改变低渗透油藏润湿性提高采收率技术研究进展

王所良，汪小宇，黄超，柴巧玲，荆建春，蒋文学，王业飞

（1.中国石油长庆油田公司低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，陕西 西安 710018；2.中国石油川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院，陕西 西安 710018；3.中国石油大学（北京）地球科学学院，北京 102249）

改变低渗透油藏润湿性提高采收率技术研究进展

王所良1，2，汪小宇1，2，黄超1，2，柴巧玲1，2，荆建春1，2，蒋文学1，2，王业飞3

（1.中国石油长庆油田公司低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，陕西 西安 710018；2.中国石油川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院，陕西 西安 710018；3.中国石油大学（北京）地球科学学院，北京 102249）

油藏岩石润湿性是储层物性的一个基本特征参数，是影响油田特别是混合润湿或油湿性低渗透油田开发的重要因素。文中针对目前通过改变油藏岩石润湿性以提高原油采收率方面的相关技术及研究进行了详细调研，系统总结了改变油湿性油藏岩石润湿性以提高原油采收率的方法。经过归纳总结，认为目前这些方法主要分为物理法、化学法和微生物法3大类。润湿性转变的机理是通过剥离岩石表面吸附的极性组分，还原岩石表面的亲水性；或在岩石表面形成双层吸附，使岩石表面润湿性反转为水湿，增加毛细管力的渗吸驱油作用。在充分认识岩石润湿性反转机理的基础上，有针对性地调节油藏岩石的润湿性，从而可以达到提高采收率的目的。

低渗透油藏；润湿性；润湿性反转；采收率；机理

油藏润湿性是储层物性的一个基本特征参数，影响油水相对渗透率、储层中剩余油的分布及注水开发特征［1］。在低渗透裂缝性油藏水驱开发过程中，水驱采收率依赖于水自发渗吸进入基质岩块将油驱替至裂缝中的能力。强水湿性油藏中，强毛细管力作用下导致渗吸驱替效率很高；而混合润湿或油湿性油藏中，由于毛细管力很弱，导致渗吸过程减弱或消失，严重影响水驱采收率［2-3］。目前，占全国陆上石油地质储量10%的油气田是低渗透油气田，已探明未开发储量的一半以上是低渗透储量［4］。润湿性是低渗透及裂缝性油藏渗吸驱油的主要影响因素之一，因此，研究改变油藏润湿性提高原油采收率技术，对改善水驱、提高采收率具有一定的指导意义［5］。

根据措施的不同，目前通过改变油藏岩石润湿性来提高原油采收率的方法可分为物理法、化学法和微生物法3大类。本文系统介绍了这3类方法改变油湿性油藏岩石润湿性的作用机理及其研究现状，并列举了部分方法在油田生产开发过程中的应用实例。

1 物理法

1.1 改变温度法

在油藏开发过程中，油藏温度波动将引起岩石矿物表面润湿性的改变。G.Tang等［6］通过Berea砂岩试验发现，当温度由25℃升至75℃后，水的自发渗吸速率与原油最终采收率显著提高。试验结果表明，在此水驱过程中，岩石表面的润湿性向水湿性方向转变。J. Scembre等［7］的室内试验结果表明，随着温度的升高，原始硅藻土由弱亲水变为强亲水性，这种现象可能是由于高温下岩石孔隙表面油膜剥离而造成的。D.Rao等［8］对接触角的研究表明，温度影响岩石表面水膜的厚度、地层水的组成、pH值，以及油-水、固-液表面的电学性质，进而影响岩石表面的润湿性。随着油/水/固体系温度的升高，石英岩表面的润湿性向亲油性方向转变，而方解石表面的润湿性向水湿性方向转变。对于碳酸盐岩裂缝性油藏，蒸汽驱时蒸汽或热水与岩石表面相互作用，导致岩石表面的润湿性反转，热水可以自发渗吸进入基质岩石中驱替原油，从而提高原油采收率。阿曼GhabaNorth油田矿场试验表明，蒸汽驱过程中，蒸汽或热水可以改变油藏原始润湿性，使水可自吸进入基质岩石中驱替原油，采收率可达到30%［9］。

1.2 振动波法

振动波具有传播能量的物理性质。振动波的机械振动作用、空化作用和热效应，使油藏中产生诸多的物理-化学作用，从而改变油藏岩石表面的润湿性［10］。顾春元等［11］、雷光伦［12］、杨玲等［13］认为，机械振动通过多孔或裂缝性介质时可激发产生超声波，在机械振动和超声波共同作用下，可降低流体在岩石表面的黏附力，改变岩石的润湿性，降低驱替过程的毛细管阻力，破坏吸附在孔隙表面上的油膜，使油膜脱落而聚集运移，降低水驱油过程中储层的残余油饱和度，提高油井的产量和水驱油效率。T.Hamida等［14］通过研究指出，超声波可以增加毛细管力的渗吸驱油效率，但对岩石表面润湿性的影响不是很大，其提高采收率的主要机理是改变了油水间的界面张力。

2 化学法

化学法通常是采用在注入水中添加化学药剂，以降低油藏流体间界面张力，增加注入流体的波及体积，提高原油采收率的方法。通过化学法也可以调节油藏岩石表面的润湿性，提高原油采收率，尤其是在油湿性低渗透裂缝性油藏中，使岩石孔隙表面的润湿性向水湿性方向转变，增加水的渗吸驱油作用，可显著提高渗吸采收率。室内实验和矿场试验结果均表明，在水驱过程中，加入化学调节剂调节油藏岩石的润湿性，可改善水驱开发效果，提高原油采收率［15-18］。

2.1 无机盐

一些低廉的水溶性盐类可以用来改变油藏岩石的润湿性，如氢氧化物、硅酸盐、硫化物、亚硫酸盐、碳酸盐、磷酸盐等。通过改变注入水的矿化度，实现对岩石润湿性的调控。其中，氢氧化物多用来改变砂岩油藏的润湿性，而碳酸盐、磷酸盐等多用来改变碳酸盐岩油藏的润湿性［19］。

在低温下，注入水中的Ca2+可以使吸附在灰岩表面的极性物质与岩石分离；随温度的升高，SO42-在灰岩表面聚集，降低表面电负性，使得Mg2+更容易靠近岩石表面，并取代Ca2+与极性物质结合，剥离吸附在岩石表面的极性组分，还原岩石表面原始的润湿性［18］。其机理模型如图1所示。

图1 Ca2+，Mg2+，SO42-引起润湿性反转的机理

碱可以改变吸附在岩石表面油溶性表面活性物质在水中的溶解度，恢复岩石表面原来的亲水性；碱还可与石油酸反应生成表面活性剂，主要扩散到油相并吸附到岩石表面，使其由油湿性转变为水湿性［20］。N.F. Najafabadi等［18］通过室内试验证明，在碳酸盐岩岩心中注入偏硼酸钠，调节岩心润湿性，在后续水驱过后，残余油饱和度明显降低。

高温下，CaCO3在石英岩表面的沉积可以阻止其表面变为油湿。此外，较低浓度的CaCO3在岩石表面的沉积，可以使岩石表面亲水性增强，并显著提高油相的相对渗透率。利用CaCO3在岩石表面的沉积改变油藏润湿性提高采收率的方法，在加拿大进行了试点应用，矿场试验取得了可喜成果，证明了该技术的可行性和实用性［21］。

2.2 表面活性剂

近年来国内外用于润湿反转的表面活性剂主要分为3类:1）阳离子表面活性剂，主要有烷基胺盐和季铵盐类（R-NH+，R-N+（CH3）3）；2）阴离子表面活性剂，主要有磺酸盐［22］、羧酸盐及聚氧乙烯（丙烯）烷基醇醚硫酸酯盐等；3）非离子表面活性剂，主要有聚氧乙烯烷基醇醚、烷基糖苷等［23-24］。

2.2.1 阳离子表面活性剂

采用阳离子表面活性剂作为润湿反转剂的主要原因，是阳离子表面活性剂在带负电荷的砂岩固体表面具有较大的吸附量［25］。Z.C.Bi等［26］通过CTAB在硅胶粉末表面的吸附导致润湿性变化提高采收率的试验研究指出，在较高的油水界面张力条件下，通过改变润湿性也可以获得较高的采收率，且产出液中没有乳状液，证明其作用机理主要是润湿反转。用椭圆偏振法测定CTAB水溶液在二氧化硅表面的吸附层厚度，在不同质量浓度下产生单分子和近似双分子的吸附层，并与润湿性变化的数据吻合。曲岩涛等［27］用微观模型研究发现，CTAB可以使亲油表面转变为亲水或弱亲水，残余油量大大减少。用原子力显微镜观察了CTAB在用甲基硅油处理得到的油湿性云母片表面的吸附构象。结果表明，CTAB与油相和油湿性表面有很强的亲和力，可以剥离云母片表面油膜，还原云母表面原始的润湿性。

D.Standnes［28］，M.Salehi等［29］认为，在碳酸盐岩油藏中，阳离子表面活性剂溶液在孔隙渗吸驱油过程中，阳离子表面活性剂分子与吸附在岩石表面带有负电的极性物质形成离子对，离子对脱离岩石表面并溶于原油中或在表面活性剂溶液中形成胶束，使得岩石表面恢复原始的润湿性，实现润湿性反转，提高了水的渗吸驱油效率，使采收率增加（其机理如图2a所示）。进一步研究认为，阳离子表面活性剂改变润湿性的效果主要取决于溶液中单分子活性剂的质量浓度。

2.2.2 阴离子表面活性剂

阴离子表面活性剂的作用机理与阳离子活性剂不同。毕只初等［17］用SDBS改变硅胶粉末表面的润湿性，结果表明，当表面活性剂溶液在硅胶粉末表面的接触角最小时，模拟油的采收率最高。阴离子表面活性剂并不能使极性分子从固体表面脱附，而是吸附在固体表面，与原来吸附在表面的极性物质形成双层吸附，亲油基朝向固体，而亲水基朝向液体，从而在一定程度上改变岩石表面的润湿性。M.Salehi等［29］提出了阴离子表面活性剂改变油湿性碳酸盐岩表面润湿性的机理，如图2b所示。当表面活性剂质量浓度高于CMC后，表面活性剂分子在油湿性固体表面可以形成类似的双层结构，又导致了水在固体表面的接触角变大。

图2 表面活性剂改变油湿性岩石表面润湿性机理

2.2.3 非离子表面活性剂

离子表面活性剂因其在水中不解离，不带电荷，受矿化度影响较小，得到广泛应用。D.Standnes等［28］认为：非离子表面活性剂改变润湿性的机理与阴离子表面活性剂相同，吸附在油湿性的碳酸盐岩固体表面，形成单分子层吸附结构，导致岩石表面由油湿性转变为水湿性，有利于表面活性剂溶液进入岩石孔隙，提高了渗吸采收率。魏发林等［30］采用聚醚类润湿性反转剂作为基质岩石的优先润湿相，可以使毛细管孔隙的亲水能力加强，水可以自发渗吸驱油；采用润湿反转剂和水交替注入，不断扩大润湿反转剂的作用范围和基质岩石的渗吸驱油深度，控制含水率，提高原油采收率。

一般来说，阳离子表面活性剂需要较高的质量浓度才能达到较好的润湿反转效果；而非离子及阴离子活性剂实现润湿反转的质量浓度较低，使用范围较大［2］：这是不同类型的活性剂在固体上的吸附能力和降低固体界面张力的能力不同造成的。

不同类型的表面活性剂改变润湿性机理的不同：阳离子表面活性剂与岩石表面的极性物质是以较强的静电力相互作用；而阴离子表面活性剂分子则是因疏水力与极性物质间的范德华力作用，在岩石表面的极性物质层上发生吸附。因此，在油湿性碳酸盐岩油藏中，阳离子表面活性剂具有较强的使油湿性转变为水湿性的能力［2，31-32］；但在砂岩油藏中，阴离子表面活性剂改变润湿性的效果要优于阳离子表面活性剂［33-35］。

2.3 新型膜剂

分子沉积MD（molecular deposition）膜是利用有机和无机阴阳离子体系的静电作用为驱动力，在固体表面上单层交替沉积制备的有序超薄膜。基于MD膜技术的特点，以及组成油层岩石的基本矿物（石英、方解石或白云石）和胶结物（高岭石、蒙脱石、伊利石）表面基本都带负电荷的特性，确立了分子沉积膜驱油技术（MD膜驱），它是单分子双季铵盐MD膜驱剂分子在油藏体系的各种界面上通过静电作用形成纳米级超薄膜来提高原油采收率的新型技术。膜的形成，降低了原油与岩石表面间的黏附功，使岩石的润湿性向亲水方向转变，从而提高原油采收率［36-37］。

高芒来等［38］研究了MD膜驱剂对油藏岩石矿物润湿性的影响，结果表明，MD膜驱剂使亲水性较强的石英岩表面亲水性减弱，中等润湿油砂表面的水湿性增强，而对弱亲水性的表面润湿性影响不大。黄丽等［39］进行了MD膜驱室内试验研究，证明MD膜剂可以使油藏岩心表面由弱亲油变为中性，由亲油变为弱亲油，三元复合驱后转膜剂驱，可以使采收率提高5%～6%。

3 微生物法

微生物提高原油采收率的机理涉及到复杂的生物、化学和物理过程。微生物自身代谢产生的生物表面活性剂，可以有效降低水的表面张力和油、水、固之间的界面张力，改变岩石表面润湿性，减少剩余原油与岩石表面间的黏附功，提高注入水剥离、启动剩余油的能力［40-41］。

生物酶作为一种新型的生物化学剂，近几年在国外石油及化工领域得到广泛应用，其种类繁多，性能差异较大。油田生产过程中利用特定性质的酶，可以实现增产、增注、调剖或防砂等作用［42-44］。美国 Apollo SeparationTechnology INC研究开发了一种新型高效的生物酶解堵剂。该种生物酶是以蛋白质为基础的具有能使油砂分离特性的非活性催化剂。王渊等［45］研究了该种生物酶改变岩石表面润湿性机理。研究结果表明，生物酶附着在石英片表面，短时间内即可改变石英片表面的润湿性，而对于灰岩片润湿性变化较慢。该生物酶能使岩石表面亲水性增强，明显降低油相在岩石表面的黏附功，剥落吸附在岩石表面的油膜，提高剩余油的流动能力。

4 结束语

随着对油藏润湿性认识的不断深入，通过改变油湿性油藏润湿性提高原油采收率技术逐渐得到重视。由于油湿性低渗透油层生产能力和注水能力差，导致油井产量不高，通过使岩石表面润湿性由油湿性或混合润湿性转变为亲水性，增加毛细管力推动的自发渗吸驱油作用，改善油湿性低渗透油层水驱开发效果，可以显著提高原油采收率。在深入研究油藏岩石润湿性转变机理的基础上，有针对性地选择改变油藏岩石润湿性的方法，人为地调节油藏岩石的润湿性，并结合目前油田增产措施，可较大幅度地提高原油采收率。

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（编辑 李宗华）

Research progress of EOR with alteration of rock wettability in low-permeability reservoir

Wang Suoliang1，2,Wang Xiaoyu1，2,Huang Chao1，2,Chai Qiaoling1，2,Jing Jianchun1，2,Jiang Wenxue1，2,Wang Yefei3
(1.State Engineering Laboratory of Exploration and Development of Low-Permeability Oil&Gas Field,Changqing Oilfield Company, PetroChina,Xi′an 710018,China;2.Research Institute of Drilling&Production Engineering,Changqing Drilling Engineering Company Limited,PetroChina,Xi′an 710018,China;3.College of Geosciences,China University of Petroleum,Beijing 102249,China)

Rock wettability of reservoir is a basic characteristic parameter of reservoir property and it can affect the oilfield development,especially in low-permeability reservoir with mixed wettability and oil wettability.This paper analyzes the relative techniques of altering the rock wettability of oil reservoir to enhance the recovery ratio of crude oil and sums up the methods of altering rock wettability of oil reservoir with oil wettability to enhance the recovery ratio.The methods can be divided into three categories:physical,chemical and microbial methods.It is believed that the mechanism of wettability alteration is to restore the wettability of rock surface or to create the double layer adsorption on rock surface in order to make the wettability of rock surface reverse into water wet and improve the imbibition displacement action of capillary pressure through the stripping of polar component adsorbed by rock surface.Based on the sufficient understanding of wettability alteration mechanisms,the targeted adjustment of rock wettability of reservoir can realize the objective to enhance oil recovery.

low-permeability reservoir;wettability;wettability reversal;recovery ratio;mechanisms

中国博士后科学基金资助项目“表面活性剂改变岩石润湿性机理研究”（201004）

TE357

A

10.6056/dkyqt201204016

2012-01-08；改回日期：2012-05-21。

王所良，男，1985年生，2011年毕业于中国石油大学（华东）油气田开发工程专业，现从事压裂酸化研究工作。E-mail：suoliangwang@163.com。

王所良，汪小宇，黄超，等.改变低渗透油藏岩石润湿性提高采收率技术研究进展［J］.断块油气田，2012，19（4）：472-476.

Wang Suoliang，Wang Xiaoyu，Huang Chao，et al.Research progress of EOR with alteration of rock wettability in low-permeability reservoir［J］. Fault-Block Oil&Gas Field，2012，19（4）：472-476.