基于乳狀液滲流機理的三元復合體系設計方法及應用

岳 青

(中國石油大慶油田有限責任公司,黑龍江 大慶 163000)

0 引 言

三元復合驅油技術既可以提高驅油效率又可以提高波及系數[1-2]，已成為中、高滲油田開發后期大幅度提高采收率的重要手段[3-6]。為模擬三元復合體系在地層中的滲流過程，研究人員通過建立填砂管模型評價驅替性能。目前的實驗數據分析大多集中在化學劑的色譜分離、擴散與彌散等滲流特征[7-8]，卻較少分析復合體系生成乳狀液的傳輸及運移規律[9-10]。三元復合體系中的表面活性劑以及堿與原油皂化反應生成的活性物質，使采出液絕大多數以乳狀液形式存在[11]。乳狀液具有調剖封堵的作用，可以進一步擴大波及體積，提高采收率[12-15]。因此，需要對復合體系生成的乳狀液進行深入分析，研究乳狀液的粒徑變化規律、復合體系生成乳化段塞的時機和距離及其對采收率的影響。基于長巖心物理模擬驅油實驗系統，分析乳狀液運移規律，并進行乳狀液段塞驅實驗，分析三元復合體系形成的乳狀液對提高采收率的影響，應用于指導段塞設計及參數調整。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

大慶油田第四采油廠脫氣脫水原油；模擬油(原油與航空煤油混配，45 ℃下模擬油黏度為10 mPa·s)；模擬污水，礦化度為5 608.3 mg/L；模擬地層水，礦化度為8 217.5 mg/L，離子成分見表1。

表1 實驗用水離子成分Table 1 The ion composition of test water

大慶煉化公司石油磺酸鹽；大慶煉化公司水解聚丙烯酰胺(相對分子質量為2 500×104，水解度為25%；)；天津大茂試劑廠試劑堿(NaOH)。

實驗裝置與儀器包括：DE-100LA型高速剪切分散乳化機(南通克萊爾混合設備有限公司)、DIN5309型黏度計、1200infintyseries型高效液相色譜(美國AGILENT公司)、Axbstar Plus顯微鏡(德國JENOPTIK公司)、P300001型電子天平、ISCO計量泵、填砂管、活塞容器及恒溫箱等。

1.2 實驗模型

實驗模型均為人造填砂管，分為短巖心模型與長巖心模型2組，其中，短巖心實驗模型長度為30 cm，直徑為2.5 cm，平均滲透率為523 mD；長巖心實驗模型長度為6 m，直徑為2.5 cm，平均滲透率為479 mD，孔隙度為26.89%。設置7個采樣點，實驗流程如圖1所示。

圖1 實驗流程示意圖Fig.1 The schematic diagram of test process

1.3 實驗步驟

1.3.1 長巖心模型實驗

實驗步驟為：①45 ℃恒溫箱中，將長巖心模型抽真空48 h后飽和地層水，隨后飽和油老化7 d。②以0.14 mL/min的驅替速度水驅，當出口端含水率達98%時停止。③實際注入段塞設計：第1段塞為聚合物段塞，聚合物質量濃度為1 300 mg/L，注入量為0.06倍孔隙體積；第2段塞為三元主段塞，聚合物質量濃度為1 900 mg/L，堿質量濃度為1.2%，表面活性劑質量濃度為0.3%，注入量為0.35倍孔隙體積；第3段塞為三元副段塞，聚合物質量濃度為1 900 mg/L，堿質量濃度為1.0%，表面活性劑質量濃度為0.2%，注入量為 0.15倍孔隙體積；第4段塞為聚合物段塞，質量濃度為1 700 mg/L，注入量為0.2倍孔隙體積，4個段塞總長度為0.76倍孔隙體積，然后水驅至出口端，含水率達98%時停止水驅，驅替速度為0.14 mL/min，實驗溫度為45 ℃。④每注入0.10倍孔隙體積驅替液體，各采樣點采集3 mL樣本，使用熒光顯微鏡分析其平均粒徑變化。

1.3.2 短巖心模型實驗

①根據長巖心實驗數據，選擇最強乳化狀態的采樣點，根據其乳狀液的化學劑濃度、油水比、黏度，復配乳狀液。②模型飽和鹽水并稱重，得到填砂模型的孔隙體積，鹽水驅替，水相注入速度恒定為0.14 mL/min。③飽和油并水驅至含水98%，然后注入0.10倍孔隙體積的乳狀液段塞，后續水驅至含水98%，記錄注入量、產油量及產水量，實驗中注入速度恒定為0.14 mL/min，實驗溫度為45 ℃。④改變乳狀液段塞大小為0.20、0.30、0.50和0.70倍孔隙體積，重復上述實驗步驟①～③。

2 結果與討論

2.1 三元復合體系乳化階段分析

圖2為長巖心模型實驗動態驅替曲線。由圖2可知：采收率呈現先快速增加，隨后基本不變，然后緩慢增加，最后基本不變的趨勢。具體分為以下4個階段。

圖2 含水率和采收率變化曲線Fig.2 The curve of changes in water cut and recovery efficiency

第1階段為水驅階段：隨注入量增加含水率升高，含水率快速大幅上升，注入0.40倍孔隙體積時含水率升至75%以上，水驅階段注入總量為2.00倍孔隙體積，最后含水率達到98%。

第2階段為乳化增強階段：三元復合體系注入2.00～2.70倍孔隙體積，含水率快速下降，采收率增幅不斷增加，2.70倍孔隙體積時含水率降至三元復合驅階段最低值，采收率增幅最大，達到乳化最強狀態。

第3階段為乳化減弱階段：三元復合體系注入2.70～3.50倍孔隙體積，含水率持續增加，采收率上升幅度減慢，3.50倍孔隙體積時含水率最高，采收率基本達到最大值。

第4階段為乳化消失階段：三元復合體系注入3.50～4.00倍孔隙體積，含水率基本不變，采收率基本不變，乳化效果不明顯。

2.2 乳狀液平均粒徑變化

圖3為各采樣點乳狀液的平均粒徑變化曲線，圖3中的注入體積從注入三元復合體系段塞開始計算。乳狀液在各采樣點處的平均粒徑表現為先減小后增大的變化趨勢，距離注入端入口越近，粒徑降低時間越早，降至最低值后開始增大時間越早，增大速度越快。乳狀液的平均粒徑越小，復合體系的乳化程度越高，通過采樣點處平均粒徑的最小值可以看出，50、150 cm采樣點處最小平均粒徑處于10 μm范圍內，250、350、450、550、600 cm采樣點處最小平均粒徑為15～20 μm，即填砂管前1/4段乳狀液處于較強的乳化狀態，填砂管后3/4段乳狀液處于較弱的乳化狀態。

圖3 乳狀液平均粒徑變化曲線

由圖3可知：50 cm采樣點處與150 cm采樣點處的粒徑變化曲線較為接近，且三元復合體系注入量為0.40、0.50、0.60倍孔隙體積時，乳狀液的平均粒徑均小于10 μm。進一步分析50、150 cm采樣點處情況，體系注入量為0.40、0.50、0.60倍孔隙體積時，乳狀液的粒徑分布(表2)，可以發現這2組的粒徑累積分布范圍也極為接近，大部分乳狀液的粒徑為1～15 μm，說明此時三元復合體系的乳化強度基本一致，生成的乳狀液形態也基本一致，即三元復合體系在50 cm采樣點與150 cm采樣點之間形成了一段相同乳狀液組成的乳化段塞，該段塞自體系注入量為0.40倍孔隙體積時開始，體系注入量為0.60倍孔隙體積時結束，乳化段塞注入量為0.20倍孔隙體積。

表2 50、150 cm采樣點注入量為0.40、0.50、0.60倍孔隙體積時平均粒徑分布數據Table 2 The data list of average particle size distribution when theinjection volume of 50 and 150 cm sampling points was 0.40, 0.50, 0.60 time the pore volume

2.3 乳狀液段塞對采收率的影響

表3為短巖心模型乳狀液段塞驅實驗數據。由表3可知：5組實驗的前期水驅采收率大致相同，均處于57.00%附近，注入乳狀液段塞后，各組的總采收率均呈現增加的趨勢，且總采收率隨著注入段塞的增加而增加。乳狀液在多孔介質中運移的過程中，根據粒徑的不同，分為卡堵與吸附方式在地層滯留，一部分乳狀液起到封堵作用，改變驅替液運移方向，提高化學劑波及效率。此外乳狀液還可以通過剝蝕、擠壓的作用對殘余油進行驅替。因此，注入的乳狀液段塞越大，體系的總采收率也越大。

表3 短巖心模型乳狀液段塞驅實驗數據Table 3 The test data of emulsion slug flooding of short core model

圖4為采收率提高幅度(總采收率與前期水驅采收率的差值)隨注入段塞尺寸變化曲線。由圖4可知，隨著注入段塞增大，采收率提高幅度增加，當注入體積為0.10～0.30倍孔隙體積時，采收率提高幅度快速增加，當注入體積為0.30～0.70倍孔隙體積時，采收率提高幅度趨于平緩，即乳狀液的最佳驅替段塞尺寸為0.30倍孔隙體積，段塞尺寸繼續增加，總采收率提高幅度趨緩。結合長巖心模型的實驗數據可以看出，長巖心模型實驗僅形成了0.20倍孔隙體積的乳化段塞，并未達到乳狀液的最佳驅替段塞尺寸，因此，還需要對三元復合體系的驅替配方進行優化，應進一步加大三元復合體系的注入體積，增強體系的乳化強度和乳化持續時間，以便于形成最佳尺寸的乳狀液驅替段塞。

圖4 注入段塞尺寸對采收率提高幅度的影響曲線

3 現場應用情況

杏3區于2014年投產，2016年開展三元復合驅試驗，總井數為321口，其中，注入井為151口，生產井為170口，目的層為葡I1—葡I3油層，共6個沉積單元，區塊面積為5.8 km2，石油地質儲量為658.97×104t，孔隙體積為1 168.79×104m3；采用五點法面積井網，注采井距為125 m；平均單井射開砂巖厚度為12.1 m，有效厚度為9.3 m，有效滲透率為482 mD，目前化學驅注入量為0.83倍孔隙體積，綜合含水為92.61%，提高采收率為11.13個百分點。

驅油方案段塞設計為：第1段塞聚合物段塞，質量濃度為1 300 mg/L，注入量為0.06倍孔隙體積；第2段塞為三元主段塞，聚合物質量濃度為1 900 mg/L，堿質量濃度為12 000 mg/L，表面活性劑濃度為3 000 mg/L，注入量為 0.35倍孔隙體積；第3段塞為三元副段塞，聚合物質量濃度為1 900 mg/L，堿質量質量濃度為1.0%，表面活性劑質量濃度為2 000 mg/L，注入量為 0.15倍孔隙體積；第4段塞聚合物段塞，質量濃度為1 700 mg/L，注入量為0.2倍孔隙體積，4個段塞總長度為0.76倍孔隙體積。三元段塞合計為0.50倍孔隙體積,其中，主段塞為0.35倍孔隙體積，副段塞為0.15倍孔隙體積。

按照方案三元主段塞結束時已注入0.43倍孔隙體積，含水降至最低值83%，處于受效高峰期，由于原方案未達到最佳乳狀液驅替段塞尺寸，因此，三元主段塞增加0.14倍孔隙體積，促使含水低值期延長8個月；三元副段塞延長了0.2倍孔隙體積，促使含水回升速度由每月0.35個百分點降至0.08個百分點，含水穩定在92%左右長達12個月，累計產油量較原方案增加了3.86×104t，提高采收率0.58個百分點。通過優化三元復合體系驅替配方，加大三元復合體系注入量，杏3區開發效果得到顯著改善(圖5)。

圖5 杏3區生產曲線Fig.5 The production curve of Xing 3 Block

4 結 論

(1) 通過長巖心模型三元復合驅實驗的采出動態曲線，可以將三元復合驅階段的乳化強度分為乳化增強、乳化減弱、乳化消失3個階段；隨著三元復合體系運移距離的增加，體系的乳化能力不斷減弱，填砂管前1/4段體系處于較強的乳化狀態，填砂管后3/4段體系處于較弱的乳化狀態。

(2) 50、150 cm采樣點處，體系注入量為0.40、0.50、0.60倍孔隙體積時，復合體系生成的乳狀液粒徑分布極為一致，可視為同種形態，即復合體系在50 cm采樣點與150 cm采樣點之間形成了0.20倍孔隙體積的乳化段塞。

(3) 不同大小的乳狀液段塞驅油實驗表明，最佳的驅油段塞尺寸為0.30倍孔隙體積，實際在地層中僅形成了0.20倍孔隙體積的乳化段塞，乳化段塞未達到最佳尺寸，因此，還需要繼續優化復合體系的驅替方案，以便于形成最佳尺寸的乳狀液驅替段塞。現場區塊增加三元段塞注入量后，開發效果得到顯著改善。