王興坤，劉逸飛，易 飛，黃 波，吳文俊，陳維余，方彥超，戴彩麗

（1.中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東青島 266580；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452）

0 前言

致密油藏具有油井單井產(chǎn)量低、產(chǎn)能遞減快、穩(wěn)產(chǎn)困難、注采系統(tǒng)不能完全建立、注采矛盾突出、水驅(qū)難度大、見效程度低等特點(diǎn)。滲吸作用是提高致密油原油動(dòng)用的關(guān)鍵方法之一［1］。滲吸即自發(fā)滲吸，是指在沒有加壓的情況下，水自動(dòng)吸入巖心并驅(qū)出原油的過程。自該現(xiàn)象在20 世紀(jì)于美國(guó)發(fā)現(xiàn)以來，經(jīng)過幾代人的研究表明，滲吸是提高致密油藏原油采出程度的重要機(jī)制［2］。Morrow 和Mason對(duì)滲析的機(jī)制以及相關(guān)影響因素進(jìn)行了總結(jié)并對(duì)相關(guān)模型進(jìn)行了比較和預(yù)測(cè)［3］。表面活性劑可以顯著提高滲吸效果，其作用機(jī)制不一。目前，關(guān)于表面活性劑對(duì)滲吸的作用機(jī)制主要從兩方面展開。（1）界面張力。一般情況下，油水界面張力越低，滲吸采收率越高，因此表面活性劑可以通過降低界面張力來提高滲吸作用［4-7］。但表面活性劑對(duì)于滲吸不僅只有促進(jìn)的作用，也存在消極的一面。Cuiec和Morrow 等發(fā)現(xiàn)，表面活性劑雖通過降低油水界面張力提高了原油采收率，但當(dāng)界面張力較低時(shí)，滲吸采出速度明顯降低［8-11］。Keijzer 等發(fā)現(xiàn)，當(dāng)表面活性劑使油水界面張力降低12倍時(shí)，相應(yīng)的滲吸速度比水的滲吸速度降低50%；在另一組實(shí)驗(yàn)中，在油水界面張力降低3000倍的情況下，滲吸速度降低到原來的1/5。原因在于表面活性劑減少或消除了滲吸作用的毛細(xì)管力，但降低界面張力對(duì)最終采收率沒有影響［12］。（2）潤(rùn)濕性的轉(zhuǎn)變。研究發(fā)現(xiàn)，滲吸的強(qiáng)弱以及最終采出程度的大小與巖心潤(rùn)濕性有關(guān)［13-17］。Austad 等對(duì)于不同巖心的研究結(jié)果表明，加入表面活性劑后，由于潤(rùn)濕性的轉(zhuǎn)變，滲吸效果明顯增強(qiáng)［18-21］。由于潤(rùn)濕性對(duì)滲吸也有極大的影響，所以在界面張力較低的情況下，當(dāng)巖心在表面活性劑的作用下潤(rùn)濕性變?yōu)閺?qiáng)水濕時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)滲吸速度不降低反而提高的現(xiàn)象。當(dāng)潤(rùn)濕性的改變對(duì)毛細(xì)管力的影響占主導(dǎo)時(shí)，即潤(rùn)濕性的改變對(duì)毛細(xì)管力的作用抵消了甚至超過了由于界面張力降低帶來的影響，就可能導(dǎo)致在低界面張力下滲吸速度升高［11-12］。由于表面活性劑對(duì)滲吸效果有多重影響，表面活性劑的選擇取決于具體的實(shí)驗(yàn)條件。

目前對(duì)于滲吸作用提高原油動(dòng)用特征的認(rèn)識(shí)尚不清晰，無法起到明確的指導(dǎo)作用。本文針對(duì)目標(biāo)油藏特點(diǎn)，優(yōu)選了自發(fā)滲吸效果優(yōu)良且洗油能力強(qiáng)的表面活性劑。建立了致密油基質(zhì)-裂縫雙重介質(zhì)巖心模型，考慮近縫基質(zhì)及深部基質(zhì)存在不同的滲流特征，系統(tǒng)研究了近縫基質(zhì)動(dòng)態(tài)滲吸及深部基質(zhì)自發(fā)滲吸過程中的原油動(dòng)用特征及規(guī)律，為致密油藏表面活性劑高效滲吸提高原油動(dòng)用提供理論指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

新疆吉木薩爾油藏區(qū)塊原油，實(shí)驗(yàn)用油為模擬油，90%的煤油加10%的原油（原油物性差，需與煤油混合）；實(shí)驗(yàn)用水為模擬地層水，NaHCO3型，pH值8.9，礦化度為29 776.2 mg/L，離子組成（單位mg/L）：Na+9054、K+522、Mg2+12.2、Ca2+26.1、F-108.3、Cl-5880、HCO3-14 174.2、SO42-271.7；椰油酰胺丙基磺基甜菜堿（ASB）、月桂酰胺丙基甜菜堿（LAB-35）、椰油酰胺丙基磺基甜菜堿（CAB-35）、十四烷基羥磺基甜菜堿（LHSB）、十二烷基磺基甜菜堿（BSSB-12）、十六烷基羥磺基甜菜堿（CHSB）、月桂酰胺羥磺基甜菜堿（THSB）、十四烷基二甲基甜菜堿（BSSB-2-14），山東臨沂市綠森化工有限公司；人造膠結(jié)砂巖巖心，滲透率為0.52×10-3～0.71×10-3μm2，相關(guān)物性參數(shù)如表1所示。

表1 巖心物性參數(shù)

ULP-613 超低滲巖心氣相滲透率自動(dòng)測(cè)定儀、PMI-100 氦孔隙度測(cè)量?jī)x，北京宜能石油科技有限公司；BH-3 改進(jìn)型巖心真空加壓飽和實(shí)驗(yàn)裝置，海安石油科研儀器有限公司；JC2000D2 接觸角測(cè)量?jī)x，上海中晨數(shù)字技術(shù)設(shè)備有限公司；TX500C旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀，美國(guó)CNG公司；微流控模型，自制。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 自發(fā)滲吸

采用Amott滲吸瓶進(jìn)行自發(fā)滲吸實(shí)驗(yàn)。（1）切割巖心，烘干，測(cè)量滲透率；（2）抽真空飽和模擬油，計(jì)算含油飽和度；（3）將巖心放入底部裝有適量表面活性劑溶液的滲吸瓶中，裝滿表面活性劑溶液，開始計(jì)時(shí)；（4）每隔一段時(shí)間記錄一次數(shù)據(jù)，當(dāng)出油量連續(xù)24 h不變時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。根據(jù)排出油的體積計(jì)算滲吸采收率，通過采收率隨時(shí)間的變化計(jì)算滲吸采出速度。改變滲吸條件，研究各因素對(duì)滲吸規(guī)律的影響。

1.2.2 界面張力和巖心接觸角的測(cè)定

采用旋轉(zhuǎn)滴界面張力法測(cè)得動(dòng)態(tài)油水界面張力。實(shí)驗(yàn)步驟如下：（1）打開旋轉(zhuǎn)滴超低界面張力儀，設(shè)定溫度，等待溫度穩(wěn)定；（2）向石英管內(nèi)注入待測(cè)的表面活性劑溶液；（3）用微量注射器在石英管內(nèi)緩慢推入油樣后迅速抽出針頭（避免產(chǎn)生氣泡）；（4）將石英管放入樣品槽內(nèi)，設(shè)定轉(zhuǎn)速為6000 r/min，通過調(diào)節(jié)儀器水平平衡，在屏幕中找到被拉長(zhǎng)的油柱，確保油滴在屏幕中間位置。每隔一定時(shí)間，拍照記錄油滴形狀及大??；（5）當(dāng)油滴形狀不再發(fā)生變化時(shí)拍照，根據(jù)油水密度差、油滴橫向和縱向的曲率半徑計(jì)算油水界面張力。

參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 30447—2013《納米薄膜接觸角測(cè)量方法》，用接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)定巖心表面的接觸角，評(píng)價(jià)巖心潤(rùn)濕性以及表面活性劑的作用。

1.2.3 基質(zhì)-裂縫模型動(dòng)態(tài)滲吸

基質(zhì)-裂縫模型動(dòng)態(tài)滲吸實(shí)驗(yàn)步驟如下：（1）按圖1 連接儀器，置于恒溫箱中，將巖心模型（圖2）放入巖心夾持器，設(shè)定溫度80 ℃，加圍壓，通過改變圍壓來控制模型中裂縫的寬度（圍壓設(shè)定梯度為0.5 MPa）；（2）打開ISCO 泵，連接裝有模擬油的中間容器，以0.5 mL/min 的速度驅(qū)替，記錄壓力p0，通過公式（1）和（2）計(jì)算縫寬；（3）逐漸升高圍壓，重復(fù)步驟（2），計(jì)算不同圍壓對(duì)應(yīng)的縫寬；（4）確定縫寬、圍壓，連接裝有表面活性劑溶液的中間容器，以0.1 mL/min 的速度向巖心模型注入表面活性劑溶液；（5）用量筒在出口端收集采出的流體，記錄產(chǎn)液量、產(chǎn)油量，分析流體中的原油量變化，當(dāng)連續(xù)一段時(shí)間產(chǎn)不出油，該條件下的實(shí)驗(yàn)即完成；（6）更改實(shí)驗(yàn)條件，進(jìn)行下一組實(shí)驗(yàn)。

圖1 基質(zhì)-裂縫模型動(dòng)態(tài)滲吸實(shí)驗(yàn)儀器連接圖

圖2 巖心模型示意圖

式中，R—形狀系數(shù)；Q—流量，mL/min；L—縫長(zhǎng)，mm；w—縫寬，mm；h—縫高，mm；μ—流體的黏度，mPa·s。

1.2.4 微流控模型動(dòng)態(tài)滲吸界面運(yùn)移特征評(píng)價(jià)

（1）超聲清洗微流控模型（圖3，縫寬30 μm），粘合接頭與模型，固化24 h，用氮?dú)夂腿ルx子水清洗通道后，將模型放入干燥箱干燥；（2）將煤油通過微濾膜過濾，然后以一定的速度注入模型，使模型裂縫通道和基質(zhì)通道飽和煤油；（3）配制表面活性劑溶液并過濾；（4）通過微量泵向裂縫中注入表面活性劑溶液，當(dāng)表面活性劑溶液與基質(zhì)處的煤油接觸時(shí)，利用高速攝像機(jī)以38 m/s的速度記錄動(dòng)態(tài)滲吸過程中油水界面的運(yùn)移行為。

圖3 微流控模型示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 滲吸用表面活性劑優(yōu)選及性質(zhì)表征

2.1.1 表面活性劑自發(fā)滲吸

在80 ℃條件下，用不同的表面活性劑配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的溶液，通過滲吸實(shí)驗(yàn)研究表面活性劑對(duì)滲吸采出程度及采出速度的影響，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同表面活性劑對(duì)滲吸采出程度（a）和采出速度（b）的影響

由圖4 可以看出，加入BSSB-2-14 對(duì)滲吸沒有任何促進(jìn)作用甚至抑制了巖心的自發(fā)滲吸過程。其余表面活性劑的滲吸過程規(guī)律如下：在滲吸前約1 h，滲吸采收率和采出速度均快速上升，超過1 h后，滲吸采收率仍以較快的速度增加，而采出速度快速下降直至平穩(wěn)。這是由于在滲吸初始階段，小孔隙毛細(xì)管力較大，在毛細(xì)管力作用下滲吸液快速進(jìn)入巖心，滲吸采出速度上升至最大值；隨著時(shí)間增加，巖心壁面附近的含水飽和度上升，毛細(xì)管力減小，因此采出速度下降至平穩(wěn)。大約85 h 以后，滲吸采收率趨于平穩(wěn)，無明顯增加。在同一實(shí)驗(yàn)條件下，ASB的采收率及采出速度明顯高于其他表面活性劑，因此選定ASB進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

2.1.2 表面活性劑降低界面張力能力

用模擬水分別配制0.01%～0.5%的ASB 溶液，在80 ℃下油水界面張力隨ASB 加量的變化如圖5所示。由圖5 可見，ASB 溶液與模擬油間的界面張力隨ASB 加量的增加先降低后升高。當(dāng)ASB 加量為0.05%時(shí)，界面張力值（0.42 mN/m）最小。優(yōu)選0.05%的ASB作為后續(xù)滲吸實(shí)驗(yàn)加量。

圖5 油水界面張力隨ASB加量的變化

2.1.3 表面活性劑對(duì)巖心潤(rùn)濕性的改變能力

將經(jīng)模擬油飽和的巖心薄片浸泡于0.05%的ASB溶液中，記錄不同浸泡時(shí)間下巖心接觸角的變化情況。巖心初始接觸角為81.8°，為弱親水。浸泡6、12、24 h 后，巖心的接觸角依次為68.4°、62.5°、53.1°。隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，巖心水濕性不斷增強(qiáng)，說明ASB 表面活性劑可有效增強(qiáng)巖石表面的親水性，有利于滲吸作用提高致密油基質(zhì)中的原油動(dòng)用。

2.2 近縫基質(zhì)動(dòng)態(tài)滲吸原油動(dòng)用特征

2.2.1 裂縫迂曲度對(duì)原油動(dòng)用特征的影響

裂縫迂曲度（τ）代表的是流體在裂縫中實(shí)際流過的長(zhǎng)度與裂縫視長(zhǎng)度的比值［22］。配制0.05%的ASB 溶液，將巖心按照不同形式組合，計(jì)算相應(yīng)參數(shù)（表2），實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。動(dòng)態(tài)滲吸的采出程度隨裂縫復(fù)雜程度的增加而提高。一方面，相較于簡(jiǎn)單裂縫模型，復(fù)雜裂縫模型中基質(zhì)的比表面積較大，滲吸液在流經(jīng)相同長(zhǎng)度的巖心時(shí)，在復(fù)雜裂縫模型中實(shí)際流經(jīng)的距離更長(zhǎng)，在裂縫參數(shù)基本一致的情況下進(jìn)行滲吸交換的面積越大。另一方面，巖心孔喉的復(fù)雜程度隨著裂縫的復(fù)雜程度上升而降低，因此在更為發(fā)育的裂縫中，滲吸液受到的阻力會(huì)降低，基質(zhì)內(nèi)的油更容易被動(dòng)用［23］。因此，在低滲、超低滲油藏開發(fā)時(shí)，為了提高采出程度，可以本著增加裂縫密度的目的進(jìn)行適當(dāng)?shù)捏w積壓裂。結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，裂縫數(shù)目越多，儲(chǔ)層中的裂縫結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，滲吸效果越好。

表2 不同組合下的巖心參數(shù)

圖6 裂縫迂曲度對(duì)動(dòng)態(tài)滲吸采出程度的影響

2.2.2 縫內(nèi)流速對(duì)基質(zhì)孔隙中界面運(yùn)移特征的影響

表面活性劑在裂縫內(nèi)的流速是影響動(dòng)態(tài)滲吸油水界面移動(dòng)的重要因素。在裂縫寬度為30 μm、表面活性劑加量為0.1%的條件下，通過微量泵控制裂縫內(nèi)流體流速（0～30 mL/h），研究縫內(nèi)流速對(duì)基質(zhì)孔隙中界面運(yùn)移速度的影響，結(jié)果如圖7 所示。裂縫通道內(nèi)表面活性劑流速越大，基質(zhì)通道中的油水界面運(yùn)動(dòng)速度越大。當(dāng)裂縫通道中的流速為0 mL/min 時(shí)，基質(zhì)通道中發(fā)生自發(fā)滲吸，界面運(yùn)移速度很小，最大值為5 μm/s。隨著裂縫通道內(nèi)流速逐漸增加，壓力增大，基質(zhì)通道中的分壓增大，對(duì)油水界面移動(dòng)的促進(jìn)作用增強(qiáng)。其中，界面移動(dòng)的啟動(dòng)時(shí)間隨著縫內(nèi)流速的增加而迅速縮短。因此，通過優(yōu)化注入速率可以明顯提高滲吸效率。

圖7 表面活性劑溶液流速與基質(zhì)通道中界面運(yùn)移速度的關(guān)系

在上述幾種流速下，計(jì)算相同距離內(nèi)的油水界面平均速率。以裂縫通道內(nèi)流速為橫坐標(biāo)，基質(zhì)通道內(nèi)的最大流速為縱坐標(biāo)作圖。由圖8 可見，裂縫通道中的流體流速與基質(zhì)通道中的最高流速存在近乎線性的關(guān)系。當(dāng)裂縫內(nèi)流速為0 mL/min時(shí)，界面運(yùn)移速度很小，為自發(fā)滲吸速率。當(dāng)大通道內(nèi)流速逐漸增加，油水界面上增加了由于黏滯力產(chǎn)生的分壓，界面運(yùn)移速度增大。當(dāng)縫內(nèi)流速為30 mL/h時(shí)，基質(zhì)通道中的油水界面最高移動(dòng)速度達(dá)到218 μm/s。

圖8 裂縫內(nèi)流速與界面最高運(yùn)移速度的關(guān)系

2.3 深部基質(zhì)靜態(tài)滲吸原油動(dòng)用特征

2.3.1 表面活性劑作用深度的影響

通過不同長(zhǎng)度巖心的自發(fā)滲吸實(shí)驗(yàn)，在80 ℃下研究表面活性劑（0.05%）作用深度對(duì)深部基質(zhì)靜態(tài)滲吸原油動(dòng)用的影響，結(jié)果如圖9 所示。隨著巖心長(zhǎng)度的增加，滲吸采出程度不斷降低。這是由于在一定條件下，巖心的復(fù)雜程度隨巖心長(zhǎng)度的降低而降低，滲吸液的波及體積隨著巖心復(fù)雜程度的降低而增大；隨著巖心長(zhǎng)度的增加，滲吸液的波及體積大大降低，大部分原油被圈閉在巖心內(nèi)部，在表面活性劑改變潤(rùn)濕能力及界面張力一定的前提下，最終滲吸采出程度也將大大降低。因此，表面活性劑作用深度越深，單位體積基質(zhì)原油動(dòng)用量越低，滲吸效率越低。

圖9 巖心長(zhǎng)度對(duì)采出程度（a）和采出速度（b）的影響

2.3.2 表面活性劑濃度的影響

通過巖心在不同濃度ASB 表面活性劑溶液中的自發(fā)滲吸實(shí)驗(yàn)，研究表面活性劑濃度對(duì)深部基質(zhì)靜態(tài)滲吸原油動(dòng)用的影響，結(jié)果如圖10所示。由于表面活性劑的加入，滲吸采出程度和采出速度均明顯提高，且均隨著表面活性劑濃度的增加而增加。當(dāng)ASB溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0.05%提高到0.5%時(shí)，最終采出程度由11.03%增至13.30%，增幅20.58%。此外，自發(fā)滲吸采出程度以及采出速度隨時(shí)間的變化關(guān)系與圖9 一致。表面活性劑的采出程度、界面張力隨濃度的變化呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性，故存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系（圖11）。當(dāng)ASB 溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.05%時(shí)，界面張力和采出程度與濃度呈正相關(guān)關(guān)系。當(dāng)表面活性劑濃度高于一定值時(shí)，巖石表面保持為強(qiáng)親水性，此時(shí)毛管力的主控參數(shù)為界面張力。因此，當(dāng)表面活性劑濃度較高時(shí)，毛管力基本不受潤(rùn)濕性的影響，自發(fā)滲吸采出程度與界面張力的變化一致。當(dāng)表面活性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.05%時(shí)，隨著濃度的增加，巖心表面由中性潤(rùn)濕快速變?yōu)閺?qiáng)水濕，此時(shí)影響毛管力的主要因素是巖心表面的潤(rùn)濕性。因此，當(dāng)表面活性劑濃度較低時(shí)，雖然界面張力隨著濃度的增加而降低，但毛管力主要受潤(rùn)濕性的影響而增加，自發(fā)滲吸采出程度顯著上升，自發(fā)滲吸采出程度與界面張力的變化規(guī)律相反。

圖10 ASB加量對(duì)滲吸采出程度（a）和采出速度（b）的影響

圖11 不同ASB加量條件下滲吸采出程度和界面張力的關(guān)系

3 結(jié)論

綜合自發(fā)滲吸效果及洗油能力，優(yōu)選0.05%的椰油酰胺丙基磺基甜菜堿（ASB）作為滲吸用劑。ASB可有效增強(qiáng)巖石表面的親水性，有利于滲吸作用提高致密油基質(zhì)中的原油動(dòng)用。

近縫基質(zhì)的滲吸作用為動(dòng)態(tài)滲吸。該過程的原油動(dòng)用具有以下特征：原油采出程度與裂縫發(fā)育程度呈正相關(guān)；縫內(nèi)流速越大，毛細(xì)管中油水界面運(yùn)移速度越大，即滲吸越快，且油水界面運(yùn)移速率與縫內(nèi)流速整體符合二次函數(shù)規(guī)律。

深部基質(zhì)的滲吸作用為自發(fā)滲吸。該過程的原油動(dòng)用具有以下特征：自發(fā)滲吸采出程度及采出速度隨巖心長(zhǎng)度的增加而降低，即表面活性劑作用深度越深，單位體積基質(zhì)原油動(dòng)用量越低。當(dāng)表面活性劑濃度較高時(shí)，毛管力的主控參數(shù)為界面張力，此時(shí)自發(fā)滲吸采出程度與界面張力的變化規(guī)律一致；當(dāng)表面活性劑濃度較低時(shí)，毛管力的主控參數(shù)為巖石表面潤(rùn)濕性，此時(shí)自發(fā)滲吸采出程度與界面張力的變化規(guī)律相反。