低渗透油层低黏度聚驱微观剩余油动用机理

王国锋

(大庆榆树林油田开发有限责任公司,黑龙江 大庆 163000)

随着低渗透油层日益成为石油增储的主力,人们越来越重视低渗透油层的研究[1-4],研究技术、手段多样.本文在总结前人研究的基础上,利用最新研究方法,采用低分低黏聚合物技术研究低渗透油层.目前,大庆外围低渗透油层已进入中高含水阶段,研究化学驱提高采收率技术日益紧迫,为此开展了CO2驱[5-8]、表面活性剂驱[9-10]、微乳液驱[11-13]和聚合物驱[14-15]等多种驱油方式.除CO2驱进入现场应用外,其他驱油方式仍处于理论研究阶段.前人[16-18]的大量研究表明,聚合物驱可以应用于低渗透油藏,但针对低渗透条件下各类型剩余油动用状况研究尚且不足.本文利用实际岩心剖面制作的光刻玻璃模型进行微观驱替实验,研究低分子质量聚合物提高水驱采收率幅度值,同时进一步分析各类剩余油驱替机理,为低渗透油藏进行聚合物驱提供理论支撑.

1 实验设计

1.1 实验准备

1)实验岩心选用大庆第一采油厂直径为2.5 cm的圆柱形天然岩心.

2)光刻玻璃模型.对大庆油田岩样进行取心(渗透率分别为5X10-3,15X10-3,25X10-3μm2),将岩样的孔隙结构印在在玻璃板上,从而得到更接近实际油层的光刻玻璃模型.其尺寸为40 mmX40 mm.

3)实验用油.实验用油是大庆榆树林油田的原油和煤油按一定比例配制而成的模拟油,45℃下模拟油黏度为6.7 mPa.s.

4)实验用水.矿化度为6 778 mg/L的模拟地层水,用于在模型中造束缚水;矿化度为3 700 mg/L的复合离子水用于配制聚合物溶液;矿化度为508 mg/L的盐水,用于进行微观水驱油实验.

5)实验试剂.大庆助剂厂生产的聚丙烯酰胺(HPAM),相对分子质量为800X104,水解度为26.7%.

6)实验方案.仿真模型饱和油,先用驱替水以0.2 mL/h的速度恒速驱油,当模型不再有油被采出时,更换不同的驱替液 (黏度分别为3.8,4.57.4,9.2 mPa.s,对应的质量浓度分别为400,600,800,1 000 mg/L)并继续驱替至不再有油被采出.

1.2 实验步骤

光刻玻璃模型驱油实验:1)光刻玻璃模型抽真空后饱和油;2)以恒速(0.03 mL/h)水驱油,当采出液含水率达到98%时停止驱替,观察并实时录取光刻玻璃模型中剩余油的驱替动态图像;3)4个注入方案驱油体系恒速驱替(0.03 mL/h)水驱后残余油,至模型内残余油不再变化时结束实验,观察并实时录取光刻玻璃模型中剩余油的驱替动态图像;4)对图像进行处理,分别计算水驱和各方案驱油体系的驱油效率.

天然岩心解剖实验:1)将岩心抽真空并饱和人工合成盐水;2)岩心饱和油,在45℃的恒温条件下,用模拟油驱水至模型出口不出水为止;3)水驱油,用矿化度为508 mg/L的盐水恒速驱替岩心中的原油,岩心出口端含水率达到98%时停止实验,计算水驱采收率;4)聚合物以恒速驱替水驱后的岩心;5)将驱油实验后的岩心折裂,获取天然岩心的自然断面,将自然断面上的各点在显微镜下拍摄多张照片;6)应用景深扩展软件,获得合成照片;7)应用软件计算岩心中各孔喉比及含油饱和度,绘制出含剩余油孔隙比例与孔喉比的关系曲线.

2 实验结果与分析

2.1 聚合物体系驱油效率

以榆树林油田天然岩心为实验对象,采取不同黏度聚合物进行微观驱替实验,绘制不同黏度条件下3种渗透率级别天然岩心采出程度随聚合物黏度采出程度的变化曲线(见图1).

图1 3种渗透率级别天然岩心驱油效率与聚合物黏度的关系

由图1可以看出,对于渗透率为5X10-3,15X10-3,25X10-3μm2的光刻玻璃模型,随着驱替液黏度的增大,驱油效率逐渐增加.当聚合物黏度分别达到7.4,9.2,9.2 mPa.s时,驱油效率达到最高,分别为45.92%,56.45%,63.66%,与常规水驱相比,驱油效率分别提高了5.78,5.43,4.98百分点.对于渗透率为5X10-3μm2光刻玻璃模型,当聚合物黏度为9.2 mPa.s时,由于模型本身孔隙结构的限制,聚合物在残余阻力系数的影响下难以启动模型内原油.在相同渗透率的条件下,随着流度的增大,采收率逐渐减小.渗透率越大,采收率越大.随着流度比的降低,此时油水流度比较小,驱替液驱替前沿的推进比较均匀,更易进入较小的孔隙喉道.流度比较大时,驱替液更易进入到大孔隙中,此时在小孔隙中形成剩余油,驱替效率降低.低黏聚合物通过不同程度地降低各类残余油量,从而提高微观驱油效率.聚合物具有黏弹性,体现出与水驱不同的渗流特性,通过微观实验可以看出,聚合物不仅提高了波及效率,同时也提高了微观驱油效率.

对比3种渗透率级别模型,随黏度变化各类剩余油的剩余油饱和度如表1所示,将水驱后剩余油分为5类:簇状、柱状、盲端状、油滴状和盲端状.各个模型当驱油效率最高时,残余油饱和度分别为33.53%,28.31%,24.71%,与常规水驱相比,含油饱和度分别降低了3.585,3.530,3.383百分点,其中簇状剩余油分别降低了2.180,2.059,2.014百分点,柱状剩余油分别降低了0.650,0.674,0.663百分点,油滴状剩余油分别降低了0.670,0.546,0.440百分点,膜状剩余油分别降低了0.05,0.126,0.129百分点,盲端状剩余油分别降低了0.044,0.125,0.137百分点.这说明,渗透率越小,模型中各类剩余油饱和度越大.增大原油黏度对簇状、柱状、油滴状、膜状和盲端状剩余油均能实现有效动用.黏度越大表现为聚合物溶液在驱替过程中黏弹效应越明显,簇状剩余油动用比例最大,柱状和油滴状剩余油动用比例相差不很大,而其他类型的剩余油动用比例较小.

2.2 聚合物黏度对剩余油分布状况影响

以渗透率为15X10-3μm2的天然岩心为例,利用岩心获得孔喉比和孔隙中的剩余油饱和度数据.根据孔喉比大小划分为若干区间,统计每个区间内的孔隙总个数及剩余油饱和度大于15%(含剩余油孔隙)的孔隙个数,从而绘制出含剩余油孔隙比例与孔喉比的关系曲线(见图2).

表1 不同类型剩余油剩余油饱和度动用状况

剩余油孔隙比例和不同黏度条件下孔喉比的关系如图2所示,孔喉比越大,孔隙与喉道的差异越大,驱替液较容易沿着大孔隙通过,残留在孔隙中的剩余油越多,与之相连的喉道半径小,水沿着喉道处缓慢推进,剩余油运移过程中发生断裂,难以形成连续通道,剩余油在小喉道处聚集,难以动用.

图2 含剩余油孔隙比例与孔喉比的关系

对于低渗透油藏,大孔喉在孔隙结构中占有较大的比例,聚合物在驱替过程中起到调剖的作用,通过封堵大孔隙,使驱替液能够沿着油相渗透率较大的喉道流动,促使水驱后分散的油滴再一次聚并,随驱替液流出.另一方面,增大了驱替压差,黏度增加,驱替压力增大,含剩余油孔隙比例减小,能有效改善由于孔隙结构差异引起的采收率低问题.

3 聚合物驱替残余油机理

3.1 簇状剩余油

聚合物驱替过程中,首先启动了簇状剩余油,在相同渗透率的条件下,聚合物黏度的增加表现为驱替液流度的减小.由于聚合物本身具有黏弹性,随着流度的增加,降低油水流度比,扩大了波及体积,逐渐向主流通道周围扩散.簇状剩余油沿着不同的通道向出口端运移,形成了稳定的油丝通道,剩余油所占比例逐渐减小,部分转化为柱状和膜状剩余油,柱状和膜状剩余油增大,由于低渗透非均质的原因,此类型剩余油饱和度仍较大(见图3)(图3-7中a-d为驱替时间先后).

3.2 柱状剩余油分布状况

在水驱后,由于聚合物本身黏弹效应,聚合物可采取拉拽的方式将一部分柱状剩余油从喉道中驱替出来.由于喉道半径较小,剩余油受到毛细管力的作用,由油丝状逐渐变长、拉断,或者在油水界面的内聚力作用下形成油滴,聚合物黏度增加使驱替液携带剩余油的能力增强,将原来尚未驱动的柱状剩余油携带出来,柱状剩余油饱和度减小(见图4).

图3 改变驱替液黏度簇状剩余油驱替结果

图4 改变驱替液黏度柱状剩余油驱替结果

3.3 油滴状剩余油

水驱时,由于水的流度较大,其黏度较小,此时驱替压差较小,不足以克服喉道贾敏效应造成的附加阻力,油滴状剩余油动用较少.进行聚合物驱后,驱替液的流度减小,黏度增大,增大了驱替压差,油滴受到的驱动力增大,当驱动力增大到大于贾敏效应造成的附加阻力时,油滴发生变形进而向前运移,以拉伸变形的方式与前方剩余油聚并,形成连续油相,随着驱替过程进行不断被驱替出来(见图5).

图5 改变驱替液黏度油滴状剩余油驱替结果

3.4 盲端状剩余油

盲端剩余油以孤立的塞状滞留在喉道处,在注入水的正常驱动作用下,水的剪切作用较小,原油在出口端处残留下来,很难被驱替.当进行聚合物驱后,由于聚合物的黏弹效应,在盲端口处存在剪切力,部分盲端剩余油受到聚合物的拉拽和剥离作用被驱替出来,但仍有一定量的剩余油难以动用.当改变驱替液流度后,随着流度的减小,聚合物黏弹性增加,切口处的剪切力增大,聚合物逐渐沿着切线将盲端剩余油携带出来,盲端剩余油开始变薄,但盲端状剩余油不能被完全驱替出来(见图6).

图6 改变驱替液黏度盲端剩余油驱替结果

3.5 膜状剩余油

由于水不具有黏弹效应,孔隙壁面速度梯度低,难以将全部油膜从壁面上驱替下来.由于聚合物固有的黏弹性,聚合物溶液经过孔隙壁处的膜状剩余油时,膜状剩余油受到来自聚合物的剥离作用,随着流度的减小,存在微观作用力[19],微观驱动力推动比较突出的部位,致使以后的驱替液流动方向发生改变,油膜变薄,此时尖端油膜部分会被剥离下来形成油滴,随着该过程反复进行,油滴发生聚并,从而膜状剩余油进一步被驱替出来.另一方面,部分孔隙表面由最初的亲油变成亲水,使此类型剩余油更容易被驱替出来(见图7).

图7 改变驱替液流度油膜剩余油驱替结果

4 结论

1)聚合物具有增大驱替压差,提高波及面积的能力.当渗透率分别为5X10-3,15X10-3,25X10-3μm2时,与常规水驱相比,驱油效率分别提高了5.78,5.43,4.98百分点.

2)进行低黏度聚合物驱后含油饱和度分别降低了3.585,3.530,3.383百分点,其中簇状剩余油动用比例最大.聚合物驱油通过其特有的黏弹效应,增大驱替压差,有效改善低渗透油藏孔隙结构复杂造成的驱油效率低的问题,提高各类剩余油微观动用状况.

3)岩心中含剩余油的孔隙比例随孔喉比减小而减小;对于同孔喉比的孔隙,聚合物黏度越大,含剩余油孔隙比例越小,聚合物驱油效果越好.