蓄能縫網壓裂開發中表面活性劑作用研究

徐 萍，許 寧，蔣美忠，戰常武，蔡洪波，楊永亮，李雅晶

（中國石油遼河油田分公司勘探開發研究院，遼寧盤錦 124010）

非常規油藏除了致密油、頁巖油之外，還包括有瀝青砂等，本文非常規油藏特指致密油、頁巖油。中國非常規石油資源勘探潛力巨大，中國石油天然氣集團公司在2016 年評估全國頁巖油技術可采資源量已達145×108t（含油頁巖）；2019 年，中國石油化工股份有限公司初步估算全國頁巖油技術可采資源量為（74～375）×108t[1]。2020 年勘探評價在鄂爾多斯、準噶爾和松遼等多個盆地取得戰略性突破[2]，全國致密油（含頁巖油）年產量為200×104t，未來還有很大的增長潛力，預計峰值年產量可達到（1 200～2 000）×104t 。近年通過長水平井和體積壓裂大幅度提高了單井產量，但是致密油和頁巖油開發仍面臨三大挑戰：一是低豐度，開發前期到中期階段的產量遞減快，排液達到峰值產量后的首年遞減率達到30%～40%，三年的遞減率合計達到75%～85%；二是連續補充地層能量困難，依靠體積壓裂階段一次性蓄能，相當于增加了彈性能，作用有限，采收率低，準天然能量開發采收率僅8%～12%，且主要依靠溶解氣驅，不但因脫氣而增加原油黏度、使原油體積收縮，而且大大增加殘余油飽和度，造成資源浪費；三是開采成本高，完全成本仍高達60～70 美元/桶，高投入和低油價遏制了規模開發效益。壓裂后燜井與周期驅替補能提采開發中都要發揮注入介質的滲吸、置換、排油作用。除了納米劑，表面活性劑也被考慮為提高滲吸置換效率的添加劑[3]。但是通過室內實驗，表面活性劑的效果并不理想，需要正確分析和研究其作用和機理，對于指導具有廣闊前景的非常規油藏開發具有重要意義。

1 表面活性劑對滲吸影響的已有認識

表面活性劑主要通過改變或者改善儲層潤濕性和油水降低界面張力影響滲吸效果，在低滲透砂巖油藏影響滲吸采收率方面已有較多研究[4-6]，其中一些研究是表面活性劑的驅替實驗，滲吸置換時間不足[7]。以空氣滲透率550～880 mD 的高滲透砂巖巖心為實驗材料進行研究[8]，得到的表面活性劑認識與致密儲層存在較大差距。李愛芬等[9]基于改進的LW 滲吸模型結合分形理論建立的自發滲吸模型計算表/界面張力對自發滲吸體積的影響呈非線性；李洪等[10]用7 塊不同滲透率的親水人造巖心研究表面活性劑對界面張力、滲吸采收率等影響，認識到巖樣滲吸采收率與油水界面張力和毛細管力的對數呈線性負相關關系；張邈等[11]研究表面活性劑在瓜爾膠壓裂液中對滲吸的影響，認為改向和黏彈作用是低濃度瓜爾膠壓裂液提高滲吸采收率的主要機理；周德勝等[12]統計延長組致密砂巖儲層巖心自發滲吸實驗結果認為界面張力對滲吸的影響僅次于滲透率，超過原油黏度和水礦化度。基質滲透率為（2～10）×10-3μm2的巴肯巖心實驗結果表明，表面活性劑水溶液自發滲吸可以排出15%～60%預先飽和的油相，但自吸過程僅僅在很小距離范圍（如厘米級）內有效，油藏中必須使用高壓注入才行，同時要考慮泥頁巖黏土含量高、易水化膨脹以及對有機質內存在的互溶態烴類動用等問題。楊正明等[13]應用高壓大模型物理模擬系統和核磁共振等技術研究致密儲層滲吸影響因素和作用效果，認為改變潤濕性有利于滲吸，但未提出改變潤濕性的具體方法。侯寶峰[14]提出了潤濕性表征方法及潤濕劑種類。也有很多研究表面活性劑對超低滲等儲層化學滲吸及采收率的影響[15-20]，但在表面活性劑對滲吸效果的影響上尚未取得統一認識。

之前曾有觀點認為由于地層水的長期浸泡和巖石表面的極性基團，地下巖石都表現出了親水的特性，地下沒有親油的巖石[21]。雖然現在潤濕性實驗結果發現有中性甚至弱親油的致密油、頁巖油儲層，但是仍然以親水儲層為主，表面活性劑對潤濕性改善只是減小了潤濕角。因此，表面活性劑對滲吸的影響主要體現在降低表/界面張力，減少滲吸時間。因此，對于低滲透油藏，表面活性劑對于提高洗油效率作用較大。而在致密油、頁巖油油藏，由于微納米孔縫是主要儲油空間，驅滲劑需要首先進入這些微納米孔縫，單純降低界面張力提高洗油效率成為下一級因素。

致密砂巖中的原油賦存狀態除了無機孔隙游離態、無機礦物吸附態之外，還有有機孔隙游離態、有機孔隙吸附態等多種賦存形式。室內實驗因為歷經洗油和重新飽和油等過程，原油主要為游離態，吸附態較少，潤濕性偏向水濕，油不容易吸附在儲層孔喉表面，游離態油的比例變大，可動性較好。同時，潤濕性也影響到流體滲流和分布，決定毛細管力的大小和方向。儲層孔喉水濕，水進入孔喉的過程中毛細管力表現為動力。孔喉越細小，毛細管力作用越強。理論上，壓裂液中加入水濕性表面活性劑可以在一定程度上改善致密砂巖儲層潤濕性，在中性甚至親油儲層中通過表面活性劑改變潤濕性，減少巖石表面黏附油和孔喉中原油的滲吸滯留，有利于滲吸效率提高，起到正向作用。但是在實際上，儲層巖石的潤濕性改變在幾十天的燜井期間并不易于實現。鄂爾多斯盆地中性-弱水濕的長7 頁巖油儲層巖心經過納米劑、壓裂液和低濃度表面活性劑（質量濃度0.05%）50 d 的浸泡，滲吸后的巖心潤濕性基本沒有變化，仍為中性-弱水濕，接觸角中～較小。

致密油、頁巖油儲層先天致密，其中發育的微納米孔縫具有異于毫米級孔隙的強相互作用、尺度效應、毛細管效應、真實氣體效應、界面現象、分子擴散效應、裂縫沖擊效應[1]等特殊的物理化學性質，因此，對表面活性劑在非常規油藏中作用的評價不能簡單沿用中高滲透儲層的評價結果。致密儲層和頁巖內部的靜態和動態特征與宏觀條件完全不同。

對非常規油藏細粒沉積巖微納米級原油賦存空間的潤濕性影響，不同于常規砂巖儲層，表面活性劑能否進入以及進入微納米孔縫的程度是改變和改善潤濕性的第一步，可以借助納米粒子并保持較高的油水界面張力，可以通過滲吸動力進行分析。

2 表面活性劑對滲吸動力影響的分析

致密砂巖和頁巖油首先采用蓄能體積壓裂方式進行開發，很大程度上依靠燜井-滲吸-置換采油，依靠毛細管力作為主要驅動力幫助壓裂液通過微納米喉道進入微米孔隙置換、剝離原油，因此，與化學驅不同，加入表面活性劑降低油水界面張力對于滲吸置換不完全是正向作用，這與原有的一些認識不同。

在水濕-中性致密儲層中，主要滲吸動力是毛細管力，而不是浮力。以微納米孔縫為主要儲集空間的致密油、頁巖油儲層中由于尺度效應等影響，原應用于包括低滲透油藏、雙重孔隙介質油藏在內的常規油藏的一些概念和方程已經不適用，比如靜態滲吸實驗的油滴在巖心各個面都有滲出，而非文獻[21]所預測的僅從頂面滲出。致密油、頁巖油開發滲吸作用很重要，儲層滲吸貢獻比例達到24.8%～31.1%[22]，而且儲層孔隙越小，滲吸作用越強。滲吸是多孔介質由于毛細管力作用自發產生的流體進入多孔介質孔隙的現象，這一定義也已得到共識。滲吸主要動力是在毛細管力的情況下，根據實驗室與油藏條件下毛細管力轉換公式，可得到用于油藏條件下的毛細管力：

式中：pc-毛細管力，MPa；σ-界面張力，mN/m；θ-潤濕角，°；K-滲透率，mD；下標res 和lab 分別代表油藏條件和實驗室條件。

則油藏條件下的毛細管力為：

實驗室條件下的毛細管力為：

式中：r-毛細管半徑，10-6m。

通過毛細管力公式（4）和（1）代入表1 中油水界面張力、潤濕角數據[23]和正寧油田長7 頁巖油儲層孔隙半徑分析資料，可計算出孔隙半徑2～8 μm 對應的毛細管力為（26.0～6.5）×10-3MPa。在此壓力下，水完全可以進入相應大小的孔縫驅替原油。加入表面活性劑使油水界面張力下降到超低界面張力1×10-3mN/m 時，公式（4）中毛細管力降低到（1.00～0.25）×10-6MPa，只有原毛細管力的0.003 85%，滲吸置換動力大大降低。由此可見，表面活性劑在非常規油藏中不宜直接使用，可以納米材料為載體進入微納米孔縫發揮作用，也可以作為納米顆粒的分散穩定劑、表面修飾材料等間接應用。

表1 界面張力與潤濕角

3 滲吸實驗結果與分析

3.1 實驗材料

實驗選用同井、同段儲層物性相近的長711頁巖油（深度1 595.0～1 594.5 m）2.5 cm×5.0 cm 巖心6 塊（表2）。實驗用劑除了模擬地層水（總礦化度40 000 mg/L）、EM30S 滑溜水壓裂液之外，還有納米驅油劑iNanoW1.0，為中國石油納米化學重點實驗室研發提供，配制了質量濃度0.02%和0.10%兩個濃度的驅替劑，分別稱為低濃度納米劑（低納米劑）和高濃度納米劑（高納米劑）；表面活性劑（ERDS-1），為中國石油遼河油田分公司勘探開發研究院勘探開發試驗中心研發，為耐鹽非離子型表面活性劑，進行配伍性實驗及界面張力實驗，結果表明，三種表面活性劑均具有良好的配伍性，其中表面活性劑（ERDS-1）降低油水界面張力效果好，低濃度條件下能夠達到超低界面張力，因此，選擇該表面活性劑進行滲吸實驗（表3）。也選擇了濃度0.20%和0.05%兩個濃度的表面活性劑，分別稱為高濃度表面活性劑（高表面活性劑）和低濃度表面活性劑（低表面活性劑）。

表2 實驗巖心基礎數據統計表

表3 表面活性劑參數統計表

3.2 實驗方法與步驟

油藏溫度下的靜態滲吸實驗除圍壓外，其他條件相似于油藏燜井滲吸過程。經過洗油，重新飽和油之后進行滲吸實驗，同時利用切割長度5.0 cm 巖心剩下的小段碎巖心測試孔隙度、滲透率、礦物成分等。滲吸實驗步驟如下：

（1）巖心標號、洗油，烘干，測試巖心干質量、長度、直徑等基礎參數；

（2）氣測巖心孔隙度、滲透率；

（3）抽真空并加壓飽和模擬地層水，利用巖心濕質量與干質量差計算孔隙度（水測孔隙度）；

（4）用與地層油相同黏度的模擬油驅替巖心，建立巖心的飽和油束縛水狀態，模擬油密度0.84 g/cm3，溫度50 ℃，黏度5.99 mPa·s；

（5）飽和油的巖心老化48 h；

（6）擦凈后的巖心放入滲吸瓶，加入不同滲吸液，在地層溫度下恒溫滲吸，連續記錄滲吸出的原油體積。

滲吸實驗中油水相的數量變化采用體積法測量。體積法通過滲吸瓶收集排出的原油，讀取與滲吸瓶直連的毛細管瓶壁刻度，根據液面變化來計量排出油體積，實驗全過程可視、觀察連續、計量準確。體積最小讀數誤差0.01 cm3，系統相對誤差小于3.3%。

3.3 實驗結果

包括表面活性劑在內的不同滲吸介質進行油藏溫度常壓靜態可視平行滲吸實驗，連續觀測的實驗結果見圖1。

圖1 不同滲吸介質驅油效率變化曲線

滲吸實驗顯示：

（1）表面活性劑、地層水滲吸置換的驅油效率較大程度低于納米劑和滑溜水壓裂液；

（2）表面活性劑滲吸機理能夠解釋其滲吸特征。表面活性劑由于能夠大幅度降低油水界面張力，因此，滲吸初期能夠驅洗、排出受毛細管力影響較小的中、大孔縫中的原油，驅油效率高于地層水，呈現驅油效率的增加，排油空窗期很短。但是對于微納米孔喉，因為毛細管力隨著界面張力數量級的下降而大大減小了進入微納米孔喉的能力，地層水則因水分子團半徑大于微納米孔喉而進不去，因此，都難以驅洗微小孔縫中原油，微觀波及體積小，總的驅油效率低。WANG 等[24]認為，過于消耗毛細管力不利于裂縫和基巖之間充分發生毛細管滲吸采油過程。

高濃度表面活性劑滲吸驅油效率低于低濃度表面活性劑，主要是質量濃度0.20%高濃度表面活性劑的油水界面張力比質量濃度0.05%的低濃度表面活性劑更低，滲吸動力更小，因此，滲吸驅油效率也越低。另外，高濃度表面活性劑滲吸中出現原油乳化，以至滲吸液從無色變為微紅色（為便于觀察，模擬油中含有甲基紅），原油乳化影響了油滴形成和進一步滲吸驅油。

4 結論

（1）表面活性劑在滲吸置換中的作用是雙向的：正向作用是一定程度上改善巖石潤濕性、降低殘余油飽和度，即油藏儲層潤濕性由親油向親水轉變，或者由中性-弱親水變為強親水。這些轉變將有助于提高驅油效率，降低殘余油飽和度，從而提高原油采收率，但是從頁巖油賦存機制（微納米孔縫與烴類賦存、富集的匹配結構關系）和多介質滲吸實驗定量結果分析，常規表面活性劑難以進入微納米孔縫，因此，潤濕性變化即使有，程度也很小，作用有限。

（2）油藏溫度常壓靜態可視平行滲吸實驗顯示，表面活性劑在滲吸置換中的負向作用是主要的。由于表面活性劑大大降低了油水界面張力、減小了毛細管力，降低了滲吸動力，使滲吸液難以進入作為致密油、頁巖油等非常規油藏主要儲集空間的微納米孔隙，從而降低了微觀波及系數和滲吸驅油效率。

（3）毛細管力作為滲吸作用的主要驅動力，有助于滲吸液通過微納米喉道進入微米孔隙置換、剝離原油，因此，與中高滲砂巖的化學驅中表面活性劑不同，表面活性劑降低油水界面張力對于致密油、頁巖油開發負向作用大于正向，表面活性劑要在非常規油藏中發揮驅油、降低殘余油飽和度提高采收率的作用，需要以納米粒子為載體，以改善致密儲層潤濕性為主要目的，合理保持界面張力。