化學驅原油原位乳化及提高采收率機理研究進展*

周亞洲，楊文斌，殷代印

（1.東北石油大學石油工程學院，黑龍江大慶 163318；2.提高油氣采收率教育部重點實驗室（東北石油大學），黑龍江大慶 163318）

近年來，我國對外原油的依賴程度不斷提高，2018—2020 年我國石油對外依存度均突破70%［1］，2020 年我國石油對外依存度達到73%。我國高含水老油田占全國石油儲量和產量的70%左右，是我國石油產量的主體。化學驅是我國老油田提高采收率的重要方法。化學驅常伴隨有乳化現象，化學驅室內實驗和礦場試驗發現原油原位乳化能進一步提高采收率［2］，乳化嚴重的油井（或巖心）采收率比沒有乳化的油井（或巖心）高5%～6%［3］。近些年，國內外學者研究發現，在化學驅表面活性劑的選擇上，不能僅僅將油水界面張力能否降至超低作為表面活性劑選擇的關鍵標準［4］，也應該重點關注其對原油的乳化性能。如果注入的化學劑與儲層中的原油形成原位乳化，可以降低原油流動的毛細管阻力，大大增加其變形能力及流動性能，起到提高驅油效率的作用［5］。同時，原油原位乳化后黏度進一步提高，可以起到控制流度、擴大波及體積的作用［6］。特別是對于高溫高礦化度油藏，由于聚合物在高溫高鹽下降解嚴重，限制了高溫高鹽油藏化學驅的實施。隨著耐高溫高鹽表面活性劑的發展［7-8］，利用原油原位乳化可能成為高溫高鹽油層化學驅提高采收率的一個新的方向，重點是提高表面活性劑的乳化性能。本文基于國內外對化學驅原油原位乳化的研究成果，闡述了化學驅中原油原位乳化機理、乳狀液流變性及穩定性、原油原位乳化提高采收率機理方面的研究現狀，分析了化學驅礦場試驗中原油原位乳化規律及開采特征方面取得的經驗與認識，并對化學驅化學劑選擇及注入方案優化設計中的重點攻關方向提出了建議。

1 化學驅原油原位乳化機理

油藏原油原位乳化是復雜的物理化學過程，其乳化機理和室內攪拌的乳化機理有很大不同。1998年，Janssen等［9］認為殘余油滯留或者運移取決于作用于殘余油上的黏滯力與毛管力。當黏滯力增大到一定程度時，非潤濕相的飽和度降低，并變得不連續，分散于連續的潤濕相中，以油珠的形式參與流動。殘余油運移由毛細管準數、流速、黏度比和孔喉比決定。化學驅中注入表面活性劑溶液等活性物質后，表面活性劑分子會自發遷移到原油界面形成定向吸附，增加了原油的運移變形能力［10］。2001年，Kang等［11］發現乳化劑和含水率是影響三元復合驅乳狀液類型的主要因素。當含水率小于50%時，易形成W/O型乳狀液。隨著含水率和乳化劑濃度的增加，易形成O/W 型或者O/W/O 型乳狀液，在高含水期易形成O/W 型乳狀液。2007 年，通過化學驅微觀可視化驅替實驗，楊承志［12］發現注入三元復合體系后，孔壁上的殘余油隨著三元復合體系的運移而逐漸被拉成細絲，在運移過程中斷裂成無數微小的油珠隨液流運移走，成為細粒的O/W型乳狀液。乳狀液在運移過程中聚并，變成尺寸相對較大的乳狀液滴。2014年，夏惠芬等［13］發現油水界面擴張黏彈性和界面張力協同影響殘余油的乳化，界面張力降低到10-2mN/m 后，降低三元復合體系的黏彈性能顯著增強其對殘余油的乳化能力；界面張力和界面擴張模量越低，三元復合體系的乳化能力越強，殘余油從乳化油滴向乳化油絲轉變。2017年，周亞洲等［14］發現化學驅中原油原位乳化機理主要有原油卡斷作用和化學劑流體的剪切作用。巖石孔隙結構越復雜、孔喉比越大、配位數越大、化學劑的乳化性能越好，卡斷形成的乳狀液越多。孔壁上的殘余油膜及盲端處的殘余油常常靠注入化學劑的剪切作用被其攜帶走。化學驅中的原油原位乳化難易受孔喉結構、巖石潤濕性、原油性質、剩余油分布、剩余油類型、注入化學劑類型和流變性質等多種因素的影響。隨著微流控技術的發展，其在油藏滲流領域的應用也在不斷拓寬。微流控芯片可以精確表征儲層多孔介質的復雜孔隙結構，可以更加直觀地觀測化學驅流體的運移過程以及乳化過程，便于研究復雜物理化學作用下原油原位乳化機理和多相流流體流動機制［15］。

2 化學驅原油原位乳化的流變特性及穩定性

2.1 原油原位乳化的流變特性

互不相溶的油相和水相之間的相界面也稱為界面層，化學驅中的界面活性物質會富集于該界面層［16］，界面層厚度一般小于100 nm，此界面層也稱為界面膜。化學驅原油原位乳化后形成乳狀液的流變特性受乳化程度、乳狀液滴粒徑、含水率和剪切速率等因素影響，呈現出從牛頓流體到非牛頓流體到黏彈流體等一系列復雜的流變特征［17］。于大森等［18］發現當剪切速率較低時，乳狀液分散相多聚集成大片團塊狀，具有較高的表觀黏度值，剪切速率增大時分散相聚集成的團塊被解聚，表觀黏度減小，屬于剪切稀化型流體。Clark等［19］發現隨著乳狀液滴粒徑的減小，O/W 型乳狀液的表觀黏度增加，逐漸從牛頓流體變為剪切變稀流體。大多數O/W型乳狀液在較低的剪切速率（小于20 s-1）下呈現剪切變稀流體行為，在較高的剪切速率（大于500 s-1）下呈現牛頓流體的特性。冪律模型可以描述乳狀液超出剪切界限的流體行為。江延明等［20］發現油井采出的乳狀液在低含水率時為牛頓流體，當含水率增加到一定值時，乳狀液呈現非牛頓流體特性，且含水率越高，非牛頓性越強。W/O型乳狀液的黏溫關系與原油類似，但W/O型乳狀液的非牛頓性強于原油。隨著時間的增加，W/O 型乳狀液出現老化，表觀黏度增大，并且含水率越高，老化現象越明顯。閆建文等［21］發現油包水乳狀液具有較好的黏彈性和變形能力，其變形能力有利于減少乳狀液在地層中的機械捕集。叢娟等［22］發現乳狀液滴粒徑和分散度隨石油磺酸鹽質量分數的增加而增大，隨油水體積比的增大先增大后減小。振蕩次數對乳狀液滴粒徑的影響較小，對分散度有影響。吳奇霖等［23］發現對于粒徑較大的粗乳狀液，在含油率為60%時出現轉相。當含油率小于60%時，乳狀液呈現膨脹性流體性質，表觀黏度隨含油率的增加而增大；當含油率大于60%時，呈現假塑性流體性質，表觀黏度隨含油率的增大而減小。隨著溫度的升高，乳狀液的非牛頓性逐漸減弱。

2.2 乳狀液的穩定性

1869年，帕拉圖觀察到兩種互不相溶液體之間有一分界面，在分界面處的黏度比相鄰兩體相的黏度都要大，由此首次提出了“界面黏度”的概念。界面黏度及界面屈服值是表征乳狀液界面膜微觀結構及界面膜強度的重要參數，其取決于表面活性劑的分子結構、排列方式、相對分子質量和原油性質等［24］。界面黏度和界面彈性很大程度上決定了乳狀液的穩定性。液滴間聚并速率和界面黏度、界面彈性之間有很好的關聯性［25］。界面黏度和界面彈性越高，界面膜排液速度越低，乳狀液越穩定［26-27］。徐明進等［28-29］發現原油中的瀝青質、膠質、蠟組分等均具有一定的界面活性，可以在油水界面上吸附，形成強度較大的界面膜，且形成的界面膜具有明顯的屈服值、假塑性和較大的界面剪切黏度，進而增強乳狀液的穩定性。聚合物分子在油水界面上的吸附也可明顯增加界面膜的剪切黏度。對于稠油和重油，由于含有大量的瀝青質、膠質，極易形成穩定的W/O 型乳狀液。對于膠質、瀝青質、蠟含量較低的原油，形成的大部分乳狀液的穩定性較低或者不能形成乳狀液。徐超［30］認為提高乳化劑濃度可以提高乳狀液的穩定性，油水體積比是影響乳狀液穩定性和轉相特性的最重要因素；油水體積比太大，乳狀液容易聚集造成油水分離；在最佳鹽濃度下，乳狀液的穩定性最好；溫度低時，乳狀液的穩定性相對較差，隨著溫度的升高，乳狀液穩定性變好，溫度過高時，乳化失效。對于靜態穩定性，剪切速度越大，乳滴越小，乳狀液越穩定；對于動態穩定性，剪切速度越大，乳狀液轉相越快。隨著堿濃度的增大，乳狀液的靜態穩定性和動態穩定性均先增大后減小。孫春柳等［31］發現轉速對乳狀液穩定性的影響較大。轉速越大，乳化時間越長，粒徑越小，形成的原油乳狀液越穩定。含水率≤50%時，乳狀液穩定性隨含水率的增加而降低。溫度越高，乳狀液越容易聚并。乳狀液的聚并過程主要分為3個階段。首先，液滴間的界面膜接觸使界面產生變形和波動；然后，波動的界面受到連續相的黏滯阻礙作用形成連續的液膜；最后，液膜排液而逐漸變薄，最終液膜破裂，液滴發生聚并［32］。近年來，研究發現化學驅中的瀝青質、黏土顆粒和聚合物等在原油表面吸附形成固體顆粒穩定的乳狀液，即Pickering乳狀液［33-34］。在高溫高壓條件下，和表面活性劑-聚合物穩定的傳統O/W型乳狀液相比，Pickering乳狀液具有相對穩定的黏彈特性［35-36］。

3 化學驅原油原位乳化滲流特征

3.1 物理模擬

根據原油和水在油藏中流動的不同形態，王德民院士提出了化學驅中幾種重要的流動性，分別為連續流、段塞流、膜流、油絲流和乳液流。其中，乳液流是化學驅中經常出現的流動形態。1995 年，Abou-Kassem等［37］發現如果乳狀液的大小與多孔介質的孔喉直徑相比非常小時，可以忽略乳狀液微觀結果的影響，將其視作均質流體，可用連續相模型描述乳狀液的滲流特征。1998年，Khambharatana［38］發現當乳狀液的平均液滴尺寸比孔隙尺寸大很多時，大部分乳狀液滴被捕集在喉道中，采出端僅含有很小的乳滴，在較大壓力梯度下，這些小乳滴能夠運移，且小粒徑的乳滴通過多孔介質后流變性沒有發生根本性改變。對于粒徑和孔隙尺寸接近的乳狀液，在相同剪切速率范圍內，乳狀液在多孔介質中的流變性和其在黏度計中的變化趨勢相似。

原油原位乳化后，由于形成的乳狀液具有高度的分散性和黏彈變形特征，其在多孔介質中的滲流特性比聚合物等連續黏彈流體更加復雜。王鳳琴等［39］發現乳狀液在滲流中會引起孔隙、喉道的堵塞，其堵塞主要有3種形式，分別為單個液滴引起的堵塞、分散液滴無序擁擠引起的堵塞和細小液滴在管壁吸附引起的堵塞。趙清民等［40］發現當乳狀液粒徑與巖心孔隙直徑匹配關系較好時，其在巖石孔隙中的運移阻力較高，并能大幅降低驅油劑流度。注入與高滲透層孔隙直徑相匹配的乳狀液時，可以對高滲透層實現有效封堵，提高波及效率。王德民等［41］認為原油原位乳化后的黏度較高（尤其是W/O型），流度比會下降，能提高宏觀和微觀（相鄰孔隙和巖芯級）波及體積。粒徑大的乳狀液可以起到暫堵喉道的作用，粒徑小的乳狀液可以增加殘余油的有效驅替力。W/O 型乳狀液的滲透率曲線與油相滲透率相似；O/W型乳狀液的滲透率曲線與水相滲透率相似［42］。他認為如果能研制出在地層條件下乳化性能好的表面活性劑體系，可進一步提高油藏的驅替效率，而且可以代替或部分代替聚合物，這對于解決高溫高礦化度油藏的流度問題是一個新的途徑。Guillen 等［43］發現乳狀液流度是毛細管數的函數，隨著界面張力增加，乳狀液流度降低，在較高的毛細管數條件下，乳狀液中分散相對流度的影響較小。微觀驅油實驗研究表明［44］，乳狀液的堵塞作用可以使注入液運移路徑發生改變，當乳狀液注入到非均質巖心后，一定量的乳狀液先進入高滲透層封堵，后續的乳狀液進入低滲透層。康萬利等［45］發現兩親聚合物乳狀液在滲流過程中具有較強的黏彈效應，其在滲流過程中的滲流阻力較大，并有明顯的“爬坡式”波動現象。隨著乳狀液粒徑的增大，滲流阻力增加且波動劇烈［46］。Xu等［47］通過自制的可視微流體裝置更加直觀地觀察到了乳狀液在滲流過程中的運移、滯留和封堵特征。

3.2 數值模擬

原油原位乳化后的滲流規律極其復雜。首先，乳狀液滲流過程中往往伴隨著變形、聚并、破裂等復雜的物理過程，如何準確描述這些復雜的界面現象是個極具挑戰性的問題；其次，乳狀液滲流過程中受到流體內部及多孔介質的綜合作用，包括界面張力、驅替壓力、變形產生的彈性力以及周圍流體的剪切力等，影響其滲流的因素極其復雜；第三，對于多孔介質中多相流的模擬，由于多孔介質內部結構的復雜性，多相流運動的控制方程呈現高度的非線性特征，很難用理論解析方法對其進行精確的描述。目前，國內外主要從宏觀尺度、表征體元尺度和孔隙尺度3個尺度研究多孔介質中流體的流動規律［48］。在宏觀尺度和表征體元尺度方面，國內外對乳狀液滲流數學模型進行了大量研究，其中代表性的滲流數學模型有3 個，分別為“本體黏度模型”、“乳滴阻滯模型”和“過濾模型”［49］。后期的乳狀液滲流模型大多是在以上模型基礎上進行的修正及改進，如Mandal［50］、Demikhova［51］建立的模型。在孔隙尺度方面，Renardy［52］建立了單個乳狀液在黏彈性剪切流場中的數學模型，計算了乳狀液的受力及變形情況。Aggarwal 等［53］建立了單個黏彈性乳狀液在剪切流場中的數學模型，研究了乳狀液在變形過程中彈性應力的變化。Sman 等［54］應用界面擴散模型描述乳狀液的變形和破裂，采用格子Boltzmann方法進行了乳狀液在剪切流場中的數值模擬，研究了乳狀液的變形及破裂過程。安紅妍等［55］應用格子Boltzmann方法進行了液液不混溶兩相流動數值模擬研究，驗證了Laplace 定律，研究了單液滴松弛過程和兩個液滴的融合過程。Fu 等［56］建立了新的三維Boltzmann模型，模擬了乳狀液在流動聚焦微流裝置中的形成過程，模擬結果和實驗結果符合度較高。臧晨強等［57］采用改進的偽勢格子Boltzmann方法研究了復雜微孔道內的非混相驅替過程，研究了壁面粗糙度、潤濕性及黏度比對驅替過程的影響。

4 化學驅原油原位乳化提高采收率機理

化學驅原油原位乳化后，原油流動形態和流動模式發生改變，原油流動能力大大增強，原油采收率提高。Demikhova等［58］的研究表明注入乳狀液可以在水驅基礎上提高采收率15%以上。Karambeigi等［59］進行了乳狀液微觀可視驅替實驗，發現乳狀液可以提高波及體積，降低殘余油飽和度。匡佩瓊等［60］發現W/O型乳狀液的指進現象較弱，O/W型乳狀液有指進現象，W/O型乳狀液的無水采收率比O/W 型乳狀液高，但從驅替壓差方面考慮，建議采用O/W型乳狀液進行驅油。對于復雜油藏，原油原位乳化后也能大幅提高采收率。Abdul 等［61］發現，對于底水油藏，交替注入10%O/W乳狀液和聚合物的效果較好，可比水驅提高采收率10%以上。劉鵬等［62］發現對于高溫高鹽油藏，注入乳化能力強的表面活性劑比注入乳化能力弱的表面活性劑提高采收率約4%。Lee［63］和Pang［64］等研究發現乳狀液能顯著改善稠油油藏的驅替流度比，提高稠油油藏采收率。

化學驅原油原位乳化提高采收率是化學劑溶液、不同粒徑乳狀液滴以及原油協同耦合作用的結果。不同粒徑的乳狀液發揮不同的作用，孔喉級別乳狀液滴的賈敏效應可以起到堵塞喉道的作用，粒徑較小的乳狀液可提高驅替壓力。Mandal 等［65］發現O/W 型乳狀液的驅替機理主要是降低驅替相流度和油水界面張力。Lei等［66］認為乳化驅替殘余油的主要機理是乳化啟動、乳化攜帶和乳狀液的流度控制。微觀驅油和驅油實驗表明提高采收率的主要因素是毛管數的增加。乳狀液在巖石多孔介質中的捕集是乳狀液驅擴大波及體積的重要機理，而乳狀液在多孔介質中捕集的主要原因是賈敏效應［67］。由于原油原位乳化后黏度增加以及乳狀液的賈敏效應，原油原位乳化后使平面上高滲透區域、垂向上高滲透層的滲流阻力增加，后續注入的化學劑溶液更多地進入剩余油較多的中低滲透區域。形成的不同粒徑的乳狀液能起到交替封堵、交替驅替的作用。王鳳琴等［68］發現乳狀液提高采收率的機理主要有兩點：第一，乳狀液堵塞大喉道產生的分流作用驅替繞流形成的殘余油；第二，利用乳狀液進入孔隙喉道中產生的擠壓、拉和拽的作用，能有效地驅替邊緣和角隅處的殘余油。天然巖心驅油實驗表明乳狀液能在水驅的基礎上提高驅油效率約6%。康萬利等［69］的研究表明殘余油自發乳化后減小了毛管力，通過界面擾動“拉油”，彈性變形“擠油”和降低界面張力提高驅油效率，通過乳滴的堵塞提高波及體積。孫盈盈等［70］發現界面張力不是影響油水乳化能力的唯一決定性因素，其他因素如表面活性劑加量、油水比、界面膜強度等影響著驅油劑與原油的乳化能力，驅油劑乳化能力決定驅替效率。同時，乳狀液在孔隙喉道中運移接觸到剩余油后，會發生界面形變，由于其具有界面黏彈性，有恢復形變的趨勢，對剩余油有彈性微觀力的作用［71］。和水驅、聚合物驅相比，孔喉級別的乳狀液還具有變形活塞驅替作用，其在孔隙喉道中流動時，形狀會隨著孔隙喉道的形狀和殘余油形態的變化而變化，會緊貼喉道向前運移，進入喉道時受壓收縮，通過喉道時再次膨脹，像一個緊貼巖石壁面的可脹可縮的活塞。孔喉級別的乳狀液在孔隙和喉道中的運移速度較慢，能攜帶并驅替部分殘余油。

5 化學驅原油乳化礦場試驗經驗認識

在礦場試驗方面，大慶油田杏五中、杏二西、中區西部、杏二區西部、北一區斷西、薩北小井距等試驗區都開展了三元復合驅礦場試驗［72-73］，所有試驗區均發生了原油原位乳化現象。駱小虎等［74］認為水溶性表面活性劑與大慶原油乳化后易形成O/W型乳狀液；三元復合驅中加入堿后，NaOH與大慶原油反應生成油溶性表面活性劑，原油乳化后易形成W/O 型乳狀液，乳狀液穩定性隨時間延長逐漸增強，說明堿的存在對于原油乳化以及降低乳化原油流度具有一定的積極作用。礦場試驗中發現油層越均質、注采井距越大，采出液乳化越嚴重；使用強堿體系的乳化程度高于弱堿體系。原油乳化后，采出液黏度較高，產液量大幅下降，降幅為14.2%～69.9%，油井含水率較低，乳化期含水率為20%～60%，采油速度較高，三元復合驅的采油速度為4.4%～17.3%［75］。試驗區中乳化嚴重的采油井含水降幅較大，采出液黏度（117 mPa·s）大，驅替效果較好，說明原油原位乳化后能起到調整驅替液流度比的作用，出現乳化的采收率比未出現乳化的高5%～6%［76］。在大慶油田的應用結果表明［77］，注入三元復合體系初期，含水飽和度高，容易形成O/W型乳狀液。隨著O/W型乳狀液向采油井流動，由于超低界面張力、乳化攜帶以及O/W乳狀液的驅替作用，剩余油向前聚集，驅替前緣油水比增大，逐漸形成W/O 型乳狀液，剩余油繼續向前運移，在驅替前緣逐漸形成油墻。隨著注入時間的延長，儲層中大部分原油都被采出，油水比降低，形成的大多為O/W 型乳狀液。礦場試驗還發現雖然表面活性劑的界面張力較低，如果沒有或者只有很少的乳狀液產生，采收率也不高。因此，對于表面活性劑研究的重點是增加其乳化性能。廖廣志等［78］認為化學驅理想的乳化效果是高滲透儲層形成較強的原油乳化，進而提高滲流阻力，在低滲透儲層不乳化或輕微乳化。但礦場實際往往是低滲透儲層更易乳化，因此基于乳化的化學劑優化選擇和注入方式優化設計是化學驅礦場高效開發需要解決的問題。

6 結語與展望

隨著化學驅驅油理論認識的不斷成熟，傳統基于注入液的黏度、黏彈性、阻力系數、殘余阻力系數、驅油效率等指標評價化學劑驅替特性的方法具有一定的局限性，應該充分考慮注入流體與儲層原油復雜界面的物理化學反應，評價注入流體的乳化性能及原油原位乳化后的流體流動特征。在化學驅驅油理論及礦場試驗方面仍然有以下問題值得關注和深入研究。

化學驅中高效乳化劑體系的研發仍是重點。原油原位乳化的難易主要取決于乳化劑類型和濃度，能應用于礦場化學驅的乳化劑體系要求吸附較少、成本低，在低濃度下具有較好的乳化性能。對于高溫高鹽油藏，要求乳化劑體系具有良好的耐溫耐鹽性能。對于乳化劑體系的研發應該根據原油性質、儲層孔喉大小、孔喉結構、非均質性、含水率等因素綜合評價原油乳化后的乳化程度、乳狀液粒徑、流變性、穩定性、流度以及驅油效率等指標。

由于原油原位乳化現象的發生，化學驅滲流呈現非連續多相流動、多流動模式、多場耦合等特點，以連續性介質假設和達西定律為基礎的傳統滲流力學無法準確描述化學驅非連續多相流體滲流特征。對于化學驅滲流數學模型的研究，應考慮乳化形成機制、乳化程度以及乳化原油流變特性等因素，能定量表征乳化對于原油流動及提高采收率的影響，科學指導礦場化學驅化學劑的選擇和注入參數的優化設計。

化學驅注入方案設計中，應該加強對儲層乳化調控機制的研究，針對油田儲層發育情況及開發現狀，優化化學劑類型、濃度、注入速度、段塞組合等注入參數，使原油原位乳化后進一步增加高滲透油層的滲流阻力。對于中低滲透儲層，可以在乳化劑體系進入儲層之前，改變其分子結構，降低其乳化性能，實現封堵高滲透油層、驅替中低滲透油層的目的。