早期注聚油藏殘余油類型及影響因素實驗

李金宜 馬奎前 朱文森 信召玲 李彥來

中海石油（中國）有限公司天津分公司渤海石油研究院

聚合物驅作為三次采油的成熟手段已在國內多個礦場規模化應用［1-9］，渤海油田也將早期注聚模式在海上油田規模化應用，取得較好增油效果［10-11］。對于海上油田依托平臺的開發方式，需要盡可能考慮全壽命方案，力爭在一次井網條件下盡可能最大程度滿足油藏挖潛的需求，規避風險。因此，研究早期注聚條件下殘余油的分布可以為早期注聚驅油過程提供理論支持，為后續調整井挖潛局部富集剩余油提供指導［12-14］。目前國內對微觀殘余油形態及分布的實驗研究已取得一定成果。研究方法主要包含熒光薄片分析［1-2］、微觀刻蝕模型［6］［15-17］、數值模擬分析［3］［18］、核磁共振分析［19］等。蘇娜［20］研究了不同滲透率巖心在不同水驅速度下的微觀剩余油機理。李潔［1］利用天然巖心熒光薄片技術分析了水驅后簇狀、膜狀、盲端和角隅等4種類型微觀剩余油在聚驅后的降低幅度。劉志宏［15］研究了改變水驅液流方向對微觀剩余油分布的影響。馬炳杰［16］分析了注水停止前后微觀剩余油分布。宋考平［4］在前人研究基礎上進一步闡述了聚合物溶液性質對剩余油分布的影響。白振強［2］、劉義坤［7］利用薄片熒光技術分別分析了聚驅和二元復合驅后不同水洗程度下微觀剩余油賦存狀態并進一步明確了原油組分變化特征。侯吉瑞［6］通過微觀仿真刻蝕模型研究了化學驅體系對微觀剩余油驅替機理的影響。但前人的研究主要針對陸上油田中高含水期化學驅情況，而目前國內對早期注聚條件下的微觀殘余油形態及分布的實驗研究還非常少，因此本文通過激光刻蝕非均質微觀孔隙模型，在微米級別下對早期注聚條件下殘余油分布形態及主控因素開展實驗研究。

1 實驗方案設計

以渤海典型早期注聚厚儲層疏松砂巖L油田儲層薄片、壓汞等實驗資料為基礎，激光刻蝕制作非均質微觀孔隙模型。

1.1 實驗材料和條件

（1）實驗用油：用真空泵油與煤油以體積比為2∶1配制，25 ℃條件下黏度19.8 mPa·s。為使實驗過程中便于觀察，向模擬油中加入適量的蘇丹四，將其染成紅色，過濾后使用。

（2）實驗用水：根據L油田水源井離子組成復配的地層水，K++Na+濃度 2 420 mg/L、Mg2+濃度185 mg/L、Ca2+濃度 697 mg/L、Cl-濃度 5 388 mg/L、SO42-濃度 29 mg/L、HCO3-濃度159 mg/L，總礦化度為 8 878 mg/L；25 ℃條件下黏度 0.92 mPa·s。

（3）聚合物體系：L油田注入聚合物，低濃度聚合物濃度600 mg/L，黏度7.2 mPa·s；高濃度聚合物濃度800 mg/L，黏度9.1 mPa·s；聚表二元體系：600 mg/L聚合物+質量分數0.3%表面活性劑SP-4073（江蘇擎宇化工科技有限公司提供）。

（4）模型：對角非均質玻璃刻蝕微觀模型，孔隙半徑范圍約為0.2～1 mm。驅替方向均為從左下到右上。

（5）實驗條件：實驗溫度25 ℃；低速驅替速度為0.004 mL/min，高速驅替速度為0.02 mL/min。

1.2 實驗儀器與流程

微觀實驗儀器包含：顯微鏡、圖像采集系統、微量泵、光源等，實驗流程見圖1。

1.3 實驗步驟

（1）將微觀模型水驅洗凈后飽和油；

（2）低速驅，以恒定的驅替速度0.004 mL/min驅至模型不出油為止，通過可視化裝置拍照記錄驅油過程及殘余油存在形式；

（3）高速驅，提高驅替速度至0.02 mL/min驅至模型不出油為止，通過可視化裝置拍照記錄殘余油存在形式；

圖1 實驗流程圖Fig. 1 Flow chart of the experiment

（4）清洗模型，更換驅油體系重復上述實驗。共進行水驅、早期注聚低濃度聚驅、早期注聚高濃度聚驅和聚表二元驅4組實驗。

2 實驗結果分析

2.1 殘余油類型及形成機理

在微觀驅替實驗中，主要捕捉到4種殘余油分布形態，分別為膜狀殘余油、Y狀殘余油、柱狀殘余油和簇狀殘余油，如圖2。

圖2 微觀實驗中殘余油分布形態Fig. 2 Distribution form of residual oil in the microscopic experiment

國內學者認為［1-2，4，6-7］：（1）油膜黏附在孔隙表面，水驅剪切力小于黏附力，水相不能將油膜從孔隙表面剝離，形成膜狀殘余油，其流動阻力相當大；（2）Y狀殘余油本質上屬于膜狀剩余油，多形成在形狀為Y狀的孔隙區域，黏附在孔隙表面的油膜，易在兩個方向受到驅動力，形成Y狀殘余油；（3）柱狀殘余油的形成是由于細小喉道水相不能進入，油被卡斷，主要以局部充填形態分布在與孔道相連通的喉道中；（4）水驅注入水沿大孔道繞流，簇狀殘余油是被細小孔道包圍起來的大油塊。

可見，柱狀和簇狀殘余油的形成機理類似，均是由于注入水比油的毛管力大，阻礙了注入水向細小孔喉的波及，注入水沿著大孔道繞流，將細小孔喉內的油卡斷形成殘余油，如圖3。

圖3 注入水繞流對柱狀和簇狀殘余油形成圖Fig. 3 The formation of column-like and cluster-like residual oil due to the bypassing of injected water

2.2 不同注入速度對殘余油分布的影響

方案共設計了4組不同注入體系下的低速和高速驅替實驗，研究同一注入體系下注入速度對殘余油形態和分布的影響。

圖4為水驅實驗結果，可以看出，由于水油流度比較高，注入水表現出黏性指進，波及體積較小，低速水驅后仍存在大量殘余油，且殘余油類型主要為簇狀和柱狀殘余油。提高注入速度后改善了波及情況，簇狀殘余油減少，如圖4b所示，注入水能進入部分簇狀殘余油所在孔隙，將其分割為柱狀殘余油。

由圖4a與圖5a對比可發現，早期注聚低濃度聚驅結束后連片的簇狀殘余油顯著減少，殘余油類型主要是柱狀和膜狀殘余油。由于聚合物不能降低油水界面張力，因而存在較多的膜狀殘余油。在提高注入速度后，早期注聚低濃度聚驅進一步改善了波及情況，簇狀殘余油進一步減少，如圖5b所示。

圖4 不同注入速度下水驅殘余油形態及分布Fig. 4 Form and distribution of residual oil after water flooding at different injection rates

圖5 不同注入速度下早期注聚低濃度聚驅殘余油形態及分布Fig. 5 Form and distribution of residual oil after early lowconcentration polymer flooding at different injection rates

高濃度早期注聚和低濃度早期注聚效果類似，均進一步減少簇狀殘余油，殘余油類型主要是柱狀殘余油；低速早期注聚高濃度聚驅具有更好的改善水油流度比的能力，波及情況好于低速早期注聚低濃度聚驅。但同時，早期注聚高濃度聚驅提高注入速度的效果不明顯，略改善了波及情況，簇狀殘余油進一步減少；殘余油主要是小柱狀、膜狀殘余油，如圖6實線所示。需要注意的是細小孔喉中的柱狀殘余油有較高的流動阻力，提高注入速度后，高濃度聚合物有可能在多向通道中從阻力較小的通道繞流走，因此在多孔道連通處，與細小孔喉相通、流動阻力較大的部位反而有可能存在殘余油，如圖6虛線所示。

圖6 不同注入速度下早期注聚高濃度聚驅殘余油形態及分布Fig. 6 Form and distribution of residual oil after early highconcentration polymer flooding at different injection rates

聚表二元驅結合了聚合物黏度高和表面活性劑驅降低界面張力的優點，不僅能提高波及系數，還能提高驅油效率。與聚合物驅相比，殘余油顯著減少，沒有明顯的柱狀、簇狀殘余油，殘余油類型主要為Y狀殘余油和膜狀殘余油。聚表二元驅驅替前緣能均勻推進，在連通多個喉道的孔隙易于形成多方向的受效，導致其形成Y狀殘余油。提高注入速度能使膜狀殘余油變薄，減少殘余油，但是注入速度對殘余油分布的影響較小，如圖7所示。

圖7 不同注入速度下聚表二元驅殘余油形態及分布Fig. 7 Form and distribution of residual oil after polymersurfactant binary flooding at different injection rates

2.3 不同注入體系對殘余油分布影響

不同注入體系對不同類型剩余油的影響不同。膜狀殘余油前緣受到驅動力、黏附力和內聚力三個主要作用力，雖然黏彈性的聚合物溶液能增大驅動力，但是是否驅動油膜跟聚合物濃度有很大關系，由圖8可以看出，低濃度聚驅沒有明顯降低膜狀殘余油，而高濃度聚合物會使膜狀殘余油明顯降低，而聚表二元驅中表面活劑性能使孔隙表面向親水性轉變，降低了油膜的黏附力，并且顯著降低油水界面張力，使拉伸油膜前端變得容易，殘余油容易被拉斷，從而顯著減少膜狀殘余油。

Y狀殘余油基本出現在剩余油高度分散階段，由圖9可以看出，該類型殘余油不容易出現在水驅階段，主要分布在聚驅、聚表二元驅后。實驗中單純聚合物體系濃度增加并未明顯影響Y狀殘余油分布形態及大小，而聚表二元驅降低Y狀殘余油效果則較為明顯。可見，Y狀殘余油將是聚后二元復合驅提高采收率挖潛的主要剩余油類型之一。

柱狀殘余油主要因注入介質的指進造成。由圖10可看出，水驅時由于指進較嚴重，柱狀殘余油較多；聚合物驅可減少柱狀殘余油，且注入濃度增加殘余油明顯減少；而聚表二元驅不僅能提高波及系數也能提高驅油效率，柱狀殘余油顯著減少。

圖8 不同注入體系降低膜狀殘余油效果Fig. 8 Reducing effect of different injection systems on film-like residual oil

圖9 不同注入體系降低Y狀殘余油效果Fig. 9 Reducing effect of different injection systems on Y-shape residual oil

圖10 不同注入體系下降低柱狀殘余油效果Fig. 10 Reducing effect of different injection systems on column-like residual oil

不同注入體系在兩種注入速度下的簇狀殘余油分布見圖11，可以看出，相同注入體系的簇狀殘余油受注入速度的影響較大，增加注入速度，簇狀殘余油明顯減少。相同注入速度下，不同體系對降低簇狀殘余油影響依次為：聚表二元驅＞高濃度聚驅＞低濃度聚驅＞水驅。

3 結論

（1）早期注聚條件下，注入速度和注入體系是影響微觀孔喉殘余油形態分布的兩大主要影響因素，殘余油主要呈現簇狀、柱狀、膜狀和Y狀等4種分布形態。

（2）在相同注入體系中，簇狀殘余油受注入速度影響最大，隨著注入速度提高，簇狀殘余油類型具有逐漸向柱狀、膜狀殘余油類型演變的趨勢。在水驅和早期注聚低濃度聚驅中，這種趨勢較明顯，注入速度提高可以有效提高波及，減少簇狀殘余油分布，而在早期注聚高濃度聚驅及二元復合驅中，注入速度提高對各殘余油形態及分布影響均不明顯。

（3）在不同注入體系驅替后，殘余油主要形態均不同。在低注入速度下，水驅后殘余油類型主要是簇狀和柱狀殘余油；早期注聚后主要是柱狀和膜狀殘余油，且隨注聚濃度增加，柱狀殘余油有減小趨勢；二元復合驅后主要是膜狀和Y狀殘余油。不同注入體系對降低殘余油影響依次為：聚表二元驅＞高濃度聚驅＞低濃度聚驅＞水驅。

圖11 不同注入體系在兩種注入速度下簇狀殘余油分布Fig. 11 Distribution of cluster-like residual oil after being displaced by different injection systems at two injection rates