聚合物/表面活性劑二元驅擴大波及體積性能

魏云云，劉建軍，羅莉濤*，劉先貴，楊正明

1.中國科學院大學，北京 石景山 100190；2.中國科學院滲流流體力學研究所，河北 廊坊 065007 3.中國石油勘探開發研究院，河北 廊坊 065007；4.西南石油大學地球科學與技術學院，四川 成都 610500 5.清華大學環境學院，北京 海淀 100084

引 言

聚合物/表面活性劑二元驅利用聚合物和表面活性劑的協同效應，能夠顯著改善驅油效果，提高采收率[1-3]。研究聚表二元驅擴大波及體積性能對其油田現場應用有著重要的指導作用。

20世紀60年代起，國外對聚表二元驅進行了一系列的油田先導性試驗，取得了顯著成效，如德克薩斯州Ranger、伊利諾伊州塞利姆地區Benoist、加利福尼亞Wilmington[4-7]；20世紀 80年代，中國勝利、新疆和大慶油田也相繼開展了相關研究[8-10]，自2008年，中國石油先后部署了遼河油田錦16塊、新疆油田七中區、吉林油田紅崗紅113區、長慶油田馬玲北三區、大港油田港西三區5個區塊的聚表二元驅重大開發試驗[11-12]，取得了顯著成效，說明聚表二元驅是具有巨大發展潛力的三次采油技術[13-15]。聚表二元驅的驅油機理主要為擴大波及體積和提高驅油效率[16-17]，聚合物稠化驅油介質，減小表面活性劑擴散速度，降低其損耗[18-19]；表面活性劑乳化原油，提高驅油介質黏度，降低界面張力，提高了洗油能力[20-21]，二者協同發揮了顯著提高采收率的效果。

本文針對大港油田港西三區設計了聚表二元驅微觀刻蝕、層間及層內非均質平板模型驅油實驗，研究了其擴大波及體積性能及對提高采收率影響，為油田現場提供了一定的技術指導。

1 實驗部分

1.1 微觀刻蝕模型驅油實驗

（1）配液：①將航空煤油與港西三區脫氣脫水原油按比例混合配制在室溫下達到21.5 mPa·s（地下原油黏度）的模擬油。②港西三區現場注入水（礦化度6 726 mg/L）和地層水（礦化度13 454 mg/L）。③將表面活性劑DWS-3、現場注入水、聚合物HPAM按比例混合，配制質量分數0.2%DWS-3+1 500 mg/L HPAM聚表二元體系溶液。

（2）微觀刻蝕模型：通過光學刻鍍方法將天然巖芯鑄體薄片上的孔隙網絡結構拷貝下來，然后依次經制版、涂膠、成像、刻蝕、燒結及潤濕性處理等工藝流程，完成微觀刻蝕模型制作。模型尺寸為62 mm×62 mm×3 mm，平面有效尺寸為45 mm×32 mm，孔隙直徑0.1～100.0μm。模型為五點井網的四分之一，在對角線處分別打一小孔，作為注入井和采出井。

（3）實驗步驟：①利用真空泵對微觀刻蝕模型抽真空2 h、然后對微觀刻蝕模型飽和地層水24 h。②通過微量注入泵將模擬油注入微觀刻蝕模型內，驅出地層水，進行飽和模擬油并穩定24 h。③以0.3 mL/min水驅油至含水率100%，形成水驅殘余油。④室溫下用二元體系溶液驅替殘余油，在高速攝像機、顯微鏡、計算機下記錄驅替過程。⑤記錄模型整體、水驅殘余油形態、模型邊角局部；⑥結束時用石油醚清洗模型。

1.2 平板模型驅油實驗

（1）實驗液體同實驗1.1；實驗設備如圖1。

圖1 平面模型驅油實驗Fig.1 Flat model oil-displacing experiment

（2）平面夾砂模型：①類型：層間非均質模型，層內非均質模型；②材料：由兩塊透明玻璃板膠結而成；③尺寸（邊角部分除外）：厚度約2 mm，長寬18 cm×18 cm；④模擬油層：充填不同粒徑石英砂來模擬港西三區不同滲透率的油層，高滲透層1 500 mD，低滲透層1 000 mD。⑤模擬油井和水井：在模型上鉆孔作為注入井和采出井。⑥層間非均質模型：左側每層一個注入口，模擬水驅和聚表二元驅的注入井，右側每層有一個采出口，模擬水驅和聚表二元驅的油井；層內非均質模型：采用五點法井網的四分之一作為模擬對象，在四角打孔，充分飽和模擬油后將其中對角的兩個鉆孔關閉，另外兩個鉆孔模擬注入井、采油井，見圖2。⑦為了避免外加示蹤劑對聚表二元體系溶液性能以及油水界面的影響，利用色差來考察水驅和聚表二元驅提高波及體積的程度。模型驅油實驗過程中不透光的黑色代表油，而透光的白色代表驅替液所流經的路徑以及波及的區域。

圖2 層間與層內非均質模型Fig.2 Interlayer and in-layer heterogeneity model

（3）層間非均質模型為垂直放置，模擬不同油層非均質驅替過程，而層內非均質模型水平放置，模擬同一油層非均質驅替過程。

（4）實驗步驟：①模型干重W1。②飽和水：抽真空后飽和地層水，濕重W2，根據地層水密度，計算孔隙體積V。③飽和油：多次用模擬油驅替地層水，建立原始含油飽和度Soi。④注水：以0.3mL/min（現場油藏儲層內流體運移速度2m/d）進行水驅油，記錄不同時刻出口產油、產水量，計算含水率。⑤注聚表二元體系溶液：當流出液含水率為98%左右，停止注水，注入0.3 PV聚表二元體系溶液。⑥后續水驅：注完聚表二元體系溶液后，繼續注水，直到流出液中含水率為98%為止，計算聚表二元驅調整后采出程度變化及殘余油分布。

2 實驗結果及分析

2.1 聚表二元驅擴大波及體積現象

為了能夠直觀定性地證實聚合物/聚表面活性劑二元驅比水驅具備更好的擴大波及體積性能，開展了聚表二元驅微觀刻蝕模型驅油實驗，實驗現象如圖3和圖4。

圖3 微觀刻蝕模型整體Fig.3 The overall of microcosmic porous and throats model

圖3為微觀刻蝕模型整體圖。由圖3b看出，水驅后，模型整體上大部分油已經被驅出，但模型內部仍然滯留著一部分殘余油。由圖4看出，殘余油多以6種形式存在：孔隙及喉道內壁的膜狀殘余油，見圖4a；孔道中分散油珠態的島狀殘余油，見圖4b；喉道狹窄處的喉道殘余油，見圖4c；孔隙盲端處的盲端殘余油，見圖4d；孔道內長條狀的柱狀殘余油，見圖4e；孔隙各喉道連接處的簇狀殘余油，見圖4f。由圖3c看出，與水驅相比，聚表二元驅驅替出了模型內部水驅無法啟動的殘余油。由圖3d看出，從模型整體上看，后續水驅采油效果甚微。

圖4 殘余油Fig.4 Residual oil

圖5為微觀刻蝕模型邊角局部圖。由圖5b看出，水驅后，模型邊角局部仍然滯留著較多的殘余油。由圖5c看出，相對于水驅而言，聚表二元驅驅替出了模型邊角局部水驅無法啟動的殘余油。由圖5d看出，與聚表二元驅相比，從模型邊角看，后續水驅采油效果甚微。由此可得，與水驅相比，聚表二元驅能夠進入水驅無法波及的含油孔隙區域內，并以一定的方式啟動了含油孔隙區域內的殘余油，進而攜帶出被啟動的殘余油，達到擴大波及體積的效果。

圖5 微觀刻蝕模型局部Fig.5 The local of microcosmic porous and throats mode

2.2 聚表二元驅擴大波及體積性能提高采收率

為了定量體現聚表二元驅擴大波及體積性能對提高采收率的作用效果，開展了層間非均質、層內非均質平板模型驅油實驗。

2.2.1 層間非均質

實驗模型上半部是高滲透層，下半部是低滲透層；模型初始含油飽和度為72%，如圖6a所示。

開始水驅階段，見圖6b～圖6g。開始注水時，由于高滲透層的滲流阻力較小，注入水優先進入滲流阻力較小的高滲透層，見圖6b；繼續水驅，由于油水黏度比增大，使得高滲透層的滲流阻力變大，有部分注入水進入低滲透層，見圖6c；繼續水驅，注入水在高低滲透層之間交替進入，使得整個模型的水驅效率都提高了，見圖6d～圖6f；水驅結束時，由于油水黏度比增大，導致出現注入水突進、后續注入水繞流現象，造成高滲透層中殘留下成片殘余油，見圖6g。

聚合物/表面活性劑二元驅注入階段，實驗現象見圖7a～圖7d。開始時，聚表二元體系溶液進入高滲透層較多、低滲透層很少，見圖7a；繼續二元驅，由于二元體系溶液黏度較大，對高滲透層產生一定程度的封堵，使得高滲透層的滲流阻力變大，迫使后續二元體系溶液開始進入滲流阻力較小的低滲透層，見圖7b；繼續二元驅，在二元體系溶液的前緣形成原油富集帶即油墻，在整體油墻向前推進的過程中，被攜帶的殘余油向油井方向運移，見圖7d。

圖7 層間非均質模型聚表二元驅階段Fig.7 SP binary flooding stage for interlayer heterogeneity model

后續水驅階段，見圖8a～圖8g。在模型中吸附和滯留的二元體系溶液隨著后續水驅向前運移，高滲透部分內油墻被迅速推進，低滲透部分內油墻被緩慢推進；待高滲透部分內油墻采出后，仍滯留在高滲透部分內的二元體系溶液對高滲透部分產生一定的封堵作用，改善了層間非均質性，迫使后續注入水進入低滲透部分推進油墻，見圖8a～圖8e；待低滲透部分內油墻采出后，模型中二元體系溶液也所剩無幾，采收率由快速上升逐漸趨于平穩，繼續水驅采油效果甚微，見圖8f～圖8g。

圖8 層間非均質模型后續水驅階段Fig.8 Water flooding stage in the last for interlayer heterogeneity model

2.2.2 層內非均質

實驗模型左下部為高滲透部分，右上部為低滲透部分；模型初始含油飽和度74.3%，見圖9a。

開始水驅階段，見圖9a～圖9e。開始注水時，注入水優先進入高滲透部分，同時由于模型在高低滲透部分之間存在一個高滲透條帶，由此部分注入水也沿著這條帶向前竄流，見圖9b；繼續水驅，注入水主要驅使高滲透部分及沿條帶區域的油向前運移，而對低滲透部分的油波及較少，見圖9c；繼續水驅，在高滲透部分的波及體積進一步擴大，而在低滲透部分的波及體積仍很小，見圖9d～圖9e。

圖9 層內非均質模型開始水驅階段Fig.9 Water flooding stage in the beginning for in-layer heterogeneity model

聚表二元驅注入階段，見圖10a～圖10d。開始時，由于二元體系溶液的黏度比注入水大，導致高滲透部分的滲流阻力突增，部分二元體系溶液開始進入滲流阻力較小的低滲透部分，見圖10a；繼續二元驅，在高滲透部分形成了明顯的油墻，在低滲透部分形成了微弱的油墻，在整體油墻向前推進的過程中，被攜帶的殘余油向油井方向運移，見圖10b～圖10c。由于滲透率級差較大，造成二元體系溶液進入高滲透部分較多，見圖10d。

圖10 層內非均質模型聚表二元驅階段Fig.10 SP binary flooding stage for in-layer heterogeneity model

后續水驅階段，見圖11a～圖11g。在模型中吸附和滯留的二元體系溶液隨著后續水驅向前運移，高滲透部分內油墻被緩慢推進到油井，見圖11a～圖11e，同時二元體系溶液對高滲透部分產生一定的封堵，改善了層內非均質性，迫使后續注入水進入滲流阻力更小的低滲透部分內驅替殘余油，并在低滲透部分產生較弱的局部突進現象，待低滲透部分出現見水現象后，采收率由快速上升逐漸趨于平穩，繼續水驅采油效果甚微，見圖11e～圖11g。

圖11 層內非均質模型后續水驅階段Fig.11 Water flooding stage in the last for in-layer heterogeneity mode

對于層間非均質平板模型，水驅采出程度61.5%，總采出程度75.8%，二元驅提高采收率14.3%。對于層內非均質平板模型，水驅采出程度55.4%，總采出程度68.8%，二元驅提高采收率13.4%。二元體系溶液對高滲透部分產生一定的封堵，改善了層內、層間非均質性，迫使后續注入水進入滲流阻力更小的低滲透部分內驅替殘余油，達到擴大波及體積的效果，進而聚表二元驅通過擴大波及體積性能顯著提高了采收率。

2.3 聚表二元驅擴大波及體積性能提高采收率原理

原油采收率公式如式（1），化學驅后，經式（2）～式（4）轉換變為式（5）。

式中：

ER-原油采收率，無因次；

NR-采出儲量，m3；

N-地質儲量，m3；

AV-驅替液啟動油層面積，m2；

hV-驅替液啟動油層厚度，m；

Soi-原始含油飽和度；%；

Sor-剩余油飽和度，%；

Ao-油層原始面積，m2；

ho-油層原始厚度，m；

ED-驅油效率，無因次；

EV-波及系數，無因次。

由式（5）可見，采收率主要受到波及系數和驅油效率的影響。與水驅相比，聚表二元驅擴大波及體積機理：聚表二元驅通過聚合物增加驅替液黏度，因其黏度的增加，造成其較多地吸附及滯留在孔隙內，降低驅替液的相滲透率，驅替液流度減??；而聚表二元驅對油的黏度影響很小，油聚集在驅替液前緣，油相滲透率增加，油相流度增大；由此流度比（見式（6））減小。從而調整了吸液剖面，改善了層間、層內非均質性，減弱或防止了驅替液沿某一層或層內的某一段向前突進，克服了注水指進，增加了吸水厚度，擴大了波及體積，提高了波及系數，進而提高采收率。

式中：

MWO-水油流度比，無因次；

λw-水相流度，mD·mPa-1·s-1；

λo-油相流度，mD·mPa-1·s-1；

Kw、Ko-水相、油相有效滲透率，mD；

Krw、Kro-水相、油相的相對滲透率，無因次；

μw、μo-水相、油相黏度，mPa·s。

3 結 論

（1）殘余油多以6種形式存在：孔隙及喉道內壁的膜狀殘余油；孔道中分散油珠態的島狀殘余油；喉道狹窄處的喉道殘余油；孔隙盲端處的盲端殘余油；孔道內長條狀的柱狀殘余油；孔隙各喉道連接處的簇狀殘余油。

（2）與水驅相比，微觀上，聚表二元驅能夠進入水驅無法波及的含油孔隙區域內，并以一定的方式啟動了含油孔隙區域內的殘余油，進而攜帶出被啟動的殘余油；宏觀上，其對高滲透層產生一定程度的封堵，使得高滲透層滲流阻力變大，迫使其進入滲流阻力較小的低滲透層內驅替殘余油；具備顯著的擴大波及體積性能。

（3）相比于水驅，聚表二元驅依靠聚合物增加了驅替液的黏度，造成其較多地吸附并滯留在儲層孔隙內，進而降低了驅替液的相滲透率，最終導致驅替液的流度減??；而聚表二元驅對油的黏度影響程度很小，油聚集在驅替液的前緣，油相的滲透率增加，油相的流度增大；由此驅替液與油相之間的流度比減小。從而聚表二元驅調整吸液剖面，改善層間、層內非均質性，減弱或防止驅替液沿單層或層內某段向前突進，克服注水指進，增加吸水厚度，擴大波及體體積，提高波及系數，提高采收率。

[1]呂鑫，張健，姜偉，等.聚合物/表面活性劑二元復合驅研究進展[J].西南石油大學學報（自然科學版），2008，30（3）：127-130.doi：10.3863/j.issn.1000-2634.-2008.03.033 Lü Xin, ZHANG Jian, JIANG Wei, et al. Progress in polymer/surfactant binary combination drive[J]. Journal of Southwest Petroleum University (Science & Technology Edition), 2008, 30(3): 127–130. doi: 10.3863/j.issn.1000-2634.2008.03.033

[2]熊生春，孫軍昌，何英，等.低滲透油藏二元復合驅微觀機制研究[J].科技導報，2012，30（35）：20-24.doi：10.3981/j.issn.1000-7857.2012.35.001 XIONG Shengchun,SUN Junchang,HE Ying,et al.Microscopic mechanism of binary combination flooding in low permeability reservoir[J].Science&Technology Review,2012,30(35):20–24.doi:10.3981/j.issn.1000-7857.2012.35.001

[3]鄭浩，蘇彥春，張迎春，等.聚合物-表面活性劑驅數值模擬技術理論與實踐[J].科技導報，2013，31（16）：30-34.doi：10.3981/j.issn.1000-7857.2013.16.007 ZHENG Hao,SU Yanchun,ZHANG Yingchun,et al.Eclipse numerical simulation techniques for polymer surfactant flooding:Theory and practice[J].Science&Technology Review,2013,31(16):30–34.doi:10.3981/j.issn.-1000-7857.2013.16.007

[4]沈平平.國外油田提高采收率發展過程與現狀[J].世界石油工業，2006，13（5）：14-19.

[5]SHAH D O,SCHECHTER R S.Improved oil recovery by surfactant and polymer flooding[M].New York:Academic Press,1977:45–48.

[6]RAI K,JOHNS R T,LAKE L W,et al.Oil-recovery predictions for surfactant polymer flooding[C].SPE 124001,2009.doi:10.2118/124001-MS

[7]LUO Litao,ZUO Luo,WEI Yunyun.A new method to calculate the absolute amount of supercritical methane adsorption on organic-rich shale[J].Adsorption Science&Technology,2015,33(10):939–954.doi:10.1260/0263-6174.33.10.939

[8]WANG Yefei,ZHAO Fulin,BAI Baojun.Optimized surfactant IFT and polymer viscosity for surfactant-polymer flooding in heterogeneous formations[C].SPE 127391,2010.doi:10.2118/127391-MS

[9]羅莉濤，廖廣志，嚴文瀚，等.化學驅中聚合物水動力學尺寸及最優匹配注入研究[J].油田化學，2016，33（1）：125-130，136.doi：10.19346/j.cnki.1000-4092.-2016.01.028 LUO Litao,LIAO Guangzhi,YAN Wenhan,et al.Study on hydrodynamic size and optimal matching injection of polymer in the chemical flooding[J].Oilfield Chemistry,2016,33(1):125–130,136.doi:10.19346/j.cnki.-1000-4092.2016.01.028

[10]朱友益，侯慶鋒，簡國慶，等.化學復合驅技術研究與應用現狀及發展趨勢[J].石油勘探與開發，2013，40（1）：90-96.ZHU Youyi, HOU Qingfeng, JIAN Guoqing, et al．Current development and application of chemical combination flooding technique[J]. Petroleum Exploration and Development.2013, 40(1): 90–96.

[11]劉衛東，羅莉濤，廖廣志，等.聚合物-表面活性劑二元驅提高采收率機理實驗[J].石油勘探與開發，2017，44（4）：1-8.doi：10.11698/PED.2017.04.00 LIU Weidong, LUO Litao, LIAO Guangzhi, et al. Mechanism for enhanced oil recovery of polymer/surfactant binary flooding[J]. Petroleum Exploration and Development,2017, 44(4): 1–8. doi: 10.11698/PED.2017.04.00

[12]朱友益，張翼，牛佳玲，等.無堿表面活性劑-聚合物復合驅技術研究進展[J].石油勘探與開發，2012，39（3）：346-351.ZHU Youyi,ZHANG Yi,NIU Jialing,et al.The progress in the alkali-free surfactant-polymer combination flooding technique[J]. Petroleum Exploration and Development,2012, 39(3): 346–351.

[13]羅莉濤，劉先貴，廖廣志，等.二元驅油水界面Marangoni對流啟動殘余油機理[J].西南石油大學學報（自然科學版），2015，37（4）：152-160.doi：10.-11885/j.issn.1074-5086.2015.03.05.02 LUO Litao,LIU Xiangui,LIAO Guangzhi,et al.The mobilization mechanism of residual oil by marangoni convection caused by binary flooding[J].Journal of Southwest Petroleum University(Scinece&Technology Editon),2015,37(4):152–160.doi:10.11885/j.issn.1074-5086.-2015.03.05.02

[14]李小波，劉曰武，李樹皎，等.乳化和潤濕反轉現象的耗散粒子動力學研究[J].石油學報，2009，30（2）：259-262，266.doi：10.7623/syxb200902017 LI Xiaobo, LIU Yuewu, LI Shujiao, et al. Simulation of emulsification and wettability alteration phenomena with dissipative particle dynamics[J]. Acta Petrolei Sinica,2009, 30(2): 259–262, 266. doi: 10.7623/syxb200902017

[15]王剛，王德民，夏惠芬，等.聚合物驅后用甜菜堿型表面活性劑提高驅油效率機理研究[J].石油學報，2007，28（4）：86-90.doi：10.7623/syxb200704017 WANG Gang,WANG Demin,XIA Huifen,et al.Mechanism for enhancing oil-displacement efficiency by betaine surfactant after polymer flooding[J].Acta Petrolei Sinica,2007,28(4):86–90.doi:10.7623/syxb200704017

[16]羅莉濤，劉衛東，朱文卿，等.港西三區聚表二元驅中表面活性劑優化篩選[J].科學技術與工程，2015，15（20）：238-243.doi：10.3969/j.issn.1671-1815.2015.20.038 LUO Litao,LIU Weidong,ZHU Wenqing,et al.Research on optimization selection method of surfactant of polymer/surfactant binary flooding for the west areas reservoir in Daqing Oilfield[J].Science Technology and Engineering,2015,15(20):238–243.doi:10.3969/j.issn.1671-1815.2015.20.038

[17]魏云云，羅莉濤，劉先貴，等.三元復合驅中堿提高采收率作用機理[J].科學技術與工程，2017，17（5）：47-54.doi：10.3969/j.issn.1671-1815.2017.05.009 WEI Yunyun,LUO Litao,LIU Xiangui,et al.Enhancedoil recovery mechanism of alkali in alkali-surfactant-polymer flooding[J].Science Technology and Engineering,2017,17(5):47–54.doi:10.3969/j.issn.1671-1815.2017.05.009

[18]劉義剛，盧瓊，王江紅，等.錦州9-3油田二元復合驅提高采收率研究[J].油氣地質與采收率，2009，16（4）：68-70，73.doi：10.3969/j.issn.1009-9603.2009.04.021 LIU Yigang,LU Qiong,WANG Jianghong,et al.Research on EOR by binary combination flooding in Jinzhou 9–3 Oilfield[J].Petroleum Geology and Recovery Efficiency,2009,16(4):68–70,73.doi:10.3969/j.issn.1009-9603.-2009.04.021

[19]魏云云，羅莉濤，劉先貴，等.聚合物凝膠調剖劑配方優選及性能評價[J].科技導報，2017，35（8）：88-93.WEI Yunyun,LUO Litao,LIU Xiangui,et al.Formulation optimization and performance evaluation of polymer gel profile control agent[J].Science&Technology Review,2017,35(8):88–93.

[20]羅莉濤，劉衛東，姜偉，等.煤粉懸浮劑性能評價及現場實施方案設計與應用[J].鉆井液與完井 液，2015，32（3）：30-34.doi：10.3969/j.issn.1001-5620.2015.03.009 LUO Litao,LIU Weidong,JIANG Wei,et al.Evaluation operation program design and application of coal powder suspending agent[J].Drilling Fluid&Completion Fluid,2015,32(3):30–34.doi:10.3969/j.issn.1001-5620.2015.03.009

[21]韓大匡.關于高含水油田二次開發理念、對策和技術路線的探討[J].石油勘探與開發，2010，37（5）：583-591.HAN Dakuang.Discussions on concepts,countermeasures and technical routes for the redevelopment of high water-cut oilfields[J].Petroleum Exploration and Development,2010,37(5):583–591.