表面活性劑提高致密油藏注水吞吐效果的機理

張立亞，王建波，王科戰，陳光宇，王洪寶

（1.中國石化東北油氣分公司，吉林長春 130000；2.山東科技大學，山東青島 266555）

隨著大部分油田進入高含水率、高采收程度階段，致密油藏已成為現如今勘探開發熱點研究領域之一[1-4]。致密油藏巖石滲透率低，孔隙度小，注水開發困難，目前主要靠壓裂后地層內的天然能量進行開發，采油井產量遞減快、采收率低[5-9]。有效補充地層能量成為致密油藏開采的關鍵。

注水吞吐作為一種致密油藏補充地層能量方法，受到國內外學者廣泛關注。其提高采收率的主要機理為：（1）燜井過程中依靠油層毛管力的滲吸作用提高滲吸采收率；（2）開井后依靠水的驅替作用提高驅替采收率[10-16]。李龍龍等[17]針對胡尖山油田開展了注水吞吐采油試驗發現該區油井產能恢復94.4%。高濤等[12]以延長油田長8 儲層巖心為研究對象，進行了注水吞吐采油機理研究，試驗表明注水吞吐補充地層能量效果顯著。

目前單井注水吞吐采油現場效果較好，原油采收率提高較為明顯，為進一步提高采收率，國內外學者提出在注水吞吐過程中加入表面活性劑[18-19]。向陽等[20]通過向注入水中加入0.1%非離子型表面活性劑，發現采出程度可提高3.15%。WEISS 等[21]針對23 口親油白云巖油藏開展了表面活性劑吞吐試驗，驗證了表面活性劑吞吐的有效性。SHULER 等[22]通過室內實驗發現，表面活性劑吞吐不僅可以改變儲層潤濕性作用，還可以提高吸附原油的動用程度，從而提高采收率。

本文通過考察不同表面活性劑體系對吞吐采油的影響，建立表面活性劑性能指標與吞吐采油的關系。闡述了表面活性劑提高致密油藏注水吞吐效果的機理，為表面活性劑體系在致密油藏注水吞吐的現場應用提供了理論依據。

1 實驗材料和方法

1.1 實驗材料

1.1.1 表面活性劑 收集表面活性劑7 類，具體參數見表1。

表1 表面活性劑種類及生產廠家

1.1.2 地層模擬原油 地層原油黏度2.26 mPa·s，地層原油密度0.813 4 g/cm3。

1.1.3 地層模擬水 地層水型為NaHCO3型，礦化度為2 215 mg/L。

1.1.4 巖心 收集巖心30 塊，具體參數見表2。

表2 實驗用巖心物性參數統計表

1.2 實驗方法

1.2.1 表面活性劑的性能測試實驗 采用SY/T 5753—2016 行業標準測試表面活性劑的性能指標。

1.2.2 滲吸采油實驗 將巖心放入120 ℃烘箱內老化36 h 后備用。將老化后的巖心放置于體積法滲吸儀內，加入地層水或表面活性劑溶液。當液面上升至刻度線時，停止注入。每隔一段時間記錄刻度管讀數并采集圖像信息。刻度管內讀數不再變化時，記錄最終采出程度。

1.2.3 反向驅替采油實驗 將滲吸后的巖心放入巖心夾持器中，設置環壓大于注入壓力2～4 MPa，以0.5 mL/min 的驅替速度注入清水或表面活性劑溶液，測定驅替過程中壓力、采出程度的變化。

2 實驗結果

2.1 表面活性劑性能指標

2.1.1 表面張力 測定不同類型表面活性劑溶液不同質量濃度下的表面張力，確定各類表面活性劑的臨界膠束濃度（CMC），結果見圖1、表3。

圖1 不同表面活性劑溶液表面張力隨質量濃度的變化關系

表3 不同表面活性劑CMC 統計表

2.1.2 界面張力 測定不同表面活性劑CMC 下的界面張力，結果見表4。

表4 不同表面活性劑界面張力統計表

2.1.3 潤濕性能 測定清水和不同類型表面活性劑溶液浸潤后的接觸角，結果見表5。

由表5 數據可知，YGS01 和YGS07 的接觸角較大，表現出使潤濕性由親水轉變為中性潤濕的趨勢；而YGS03、YGS04、YGS05 和YGS06 的接觸角均小于清水的接觸角，表明這四類表面活性劑可以將潤濕性轉變為強親水。

2.2 滲吸采油實驗

測定老化后巖心經不同溶液滲吸后的滲吸采收率，結果見表6。

表6 滲吸實驗采收率統計表

由表6 數據可知，不同天然巖心的清水滲吸采收率不同，主要分布在9.00%～23.00%。不同類型表面活性劑溶液的滲吸采收率變化較大，分布在1.00%～22.00%，最大為21.36%，所用表面活性劑為YGS02。

2.3 反向驅替采油實驗

2.3.1 驅替采收率 巖心經清水或表面活性劑溶液滲吸后，再由清水或表面活性劑溶液進行驅替實驗，測定其驅替采收率，結果見表7。

表7 驅替實驗采收率統計表

由表7 數據可知，天然巖心經清水滲吸后再由清水驅替，其驅替采收率均小于5.00%。天然巖心經表面活性劑滲吸后再由表面活性劑溶液驅替，其驅替采收率分布在4.00%～20.00%，主要與表面活性劑種類有關。使用表面活性劑YGS04，驅替采收率最大，為19.82%。這表明表面活性劑的加入對致密油驅替采收率具有提高作用。

2.3.2 總采收率 將不同溶液滲吸和驅替采收率匯總得總采收率，結果見表8。

表8 不同溶液總采收率統計表

由表8 數據可知，天然巖心的清水總采收率分布在17.00%～24.00%。25、27 和30 號巖心的總采收率較高，大于30.00%。天然巖心經表面活性劑溶液滲吸和驅替后，總采收率分布在18.00%～26.00%，主要與表面活性劑種類有關。使用表面活性劑YGS02，總采收率最大，為25.69%。在滲透率相近的情況下，表面活性劑溶液的總采收率均大于清水的總采收率。這表明表面活性劑溶液的加入有利于提高注水吞吐的效果。最高提高6.01%，所用表面活性劑為YGS03。

2.3.3 驅替壓力 不同溶液驅替過程中驅替壓力隨時間的變化關系見圖2。

圖2 不同溶液驅替壓力隨時間的變化關系

圖2a 顯示，天然巖心經清水滲吸后再由清水驅替，其驅替壓力隨著驅替時間的增長而逐漸上升，最終趨于穩定。驅替壓力分布在20.00 MPa 左右。其中，6號巖心所需驅替壓力最大，約為22.50 MPa。圖2b 顯示，天然巖心經表面活性劑溶液滲吸后再由表面活性劑溶液驅替，其驅替壓力隨驅替時間的增長普遍呈現先迅速上升后穩定的趨勢。最終驅替壓力分布在7.00～20.00 MPa。1 號巖心所需驅替壓力最大，約為18.00 MPa，所用表面活性劑為YGS01。16 號巖心驅替壓力最小，約為8.00 MPa，所用表面活性劑為YGS05。

3 表面活性劑注水吞吐提高采收率機理分析

3.1 表面活性劑對采收率的影響

3.1.1 表面活性劑對洗油能力的影響 在注水吞吐采油過程中，要使吸附于巖石孔隙表面的原油脫離采出，就需要克服黏附功的阻力。黏附功阻力越小，洗油效率越高。表面活性劑的加入可以同時改善接觸角和降低油水界面張力，從而降低黏附功。水溶液的界面張力為0.29 mN/m，滲吸儀內的巖石表面附著油滴較大，表明水溶液中的油滴黏附功較大，從巖石表面剝離的難度大，見圖3a。表面活性劑溶液的界面張力為1.28×10-2mN/m，巖石表面附著的油滴大小和數量減少，表明加入表面活性劑后可以降低油水界面張力，見圖3b，改善接觸角，降低黏附功，油滴從巖石表面剝離的難度變小，洗油效率提高。

圖3 不同界面張力溶液滲吸效果圖

3.1.2 表面活性劑性能指標對吞吐采收率的影響

3.1.2.1 界面張力對吞吐采收率的影響 表面活性劑界面張力與吞吐采收率之間的關系，結果見圖4。

圖4 采收率隨界面張力變化關系

由圖4 可以看出，表面活性劑溶液的滲吸采收率隨著界面張力的增加而升高，驅替采收率則隨著界面張力的增加而降低，但總采收率隨著界面張力的增加變化不大，這表明降低界面張力有利于提高驅替采收率。

表面活性劑降低界面張力的機理是：表面活性劑在油水界面上定向吸附達到飽和后，分子會在油水界面上形成一層有較高機械強度的單分子膜。此時，水分子與油分子之間的極性差異轉變為水分子與表面活性劑分子的親水基和油分子與表面活性劑分子的親油基之間的極性差異，它們的極性較為相近，導致油水界面張力大大降低，毛管力下降，注入流體能夠進入更多基質小孔隙，擴大波及體積，加強油水交換作用，提高洗油能力，進而提高地層原油驅替采收率。

3.1.2.2 潤濕性對吞吐采收率的影響 表面活性劑改變潤濕角的能力與吞吐采收率之間的關系，結果見圖5。

圖5 潤濕角的變化對采收率的影響

以清水潤濕角為零點，負值表示潤濕性向親水性轉變，正值表示潤濕性向中性潤濕轉變，由圖5 可以看出，滲吸采收率隨著潤濕性向親水性轉變而逐漸增大，本次實驗中潤濕角的變化對驅替采收率和總采收率的影響規律并不明顯。

3.2 表面活性劑對反向驅替壓力的影響

3.2.1 增大反向驅替壓力 滲透率相近情況下，清水和表面活性劑溶液的驅替壓力關系見圖6。

圖6 清水和表面活性劑溶液驅替壓力關系

由圖6 可以看出，在滲透率相近的情況下，表面活性劑溶液的驅替壓力明顯小于清水的驅替壓力，約5.00 MPa。兩性表面活性劑的表現最佳，降低驅替壓力約7.00 MPa。說明表面活性劑的加入能顯著降低驅替壓力，增大反向驅替壓力。

3.2.2 降低流動阻力 在燜井過程中，采油主要依靠滲吸作用，毛管力是滲吸發生的驅動力。在返排過程中，采油主要依靠反向驅替力，毛管力成為阻力。同時，賈敏效應產生的阻力也會導致驅替壓力降低，進而降低原油驅替采收率。毛管力表達式：

式中：Pc-毛管力，MPa；σ-界面張力，mN/m；θ-潤濕角，°；r-毛管半徑，μm。

由公式可知，在毛管半徑相同的情況下，毛管力Pc與油水界面張力σ 和潤濕角θ 有關。表面活性劑的加入能夠顯著降低油水界面張力σ，從而降低毛管力Pc，進而降低驅替過程中的阻力，并使反向驅替壓力降低。

4 結論

本文將吞吐過程分為滲吸采油階段和反向驅替采油階段，并研究了表面活性劑對其作用規律，主要結論如下：

（1）在滲吸采油階段，表面活性劑降低了滲吸采收率，但減小了原油從巖石表面剝離難度。

（2）在反向驅替采油階段，表面活性劑可有效提高驅替采收率，同時大幅降低驅替壓力。

（3）兩性表面活性劑表現最佳，在清水的基礎上提高采收率約5.00%，降低驅替壓力約7.00 MPa。

（4）表面活性劑提高注水吞吐效果的主要機理為：降低界面張力、改變潤濕性，減小原油從巖石表面剝離難度；減小毛管力和賈敏效應阻力，降低驅替壓力。