欒和鑫，闕庭麗，云慶慶，關(guān)丹，帕提古麗·麥麥提，唐文潔 焦秋菊，向湘興

（1.中國(guó)石油新疆油田分公司實(shí)驗(yàn)檢測(cè)研究院，新疆克拉瑪依 834000；2.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司礫巖油氣藏勘探開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆克拉瑪依 834000；3.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司油田化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室新疆油田分研究室，新疆克拉瑪依 834000）

0 前言

隨著表面活性劑/聚合物二元復(fù)合驅(qū)（以下簡(jiǎn)稱二元復(fù)合驅(qū)）技術(shù)在新疆、遼河等重大開發(fā)試驗(yàn)的成功，二元復(fù)合驅(qū)配套技術(shù)取得了重大突破［1］，這對(duì)中高滲透老油田水驅(qū)后效益開發(fā)具有重要指導(dǎo)意義［2-6］。新疆七中區(qū)二元復(fù)合驅(qū)礦場(chǎng)試驗(yàn)實(shí)施過(guò)程中，60%油井采出液出現(xiàn)不同程度乳化現(xiàn)象，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和礦場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，二元復(fù)合驅(qū)過(guò)程中的乳化對(duì)提高采收率有重要作用［7-9］。根據(jù)乳狀液形成機(jī)理和毛管數(shù)理論［10］，乳狀液既能提高波及體積又能提高洗油效率，并可降低非牛頓流體界面張力［11-12］，表面活性劑的乳化作用使得原油乳化成粒徑小于巖石孔喉直徑的O/W油型乳狀液隨驅(qū)替介質(zhì)運(yùn)移，而大于孔喉直徑的乳狀液能對(duì)孔喉產(chǎn)生封堵作用，改善儲(chǔ)層平面非均質(zhì)性，擴(kuò)大波及體積。但由于乳狀液為熱力學(xué)不穩(wěn)定體系，形成O/W和W/O乳狀液的影響因素復(fù)雜，相態(tài)間轉(zhuǎn)變時(shí)機(jī)尚不清晰、乳狀液運(yùn)移規(guī)律和提高采收率貢獻(xiàn)不明確，這已成為化學(xué)驅(qū)提高采收率關(guān)鍵和難點(diǎn)問(wèn)題。本文在前期堿/表面活性劑/聚合物三元復(fù)合驅(qū)體系乳化強(qiáng)度對(duì)提高采收率作用研究的基礎(chǔ)上［13］，分析了新疆二元復(fù)合驅(qū)油井現(xiàn)場(chǎng)采出乳狀液的流變特性，通過(guò)研究不同乳化強(qiáng)度的表面活性劑/聚合物二元復(fù)合驅(qū)油體系的驅(qū)油效果明確了乳化綜合指數(shù)范圍，并確定了二元體系乳化對(duì)提高采收率的極限貢獻(xiàn)率。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

石油磺酸鹽KPS，活性物含量為50%，工業(yè)品，新疆克拉瑪依金塔公司；部分水解聚丙烯酰胺HJ1000，相對(duì)分子質(zhì)量1.0×107，水解度24.9%，固含量91.3%，北京恒聚化工集團(tuán)有限責(zé)任公司；實(shí)驗(yàn)用模擬油，由七中區(qū)新疆原油和航空煤油按一定比例配制，黏度9.7 mPa·s（40℃）；石英砂（80 目、240目），天津風(fēng)船化學(xué)試劑廠；配液用水為新疆油田某區(qū)塊現(xiàn)場(chǎng)注入水，礦化度3400 mg/L，主要離子質(zhì)量濃度（單位mg/L）：HCO3-762.75、Cl-1063.59、SO42-114.1、Ca2+28.06、Mg2+19.3、Na++K+1023.27；飽和巖心用水為新疆油田某區(qū)塊現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)出水，礦化度13000 mg/L，主要離子質(zhì)量濃度（單位mg/L）：HCO3-4005.17、Cl-4251.45、SO42-193.30、Ca2+140.35、Mg2+14.13、Na++K+4126.69；人造柱狀均質(zhì)巖心，尺寸φ3.8 cm×30 cm，氣測(cè)滲透率0.2～0.5 μm2。

Nano-Zs Zeta 型電位儀，英國(guó)馬爾文公司；Haake型流變儀，德國(guó)熱電公司；DVⅡ型黏度計(jì)，美國(guó)Brookfield 公司；Axioimager 型熒光生物顯微鏡，德國(guó)Carl Zeiss AG 公司；Physical MCR300 型流變儀，奧地利Anton Paar公司；Agilent型高效液相色譜儀，美國(guó)安捷倫科技有限公司；巖心驅(qū)油裝置，江蘇海安石油科研儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

（1）采出液性質(zhì)分析

取七中區(qū)12口油井（TD72223A、T72224、T72234、T72235、TDT72245、T72246、T72247、T72256A、T72257、T72261、HWT72267、T72275）的采出液，采用DVⅡ型黏度計(jì)，在溫度42℃、剪切速率10 s-1下測(cè)定采出液的黏度；采用Physical MCR300型流變儀測(cè)定采出液的流變性能和黏彈性能；采用AXIOIMAGER 熒光生物顯微鏡測(cè)定采出液的粒徑。

（2）長(zhǎng)巖心驅(qū)油實(shí)驗(yàn)

驅(qū)替實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，選用6根尺寸為φ2.5 cm×100 cm 的填砂管模型（3 根直管，3 根半圓管），每根模型管中間設(shè)置取樣點(diǎn)，取樣點(diǎn)距離注入口分別為0.5、1.5、2.5、3.5、4.5、5.5、6 m，除出口外，注入口和其他6個(gè)取樣點(diǎn)分別連接有壓力感應(yīng)器。將80目和200目的石英砂烘干24 h，按照質(zhì)量比1:2混合均勻；稱取5700 g 的石英砂，分為3 等分，將模型管連接成3根L型管，加入石英砂，震動(dòng)模型管保證石英砂分布均勻；連接模型管，測(cè)試氣密性，氣測(cè)滲透率；長(zhǎng)巖心抽真空72 h，飽和模擬地層水48 h，計(jì)算孔隙體積及孔隙度，利用模擬地層水測(cè)定滲透率。經(jīng)測(cè)試，填砂管巖心參數(shù)如下：孔隙度30.19%，滲透率184.01×10-3μm2，含油飽和度72.37%。

圖1 長(zhǎng)巖心實(shí)驗(yàn)裝置圖

將模型在40 ℃恒溫箱中老化一周，飽和模擬油至出口端量筒水體積3 h 內(nèi)不再增加，記錄飽和油體積，計(jì)算原始含油飽和度、束縛水飽和度；以0.12346 mL/min 的注入速率進(jìn)行水驅(qū)至含水大于98%時(shí)停止，計(jì)算采收率；二元復(fù)合驅(qū)時(shí)，每注0.1 PV的二元復(fù)合體系后，在采樣點(diǎn)采集3 mL的液體，按設(shè)計(jì)量共注入2.0 PV二元復(fù)合體系，排除取樣損失共注入2.5 PV 的二元復(fù)合體系；后續(xù)水驅(qū)階段，每注入0.1 PV的模擬水后，在各采樣點(diǎn)采集3 mL的液體，直到出口端含水達(dá)98%結(jié)束，計(jì)算總采收率，分析檢測(cè)各取樣點(diǎn)樣品化學(xué)劑濃度、黏度、乳狀液粒徑等參數(shù)。各取樣點(diǎn)實(shí)際注入量如1表所示。

表1 各取樣點(diǎn)實(shí)際注入量

表1 （續(xù)）

2 結(jié)果與討論

2.1 剪切作用對(duì)驅(qū)油體系黏度的影響

現(xiàn)場(chǎng)12 口井采出液的黏度隨剪切速率變化如圖2 所示。由圖2 可知，現(xiàn)場(chǎng)采出液的性質(zhì)差異較大，低、中、高黏度的采出液表現(xiàn)出的流變性能有所不同。對(duì)于低黏度（1～20 mPa·s）采出液，隨著剪切速率的增大，采出液的黏度呈現(xiàn)先下降再上升后又下降的趨勢(shì)，這是由于在較低剪切速率下采出液不穩(wěn)定，隨著剪切速率的增大，采出液趨于穩(wěn)定，表現(xiàn)出剪切變稀的行為。對(duì)于中黏度（40～60 mPa·s）采出液，乳狀液的穩(wěn)定性高于低黏度的采出液，隨著剪切速率的增大，采出液黏度呈現(xiàn)先下降再上升的趨勢(shì)。對(duì)于高黏度（220～410 mPa·s）采出液，由于乳化液滴數(shù)目較多，排列緊密，液滴自身有抵抗形變的能力，當(dāng)剪切速率較小時(shí)，要破壞現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)所需的外力較大，因此黏度變化不大；隨著剪切速率增大，液滴被外力所剪切，液滴被分散成更小的液滴，導(dǎo)致黏度下降。

圖2 二元復(fù)合驅(qū)采出液的黏度隨剪切速率的變化

2.2 不同黏度采出液的黏彈性

在相同振幅條件下，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)12口井的采出液進(jìn)行頻率掃描，考察其黏彈性，結(jié)果如圖3所示。由圖3 可知，對(duì)于低黏度（1～20 mPa·s）采出液，乳狀液類型為水包油型，在較低剪切速率時(shí)，儲(chǔ)能模量G'大于損耗模量G''，乳狀液性能以彈性為主；隨著剪切速率的增加，G''逐漸大于G'，乳狀液性能以黏性為主。對(duì)于中黏度（40～60 mPa·s）采出液，乳狀液類型由水包油型變成了油包水型，隨著剪切速率的增大，乳狀液的G''均高于G'，說(shuō)明此時(shí)乳狀液性能以黏性為主。對(duì)于高黏度（220～410 mPa·s）采出液，乳狀液的G''和G'的差異性進(jìn)一步加大，這是由于乳化液滴排列緊密，液滴自身有抵抗形變的能力，當(dāng)剪切速率較小時(shí)，要破壞現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)所需的外力較大，隨著剪切速率增大，液滴被分散成更小的液滴。另外，在較高剪切速率下，黏度40～410 mPa·s 的采出液均表現(xiàn)出黏性，說(shuō)明高黏度的油包水型乳狀液在剪切作用下黏性形變大，有利于堵塞水竄大孔道，同時(shí)在高剪切速率下的剪切變稀性也會(huì)增加其流動(dòng)能力，對(duì)提高采收率有一定貢獻(xiàn)。

圖3 二元復(fù)合驅(qū)采出液的黏彈性能

2.3 乳化作用對(duì)提高采收率的影響

根據(jù)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/SY 17583—2018 中的乳化綜合指數(shù)計(jì)算公式，測(cè)定4 種二元復(fù)合驅(qū)油體系的乳化綜合指數(shù)，結(jié)果如表2所示。在相同條件下，超低界面張力+低乳化強(qiáng)度體系提高采收率比低界面張力+中等乳化體系的低，這說(shuō)明在巖心滲透率一定的條件下，體系的乳化作用比界面張力作用對(duì)提高采收率的影響大。在相同界面張力（2×10-2mN/m）條件下，體系的乳化綜合指數(shù)由45 增至67，可以實(shí)現(xiàn)采收率進(jìn)一步增加8個(gè)百分點(diǎn)。繼續(xù)增大乳化綜合指數(shù)至81%形成的“超低界面張力+超強(qiáng)乳化”驅(qū)油體系提高采收率只有12.22%，這是因?yàn)槿榛阅軓?qiáng)的體系一旦進(jìn)入巖心會(huì)迅速將剩余油乳化，并在進(jìn)口端富集，一般剩余油分布孔喉為10 nm～10.00 μm，而乳化后的乳狀液中值粒徑在100 nm～50 μm之間。粒徑較大的乳狀液會(huì)封堵小孔喉，而大孔道的剩余油有限，驅(qū)油體系只能沿著高滲通道運(yùn)移而起不到擴(kuò)大波及體積和提高洗油效率的目的，因此此時(shí)化學(xué)驅(qū)提高采收率效果并不明顯。低界面張力體系下乳化作用是礫巖油藏大幅度提高采收率重要機(jī)理，要實(shí)現(xiàn)礫巖油藏二元復(fù)合驅(qū)大幅度提高采收率，必須將驅(qū)油體系乳化控制在合理的范圍內(nèi)。

表2 驅(qū)油體系乳化綜合指數(shù)對(duì)提高采收率的影響

不同滲透率、乳化綜合指數(shù)和含油飽和度條件下的提高采收率結(jié)果如圖4 所示。由圖4 可知，滲透率小于100×10-3μm2時(shí)，隨著乳化綜合指數(shù)增加，提高采收率幅度先增加后降低，最佳乳化綜合指數(shù)為55%；滲透率大于100×10-3μm2時(shí)，隨著乳化綜合指數(shù)增加，提高采收率幅度逐漸增加，最佳乳化綜合指數(shù)為88%。

圖4 二元復(fù)合驅(qū)不同滲透率、乳化綜合指數(shù)和含油飽和度下的提高采收率結(jié)果

2.4 乳化對(duì)驅(qū)油體系黏度的補(bǔ)償作用

6 m長(zhǎng)填砂管驅(qū)替實(shí)驗(yàn)中不同取樣點(diǎn)的聚合物相對(duì)濃度和體系相對(duì)黏度隨注入體積變化如圖5所示。在地層條件下產(chǎn)生乳狀液的黏度在一定程度上依賴于聚合物濃度，但當(dāng)聚合物濃度下降時(shí)乳狀液能夠保持驅(qū)替體系相對(duì)黏度的穩(wěn)定性。乳化消失時(shí)體系的黏度迅速降低，故乳化對(duì)于控制流度比有重要作用，在驅(qū)替過(guò)程中乳化對(duì)驅(qū)油體系黏度具有補(bǔ)償作用，適當(dāng)乳化有利于提高采收率。

圖5 各取樣點(diǎn)驅(qū)油體系的相對(duì)黏度和聚合物相對(duì)濃度隨注入體積變化

2.5 乳狀液的運(yùn)移規(guī)律

各取樣點(diǎn)乳狀液的粒徑分布隨注入體積變化如圖6 所示。前3 個(gè)取樣點(diǎn)（50 cm，150 cm 和250 cm）處乳狀液的乳化情況基本一致，乳化初期乳狀液的粒徑分布較廣，隨著驅(qū)替的進(jìn)行，乳狀液的粒徑以3～6 μm、6～9 μm 為主，注入體積大于1.54（1.7）PV后，乳狀液的粒徑變小，粒徑以0～3 μm為主，在0～12 μm 范圍內(nèi)變化，直到乳化結(jié)束。在250 cm處，采出液的含水率比較穩(wěn)定，有小幅波動(dòng)，乳狀液粒徑變化主要由化學(xué)劑濃度變化決定，含水率波動(dòng)會(huì)使乳狀液粒徑產(chǎn)生一定波動(dòng)。

圖6 各取樣點(diǎn)乳狀液粒徑隨注入體積變化

在350 cm 處，乳化初期乳狀液的粒徑分布較廣，粒徑波動(dòng)較大，注入體積為0.86（1.0）PV時(shí)主要以6～15 μm 為主，0.95～1.04（1.1～1.2）PV 時(shí)主要以0～9 μm 為主，1.12～1.29（1.3～1.5）PV 時(shí)呈現(xiàn)出乳化初期粒徑分布較廣的趨勢(shì)，說(shuō)明此時(shí)的乳狀液未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。1.29（1.5）PV以后開始進(jìn)入乳化中期，粒徑分布較窄。在后續(xù)驅(qū)替過(guò)程中，1.81（2.1）PV 后乳狀液出小粒徑為主，而后粒徑恢復(fù)正常，乳化消失前乳狀液粒徑以0～6 μm為主。

將各點(diǎn)的乳化情況按照乳狀液粒徑進(jìn)行分類，乳化分為乳化初期、乳化中期和乳化末期，在乳化中期根據(jù)乳狀液粒徑變化情況又分為中等乳化階段和強(qiáng)乳化階段。在乳化初期，由于化學(xué)劑濃度分布不均勻，乳化穩(wěn)定性較差；乳化末期化學(xué)劑濃度較低，乳化液滴數(shù)目較少，乳化程度較弱；乳化初期和乳化末期的采出液與地層中的乳化真實(shí)情況有一定差異。乳化中期化學(xué)劑濃度較高，乳狀液粒徑變化規(guī)律性較好，能夠反映地層中實(shí)際的乳化情況。取樣點(diǎn)450 cm 處的黏度變化趨勢(shì)與聚合物的相對(duì)濃度變化趨勢(shì)一致，但該點(diǎn)的相對(duì)黏度明顯高于聚合物的相對(duì)濃度，原因是在乳化初期形成了油墻，乳狀液含油量高，黏度大，而乳狀液可對(duì)多孔介質(zhì)中的油膜有效地驅(qū)替剝離，故在驅(qū)替過(guò)程中有效黏度保持在較高的水平上。在600 cm 處的乳化產(chǎn)生于二元復(fù)合驅(qū)末期，說(shuō)明在巖心中乳化產(chǎn)生后擴(kuò)散速率依賴于注劑速度，乳化開始時(shí)表面活性劑濃度較低，隨后持續(xù)增加但增幅小，此時(shí)取樣點(diǎn)600 cm 處采出液黏度隨乳化出現(xiàn)迅速上升并達(dá)到最大值，隨后開始緩慢下降，在乳化期間黏度變化平穩(wěn)。在聚合物濃度開始下降以后采出液黏度才開始下降，在乳化后期由于乳狀液中含水率較高，在水驅(qū)0.5 PV（3.0 PV）后含水率已接近99%，此時(shí)乳狀液黏度迅速下降，不能起到調(diào)節(jié)流度比的作用。

在乳化中期，乳化中等階段隨著化學(xué)劑濃度逐漸升高，乳狀液大粒徑的液滴占比逐漸減少，以中小粒徑為主；強(qiáng)乳化階段化學(xué)劑濃度穩(wěn)定，粒徑分布均勻，變化穩(wěn)定。從各點(diǎn)采出液的油水比變化來(lái)看，乳化中期含水率變化較大，同時(shí)能夠保持在一定范圍內(nèi)穩(wěn)定，不會(huì)出現(xiàn)含水率大幅度上升的現(xiàn)象，分析認(rèn)為該階段為乳化増油的主要階段。乳化初期和乳化末期的乳化程度較弱，具有一定的増油效果，但沒有乳化中期明顯。

2.6 化學(xué)劑的運(yùn)移規(guī)律

2.6.1 表面活性劑的運(yùn)移規(guī)律

各取樣點(diǎn)表面活性劑相對(duì)濃度隨注入體積變化如圖7 所示。從圖7 可以看出，注入0.1 PV 的二元復(fù)合驅(qū)油體系后，在50 cm處開始出現(xiàn)KPS，其濃度隨著注入體積開始逐漸上升，達(dá)到最高點(diǎn)后持續(xù)減小，最大相對(duì)濃度為0.7，水驅(qū)后濃度持續(xù)降低。隨著運(yùn)移距離的增加，保留的KPS 濃度逐漸降低，相對(duì)濃度最高點(diǎn)也依次降低，600 cm處在注入1.38（1.9）PV 開始出現(xiàn)KPS，相對(duì)濃度最大值僅為0.24，說(shuō)明表面活性劑在多孔介質(zhì)中損失嚴(yán)重。同時(shí)水驅(qū)后表面活性劑濃度變化也可以看出，距注入端越近表面活性劑濃度受注入體系的影響也越明顯。

2.6.2 聚合物運(yùn)移規(guī)律

聚合物在二元復(fù)合驅(qū)過(guò)程中主要起到調(diào)節(jié)流度比、擴(kuò)大波及體積、調(diào)整水竄大通道的作用。通過(guò)不同位置聚合物濃度的變化可以看出聚合物在多孔介質(zhì)中的變化規(guī)律，確定聚合物有效作用的時(shí)間。各取樣點(diǎn)聚合物相對(duì)濃度隨注入體積變化如圖8所示。從圖8可看出，在注劑0.1 PV后在50 cm處可以檢測(cè)出聚合物，隨后在各點(diǎn)依次檢測(cè)出聚合物，除了前3 個(gè)點(diǎn)在注入相應(yīng)體積后能夠檢測(cè)到聚合物外，后續(xù)各取樣點(diǎn)檢測(cè)到聚合物時(shí)的注入體積都有明顯的間隔，說(shuō)明除了在取樣點(diǎn)損失外，聚合物的吸附損失隨運(yùn)移距離越遠(yuǎn)越明顯。聚合物優(yōu)先進(jìn)入大孔道，隨后吸附在孔隙表面，對(duì)大孔道進(jìn)行調(diào)剖，聚合物溶液具有黏彈性，大孔隙被堵塞后注入壓力上升，聚合物在小孔道會(huì)出現(xiàn)屈服流動(dòng)，從而進(jìn)行解堵。

圖8 驅(qū)替過(guò)程中聚合物相對(duì)濃度隨注入體積的變化

3 結(jié)論

對(duì)于低黏度（1～20 mPa·s）采出液，在較低剪切速率時(shí)，乳狀液性能以彈性為主；隨著剪切速率的增加，乳狀液性能以黏性為主；黏度40～410 mPa·s的采出液均表現(xiàn)出黏性。

巖心滲透率小于100×10-3μm2時(shí)，二元復(fù)合驅(qū)過(guò)程中隨著乳化綜合指數(shù)增加，提高采收率幅度先增加后降低，最佳乳化綜合指數(shù)為55%；滲透率大于100×10-3μm2時(shí)，隨著乳化綜合指數(shù)增加，提高采收率幅度逐漸增加，最佳乳化綜合指數(shù)為88%。

在乳化初期，由于化學(xué)劑濃度分布不均勻，乳化穩(wěn)定性較差；乳化中期化學(xué)劑濃度較高，存在乳化對(duì)驅(qū)油體系黏度補(bǔ)償作用。