尹玉川，陳 超，姚普勇，周小淞，張忠武，付 紅

（1.中國石油吐哈油田分公司工程技術(shù)研究院，新疆鄯善 838200；2.成都理工大學(xué)能源學(xué)院，四川成都 610059）

0 前言

泡沫驅(qū)作為一種三次采油技術(shù)，已在保護(hù)油層、提高油氣產(chǎn)量方面發(fā)揮重要作用。國內(nèi)外對(duì)泡沫驅(qū)提高采收率相關(guān)機(jī)理和影響泡沫驅(qū)性能相關(guān)因素進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)研究［1-3］。泡沫能大幅度提高氣體的表觀黏度，延緩氣體的指進(jìn)現(xiàn)象，封堵高滲通道，提高采油過程中的波及體積，降低油水界面張力，提高洗油作用［4］。地層壓力、溫度、地層滲透率［5］、地層非均質(zhì)性、原油、注入方式［6］及注入速率［7］等因素均會(huì)影響泡沫驅(qū)油性能，發(fā)揮泡沫穩(wěn)定性能對(duì)泡沫驅(qū)提高采收率具有重大意義。

大量實(shí)驗(yàn)研究已經(jīng)證明低礦化度水驅(qū)可以大幅提高原油采收率［8-9］。原油的極性組分在黏土礦物和儲(chǔ)層巖石中的吸附量隨黏土表面二價(jià)陽離子總濃度的增加而增加，進(jìn)而影響巖石潤濕性［10］；黏土中的羧基物質(zhì)以與砂巖表面形成靜電橋接的形式黏結(jié)多價(jià)陽離子［11］。當(dāng)?shù)偷V化度鹽水侵入多孔介質(zhì)時(shí)，發(fā)生離子交換，有機(jī)絡(luò)合物被移除，被未絡(luò)合陽離子取代，從而提供了親水性更強(qiáng)的環(huán)境，進(jìn)而提高原油采收率。低礦化度鹽水遇到原油時(shí)會(huì)形成油包水型微乳液［12］，降低注入水的離子強(qiáng)度會(huì)使得油水界面膜黏彈性增加［13］，抑制原油斷裂，并使油聚集形成具有更大油滴的連續(xù)相，這些油滴會(huì)阻塞孔喉并使水流向未經(jīng)過流通的含油孔隙，從而提高原油采收率并降低殘余油飽和度。

低礦化度水驅(qū)能改變巖石潤濕性并能降低殘余油飽和度，而泡沫在水濕孔隙介質(zhì)比在油濕孔隙介質(zhì)更易于生成泡沫。因此，為提高多孔介質(zhì)中的泡沫驅(qū)油性能，通過室內(nèi)巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)研究在低礦化度水驅(qū)協(xié)助下泡沫驅(qū)的驅(qū)油效果，并對(duì)比了兩種原油（酸堿含量不同）飽和巖心的驅(qū)油效果。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料和儀器

實(shí)驗(yàn)用油為吐哈油田溫西區(qū)塊和溫米區(qū)塊脫水原油，分別命名為原油A和原油B，原油A和原油B 在室溫（25℃）下的密度分別為0.831 g/cm3和0.823 g/cm3，在溫度80 ℃、剪切速率170 s-1條件下原油黏度分別為1.53 mPa·s 和1.34 mPa·s，原油總酸值分別為1.314 mg（KOH）/g 和0.976 mg（KOH）/g，原油總堿值分別為0.263 mg（KOH）/g 和0.146 mg（KOH）/g。起泡劑配液用水為模擬地層水。實(shí)驗(yàn)用模擬地層水（FW）和低礦化度水（LSW1 和LSW2）為蒸餾水與各種無機(jī)鹽混合而成，具體離子質(zhì)量濃度見表1，NaCl、KCl、CaCl2、MgCl2、Na2SO4、NaHCO3均為分析純?cè)噭?，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。實(shí)驗(yàn)用巖心均為溫西區(qū)塊天然露頭砂巖巖心，巖心參數(shù)見表3。表面活性劑XHY-4，有效物含量30%，成都華陽興華化工廠；甲苯（純度99.9%），丙酮，成都科龍化工試劑廠；N2，成都天源氣體制造有限公司。

表1 不同鹽水的離子組成

常規(guī)物理模擬驅(qū)替實(shí)驗(yàn)裝置，江蘇海安石油科研儀器有限公司，包括中間容器、平流泵、手搖泵、巖心夾持器等；JJ2000B3 旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀，上海中晨數(shù)字技術(shù)設(shè)備有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 巖心預(yù)處理

將露頭巖心切片、打磨制得6塊巖心薄片，分別用甲苯、丙酮和蒸餾水進(jìn)行清洗，然后在100 ℃烘箱中放置2 h。

1.2.2 巖心潤濕性測(cè)定

模擬地層條件下巖心受原油老化過程并測(cè)量老化巖心受配制水驅(qū)替后的潤濕性變化。具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：將巖心薄片抽真空、飽和模擬地層水（FW）直至無氣泡離開薄片，在80 ℃下將巖心浸泡在FW 中72 h；將巖心薄片從FW 中取出后放入80 ℃的原油A（或原油B）中72 h；將巖心薄片從原油中取出后放在80 ℃的FW（或低礦化度水LSW1、LSW2）中浸泡1 h，取巖心薄片并拭去表面多余水；最后測(cè)量蒸餾水在巖心薄片表面上的接觸角。

1.2.3 巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)

巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)具體步驟如下：①使用真空泵將巖心飽和FW，測(cè)巖心濕重，計(jì)算巖心的孔隙度和孔隙體積；②將巖心放入巖心夾持器中，用FW水驅(qū)替巖心，待驅(qū)替壓力穩(wěn)定后計(jì)算巖心的滲透率；③用原油驅(qū)替巖心至無水產(chǎn)出，建立束縛水飽和度，在80 ℃下老化72 h；④向飽和原油的巖心中注入FW進(jìn)行水驅(qū)至出口端含水達(dá)到98%，接著注入2 PV的LSW 或FW，最后按氣/起泡劑溶液體積流量1∶1 交替注入氮?dú)夂唾|(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的起泡劑溶液總共2 PV（0.5 PV 起泡劑溶液+0.5PV 氮?dú)?0.5 PV 起泡劑溶液+0.5 PV 氮?dú)猓?。記錄?qū)替過程中原油采收率與注入量和驅(qū)替壓力的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。整個(gè)驅(qū)替過程中，溫度為80℃，巖心夾持器圍壓為3 MPa，回壓閥壓力為0 MPa，驅(qū)替速率為0.5 mL/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 注入水礦化度對(duì)巖心潤濕性的影響

受兩種酸堿含量不同原油老化處理后的巖心與不同礦化度水接觸到平衡后，巖心潤濕性測(cè)試結(jié)果見表2。在高礦化度模擬地層水條件下，老化巖心表現(xiàn)為油濕；對(duì)于飽和原油A（總酸值1.314 mg（KOH）/g）或原油B（總酸值0.976 mg（KOH）/g）的老化巖心，LSW1（礦化度27840 mg/L）和LSW2（礦化度27840 mg/L）均能改變巖心潤濕性，將油濕巖心改變?yōu)樗疂駧r心，且礦化度越低，巖心潤濕性改變?cè)酱?。FW 中含有大量的二價(jià)陽離子（Ca2+和Mg2+），能夠在原油和砂巖間充當(dāng)橋梁作用，使帶負(fù)電的酸性物質(zhì)吸附于砂巖表面，由于酸性組分另一端為親油基，因此導(dǎo)致砂巖表面親油性更強(qiáng)；注入低礦化度鹽水時(shí)，鹽水／石油（酸性組分）界面、礦物／鹽水界面之間的陽離子數(shù)量減少，兩個(gè)界面間的雙電層膨脹，兩個(gè)界面間的靜電斥力增強(qiáng)導(dǎo)致酸性組分從礦物表面脫落，巖石表面水潤濕性增強(qiáng)。

表2 受原油老化巖心與不同礦化度水接觸到平衡后的潤濕性

在低礦化度效應(yīng)作用下，和飽和原油A（總酸值為1.314 mg（KOH）/g）的巖心相比，飽和原油B（總酸值為0.976 mg（KOH）/g）的巖心親水性更強(qiáng)。對(duì)于總酸值/總堿值的比值高的原油（原油中含有大量的酸性組分，堿性組分含量很少），原油酸性組分含量越低且注入水礦化度越低，二價(jià)陽離子橋接作用越弱，吸附在巖石表面的原油也越少。對(duì)于總酸值/總堿值的比值低的原油（原油中含有大量的堿性組分，酸性組分含量很少），原油堿性組分濃度高，在地層水作用下原油堿性組分會(huì)電離出帶正電荷的極性化合物，原油會(huì)直接吸附在巖石表面上使巖石油潤濕，高濃度堿性組分原油對(duì)于低礦化度水驅(qū)增強(qiáng)巖石親水性不敏感，甚至?xí)黾釉驮趲r石表面的吸附量。本文對(duì)總酸值/總堿值的比值低的原油對(duì)低礦化度水驅(qū)和泡沫驅(qū)的影響不做研究。

2.2 低礦化度水驅(qū)和泡沫驅(qū)的驅(qū)油效果

1 號(hào)、2 號(hào)和3 號(hào)巖心飽和原油A，4 號(hào)、5 號(hào)和6號(hào)巖心飽和原油B。1號(hào)（4號(hào)）巖心驅(qū)替順序?yàn)镕W水驅(qū)-LSW2 水驅(qū)-泡沫驅(qū)，2 號(hào)（5 號(hào)）巖心驅(qū)替順序?yàn)镕W水驅(qū)-LSW1水驅(qū)-泡沫驅(qū)，3號(hào)（6號(hào)）巖心驅(qū)替順序?yàn)镕W水驅(qū)-FW水驅(qū)-泡沫驅(qū)。采收率隨注入量變化情況分別見圖1和圖2，采收率結(jié)果見表3。

表3 巖心參數(shù)及驅(qū)油實(shí)驗(yàn)采收率

圖1 1、2和3號(hào)巖心水驅(qū)及泡沫驅(qū)采收率曲線

圖2 4、5和6號(hào)巖心水驅(qū)及泡沫驅(qū)采收率曲線

FW水驅(qū)后，1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)巖心原油采收率分別為32.91%、37.60%和35.78%，F(xiàn)W 水驅(qū)后建立了殘余油飽和度，經(jīng)過LSW2、LSW1 和FW 水驅(qū)后原油提高采收率分別為4.60%、2.20%和0.13%，經(jīng)過泡沫驅(qū)后原油采收率較LSW2、LSW1和FW水驅(qū)提高分別為5.80%、3.40%和1.50%。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，1號(hào)和2號(hào)巖心經(jīng)過低礦化度水驅(qū)和泡沫驅(qū)后原油采收率有大幅度提升，且1 號(hào)巖心提高采收率幅度最大，泡沫驅(qū)結(jié)束后與FW 水驅(qū)相比提高采收率10.40%；2號(hào)巖心提高采收率幅度次之，泡沫驅(qū)結(jié)束后與FW 水驅(qū)相比提高采收率5.6%；3 號(hào)巖心泡沫驅(qū)后與FW 水驅(qū)相比提高采收率最小，僅為1.63%。低礦化度水驅(qū)改變巖心潤濕性，使巖心表面傾向于水濕，促進(jìn)巖心表面的原油脫離，且礦化度越低，巖心水濕改善程度越大，后續(xù)泡沫驅(qū)過程中泡沫更容易生成且穩(wěn)定，因此經(jīng)過低礦化度水驅(qū)和泡沫驅(qū)后原油采收率有大幅度提升。而FW水驅(qū)沒能改變巖心潤濕性，且由于殘余油飽和度過高，氣液交替注入過程中原油與泡沫接觸時(shí)泡沫容易破裂，主要依靠表面活性劑降低油水界面張力以提高采收率，故最終采收率不高。

FW水驅(qū)后，4號(hào)、5號(hào)及6號(hào)巖心的原油采收率分別為39.81%、33.67%和34.40%，F(xiàn)W 水驅(qū)后注入2 PV的LSW2、LSW1和FW后原油提高采收率分別為6.80%、3.50%和0.09%，經(jīng)過泡沫驅(qū)后原油采收率較LSW2、LSW1 和FW 提高分別為7.40%、4.30%和2.40%。4 號(hào)巖心經(jīng)過低礦化度水驅(qū)和泡沫驅(qū)后提高采收率幅度最大，泡沫驅(qū)結(jié)束后與FW 水驅(qū)相比提高采收率為14.20%；5 號(hào)巖心提高采收率幅度次之，泡沫驅(qū)結(jié)束后與FW 水驅(qū)相比提高采收率8.8%；6 號(hào)巖心泡沫驅(qū)后與FW 水驅(qū)相比提高采收率最小，僅為2.49%。

不管是低礦化度水驅(qū)還是泡沫驅(qū)，飽和了原油B的巖心提高原油采收率幅度均比飽和原油A的巖心提高原油采收率幅度高。

低礦化度水驅(qū)進(jìn)一步降低了殘余油飽和度，原油在巖石表面的吸附量減少，巖心親水性增強(qiáng)，為后續(xù)泡沫驅(qū)提供一個(gè)更為水濕的多孔介質(zhì)以促進(jìn)泡沫的生成和穩(wěn)定，最終提高原油采收率。此外，低總酸值原油對(duì)低礦化度水驅(qū)改變巖心潤濕性更敏感，原油酸性組分含量越低，低礦化度水越能提高巖心水潤濕性，后續(xù)泡沫驅(qū)提高采收率幅度越高。

2.3 泡沫驅(qū)過程中注入壓力變化情況

圖3 和圖4 分別為氣液交替過程中的1、2 和3號(hào)巖心和4、5 和6 號(hào)注入壓力隨注入量變化。可知，在孔隙介質(zhì)中，氣液交替注入形成泡沫時(shí)注入壓力波動(dòng)比較大；與3 號(hào)和6 號(hào)巖心相比，1 號(hào)、2 號(hào)及4號(hào)和5號(hào)巖心注入壓力波動(dòng)比較大，表明1號(hào)、2號(hào)及4號(hào)和5號(hào)巖心在氣液交替注入時(shí)形成了有效泡沫，對(duì)巖心的高滲通道有一定的封堵作用。泡沫驅(qū)前的低礦化度水驅(qū)改變巖心潤濕性有助于后續(xù)氣液交替時(shí)生成泡沫。

圖3 1、2和3號(hào)巖心泡沫驅(qū)注入壓力變化

圖4 4、5和6號(hào)巖心泡沫驅(qū)注入壓力變化

泡沫驅(qū)前注入LSW2的1號(hào)和4號(hào)巖心，泡沫驅(qū)時(shí)的最高驅(qū)替壓力最大，分別為0.21 MPa 和0.24 MPa；泡沫驅(qū)前注入LSW2 的2 號(hào)和5 號(hào)巖心，泡沫驅(qū)時(shí)的最高驅(qū)替壓力次之，分別為0.18 MPa和0.21 MPa；而泡沫驅(qū)前注入模擬地層水的3 號(hào)和6 號(hào)巖心，泡沫驅(qū)時(shí)的最高驅(qū)替壓力最小，分別為0.09MPa和0.08 MPa。這表明注入LSW2后泡沫驅(qū)的封堵效果最佳，注入LSW1后泡沫驅(qū)的封堵效果次之，注入FW后泡沫驅(qū)的封堵效果最差。注入水的礦化度越低，二價(jià)陽離子橋接作用越弱，巖心親水性變得越強(qiáng)，氣液交替時(shí)越容易生成穩(wěn)定泡沫，從而提高泡沫的封堵能力。

當(dāng)飽和原油的總酸值含量越低時(shí)，低礦化度效應(yīng)越明顯，泡沫驅(qū)時(shí)的最高驅(qū)替壓力越大，低礦化度水驅(qū)和泡沫驅(qū)產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)更大幅度提高原油采收率。

所有實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，先進(jìn)行低礦化度水驅(qū)再進(jìn)行泡沫驅(qū)能大幅度提高原油采收率，其它因素比如原油組分、原油瀝青質(zhì)含量、地層溫度和壓力、地層黏土礦物的溶解和泡沫注入方式對(duì)于這種驅(qū)油方式提高原油采收率的影響還有待進(jìn)一步研究。

3 結(jié)論

在地層水條件下，原油中的負(fù)電酸性組分主要通過二價(jià)陽離子架橋吸附于砂巖表面。注入低礦化度水時(shí)，砂巖表面與酸性組分之間的陽離子減少，砂巖表面和原油酸性組分間的雙電層膨脹，酸性組分脫離砂巖表面，巖石親水性增強(qiáng)。礦化度越低，礦化度水與老化巖心接觸后，巖心潤濕接觸角越小。

注入低礦化度水后泡沫驅(qū)階段氣液交替注入更容易生成穩(wěn)定泡沫，對(duì)巖心的封堵效果更好。

低總酸值原油對(duì)低礦化度水增強(qiáng)巖石親水性更敏感。飽和低濃度酸性組分原油的巖心，注入低礦化度水后泡沫驅(qū)過程中更容易生成高封堵效果的穩(wěn)定泡沫，提高原油采收率幅度更大。