李　洪，李治平,王香增,王　才,白瑞婷

(1.非常規(guī)天然氣能源地質(zhì)評價與開發(fā)工程北京市重點實驗室(中國地質(zhì)大學(xué)(北京))，北京 100083；2.陜西延長石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院，陜西西安 710075)

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表面活性劑對低滲透油藏滲吸敏感因素的影響

李洪1，李治平1,王香增2,王才1,白瑞婷1

(1.非常規(guī)天然氣能源地質(zhì)評價與開發(fā)工程北京市重點實驗室(中國地質(zhì)大學(xué)(北京))，北京 100083；2.陜西延長石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院，陜西西安 710075)

界面張力和巖石潤濕性是影響毛細(xì)管壓力大小的決定性因素，因此研究表面活性劑對這兩個因素的影響，可以充分發(fā)揮滲吸作用、提高低滲透油田原油的滲吸采收率。利用7塊不同滲透率的親水人造巖心，通過滲吸試驗、旋滴法和動態(tài)接觸角法研究了表面活性劑對油水界面張力、水濕表面潤濕性、毛細(xì)管壓力以及滲吸采收率的影響。試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)：隨著表面活性劑RS-1質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，油水界面張力先有較大幅度降低后略有升高，最后趨于平穩(wěn)；表面活性劑具有很強(qiáng)的改變水濕表面潤濕性的能力，且能降低毛細(xì)管壓力、提高滲吸采收率。研究結(jié)果表明：表面活性劑降低界面張力效果明顯，并且復(fù)配表面活性劑降低界面張力的效果比單一活性劑好，巖樣滲吸采收率與油水界面張力和毛細(xì)管壓力的對數(shù)呈線性負(fù)相關(guān)關(guān)系。

表面活性劑；低滲透油藏；滲吸；界面張力；潤濕性；采收率

低滲儲層的滲吸是指在低滲儲層中多孔介質(zhì)自發(fā)地吸入某種親潤濕流體的作用，滲吸作用決定著低滲透油田原油的產(chǎn)量以及采出程度。滲吸作用受許多因素的影響，如滲透率、基巖形狀、邊界條件、流體黏度、界面張力和潤濕性等[1]。界面張力和巖石潤濕性是影響毛細(xì)管壓力大小的決定性因素，因此研究表面活性劑對這兩個因素的影響，對充分發(fā)揮滲吸作用具有指導(dǎo)意義。目前，已有多位學(xué)者[2-6]研究了表面活性劑對滲吸作用的影響，發(fā)現(xiàn)表面活性劑有助于提高滲吸采收率，然而關(guān)于表面活性對油水界面張力、水濕表面潤濕性、毛細(xì)管壓力和滲吸采收率的影響尚未進(jìn)行系統(tǒng)研究。為此，筆者通過試驗方法利用不同表面活性劑及其復(fù)配劑系統(tǒng)研究了表面活性對油水界面張力、水濕表面潤濕性、毛細(xì)管壓力以及滲吸采收率的影響，發(fā)現(xiàn)界面張力的降低有利于提高低滲透油藏的采收率，并且得到了巖樣滲吸采收率與油水界面張力和毛細(xì)管壓力的關(guān)系式。

1　試驗方法

試驗材料：親水人造巖心，基本物性參數(shù)見表1；試驗用油由大慶油田有限責(zé)任公司第五采油廠所采原油和精制煤油混合而成；溶液均用相應(yīng)油田的注入水配制；化學(xué)劑有RS-1(潤濕反轉(zhuǎn)劑)、石油磺酸鹽(陰離子表面活性劑)、OP-10(非離子表面活性劑)和MD-100A(MD膜)。

表1　試驗巖心基本物性參數(shù)

試驗裝置：滲吸儀、Texas-500型界面張力儀和DCA-322型動態(tài)接觸角分析儀等。

試驗步驟：先將7塊不同滲透率的親水人造巖心烘干后稱重，用氮氣測其滲透率，然后抽真空飽和地層水，再將其放入巖心夾持器用驅(qū)替方法飽和模擬油，驅(qū)替速度控制在0.01 mL/min，最后通過自發(fā)滲吸研究滲吸采收率。25 ℃條件下，用旋滴法測定油水界面張力。

2　試驗結(jié)果及分析

2.1表面活性劑對界面張力的影響

對試驗用流體和表面活性劑編號：1#為注入水；2#為質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.05%的OP-10；3#為質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.05%的MD-100A；4#為質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.05%的石油磺酸鹽+質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.003%的阻垢劑；5#為質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.05%的RS-1+質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.003%的阻垢劑；6#為質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.05%的RS-1+質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.05%的NaOH；7#為質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.05%的RS-1。然后，改變表面活性劑 RS-1的質(zhì)量分?jǐn)?shù)并復(fù)配不同表面活性劑，研究表面活性劑對界面張力的影響，試驗結(jié)果見圖1和圖2。

圖1　界面張力與表面活性劑 RS-1質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系Fig.1　Relationship between interfacial tension and mass fraction of the surfactant RS-1

圖2　不同種類表面活性劑對界面張力的影響Fig.2　Effects of different surfactants on interfacial tension

從圖1可以看出：隨著表面活性劑RS-1質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，油水界面張力先有較大幅度降低后略有升高，最后趨于平穩(wěn)；當(dāng)RS-1的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%～0.02%時，油水界面張力達(dá)到最低值，這表明質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%～0.02%的RS-1降低界面張力的能力最強(qiáng)。分析認(rèn)為，隨著表面活性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，吸附在油水界面的表面活性劑增多，油水界面張力逐漸降低，當(dāng)表面活性劑在油水界面的吸附達(dá)到平衡時，油水界面張力不再發(fā)生變化。

從圖2可以看出，5#、6#和7#表面活性劑降低界面張力的效果更好，其中在質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.05%的RS-1中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.05%的NaOH后，可使油水界面張力的數(shù)量級降低至10-2。分析認(rèn)為，原油中的活性物質(zhì)與NaOH發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后，生成了新的活性物質(zhì)[7]，因而降低界面張力的能力增強(qiáng)。

2.2表面活性劑對界面潤濕性的影響

改善巖石表面潤濕性有2個途徑：固體表面改性和添加潤濕劑[8]。潤濕劑主要是表面活性劑，它通過降低界面張力或在固體表面形成一定結(jié)構(gòu)的吸附層來改善介質(zhì)的潤濕條件。從不同種類表面活性劑對潤濕角的影響情況(見圖3)可知，表面活性劑具有很強(qiáng)的改變水濕表面潤濕性的能力，其中3#表面活性劑在巖石表面沉積形成納米級超分子薄膜[9]，使巖石潤濕性向中性變化。2#表面活性劑和7#表面活性劑具有較強(qiáng)的改善巖石表面潤濕性的能力，且質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.05%的RS-1與質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.05%的堿或質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.003%的阻垢劑復(fù)配，增強(qiáng)了RS-1改善巖石表面潤濕性的能力。由此可知，對表面活性劑進(jìn)行復(fù)配，有利于改善巖石表面的潤濕性。

圖3　不同種類表面活性劑對潤濕角的影響Fig.3　Effects of different surfactants on wetting angle

2.3表面活性劑對毛管壓力的影響

在模擬油中加入不同的表面活性劑后，測量采收率及毛細(xì)管壓力隨界面張力的變化情況，結(jié)果見表2。

表2　表面活性劑對滲吸采收率的影響

從表2可以看出，表面活性劑的加入降低了界面張力，并且毛細(xì)管壓力也隨表面活性劑的加入而減小。因為由毛細(xì)管壓力計算公式可知，毛細(xì)管壓力與界面張力和潤濕角有關(guān)，表面活性劑降低界面張力的同時也降低了潤濕角，然而界面張力降低的幅度大于潤濕角余弦值增加的幅度，因此毛細(xì)管壓力降低(其中4#所用的巖心滲透率較小，由Carman-Kozeny公式可知，其喉道半徑較小，因此毛細(xì)管壓力異常大)。

2.4表面活性劑對滲吸采收率的影響

P.P.Jadhunandan、S.Akin和李士奎等人[10-12]通過滲吸試驗發(fā)現(xiàn)，低滲透油藏的采收率隨油水界面張力的降低而提高。從表2和滲吸采收率與界面張力的關(guān)系(見圖4)可以看出，采收率呈現(xiàn)隨界面張力降低而提高的趨勢(其中3#所用巖心的孔隙度較大，影響了試驗結(jié)果，因此在2.4中未考慮3#的結(jié)果)，即加入表面活性劑降低界面張力后，能夠改善孔隙介質(zhì)的滲吸過程，從而提高滲吸采收率，與文獻(xiàn)[10-12]的試驗結(jié)果一致。這說明表面活性劑促進(jìn)了低滲巖心中原油的活化[13]，降低了油滴的啟動阻力，使更多的原油參與滲流，從而使剩余油變?yōu)榭蓜佑?，提高了低滲巖心的滲吸采收率。

圖4　滲吸采收率與界面張力的關(guān)系Fig.4　Relationship between imbibition recovery and interfacial tension

通過表2中試驗數(shù)據(jù)擬合得到巖樣滲吸采收率與油水界面張力的關(guān)系式為：

Rb=-0.302lnσ+17.264

(1)

式中：Rb為巖心滲吸采收率，%；σ為油水界面張力，mN/m。

從表2和滲吸采收率與毛細(xì)管壓力的關(guān)系(見圖5)可以看出，隨著毛細(xì)管壓力的增加，低滲巖心的采收率降低。分析認(rèn)為，主要是因為毛管壓力的增加是由界面張力增大引起的，界面張力的增加增大了油滴的啟動阻力，從而降低了低滲巖心的滲吸采收率。因此，對于主要由毛細(xì)管壓力提供滲吸動力的親水低滲透油藏，增大毛細(xì)管壓力并不能提高油藏采收率，反而降低了低滲透油藏的滲吸采收率。

圖5　滲吸采收率與毛管壓力的關(guān)系Fig.5　Relationship between imbibition recovery rate and capillary pressure

通過表2中試驗數(shù)據(jù)擬合得到巖心滲吸采收率與毛細(xì)管壓力的關(guān)系式為：

Rb=-0.309lnpc+17.771

(2)

式中：pc為毛細(xì)管壓力，kPa。

3　結(jié)　論

1) 界面張力隨表面活性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加呈現(xiàn)先降低、后略升高、最后趨于平穩(wěn)的特征，在低滲透油田開發(fā)時，應(yīng)通過試驗找到達(dá)到平衡時的最小質(zhì)量分?jǐn)?shù)，從而使效益最大化。

2) 與單一表面活性劑相比，復(fù)配表面活性劑降低界面張力和改善潤濕性的效果更好，其中質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%的RS-1與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%的NaOH復(fù)配對界面張力的降低及油濕表面潤濕性的改善能力最強(qiáng)。

3) 表面活性劑的添加，降低了界面張力，促進(jìn)了低滲巖心中原油的活化，從而減小了油滴的流動阻力，改善了孔隙介質(zhì)的滲吸過程，有利于滲吸作用的發(fā)揮，從而提高了滲吸采收率。

4) 室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)表明，巖樣滲吸采收率與油水界面張力和毛細(xì)管壓力的對數(shù)值呈線性負(fù)相關(guān)關(guān)系。

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[編輯令文學(xué)]

The Effect of Surfactants on Imbibition-Sensitive Factors of Low-Permeability Reservoirs

LI Hong1,LI Zhiping1,WANG Xiangzeng2,WANG Cai1,BAI Ruiting1

(1.BeijingKeyLaboratoryofUnconventionalNaturalGasGeologyEvaluationandDevelopmentEngineering(ChinaUniversityofGeosciences(Beijing)),Beijing，100083,China; 2.ResearchInstituteofShaanxiYanchangPetroleum(Group)Co.,Ltd.,Xi’an,Shaanxi，710075,China)

Interfacial tension and wettability are decisive factors for capillary force.Identifying the effect of surfactants on interfacial tension and wettability can be beneficial in improving the oil imbibition recovery rate in low permeability reservoirs.In this study,the effects of surfactants on the oil-water interfacial tension,surface wettability,capillary pressure and imbibition recovery were investigated through imbibition tests,spinning drop and dynamic contact angle methods,with 7 hydrophilic artificial cores with different permeability.Research results suggest that oil-water interfacial tension decreases significantly as the mass fraction of surfactant RS-1 increases,and then increases slightly before eventually becoming stable.The surfactant is highly capable in water wet surface wettability change,and can reduce the capillary pressure and improve the imbibition recovery.Results indicate that the surfactant is ostensibly capable of reducing the interfacial tension,especially with mixed surfactants which can achieve better performance than individual surfactants.Imbibition recovery is negatively correlated with the logarithm of capillary pressures and interfacial tension.

surfactants; low-permeability reservoir; imbibition; interfacial tension; wettability; recovery

2016-03-14；改回日期：2016-07-31。

李洪(1989—)，男，四川眉山人，2013年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)(北京)石油工程專業(yè)，在讀博士研究生，主要從事致密油藏數(shù)值模擬方面的研究工作。E-mail:lihongcosa@163.com。

國家自然科學(xué)基金項目“CO2驅(qū)油對儲層的傷害機(jī)理研究”(編號：51174178)、北京市自然科學(xué)基金項目“超臨界CO2對儲層性質(zhì)的改變及油氣田開發(fā)的影響”(編號：3162026)資助。

?油氣開發(fā)?doi:10.11911/syztjs.201605017

TE312

A

1001-0890(2016)05-0100-04