乳状液对残余油的微流调节启动机制及触发条件

2019-01-11马云飞张宗勋侯吉瑞

特种油气藏 2018年6期

马云飞，张宗勋，侯吉瑞

(1.中国科学技术交流中心，北京 100045；2.北京德美高科科技有限责任公司，北京 100102；3.中国石油大学(北京)，北京 102249)

0 引言

提高驱油效率是复合驱技术提高采收率的一大优势[1-3]。乳化作用作为复合驱提高驱油效率的重要机理之一，是近年化学驱理论研究的热点。室内驱油实验结果表明，三元复合驱采出液观察到乳化现象的实验组，其采收率可比未发生乳化的实验组高5%～6%[4]。矿场试验结果也可以证实，复合驱油过程中发生原油乳化对采收率的提高有积极作用[5]。

对于乳化作用驱油机理的研究，一般认为乳状液在微观上对不同赋存状态的残余油均具备一定的携带作用[6-7]，宏观上可降低流度、控制黏性指进[8-9]。目前对于乳化程度尚未形成统一的量化评价标准，不同乳化程度对应微观残余油启动机制的差别也有待于进一步补充。中国大部分老油田的主力油层已进入高含水期，地下岩石表面的润湿性在长期的水驱过程中已发生了改变，残余油的赋存状态以孤岛或粒间束缚态为主，膜状、盲端状和柱状为辅[10-11]。以启动孤岛或粒间束缚状残余油为主的乳化作用启动机理，较以启动盲端、膜状残余油为主的超低界面张力启动机理更加适应高含水油田。能否充分有效地利用乳化作用提高驱油效率的能力，很大程度上决定了化学复合驱提高采收率的效果。因此，利用图像处理软件对不同乳化程度乳状液的显微照片进行分析，并按照颗粒数密度这一主要指标进行量化表征，并以人工制备的不同乳化程度的乳状液作为驱替剂，在玻璃刻蚀模型中进行微观驱油实验，研究乳化作用启动微观残余油的机制，并确定乳化程度的影响。

1 实验部分

1.1 试剂和材料

聚合物为部分水解聚丙烯酰胺(HPAM)，分子质量为2 500×104g/mol(中国石油大庆炼化公司)；表面活性剂是重烷基苯磺酸钠(HABS)(中国石油大庆炼化公司)，有效物含量为40%；碱为分析纯氢氧化钠(NaOH)。

实验用岩心为露头砂压制环氧树脂胶结的人工岩心，规格为Φ2.5 cm×30 cm，平均气测渗透率为782×10-3μm2。

实验用油是大庆原油与航空煤油按比例稀释配制的模拟油，45 ℃下模拟油黏度为5.6 mPa·s；实验用水是大庆油田模拟地层水，各矿物离子组成见表1。

表1 模拟水矿物离子含量

1.2 设备和仪器

微观模型驱油实验仪器主要包括：LSP01-1BH型微量计量泵(兰格恒流泵有限公司，保定)、50 mL微型活塞式中间容器、Stemi 2000-C型光学显微镜(Carl Zeiss Jena， Germany)、T10 Basic高速分散机(IKA仪器设备有限公司，广州)、玻璃刻蚀微观模型、摄像机及图像采集系统。

玻璃刻蚀微观模型与真实岩石的孔喉系统具备相似的几何形状和形态分布[12]。模拟大庆二类油层孔隙结构和渗透率的玻璃刻蚀微观模型，其平面有效规格为30 mm×18 mm，孔径分布为5～100 μm，制作完成时内表面的原始润湿性为中性弱亲水。

岩心驱替实验仪器主要包括：HW-II型恒温箱(海安石油科研设备公司)，HAS-100HSB型恒压恒速泵(华安科研设备)，TY-4型岩心夹持器(海安石油科研设备公司)，数据采集系统(昆仑海岸)，活塞式中间容器若干。

1.3 步骤和方案

制备驱替剂。为了判断乳化程度对残余油启动的影响，以相同配方的三元复合体系配制不同油水比乳状液作为驱替剂。三元复合体系配方为：400 mg/L HPAM +0.3%HABS+1.2%NaOH，25 ℃下初始黏度为13.7 mPa·s。配制过程：准确量取配制好的三元复合体系50 mL置于锥形瓶中，缓慢加入0～20 mL(根据颗粒数密度设计需求而定)模拟油，用高速分散机剪切10 min，搅拌速度为7 500 r/min，吸取乳化层液体作为驱替剂。对制备的乳状液进行显微拍摄，放大比例为400∶1，将获得的显微照片以Image J软件进行处理，调整亮度、对比度、色彩饱和度、黑白平衡和阈值识别值，再利用软件的颗粒分析功能对视野内颗粒进行计数，并计算颗粒数密度，计算公式为：

n=N/A

(1)

式中：n为颗粒数密度，mm-2；N为视野范围内有效颗粒数；A为照片真实面积，mm2。

以乳状液颗粒数密度反映乳化程度，制备出不同颗粒数密度的乳状液显微照片(图1)。可以看到，实验制备的三元乳状液都是O/W型。

图1 驱替用乳状液颗粒数密度

微观驱油实验步骤：将微观刻蚀模型置于密封容器内，用真空泵抽真空30 min；将模拟地层水注入密封容器，至完全没过微观模型，利用模型内部负压力饱和地层水；通过微量计量泵饱和模拟油，老化4 h；恒速水驱10 min，形成残余油；恒速连续注入配制好的三元溶液(乳状液)，驱替40 min。实验在室温下进行，流体注入速度为50 μL/min。

为考察不同乳化程度乳状液在运移过程中对压力的影响，45 ℃下恒温恒速进行岩心注入实验，流体注入速度为0.5 mL/min。实验步骤：①按照一般岩心驱替实验设计连接实验装置；②对岩心抽真空，饱和模拟地层水；③恒速连续注入配制好的不同乳化程度的乳状液，至压力基本稳定后停止。三元复合体系配方为：1 000 mg/L HPAM+0.3%HABS+1.2%NaOH，45 ℃下初始黏度为31.9 mPa·s。

2 结果与讨论

2.1 乳化作用启动残余油机制

利用三元复合体系乳化原油的能力，在驱替剂波及到残余油的时刻，可迅速将大块残余油分散成直径为微米级的小油滴，并随流体而移动，该机制简称为分散启动。例如，大面积粒间束缚状残余油被乳化成小油滴，最终离开孔壁，随流体一起流动运移；或大面积孤岛状残余油被分散为小液滴，其中，部分仍然被束缚，部分转化为可动油，被流体携带运移。在残余油被乳化后，液流不再完全从孤岛状残余油两侧绕流，而是一定程度分流通过孤岛，携带走部分乳状液颗粒。

孤岛状残余油通过乳状液颗粒的堆积挤压转为可动，并被携带运移，该机制可称为携带启动。例如，孤岛状大油滴由于没有处在主要流线上而不可动，随着乳状液颗粒的堆积和挤压导致大油滴获得弹性势能，最终转化为动能，进入到主要流线中并被携带(图2)。

颗粒数密度较高的乳状液颗粒堆积与贾敏效应的叠加可造成局部流动阻力的升高，起到控制微观流度的作用，该机制称为微流调节启动。乳状液在主要流动通道的堆积堵塞导致了渗流阻力升高，迫使微观液流转向，从而波及并携带孤岛状残余油(图3)。

图2 孤岛状残余油被携带移动

图3 乳状液的微流调节机制

2.2 各启动机制的触发条件

以不同颗粒数密度的乳状液作为驱替剂在玻璃刻蚀模型中进行微观驱油实验，并以同黏度的三元复合体系(即颗粒数密度为0.0 mm-2的乳状液)作为对照组，研究残余油的启动情况。实验观察到利用乳化作用启动残余油的3种机理并非在任意条件下都能触发，而是对颗粒数密度有一定的选择(表2)。直接注入三元复合体系，仅观察到分散启动机制，并没有携带启动和微流调节启动；注入颗粒数密度为231.4 mm-2的乳状液作为驱替剂，残余油启动方式仍仅有分散启动；注入颗粒数密度低于624.7 mm-2的乳状液作为驱替剂，除了分散启动，还观察到携带启动；而微流调节启动，仅在颗粒数密度高于848.0 mm-2的乳状液作为驱替剂时才能观察到。可见，携带启动和微流调节启动机制的触发条件比较苛刻，尤其是后者，需要颗粒数密度较高的乳状液才能实现。高颗粒数密度乳状液的形成过程，其实也是三元复合体系运移过程中分散启动和携带启动不断发挥作用而累积的过程，因此，为了尽早发挥微流调节机制的效果，需尽早使三元复合体系溶液接触到残余油富集的区域。

表2 乳状液颗粒密度对残余油启动的影响

2.3 微流调节启动的宏观影响

为考察乳化作用启动残余油的几种机制在宏观上的反映，以不同颗粒数密度乳状液作为驱替剂进行岩心注入实验(图4)。由图4可知：颗粒数密度不大于624.7 mm-2的乳状液，其注入压力的稳定值与同黏度的三元复合体系溶液相差不大，说明分散启动机制和携带启动机制作用对注入压力几乎无影响，这2种机制可启动微观残余油，不会提升渗流阻力；颗粒数密度高于848.0 mm-2乳状液，其注入压力稳定值明显高于同黏度的三元复合体系溶液，也高于低颗粒数密度的乳状液，说明微流调节启动机制在微观层面上会累加，导致渗流阻力的提升，反映在宏观层面上表现为压力升高。此外，从压力明显的波动上也可证实乳状液的微流调节机制在发挥作用。颗粒在孔喉的堆积堵塞导致压力升高，累积到极限值，乳状液从孔喉突破导致压力降低，由此不断反复，表现为压力的频繁波动。

图4 不同颗粒数密度乳状液的注入压力

微流调节机制可启动微观残余油，提高阻力，控制流度。为了充分发挥乳状液提高驱油效率的能力，应尽量触发微流调节启动机制。形成高颗粒数密度的乳状液的条件包括：①三元复合体系具有优良的乳化能力，能迅速将残余油分散成微米级颗粒，并在运移过程中维持体系性能；②需充足的残余油量，这是形成较高颗粒数密度乳状液的必要条件；③需在运移过程中不断累积携带，颗粒数密度需要一个累积升高的过程，该过程越短，微流调节启动机制触发的时机越早，则提高驱油效率的作用区域越广。因此，在三元复合体系性能还处在优良状态时充分接触高残余油饱和度区域，对三元复合体系配方、注入量和注入时机进行优化具有重要的意义。