中高滲儲層乳狀液注入參數優化設計方法研究

姜 濤，孟慶標，隋清國，滕學偉

（中國石化勝利油田分公司樁西采油廠，山東東營 257237）

由于地層的非均質性[1]，水驅油藏開發的過程中存在注入水波及系數低、采出程度低的問題，采用傳統的復合驅方法提高采收率主要存在以下問題：（1）聚合物體系注入壓力較高，存在聚合物堵塞，傳統的高濃度聚合物驅或復合驅難以開展；（2）聚合物驅/二元復合驅的地面配置設備投入較大（聚合物溶解熟化流程復雜），開展大規模復合驅的成本回收周期較長[2-4]。

乳狀液調驅技術是一種極具應用潛力的調堵新技術。20 世紀50 年代，BECHER 等[5-6]首次提出乳狀液的概念，乳狀液在多孔介質流動中的賈敏效應是乳狀液驅擴大波及體積的重要機理。當乳狀液運移到孔喉尺寸稍小的狹窄喉道時，必須通過界面變形才能通過喉道，因此，在運移的過程中會產生附加阻力。

在乳狀液驅油過程中，僅僅依靠賈敏效應只能暫堵相對高滲區域，因為隨著注入壓力的增大，喉道處乳狀液會發生破裂。乳狀液的封堵作用主要是靠乳狀液的聚集和賈敏效應的疊加來實現的，賈敏效應的疊加使得相對高滲的儲層滲流阻力增大，使得驅替液向低滲油層滲流，提高了波及體積，從而提高采收率。

1973—2004 年，多位學者通過室內實驗和現場試驗表明，乳狀液驅能夠改善油藏的非均質性，具有調剖能力，能提高油藏整體的采收率[7-11]。祝仰文[12]、雷雨希等[13]通過巖心驅替實驗評價了乳狀液在不同滲透率巖心中的調剖能力，研究結果表明，乳狀液的粒度分布與地層孔喉半徑的配伍性為影響乳狀液調剖能力的主要因素。使用可視化沙子填充模型進行驅替實驗，對比乳狀液體系與同等界面張力的表面活性劑體系，結果顯示乳狀液的驅油效率高，同時通過不同滲透率級差下的三管并聯巖心驅替實驗研究發現，巖心滲透率級差越大，乳狀液驅原油采出程度越高[14-16]。劉洋[17]借助先進的Micro-CT 原位掃描技術進行多組微觀尺度的多階段驅替實驗，明確了乳狀液在孔隙空間中的三種驅油機理：（1）乳狀液從大油簇上剝落油滴，減小連續型油簇的體積，增加非連續型油簇數量；（2）改變油水界面張力；（3）改變局部毛管力分布，以直接動用和分段動用兩種途徑增加驅替相的波及面積。SHARMA 等[18]通過室內實驗研究了Pickering 乳狀液與聚合物的復合體系和單獨使用水包油Pickering 乳狀液體系時的驅油效果，實驗結果表明使用Pickering 乳狀液與聚合物的復合體系比單獨使用Pickering 乳狀液體系驅油時驅油效率能增長1 到6 個百分點。乳狀液調驅體系表現出良好的調堵和提高采收率的效果。

但是在實施乳狀液調驅時，不僅要考慮體系的調堵能力，同時還需要綜合考慮體系的注入性能。特別是對于滲透率較低的儲層，如果體系注入段塞設計不合理將會導致注入壓力過高，影響注水井后續的吸水能力，因此，需要針對不同滲透率的儲層進行注入量的合理設計。目前調驅體系設計精確設計方法主要是數值模擬，該方法建模工作量巨大，并且由于小規模調驅的用量僅有幾千立方米，而井組地質建模單個網格的體積就有500 m3以上，從而導致模擬誤差較大，難以對每一口乳狀液調驅井進行建模和設計。

針對乳狀液調驅的水井開展注入量的優化設計是保證乳狀液調驅順利開展的首要條件。本文以乳狀液體系的等效流動黏度為基礎建立了注入壓力預測模型，采用Matlab 編程軟件定量計算了不同注入參數和注入方式下的流動阻力，以此為基礎提出了中高滲地層中水包油乳狀液注入參數優化的設計方法。

1 實驗方法

1.1 主要試劑及儀器

實驗儀器：PA200 精密電子天平（梅特勒-托利多公司）；JJ-1 精密數顯電動攪拌器（江蘇金壇市金城過勝實驗儀器廠）；YL-100BD 實驗室超純水機（深圳市億利源水處理設備有限公司）；MCR-92 流變儀（奧地利安東帕中國有限公司）；IK T18 數顯型分散機（上海土森視覺科技有限公司）；游標卡尺；自組裝的物理模擬實驗裝置（圖1）。

圖1 實驗流程圖

實驗試劑：白油（型號：5#，勝利化工）；蒸餾水；表面活性劑（烷醇酰胺1.0∶1.5，酷爾化學科技有限公司）；模擬地層水礦化度為6 576.00 mg/L，離子組成見表1。

表1 地層水離子組成

1.2 實驗方法

1.2.1 乳狀液的制備 本次實驗使用IK T18 數顯型分散機進行乳狀液的制備，主要步驟為：

（1）在水中加入0.5%的乳化劑并用玻璃棒攪拌，使其完全溶解；

（2）稱取質量分數0.5%～2.0%的白油加入到水中；

（3）打開IK T18 數顯型分散機，將轉子浸入溶液，設置轉速為10 000 r/min 開始乳化，攪拌5 min 后得到水包油乳狀液。

1.2.2 乳狀液的流變性測試 利用MCR-92 流變儀測量乳狀液的流變性，主要步驟為：

（1）打開空氣壓縮機，其壓力達到5 MPa 時打開MCR-92 流變儀并使MCR-92 流變儀初始化；

（2）裝上CC39 轉子；

（3）稱取適量待測乳狀液加入到CC39-XL 轉筒中并將轉筒安裝到儀器上；

（4）將MCR-92 流變儀分別設置固定溫度（60、80、95 ℃），以不同剪切速率測量乳狀液黏度，測量剪切應力隨剪切速率變化關系。

1.2.3 乳狀液驅替實驗

（1）采用滲透率556～2 410 mD 的巖心，洗油干燥后抽真空飽和水；

（2）將含油量為0.5%～2.0%的乳狀液注入巖心，直到注入端壓力穩定，記錄平衡壓力用于乳狀液等效黏度的計算。

2 實驗結果與討論

2.1 乳狀液黏度影響因素研究

首先制備了水包油乳狀液作為調驅體系，利用MCR-92 流變儀研究了含油量、溫度以及地層水礦化度對乳狀液黏度的影響（圖2、圖3）。從圖2、圖3 可以看出，乳狀液的黏度隨著含油量的增大而增大，隨著溫度和礦化度的升高而降低。這主要是由于含油量的增大提高了乳狀液中油水兩相體系界面的碰撞摩擦幾率，這一規律符合愛因斯坦方程描述的乳狀液黏度模型。而升高溫度不但會降低油水兩相體系的體相黏度，同時也會降低油水界面的界面黏度，從而降低了乳狀液的流變黏度。對于水包油乳狀液增大礦化度會降低乳狀液穩定性，從而導致小液滴發生聚結，從而降低了水包油乳狀液中油相的分散性，表現為黏度的降低。根據黏度的測定結果可以看出，在實驗條件下，低含油量乳狀液的黏度較低，水包油乳狀液的流變黏度略高于單純的水相。

圖2 溫度對乳狀液流變性的影響

圖3 礦化度對乳狀液流變性的影響

2.2 乳狀液等效流動黏度研究

傳統數模方法在計算牛頓流體的注入壓力時主要依據達西方程，其中的黏度數據主要基于室內的流變曲線，但是乳狀液在地層中的流動阻力還受到吸附和滯留作用的影響。同時驅油體系從注入井注入目標油層后，滲流半徑和滲流面積不斷擴大（圖4），驅油體系的線性滲流速度也在不斷變化，導致體系的等效流動黏度也在變化。因此，不能簡單采用流變黏度作為達西方程中黏度的計算依據。

圖4 滲流過程示意圖

在研究中首先基于乳狀液注入性實驗，建立不同滲透率的地層條件下體系等效流動黏度與注入線速度之間的關系式，再依據徑向流公式計算體系的注入壓力。模型中將滲流場劃分為一個個圓環的微元，在每個微元內，通過線速度求出乳狀液的等效流動黏度，繼而求出每個微元的壓差，最后通過迭代累加的方式求取整個滲流區域的注入壓力。主要計算步驟如下：

（1）基于乳狀液在不同滲透率巖心中的流動實驗，測得體系在不同注入量、不同巖心滲透率條件下的流動壓差；然后根據公式（1）計算體系的等效流動黏度。

式中：k-滲透率，μm2；μ-體系的等效流動黏度，mPa·s；Q-體系的注入量，cm3/s；L-巖心長度，cm；A-巖心截面積，cm2；ΔP-流動壓差，10-1MPa。

（2）將相同巖心滲透率條件下體系的等效流動黏度與對應的注入線速度進行數據擬合，建立不同巖心滲透率下等效流動黏度與注入線速度之間的關系式，如公式（2）所示。

式中：μ-體系的等效流動黏度，mPa·s；V-注入線速度，10-3m/s；a、b-常數，由數據擬合得到。

（3）針對目標油藏參數，設置體系不同的地面注入參數，運用平面徑向流公式（3）進行計算或迭代計算，得到不同油藏參數、不同地面注入參數條件下所需要的注入壓力。

式中：ΔP1-注入壓力，MPa；μ-體系的等效流動黏度，mPa·s；V-注入線速度，10-3m/s；φ-地層孔隙度，小數；k-地層滲透率，μm2；Re-邊界半徑，m；Rw-井眼半徑，m。

采用不同滲透率的巖心和不同流變性的乳狀液體系，測試不同溫度、不同注入速度下（0.05～0.20 mL/L）的滲流壓力變化規律（折算到地下線性滲流速度為0.5～3.0 m/d）。通過不同乳狀液體系流動阻力變化規律的測試，明確乳狀液的流動阻力隨滲流速度、地層滲透率的變化規律。將壓力數據折算為等效流動黏度，計算結果見表2，乳狀液注入等效流動黏度擬合公式見表3。

表2 乳狀液注入壓力及等效流動黏度

表3 乳狀液注入等效流動黏度擬合公式

2.3 乳狀液注入壓力定量計算設計

采用Matlab 編程軟件定量計算了不同注入參數和注入方式下的流動阻力，以此為基礎提出了不同滲透率地層乳狀液注入參數優化的設計方法。繪制體系不同注入量下，注入壓力與體系注入參數或油藏參數之間的關系曲線；根據注入壓力與體系注入參數或油藏參數之間的關系，結合地面注入設備載荷，分析得到體系的最佳注入參數。

不同滲透率地層不同注入量下的注入壓力計算實例（圖5～圖8），從圖5～圖8 可以看出，隨著滲透率的降低，注入壓力大幅度升高，同時注入量和油層厚度也會影響注入壓力。因此，需要針對地層的地面設備注入能力、地層滲透率、儲層厚度從而設計合理的注入速度和注入量。

圖5 地層滲透率約為100×10-3μm2 的注入壓力曲線

圖6 地層滲透率約為600×10-3μm2 的注入壓力曲線

圖7 地層滲透率約為1 000×10-3μm2 的注入壓力曲線

圖8 地層滲透率約為2 000×10-3μm2 的注入壓力曲線

3 結論

（1）乳狀液在多孔介質中的滲流壓力不但受到自身黏度的影響，同時還受到賈敏效應以及吸附和滯留作用的影響，因此，基于室內流動實驗，以乳狀液的等效流動黏度為基礎建立了在不同滲透率地層下的注入壓力預測模型，根據現場注采設備的基本性能，可以優選出復合體系的注入速度與注入量，在保證復合體系具有良好的調驅能力下還能有良好的注入性。

（2）模擬計算表明注入壓力隨油層厚度、滲透率的增大而降低，隨著注入量的增大而增大，該方法為現場乳狀液調驅施工提供了一種可行的定量設計方法。