弱碱三元复合驱剩余油微观驱替机理

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　　摘      要： 在碱、聚合物和表面活性剂的协同作用下，三元复合驱驱替效果显著提升，对各类剩余油的动用效果也明显增强。通过室内微观驱替实验，使用一种弱碱三元复合驱体系对水驱后形成的簇状、柱状、盲端状、油滴状和膜状5类剩余油类型进行驱替机理分析。研究表明：在三元复合驱体系内，碱有利于生成具有表面活性剂性质的物质、溶解界面膜、改变岩石润湿性、充当“牺牲剂”;表面活性剂可以改变油水界面张力、改变岩石浸润性;聚合物起到降低驱替剂与原油的流度比、增大驱替剂黏度、增大驱替压力的作用。在该体系的作用下，水驱后难以被动用的剩余油驱替效果显著提升。
　　关  键  词：三元复合驱;剩余油类型;驱替机理;光刻玻璃模型;协同作用
　　中图分类号：TE327      文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2020）04-0645-04
　　Abstract： Under the synergistic action of alkali， polymer and surfactant， the displacement effect of ASP flooding is significantly improved， and the utilization effect of various remaining oil is also significantly enhanced. In this paper， a weak alkali ASP flooding system was used to analyze the displacement mechanism of five types of residual oil formed after water flooding through laboratory micro-displacement experiments. The results showed that，in the three component flooding system， alkali as "sacrificial agent" was beneficial to the formation of substances with surfactant properties to dissolve the interfacial film and change the rock wettability; surfactant changed the interfacial tension of oil and water and changed the wettability of rock; polymer reduced the mobility ratio of displacing agent to crude oil， increased the viscosity of displacement agent and increased the displacement pressure. Under the action of this system， the displacement effect of residual oil which is difficult to be used after water flooding is significantly improved.
　　Key words： ASP flooding; Remaining oil type; Displacement mechanism; Photolithographic glass model; Synergistic effect
　　低滲透油藏是我国油气藏类型中最典型的形式，针对低渗透油田的开发研究具有重要意义。由于低渗透油田渗透率低、储能丰度差，经过长期的注水开发后，地层中尚有大量的剩余油难以开发。针对机理及效果具有极大的应用价值。本文通过利用微观驱替系统和光刻玻璃模型对一种三元复合驱替体系针对不同剩余油类型的驱替效果进行分析，可以验证三元复合驱替体系的作用机理及驱油效果，并为实际应用提供理论依据。
　　1  三元复合驱驱替体系作用机理
　　三元复合驱是指碱、表面活性剂与聚合物的混合驱替体系。这三种驱替体系如果在配伍条件下联合使用，则在功能和作用机理上优势互补从而达到最佳的驱油效果[1-3]。
　　1.1  各种化学剂的作用
　　1.1.1  碱剂作用
　　（1）碱液能与原油组分中的活性物质（不仅限于有机酸）发生皂化反应，生成具有乳化功能的天然表面活性剂物质。
　　（2）原油中的沥青质、胶质和石蜡堆积会形成界面膜，导致油滴隔离、孔喉变窄、油滴运移受限。碱液能与上述物质反应融解界面膜，促使原油乳化和聚集。
　　（3）碱液可以与原油-岩石表面间的表面活性组分发生反应，改变岩石润湿性，降低原油与岩石表面的吸附性。
　　（4）通过化学反应，碱可以降低其他化学剂的吸附滞留以及减少化学剂与原油、岩石因化学反应而产生的损耗，从而充当“牺牲剂”保护整个驱替体系的药剂浓度。同时，碱与原油、岩石表面或地表水中离子反应会形成具有一定黏度的絮状物，协同驱替。
　　1.1.2  表面活性剂作用
　　表面活性剂具有“两亲结构”，一端具有亲水性，另一端具有亲油性。[4，5]如图1所示是表面活性剂的作用机理。注入地层后，亲油基团的一端与原油吸附，在原油表面紧密排布，露出的一端为亲水基团。相当于在油水界面中增加了一个中间地带，降低了油水界面的表面张力。同时，表面活性剂会改变岩石表面的浸润性，将亲油岩石转变为亲水岩石。在界面张力作用下，被表面活性剂包裹着的油滴趋向于成球，乳化后的原油对亲水性岩石表面的吸附性大大降低，增加了油水混合物的流动性，从而达到活化剩余油的作用。 　　1.1.3  聚合物作用
　　聚合物主要是用高分子化合物的空间结构，增加溶液的黏度，改善驱油过程中的油水流度比，延缓采出液的含水上升速度。[6-9]同时因为聚合物高黏度特性，可以对高渗透层进行有效封堵，扩大波及体积，提高采收率。
　　1.1.4  体系内的协同效应
　　（1）碱可与原油等物质反应生成具有表面活性剂作用的物质，与体系内的表面活性剂协同作用。也可以提高某些聚合物（例如HPAM）的稠化能力，促进聚合物空间结构的形成;还可以提高生物聚合物的生物稳定性。
　　（2）表面活性剂可降低聚合物溶液与油的界面张力，使其具有一定的洗油能力。同时，部分表面活性剂还可与聚合物形成络合物结构，使该种结构具备乳化原油、高黏度的特点。
　　（3）聚合物能有效降低表面活性剂和碱溶液对油的流度比，增大化学剂体系的波及体积;提高碱和表面活性剂形成的水包油乳状液的稳定性。[10-14]
　　2  光刻玻璃模型微观驱油实验
　　光刻玻璃模型是一种仿真模型，即参照天然岩心铸体薄片的孔隙结构，运用光化学刻蚀手段，精密地刻蚀到平面玻璃上制成的微观模型，可以很好地模拟出天然油气藏岩石的真实孔隙结构系统，具有与实际情况相似的空间分布和孔隙形状，而且具备可视性，透光度好，可以清楚地观察到孔喉中各种流体的分布，及流体之间的界面现象和相互作用机理。[15，16]
　　2.1  实验仪器及材料
　　YB-WWJ60型全无油静音空压机，MODEL 260D双缸恒压恒速泵，OLYMPUS SZX16型光学显微镜，恒温箱（南通市中京机械有限公司制造）。
　　实验所用模拟油是以大庆第七采油厂原油与煤油按一定比例配制而成，模拟油45 ℃的动力黏度为12 mPa·s;模拟盐水的矿化度为5 150 mg/L。实验用三元复合驱体系选用聚合物为相对分子质量为2 500×104的水解聚丙烯酰胺，弱碱选用质量分数为98%的Na2CO3，表面活性剂为重烷基苯石油磺酸盐，有效质量分数为50%。实验溶剂水为大庆油田第七采油厂生产污水（图2）。
　　2.2  实验方法
　　①对所选光刻玻璃模型抽真空后饱和地层水，随后注入样品油驱替地层水，直至油品完全充满整块模型。
　　②将注入水以0.2 mL/h的速度恒速驱替模型中的原油。对驱替过程全程录像，实时记录水驱油过程中剩余油的形态和分布状况。当模型采出液含水率达到 100% 时停止驱替。
　　③将三元复合驱体系以0.2 mL/h的速度继续驱替模型中原油，至不再出油停止实验。对驱替过程进行拍摄，记录复合驱过程中剩余油的形态和分布。
　　2.3  各类剩余油动用机理研究
　　针对低渗透油藏，将水驱后形成的微观剩余油划分为 5 种类型： 簇状、柱状、盲端状、油滴状和膜状。在驱替过程拍摄的图片中，选取五种的剩余油类型进行观测分析。
　　2.3.1  簇状剩余油
　　簇状剩余油指的是被通畅的大孔道所包围的小喉道控制群中的剩余油。 由于“大孔包围小孔”孔隙结构中的小孔道尺寸较小，毛细作用较强，又由于高低渗孔道变径比较大，使驱替液发生绕流，导致簇状剩余油采收率较低（图3）。
　　图3（b）为三元复合驱对簇状剩余油驱替效果，图3（a）是水驱后簇状剩余油状态。簇状剩余油大量形成与远离主流线的部位，由于“大孔包围小孔”的特殊孔隙结构，驱替液会突破与簇状剩余油两端相联的孔道，导致内部无法被驱替液波及。在注入ASP后，簇状剩余油两端原油界面张力减小、油水的流度比降低，在堿和表面活性剂的作用下逐渐被乳化成小油滴。剩余油更易被“剥离”，绕流效应相应减弱。剩余油因此可以流动，进而被驱替出来。但由于ASP驱替效果有限，仍有部分剩余油无法被驱替。
　　2.3.2  柱状剩余油
　　柱状剩余油是由于驱替压力与粘附力相互作用形成的，在驱替压力小于粘附力时，原油被“吸附”在孔壁，无法流动，驱替液沿柱状剩余油两端相连的孔道突破，在柱状剩余油区域外形成绕流，无法被驱替。它主要以两种形式存在，一种形式是存在于并联孔道的细长喉道内，另一种是存在于“H”型孔道中（图4）。
　　
　　在注入ASP后，驱替体系中聚合物的存在使驱替压力升高，碱与表面活性剂又降低了粘附力，使剩余油可以被驱替。柱状剩余油被动用主要分两种形式，一种是形成段塞整体随驱替液移动，另一种是被驱替液从一段突破，但驱替后会残余一部分油，形成油膜。
　　2.3.3  盲端状剩余油
　　盲端状剩余油是指在水驱过后，密封在死角或一端封闭孔隙内的剩余油。由于盲端一端开放一端封闭，所以没有流通孔道，不具备流动条件，不受驱替压差影响，驱替效果极差（图5）。
　　当驱替剂沿主流道流经盲端时，在驱替剂的作用下，盲端的剩余油逐渐摆脱“吸附”，随驱替剂剪切力方向改变形状，逐渐被拉长，在末端乳化成小油滴，被驱替剂携带出来。相比于单一驱替剂，ASP体系驱替盲端剩余油效果更好。这是因为注入ASP后降低界面张力和增大驱替体系粘弹性的共同作用。界面张力的降低使得粘弹性驱替剂能够深入盲端孔隙;驱替体系粘弹性的增加使得驱替剂接触更多的剩余油（流度比的降低导致波及体积变大）。
　　2.3.4  油滴状剩余油
　　油滴状剩余油主要分布在狭小喉道的入口处。由于“海恩斯跳跃现象”的存在，表面了在多孔介质渗流过程中，流体并不是均匀地流过多孔介质，而是跃进式突破多孔介质。即在驱替过程中，原油是以大小不一的油滴形式通过喉道口。在吼道内，不同的油滴相互接触、聚并，形成更大的油滴，直至在喉道口处再次分散成小油滴。在部分狭小的喉道入口处，油滴因贾敏效应无法流动，形成油滴状剩余油，如图6所示。 　　当注入驱替剂后，聚合物的存在使得体系内的粘弹性增大，从而增大驱替压力;同时表面活性剂与碱液的作用下使得油滴乳化，形成众多更小的油滴，降低了贾敏效应，使油滴能过通过喉道口。
　　2.3.5  膜状剩余油
　　膜状剩余油主要存在于亲油的孔隙结构中，由于油在岩石壁面的附着力大于水驱的剪切力，注入水在孔隙中间通过，使粘附在岩石表面的油留下，形成油膜或油环（图7）[17-19]。
　　膜状剩余油在驱替剂的作用下发生润湿滞后，膜状剩余油发生“滑动”，前进角逐渐增大，后退角逐渐减小，剩余油变形越来越大，油膜前端被不断拉长，直至发生“脱离”，形成新的小油滴后被驱替液携带走[20]。
　　3  结 论
　　（1）分析了三元复合驱体系中各化学剂的作用及协同作用，通过微观驱替实验，验证了一种三元复合驱体系针对剩余油的动用效果。
　　（2）利用光刻玻璃模型结合观测装置观察微观三元复合体系驱油过程油水两相渗流过程。结果显示，该方法具有较高的精度和可行性，是一种较实用的研究剩余油分布及动用机理的方法。
　　（3）将常见的微观剩余油分为簇状、柱状、盲端、油滴、膜状5种类型，针对每一种类型剩余油的形成原因和动用机理进行了分析。
　　（4）通过微观驱替实验，验证了三元复合驱体系能有效地驱替水驱后形成的簇状剩余油、柱状剩余油、盲端剩余油、油滴状剩余油和膜状剩余油， 从而提高原油采收率。
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