度为0.008 8～0.091 8 MPa/m时，平均启动压力梯度为0.039 MPa/m。

2.4 微乳液驱降低启动压力梯度机理研究

2.4.1 微乳液驱与启动压力梯度关系 为了分析微乳液对岩心启动压力梯度的影响，将微乳液驱与水驱非线性渗流特征进行对比分析。微乳液驱与水驱的渗流速度与压力梯度关系曲线如图4所示。

与水驱非线性渗流相比，低渗透岩心微乳液驱非线性渗流具有以下特点：

(1）在同一压力梯度下，微乳液驱的渗流速度高于水驱的渗流速度，说明微乳液驱减小了驱替时的流动阻力。

（2）渗透率越低，微乳液驱的启动压力梯度越大。为了研究在不同渗透率岩心中微乳液对启动压力梯度的影响，将水驱与微乳液驱的启动压力梯度曲线绘制在同一图表中，如图5所示。相对于水驱来说，微乳液驱的启动压力梯度降低幅度比较明显，水驱与微乳液驱启动压力梯度差值曲线如图6所示。

图4 相同渗透率岩心微乳液驱与水驱启动压力梯度对比图Fig.4 The same permeability of core starting pressure gradient of microemulsion flooding and water flooding comparison chart

图5 微乳液驱与水驱启动压力梯度对比Fig.5 Comparison of start-up pressure gradient of microemulsion flooding and waterflooding

微乳液驱与水驱的启动压力梯度都与渗透率呈乘幂关系，渗透率越大，启动压力梯度越小。与水驱相比，微乳液驱的启动压力梯度具有以下特征：

（1）相同渗透率的岩心，微乳液驱的启动压力梯度更小。

（2）渗透率越小，微乳液驱与水驱的启动压力梯度差值越大。

图6 水驱与微乳液驱启动压力梯度差值Fig.6 Difference of start-up pressure gradientof microemulsion flooding and water flooding

2.4.2 启动压力梯度与界面张力的关系 通过改变表面活性剂的质量分数配制不同性质的微乳液，并利用旋转液滴界面张力仪分别测定其界面张力[14-15]，各微乳液的配方和界面张力如下：

配方一：正辛烷5 mL、水5 mL、质量分数为4.0%的十二烷基甜菜碱、8%的正丁醇、5.0%的NaCl。

配方二：正辛烷5 mL、水5 mL、质量分数为4.5%的十二烷基甜菜碱、8%的正丁醇、5.0%的NaCl。

配方三：正辛烷5 mL、水5 mL、质量分数为5.0%的十二烷基甜菜碱、8%的正丁醇、5.0%的NaCl。

通过实验测定得知，配方一的界面张力是0.004 8 mN/m，配方二的界面张力是0.001 2 mN/m，配方三的界面张力是0.002 7 mN/m。

将上述3种微乳液作为测试流体，分别测定各微乳液驱替时岩心“压差-流量”曲线，并求其启动压力梯度。“压差-流量”曲线如图7所示，其对应的界面张力与启动压力梯度如表4所示。

图7 不同界面张力的“压差-流量”曲线Fig.7 Pessure-consumption curve at different interfacial tensions

表4 不同界面张力微乳液启动压力梯度Table4 Start-up pressure gradient of microemulsion at different interfacial tensions

由图7可知，在同一压力梯度下，界面张力越小，其渗流速度就越大。对于同一渗透率的岩心，微乳液的界面张力越低，岩心的启动压力梯度越小。

由此可见，微乳液的界面张力是影响岩心非线性渗流特征和启动压力梯度的重要因素。界面张力越低，渗流的阻力越小，启动压力梯度也越小。

2.4.3 微乳液降低启动压力梯度的机理 低渗透油藏孔喉细小、渗流阻力大、比表面大,固-液界面之间存在界面张力,流体通过多孔介质时会在孔隙表面形成边界层。与孔隙中自由态的流体相比，边界层中的流体具有更大的渗流阻力，当驱替压力小于渗流阻力时，流体被束缚在孔隙中而不能发生流动。随着驱替压力梯度的逐渐增大，各孔隙中的流体相继参与流动，宏观上表现为渗流速度随压力梯度增大而加速增大。“压差-流量”曲线为一条上凹型曲线，而非直线，低渗透油藏中的渗流属于非线性渗流，不符合达西定律。

表面活性剂具有显著降低界面张力的作用。微乳液流经孔隙时，体系中的表面活性剂会吸附在孔隙内壁处，大幅度降低了固液界面张力，减小了边界层的渗流阻力。此外，离子型表面活性剂能够在溶液中发生电离作用，生成带电粒子，这些带电粒子进入边界层后，会与边界层中原有的粒子发生相互作用，起到压缩扩散双电层的作用，进而使边界层变薄。边界层变薄会直接增大孔隙中的实际过流面积。因此，微乳液体系可以显著降低启动压力梯度，减小渗流阻力。

3 结论

（1）“压差-流量”曲线是一条上凹型曲线，当压力梯度达到一定值后，曲线变为一条直线。启动压力梯度与渗透率呈乘幂关系，渗透率越低，启动压力梯度越大。水驱平均启动压力梯度为0.050 MPa/m，微乳液驱平均启动压力梯度为0.039 MPa/m。

（2）在相同渗透率条件下，与水驱相比，微乳液驱的启动压力梯度相对较小,差值随渗透率的增大而逐渐变小，表明微乳液能够降低低渗透油藏的启动压力梯度，从而降低油藏开发难度。

（3）微乳液的界面张力是影响岩心非线性渗流特征和启动压力梯度的重要因素。界面张力越低，渗流阻力越小，启动压力梯度也越小。界面张力从0.004 8 mN/m降低到0.001 2 mN/m，启动压力梯度从0.045 MPa/m降低到0.024 MPa/m。

（4）微乳液之所以能够有效降低启动压力梯度，是因为它能够显著降低界面张力，减小了边界层的渗流阻力。