薄膜状剩余油动用条件研究

夏惠芬，王立辉，韩培慧，曹瑞波，刘丽丽，张思琪

(1.东北石油大学，黑龙江 大庆 163318；2.中国石油大庆油田有限责任公司，黑龙江 大庆 163712)

0 引 言

大多数油藏经过水驱后，亲油岩石表面仍有大量的剩余油赋存，其中，大多为薄膜状剩余油，如何将其激活为可动油是亟需解决的问题[1-6]。现有研究常采用微孔道模拟、理论推导、微观驱油实验等方法，基于威森伯格数及其渗流方程对薄膜状剩余油的驱替机理进行研究，而对薄膜状剩余油的受力分析及动用条件的研究鲜见发表，同时将数值模拟与微观可视化驱油图像相结合的报道也较为少见[7-12]。因此，利用数值模拟研究不同界面张力三元复合体系驱替薄膜状剩余油的临界破裂条件，并结合微观可视化驱油图像，验证数值模拟的结果，直观展示薄膜状剩余油动用的过程。同时，根据给出的定量化参数，精确指导油田开发。

1 实验材料及设备

化学药剂：2 500×104相对分子质量的聚丙烯胺酰胺，有效含量为90%；表面活性剂为石油磺酸盐，有效含量为40%；碱为Na2CO3，有效含量为99%。以上化学药剂均为大庆炼化公司生产。模拟地层水，清水中NaCl质量浓度为950 mg/L、污水中NaCl质量浓度为4 500 mg/L，所有体系采用清水配制母液，污水稀释目的液，可视化模型饱和水和驱替实验均采用污水。实验用油采用原油与煤油按照一定比例配制的模拟油，45 ℃时黏度为10 mPa·s。

微观可视化模型：采用光化学刻蚀技术制作光刻玻璃模型，尺寸为40 mm×40 mm，将铸体薄片的真实孔结构照片置于涂有光敏材料的玻璃上，曝光显影后在玻璃上复制孔结构图案。然后，利用氢氟酸处理暴露在外的玻璃模板，以显示孔隙结构印痕。最后，添加盖板，进行高温烧结，得到所需模型。该玻璃模型与实际岩心的孔隙结构的尺寸和形状上基本一致，可清晰观察到流体流动。采用美国Texas-500旋滴界面张力仪检测溶液性质，采用微观可视化系统进行驱油实验。

2 实验方法

2.1 薄膜状剩余油受力及变形模拟

采用Polyflow软件对薄膜状剩余油变形及运移进行模拟(图1)。驱替液在2个平行平板间流动，流道长度为100 μm，宽度为20 μm，简化的物理模型如图1a所示。驱替液在x方向的压差作用下流动，由于邦德数Bo<1(Bo为驱替液与油膜的重力差与二者间的界面张力的比值)，重力作用忽略不计。不可压缩黏弹性流体在微尺度孔道中呈等温、层流流动，在微通道壁面底部有剩余油，设定流道为光滑均匀，忽略边界层的影响。当计算剩余油膜受力时，假定剩余油为静止状态；当计算剩余油变形时，假定三相接触点A、B固定。使用Gambit作为前处理软件，用于生成网格，划分流场区域。计算区域采用四边形结构化网格进行剖分，网格长度为10h，宽度为2h(h为初始剩余油的高度，μm)，网格节点数为1 758，剩余油的网格节点数为301，运动过程中采用自适应网格防止驱替液和剩余油界面前端过度变形(图1b)。

图1 薄膜状剩余油受力分析Fig.1 The force analysis of film remaining oil

驱替液密度为1 000 kg/m3，油膜密度为850 kg/m3，注入流量为2-10m3/s，驱替液黏度为40 mPa·s，油膜的黏度为10 mPa·s，界面张力为0.03 mN/m，驱替压力梯度保持在0.02 MPa/m，通过改变油膜的尺寸、体积及润湿性，计算油膜的变形情况，基础参数见表1。

表1 模拟基础数据Table 1 The simulation basic data

2.2 微观可视化驱油实验

2.2.1 实验材料及参数步骤

实验用水：模拟地层水，清水中NaCl质量浓度为950 mg/L；污水中NaCl中质量浓度为4 500 mg/L。实验用油：大庆油田采出井原油过滤后与煤油按照1∶9的比例配制模拟油，在45 ℃条件下模拟油黏度为10 mPa·s。碱：分析纯碳酸钠，有效含量为99.99%。表面活性剂：石油磺酸盐，有效含量为40%。聚合物：相对分子质量为2 500×104的普通聚合物，有效含量为90%。上述试剂均由大庆炼化公司生产。

采用聚合物、碱及表面活性剂配制不同界面张力的三元复合体系进行微观可视化驱油实验，组分及界面张力见表2。

表2 不同界面张力三元复合体系组成Table 2 The composition of ASP flooding system with different interfacial tension

实验步骤：实验在45 ℃恒温下进行，模型抽真空后，饱和模拟油，以0.03 mL/h的速度进行水驱，当模型不再出油时，实验停止，对不同驱替时刻的图像进行检验，计算水驱阶段的采收率。水驱结束后，分别注入不同组合的三元复合体系至模型不再产出油，计算三元复合驱替阶段的采收率。

2.2.2 可视化模型采收率计算

采用四川大学图像信息研究所研发的CIAS-2000微观可视化驱油图像分析系统采集动态图像并计算采收率，操作步骤为：①在显微镜头视域内选择计算区域并校对光源；②将视域内模型边缘处的无效区域去掉；③水、油和可视化模型通过灰色阈值区分，阈值设置为106，利用最大方差法，采用红色标记，计算视域内模型的骨架面积；④通过模型干燥与饱和油后的质量差得到模型孔隙体积，输入软件中；⑤不同驱替阶段结束后，通过计算剩余油块的总像素数，得到剩余油的总面积，通过产出油面积与孔隙面积的比值，计算不同驱替方式的采收率。

3 结果与讨论

3.1 薄膜状剩余油受力分析

采用matlab软件中心差分算法计算变形后的油膜界面各点的曲率半径：

(1)

式中：R为曲率半径；y′为x关于y的一阶导数；y″为x关于y的二阶导数。

驱替3 s时油膜受力分析如图2所示。由图2可知，在拐点A左侧，油膜界面所受的法向力与毛管力方向相反，在A点右侧，法向应力和毛管力均指向油膜内部，只有B点附近存在一个小区域，法向应力背离油膜，指向驱替液，毛管力和法向力方向相反。由拉普拉斯方程可知，界面张力不变，曲率半径越小，毛管力越大。该区域曲率半径与其他区域相比更小，毛管力更大。法向力虽然与毛管力方向相反，但法向力数值非常小，二者的合力依然朝向油膜内部。因此，线段AC右侧的油膜界面所受的合力均指向油膜内部，加剧了该部分油膜的收缩，在驱替液不断地剪切作用下，逐渐收缩成球形，并且沿着流动方向拉伸，与剩余油膜母体距离逐渐拉大，直至破裂分离出小油滴。综上所述，油膜将会在拐点A、C处向油膜内部收缩，A、C点为油膜破裂点。

图2 油膜应力分布Fig.2 The stress distribution of oil film

3.2 薄膜状剩余油变形计算

毛管数为黏性力与界面张力的比值，毛管数越大，驱替液作用在油膜上的黏性力越大，油膜越易变形，因此，可采用毛管数来判定油膜破裂条件，确定剩余油的动用条件。毛管数的计算公式为：

(2)

式中：Ca为毛管数；μ为驱替液的黏度，mPa·s；G为壁面的剪切速率，s-1；R为静止时油滴的曲率半径；σ为驱替液与油膜间的界面张力，mN/m。

当毛管数分别为0.01、0.05、0.10、1.00时，不同油膜尺寸的变形情况如图3所示。由图3可知，对于同一油膜，毛管数越大，油膜变形越大。当毛管数小于0.10时，油膜变形幅度较小，当毛管数达到1.00时，油膜变形明显增大。由图3a、b对比可知：油膜长度相同，高度不同的情况下，油膜高度大，其初始润湿角较大，岩石亲油性越弱，变形情况更明显；由图3b、c对比可知：油膜高度相同的情况下，岩石润湿性相同，油膜越长，体积越大，变形程度越小，更加难以驱替。

图3 不同油膜随毛管数形状变化Fig.3 The shape change with capillary number of different oil film

为了定量描述油膜体积和润湿性对油膜变形的影响，定义变形率的概念。油膜在驱替液作用下发生变形的过程中体积不变，但是油膜与驱替液的界面面积随着油膜的变形而不断发生变化。因此，将变形后与变形前的界面面积差与变形前界面面积的比值定义为变形率：

(3)

式中：δ为变形率；A′为变形后的界面面积，μm2；A为变形前的界面面积，μm2。

利用式(3)计算不同条件下油膜的变形率，结果如表3所示。由表3可知：对于同一油膜，毛管数越大，油膜的变形越大。当毛管数不大于0.10时，不同大小油膜的变形均较小；当毛管数为1.00时，油膜变形非常大，长度或高度相同情况下，油膜纵横比越大，对应初始润湿角越大，变形率越大。油膜润湿角相同时，油膜体积越小，变形越大；油膜体积相同时，初始润湿角越大，变形越大。

表3 不同油膜毛管数与变形率的关系Table 3 The relationship between capillary number of different oil film and deformation rate

将油膜达到稳定状态时的毛管数定义为临界毛管数，当模型内流场毛管数小于临界毛管数，无论驱替液作用多长时间，油膜形状不再发生变化，此时油膜可达到稳定状态。当毛管数不小于临界毛管数，随着驱替液不断作用在油膜上，油膜形状持续变化，直到破裂分离。通过变形计算得到不同情况下的临界毛管数(表4)，其中，驱替液黏度为40 mPa·s，油膜黏度为10 mPa·s，驱替压力梯度为0.02 MPa/m。由表4可知：不同大小的油膜临界毛管数和临界界面张力不同。油膜长度相同，高度越小，油膜体积越小，初始润湿角越小，临界毛管数增加，临界界面张力降低；油膜高度相同，长度越小，初始润湿角越大，油膜体积越大，临界毛管数降低，临界界面张力增加。

表4 不同油膜尺寸对应的临界毛管数Table 4 The critical capillary numbers corresponding to different oil film sizes

4 微观可视化驱油实验

采用不同界面张力的三元复合体系在可视化模型中进行驱油实验，由于水湿模型的薄膜状剩余油较少，因此，采用油湿模型进行驱油实验。亲油孔道中的薄膜状剩余油的连续性随着孔道亲油性的增强而增强，孔道对薄膜状剩余油的束缚作用也越强，采出薄膜状剩余油的难度越大。图4为不同界面张力三元复合体系驱替薄膜状剩余油的图像。由图4可知：当界面张力为0.180 0 mN/m时，在驱替液的作用下，附着在孔道的薄膜状剩余油未出现明显变薄或减少，但在驱替方向上，油膜前端富集的剩余油出现明显形变，且随着驱替的进行，变形幅度越来越大，表明驱油体系流经薄膜状剩余油富集前端时所受法向应力大于毛细管力，造成油膜变形(图4a)。当驱油体系界面张力为0.018 0 mN/m时，贴壁附着的薄膜状剩余油在驱替过程中富集在某一部位，受剪切力及拉伸力影响，富集的尖端逐渐拉长，在某一部位断裂形成油滴，油滴在三元体系的携带作用下向采出端运移，尖端收缩。薄膜状剩余油经过反复的“拉长—断裂油滴—收缩—拉长”过程，薄膜状剩余油被逐渐采出，直观展示了油膜受力—变形—分离的过程(图4b)。水驱后薄膜状剩余油附着在孔壁上，壁面润湿性亲油，接触角大于90 °，由于水对油膜的剪切力小于油膜的附着力，不足以将油膜剥离，当界面张力为0.001 8 mN/m时，驱替液与油膜接触后，原油与孔壁的接触角逐渐变小，随着孔壁润湿性的改变，薄膜状剩余油逐渐从贴壁的油膜变形、聚集成油滴状，与孔壁的接触面积之间减小，最终薄膜状剩余油从孔壁上剥离(图4c)。

图4 不同界面张力驱油体系对薄膜状剩余油作用微观图像Fig.4 The microscopic images of the effect of displacement system with different interfacial tension on film remaining oil

利用Polyflow软件数值方法对油膜受力变形情况进行分析，通过定义油膜变形率定量给出薄膜状剩余油的动用条件，并运用微观可视化驱油实验中的动态图像验证了数值模拟结果的正确性，即当驱油体系界面张力达到10-2mN/m数量级时，附着在孔道壁面上的薄膜状剩余油可以被动用。

5 结 论

(1) 通过对油膜进行受力分析可知，驱替液作用在油膜上的法向力大于油膜自身毛管力时，油膜在某一部位发生破裂。

(2) 当毛管数小于0.10时，油膜大小对变形率的影响非常小；当毛管数达到1.00时，油膜变形率非常大。油膜长度相同，高度越小，油膜体积越小，初始润湿角越小，临界面毛管数增加，临界界面张力降低；油膜高度相同，长度越小，初始润湿角越大，油膜体积越大，临界毛管数越小，临界界面张力小幅增加。当界面张力低于0.0700 mN/m时，薄膜状剩余油发生破裂。

(3) 微观驱油图像及数值模拟结果表明，当界面张力达到10-2mN/m数量级时，附着在孔道壁面上的薄膜状剩余油可以被动用。