盧 川 趙 衛(wèi) 郭少飛 盧克勤

(1. 中海油研究總院， 北京 100027； 2. 中國石油大學(xué)(北京)， 北京 102249；3. 中石油華北油田分公司第一采油廠， 河北 任丘 062552)

?

稠油油藏降黏劑注入過程乳化機(jī)理可視化實(shí)驗(yàn)研究

盧 川1趙 衛(wèi)2郭少飛3盧克勤3

(1. 中海油研究總院， 北京 100027； 2. 中國石油大學(xué)(北京)， 北京 102249；3. 中石油華北油田分公司第一采油廠， 河北 任丘 062552)

針對稠油降黏劑的乳化機(jī)理，進(jìn)行可視化實(shí)驗(yàn)研究。利用微觀孔隙級熱采可視化物理模擬裝置，借助圖像采集系統(tǒng)，觀察稠油在降黏劑體系注入過程中就地乳化而生成乳狀液滴的過程。降黏劑與稠油界面之間的張力及降黏劑經(jīng)高溫降解的降黏率可作為熱采用降黏劑的篩選指標(biāo)。在低界面張力及驅(qū)替流體的擾動作用下，附著的剩余油與玻璃微珠表面間的潤濕角逐漸變小直至剝離，同時剩余油被包裹成O/W型乳狀液滴在多孔介質(zhì)中運(yùn)移，提高了稠油的流動能力。乳狀液滴在多孔介質(zhì)中的運(yùn)移機(jī)理可歸納為表面吸附機(jī)理、單個乳狀液滴卡堵喉道機(jī)理和多個乳狀液滴疊合縮徑機(jī)理。

稠油油藏；降黏劑；就地乳化；微觀可視化；運(yùn)移機(jī)理

稠油中含有大量膠質(zhì)和瀝青質(zhì)。這些物質(zhì)一方面可加大原油黏度，另一方面可起到天然乳化劑的作用，使稠油形成乳狀液[1-5]。水溶性降黏劑是一種特殊的表面活性劑，可用于降低油水界面張力。其作用原理是，將稠油包裹成低黏度的水包油型(O/W)乳狀液，或?qū)崿F(xiàn)油包水型(W/O)乳狀液的反相，以降低原油黏度，提高流動能力[6-10]。目前大部分研究是通過采出液來分析和判定乳狀液的形成類型，實(shí)驗(yàn)的可靠性有待加強(qiáng)。

可視化物理模擬裝置能夠直觀、真實(shí)地反映物理現(xiàn)象的宏觀和微觀過程，廣泛應(yīng)用于油氣田開發(fā)領(lǐng)域。微觀刻蝕模型是用來研究流體微觀運(yùn)移機(jī)理的重要可視化模型，但存在以下缺陷：(1) 孔隙和喉道通過平面玻璃上不同形態(tài)的凹槽進(jìn)行模擬，與油藏真實(shí)孔隙喉道形態(tài)有較大差別，不能真正反映流體在多孔介質(zhì)中的流動特征；(2) 模型通常用玻璃薄片制成，承壓能力有限；(3) 模型耐溫能力較弱，較難模擬高溫流體的注入過程。

本此研究在對耐高溫降黏劑體系進(jìn)行效果評價和篩選的基礎(chǔ)上，自行設(shè)計微觀尺度孔隙級熱采可視化物理模擬裝置，通過高清圖像實(shí)時采集系統(tǒng)及流體計量系統(tǒng)，研究降黏劑輔助稠油注蒸汽就地乳化過程及乳狀液滴微觀運(yùn)移機(jī)理。

1 降黏劑性能評價

1.1 高溫降解后降黏效果評價

降黏率可以作為降黏劑的評價標(biāo)準(zhǔn)，表征降黏劑對樣品黏度的降低程度[11]。本次研究選用的2種水溶性降黏劑是AE和KMK。由于降黏劑應(yīng)用于稠油熱采，因此首先利用降黏率來評價降黏劑高溫降解后的降黏效果。實(shí)驗(yàn)用油在50 ℃時的黏度為1 926 mPa·s。

將降黏劑原液置于密閉的高溫高壓反應(yīng)釜內(nèi)，耐受溫度設(shè)定為250 ℃。通過設(shè)定不同耐受時間(分別為1、3、5、7 d)，得到高溫降解后的降黏劑原液，并降至室溫配置成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的降黏劑溶液。

圖1所示為高溫降解后的稠油降黏效果對比曲線?？梢钥闯?，高溫降解后2種降黏劑的降黏效率均逐漸降低。當(dāng)高溫耐受時間達(dá)7 d時，KMK的降黏率降低至62.03%，AE的降黏率降至63.81%。由整體變化曲線可知，AE的耐溫效果略優(yōu)于KMK。

1.2 界面張力評價

界面張力是影響乳化難易程度及乳狀液穩(wěn)定性的重要因素之一。本次研究利用SVT20N界面流變儀對高溫降解后降黏劑與稠油的界面張力進(jìn)行測定，以此評價高溫降解后降黏劑的乳化性能及其乳狀液的穩(wěn)定性。在實(shí)驗(yàn)測定過程中，降黏劑溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為0.5%，耐受溫度設(shè)定為250 ℃，測試溫度為50 ℃。

圖1 高溫降解后的稠油降黏效果對比曲線

圖2所示為降黏劑與稠油間界面張力變化曲線?？梢钥闯?，隨著高溫降解時間的增加，降黏劑溶液與稠油間的界面張力逐漸增大。這將增大降黏劑溶液與超稠油形成乳狀液的難度，并對所形成乳狀液的穩(wěn)定性產(chǎn)生消極影響。AE與稠油間的界面張力范圍為0.176～0.502 mNm，而KMK與稠油間的界面張力范圍為0.706～4.268 mNm。在相同的降解條件下，KMK與稠油間的界面張力明顯大于AE與超稠油間的界面張力，且隨降解時間的增加，KMK與稠油間界面張力的上升幅度明顯較大。而AE更易與稠油樣品發(fā)生乳化，且更有利于保持乳狀液的穩(wěn)定。

根據(jù)高溫降解條件下降黏劑降黏率測定結(jié)果，確定降黏劑AE具有較好的高溫耐受性能和降黏效果，并將其用于后續(xù)可視化實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)方法也可以作為熱采降黏劑篩選評價的一種方法。

圖2 降黏劑與稠油間界面張力變化曲線

2 可視化實(shí)驗(yàn)設(shè)備及流程

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

該微觀尺度孔隙級熱采可視化實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝置由溫控箱體、可視化實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、圖像采集系統(tǒng)、壓力采集系統(tǒng)以及流體注入和采集設(shè)備組成。圖3所示為可視化實(shí)驗(yàn)流程圖?？梢暬瘜?shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪怯盟闹苓吘壪嗷ヰそ拥?塊石英玻璃(280 ℃下承壓3 MPa)加工而成，在玻璃的四角位置均設(shè)有貫穿此石英玻璃的孔，在玻璃表面上通過鋪設(shè)玻璃微珠(40目)來模擬多孔介質(zhì)。2塊石英玻璃由高溫密封膠體相互黏接，并最終由2塊鏤空金屬框架進(jìn)行二次夾持固定。圖像采集系統(tǒng)設(shè)置于溫控箱體外部，與可視化實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖鄬ΧO(shè)，其主要組成部分為尼康高清、高倍微距鏡頭。壓力采集系統(tǒng)連接在可視模型流體注入端，并與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連接，其功能是實(shí)現(xiàn)壓力數(shù)據(jù)的實(shí)時采集。流體注入和采集系統(tǒng)由恒壓恒速泵、流體存放耐壓活塞容器和量筒組成。

圖3 可視化實(shí)驗(yàn)流程圖

2.2 實(shí)驗(yàn)流程

(1) 借助長35 cm、直徑為3.8 cm的填砂管，利用水測滲透率法測定充填40目(直徑約380 μm)玻璃微珠的填砂管滲透率。

(2) 利用上述玻璃微珠制作可視化平板模型的多孔介質(zhì)區(qū)域，并將其與其他設(shè)備相連，構(gòu)成完整的可視化物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置。

(3) 將模型裝置嵌入恒溫箱體內(nèi)，恒溫箱體溫度設(shè)置為70 ℃，以0.02 mLmin的速度完成可視化模型的飽和油過程，待模型飽和油過程結(jié)束后，降低恒溫箱溫度至50 ℃，并將模型靜置于恒溫箱體內(nèi)24 h使其老化。

(4) 在進(jìn)行蒸汽驅(qū)替之前，首先將蒸汽發(fā)生器的溫度設(shè)置為250 ℃，測試注入流體，直至模型入口端蒸汽滿足實(shí)驗(yàn)要求。

(5) 先進(jìn)行蒸汽注入，完成之后再進(jìn)行降黏劑溶液注入。

在實(shí)驗(yàn)過程中，利用圖像采集系統(tǒng)和壓力采集系統(tǒng)，實(shí)時采集可視區(qū)域圖像動態(tài)變化過程和模型入口端壓力變化，同時記錄生產(chǎn)時間和采出液量，直至模型出口端含水率達(dá)90%時，停止實(shí)驗(yàn)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 就地形成乳狀液滴過程再現(xiàn)

圖4所示為稠油就地形成乳狀液滴的過程。從圖中可以看出，在注入降黏劑溶液后，充填介質(zhì)玻璃微珠表面附著的剩余油被逐漸分散成小液滴進(jìn)入流動通道內(nèi)，從而被驅(qū)替出來。由于降黏劑溶液與稠油間界面張力較低，且驅(qū)替流體具有擾動作用，因此，稠油與玻璃微珠表面的潤濕接觸角逐漸變小，并最終被剝離下來。剝離下來的稠油被包裹成OW型乳狀液滴，在多孔介質(zhì)內(nèi)繼續(xù)運(yùn)移。

圖4 稠油就地形成乳狀液滴的過程

3.2 乳狀液滴表面吸附機(jī)理

圖5所示為多個乳狀液滴在多孔介質(zhì)中的表面吸附機(jī)理。可以看到，單個乳狀液滴首先吸附于玻璃微珠表面。隨著多孔介質(zhì)中降黏劑溶液的不斷注入和乳狀液滴的不斷生成，又有一個乳狀液滴出現(xiàn)在該玻璃微珠附近，并同樣吸附于玻璃微珠表面。所吸附的乳狀液滴是否能夠從玻璃微珠表面“解吸”并重新運(yùn)移，主要取決于注入流體的擾動強(qiáng)度。

圖5 多個乳狀液滴在多孔介質(zhì)中的表面吸附機(jī)理

3.3 單個乳狀液滴卡堵喉道機(jī)理

圖6所示為單個乳狀液滴在多孔介質(zhì)中的卡堵喉道機(jī)理。可以看出，單個乳狀液滴被卡在玻璃微珠間所形成的孔隙喉道區(qū)域內(nèi)。在后續(xù)驅(qū)替流體進(jìn)一步注入的條件下，被夾持的乳狀液滴將發(fā)生形變而逐漸被拉伸、延展。于是產(chǎn)生2種結(jié)果：一是，乳狀液滴通過被夾持的孔隙喉道區(qū)域進(jìn)入孔隙空間內(nèi)，繼續(xù)運(yùn)移；二是，乳狀液滴并未通過被夾持的孔隙喉道區(qū)域，而是仍停留在原區(qū)域，產(chǎn)生“變形封堵”現(xiàn)象?！白冃畏舛隆爆F(xiàn)象形成的條件是，沿乳狀液滴拉伸方向的驅(qū)替壓力不夠大而使得乳狀液滴能夠通過該孔隙喉道空間，即驅(qū)替壓力沒有達(dá)到該乳狀液滴和孔隙喉道尺度對應(yīng)的乳狀液滴“啟動壓力”。由此引申出，若驅(qū)替壓力達(dá)到乳狀液滴和孔隙喉道尺度所對應(yīng)的乳狀液滴“啟動壓力”，則乳狀液滴將發(fā)生變形并最終通過孔隙喉道，即發(fā)生“變形運(yùn)移”。

圖6 單個乳狀液滴在多孔介質(zhì)中的卡堵喉道機(jī)理

3.4 多個乳狀液滴疊合縮徑機(jī)理

圖7所示為多個乳狀液滴在多孔介質(zhì)中的疊合縮徑機(jī)理。當(dāng)多個乳狀液滴通過孔隙喉道時，乳狀液滴相互擠壓、碰撞，在較小流動孔道內(nèi)會出現(xiàn)多個乳狀液滴的疊加堆積。堆積可分為“搭橋疊合”型和“環(huán)形疊合”型。當(dāng)相鄰2個多孔介質(zhì)單元之間的區(qū)域均被疊加的乳狀液滴所占據(jù)時，即形成“搭橋疊合”現(xiàn)象；當(dāng)堆積的乳狀液滴并未完全占據(jù)多孔介質(zhì)單元之間的空間，而是使得其所附著、捕集的多孔介質(zhì)單元周圍流動空間有所減小時，即形成“環(huán)形疊合”現(xiàn)象。這2種堆積現(xiàn)象均能使得多孔介質(zhì)內(nèi)的有效流動空間減小。對于實(shí)際儲層多孔介質(zhì)而言，乳狀液滴的不斷生成、運(yùn)移、疊加和堆積可導(dǎo)致多孔介質(zhì)中流動通道變窄，流動阻力增大。乳狀液滴聚集形成的乳狀液滴“團(tuán)簇”加大了乳狀液滴的運(yùn)移阻力，在一定程度上也加大了后續(xù)驅(qū)替流體的注入阻力，可為改善波及效率提供幫助。

4 結(jié) 語

在高溫降解條件下，降黏劑AE和KMK在稠油樣品中的降黏率均隨高溫降解時間的延長而降低，界面張力隨高溫降解時間的延長而增大，降黏劑AE比KMK表現(xiàn)出了更好的高溫耐受性能和降黏效果。

利用微尺度孔隙級可視化模型對乳狀液滴就地形成過程進(jìn)行再現(xiàn)。在降黏劑溶液與稠油間較低界面張力水平以及驅(qū)替流體擾動作用下，附著在玻璃微珠表面的剩余油表面間潤濕角逐漸減小直至被剝離下來，同時被包裹成OW型乳狀液滴在多孔介質(zhì)中運(yùn)移。乳狀液滴在多孔介質(zhì)中的運(yùn)移機(jī)理可歸納為表面吸附機(jī)理、單個乳狀液滴卡堵喉道機(jī)理和多個乳狀液滴疊合縮徑機(jī)理。

[1] 劉慧卿.熱力采油原理與設(shè)計[M].北京：石油工業(yè)出版社，2013：4.

[2] 湯明光，裴海華，張貴才，等.普通稠油化學(xué)驅(qū)油技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].斷塊油氣田，2012(增刊1)：44-48.

[3] 謝文彥，李曉光，陳振巖，等.遼河油區(qū)稠油及高凝油勘探開發(fā)技術(shù)綜述[J].石油學(xué)報，2007，28(4)：145-150.

[4] MCLEAN J D,KILPATRICK P K. Effects of asphaltene aggregation in model heptane-toluene mixtures on stability of water-in-oil emulsions[J]. Journal of Colloid Interface Science,1997,196：23-34.

[5] LI M Y,GUO J X,LIN M Q. Studies on properties of interfacial active fractions from crude and their effect on stability of crude emulsions[J]. Journal of Dispersion Science and Technology,2006,27：677-687.

[6] 劉書杰，安志杰，于繼飛，等.海上稠油乳化降黏劑的研究及評價[J].斷塊油氣田，2015，22(6)：829-832.

[7] 馮岸洲，張貴才，葛際江，等.表面活性劑體系改善稠油油藏注蒸汽開發(fā)效果研究進(jìn)展[J].油田化學(xué)，2012，29(1)：122-127.

[8] 王軍.乳化與微乳化技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012：23.

[9] 李薇，金學(xué)鋒，王鳳清，等.特稠油乳化降黏室內(nèi)評價研究[J].斷塊油氣田，2012(增刊1):89-92.

[10] GUILLEN V R,CARVALHO M S ,ALVARADO V. Pore scale and macroscopic displacement mechanisms in emulsion flooding[J]. Transport in Porous Media,2012,94:197-206.

[11] 王鳳琴.乳狀液在多孔介質(zhì)中滲流規(guī)律研究[D].西安：西北大學(xué)，2005：15.

Visualization Investigation of In-Situ Emulsification Process During the Injection of Viscosity Reducer for Heavy Oil Reservoirs

LUChuan1ZHAOWei2GUOShaofei3LUKeqin3

(1.Research Institute of China National Offshore Oil Corporation, Beijing 100027, China; 2.China University of Petroleum (Beijing), Beijing 102249, China; 3.No.1 Oil Production Plant of Huabei Oilfield Company, CNPC, Renqiu Hebei 062552, China)

This paper focuses on the visual experimental study according to emulsification mechanism of viscosity reducer for heavy oil. Based on pore-scale visualization equipment and with the help of an image acquisition system, the in-situ emulsification process was replicated and the pore-scale transportation mechanisms of emulsion droplets in porous media were studied. The results showed that the viscosity-reduction rate and IFT could be used as indexes to evaluate the performance of viscosity reducer under high temperature tolerance. Under the combination effect of low IFT between viscosity reducer and heavy oil as well as the disturbance of the injected liquid, the oil attached on the surface of glass bead was gradually peeled off and was formed into O/W emulsion droplets flowing in porous media. This was beneficial for improving oil fluidity. The migration mechanism of emulsion droplets in porous media mainly consists of capture-plugging based on single emulsion droplet and superposition-plugging and annulus-plugging based on multiple emulsion droplets.

heavy oil reservoir; viscosity reducer; in-situ emulsification; microscopic visualization; transportation mechanism

2016-09-03

國家科技重大專項(xiàng)“油砂SAGD開發(fā)地質(zhì)油藏評價及方案優(yōu)化技術(shù)”(2016ZX05031003)

盧川(1987 — )，男，博士，研究方向?yàn)槌碛蜔岵珊陀筒財?shù)值模擬。

TE345

A

1673-1980(2017)02-0001-04