非均质油藏二元复合驱合理毛管数实验

李堪运，李翠平，赵 光，温栋良

（1.中国石油长庆油田第一采油厂，陕西延安716000；2.中国石油大学（华东）国家重质油重点实验室，山东青岛266580；3.中国石化河南油田分公司石油工程技术研究院，河南南阳473132）

非均质油藏二元复合驱合理毛管数实验

李堪运1，李翠平1，赵 光2，温栋良3

（1.中国石油长庆油田第一采油厂，陕西延安716000；2.中国石油大学（华东）国家重质油重点实验室，山东青岛266580；3.中国石化河南油田分公司石油工程技术研究院，河南南阳473132）

为研究非均质油藏毛管数对二元复合驱油体系最终采收率的影响，选取渗透率级差为2的非均质物理模型，考察了不同粘度和界面张力下二元复合体系的增油效果。结果表明：在一定的界面张力条件下，二元复合体系粘度越大采收率增值越大，但存在临界粘度，即15 mPa·s；达到临界粘度后采收率增值变化趋于平缓，且界面张力为1.865×10-2mN/m时采收率增值最大，此时界面张力即为二元复合体系的合理界面张力，其与临界粘度所对应的毛管数即为二元复合体系合理毛管数，即1.975×10-2。采用微观可视化模型，对比了10-3，10-2，10-1mN/m这3个数量级毛管数二元复合体系的驱油差异。结果表明：针对非均质油藏，二元复合体系并非毛管数越大提高采收率能力越强，合理毛管数下的二元复合体系除具有一定的洗油能力外，其所形成的乳化液滴对非均质油藏高渗透层还具有一定的封堵作用，提高采收率能力更强。

非均质油藏合理毛管数二元复合驱临界粘度界面张力采收率

由20世纪中期Taber等提出的经典毛管数理论［1］可知，只有最大限度地增大毛管数才可大幅度提高原油采收率。由于受现场注入压力和注入速度的限制，要取得较大的毛管数必然要求界面张力达到10-3mN/m数量级以下［2-5］。但也有研究表明［6-8］，平衡界面张力为10-3mN/m数量级不是复合驱的必要条件，10-2mN/m数量级时也能取得与其相同甚至更好的驱油效果，这主要是因为经典毛管数理论是以单一均匀毛管孔道模型为基础建立的，只考虑了油水界面张力、驱油体系的粘度以及驱替速度3个参数，而没有考虑储层的非均质性和油层岩石的润湿性等因素。但实际油藏是存在非均质性的，笔者优选出36个不同粘度和不同界面张力数量级的二元复合体系，考察了非均质油藏中毛管数对二元复合体系驱油效果的影响，并采用微观可视化驱油实验，对比分析了不同毛管数二元复合体系启动残余油的差异，发现在非均质油藏中存在一个合理毛管数，且此毛管数对应的采收率增值最大。

1 实验准备及方法

1.1 实验仪器及药品

实验仪器包括：Brookfield DV-Ⅱ粘度计、Tex⁃ as-500型界面张力仪、DY-III型多功能物理模拟装置、平流泵、堵剂罐、精密压力表等。实验药品包括：相对分子质量为2.5×107，水解度为27.67%的高分子聚丙烯酰胺，部分水解聚合物SNF3640D，石油磺酸盐KPS，阴-非离子表面活性剂YG210-10，粘度为20 mPa·s（65℃）的实验用油，矿化度为8 094.6 mg/L且二价离子质量浓度为668 mg/L的实验用水。

1.2 实验模型

采用渗透率级差为2的双层非均质模型，模型尺寸为4.5 cm×4.5 cm×30 cm，高渗透层渗透率为2.0～2.5 μm2，低渗透层渗透率为0.8～1.2 μm2。

1.3 实验方法

驱油体系选择 选用高分子聚丙烯酰胺作为驱油用聚合物；由石油磺酸盐KPS与阴-非离子表面活性剂YG210-10组成的复配体系作为驱油用表面活性剂；通过调节聚合物和表面活性剂的组成，得到一系列不同粘度（分别为5，10，15，20，25，30 mPa·s）和不同界面张力数量级（分别为10-4，10-3，10-2，10-1，1，10 mN/m）的36个二元复合体系（表1）。

粘度测定 在转速为6 r/min，温度为65℃的条件下，采用Brookfield DV-Ⅱ粘度计测定粘度。

油水界面张力测定 在转速为5 000 r/min，温度为65℃的条件下，采用Texas-500型界面张力仪，利用旋转滴法测定油水界面张力。

表1 二元复合体系组成

物理模拟实验 实验步骤包括：①抽空岩心，饱和实验用水，计算孔隙体积和孔隙度，饱和原油；②将饱和原油的岩心放在65℃的水浴锅中，恒温老化48 h；③以1 mL/min的流速进行水驱至含水率达95%，注入0.3倍孔隙体积的二元复合体系，继续水驱至含水率再次达到95%，计算采收率增值。

微观可视化实验 主要设备包括物理模拟摄像台、录像机、监视器、多媒体计算机、可变微量泵、高位水瓶等。实验时，将微观可视化模型放在物理模拟摄像台上。观察二元复合体系对油的驱替机理，根据观察到的微观现象对比分析不同毛管数二元复合体系启动残余油的差异。

2 实验结果分析

2.1 临界粘度和合理界面张力

2.1.1 临界粘度

针对非均质油藏的单一聚合物驱油体系，随着聚合物溶液粘度的增加采收率增加，当溶液粘度增大到一定值时采收率增加幅度基本保持不变，驱替相粘度存在一临界粘度［9-11］。

图1 二元复合体系粘度对采收率增值的影响

由二元复合体系粘度与采收率增值的关系（图1）可以看出，在不同的界面张力下，二者的关系存在相同的规律，当二元复合体系粘度小于15 mPa·s（即聚合物质量浓度小于1 600 mg/L）时，采收率增值均随复合体系粘度增加而大幅度增加；当粘度达到15 mPa·s（即聚合物质量浓度大于1 600 mg/L）之后，再继续提高粘度，采收率增值上升幅度变缓且变化很小。究其原因，主要由于随着二元复合体系粘度的增大，被驱替相与驱替相流度比逐步减小，对低渗透层的启动程度逐步增大，当粘度增至临界粘度时绝大部分低渗透层已被启动，继续增大聚合物质量浓度对采收率增值贡献较小，增值幅度变小。因此，此非均质模型二元复合体系的临界粘度为15 mPa·s。

2.1.2 合理界面张力

由二元复合体系界面张力对采收率增值的影响（图2）可以看出，当体系粘度小于临界粘度（15 mPa·s）时，界面张力越低采收率增值越大但变化幅度较小。这主要是由于当粘度小于临界粘度时，体系主要进入高渗透层，降低界面张力只能驱替出高渗透层的残余油，低渗透层的残余油则很少被驱替出；当粘度大于临界粘度（15 mPa·s）时，随着界面张力降低采收率增值变大，但当界面张力继续变小至1.865×10-2mN/m后再降低，采收率增值变化趋于减小，当二元复合体系界面张力为1.865×10-2mN/m左右（10-2mN/m数量级）时采收率增值最大，则界面张力对应的表面活性剂体系在未到达超低状态（10-3mN/m数量级）下即可获得较高的采收率增值，有效降低了表面活性剂用量，考虑到驱油成本，该值即为二元复合体系的合理界面张力。

图2 二元复合体系界面张力对采收率增值的影响

2.2 合理毛管数

根据不同界面张力、不同粘度二元复合体系驱油实验结果，绘制采收率增值等值线（图3）。由经典毛管数理论可知，二元复合体系粘度越大或界面张力越低（即毛管数越大）采收率增值越大，但由图3可知，针对非均质驱油模型，在采收率增值等值图上出现了2个区域，区域Ⅰ为采收率增值极大值区，区域Ⅱ内粘度极大，界面张力超低，为毛管数极大值区；区域Ⅱ对应的毛管数普遍大于区域Ⅰ内的毛管数，但所获得的采收率增值略小于区域Ⅰ内的采收率增值，表明针对非均质油藏最大毛管数并未获得最大的采收率增值，区域Ⅰ内对应的毛管数较为合理，提高采收率能力更强。

图3 二元复合体系的采收率增值等值线

根据毛管数的定义式［12-13］可计算每个体系的毛管数（驱油用人造岩心材料相同，忽略润湿性影响）和不同毛管数条件下的采收率增值，不同体系的毛管数如表2所示。从图4可以看出随体系的毛管数增大采收率增值逐渐增大，当毛管数增大至10-2数量级时采收率增值最大，毛管数继续增大，采收率增值趋于减小，当毛管数为10-2数量级，粘度分别为15，20，25，30 mPa·s时，采收率增值相差不大。考虑到驱油成本，当二元复合体系粘度为15 mPa·s，界面张力为1.865×10-2mN/m（合理界面张力），对应毛管数为1.975×10-2，此时驱油效果最佳，该值即为合理毛管数，即16号二元复合体系对应的毛管数。

2.3 不同数量级毛管数体系驱油差异对比

选定15号，16号，17号3个体系，其毛管数分别为1.827×10-3，1.975×10-2，1.133×10-1，在微观可视化仿真平面物理模型上进行驱油实验，研究启动残余油的差别。由3种体系的驱油效果（图5）可以看出：①在水驱阶段主要沿着高渗透层或优势通道驱替，采出端见水较早，水驱波及系数较小；②注入二元复合体系后波及面积及其洗油能力都有所改善；③局部乳化液滴粒径从大到小依次为15号体系—16号体系—17号体系；④最终驱油效果由好到差依次为16号体系—17号体系—15号体系，即16号体系（合理毛管数体系）提高采收率能力最强，且由注入端至模型中部的波及系数由大到小依次为16号体系—15号体系—17号体系，16号体系和17号体系由模型中部至采出端的波及系数相差不大，15号体系的最小。

表2 不同体系对应的毛管数

图4 毛管数与采收率增值的关系

图5 不同毛管数体系驱油效果对比

右上角为注入端，左下角为采出端，驱替方向如图中箭头所示

对于15号体系（图5a），由于其形成乳化液滴粒径最大，乳化液滴可在主流通道或高渗透层产生贾敏效应，具有一定的封堵能力，致使注入压力升高，使后续流体发生转向，在注入端至模型中部呈现一定的波及效果，但当注入压力升至一定值后会造成后续流体突破，并且所形成的乳状液滴极不稳定，在后期注水过程中，乳状液调剖作用变弱，该体系与原油的界面张力较高，在突破后洗油能力较差，所以由模型中部至采出端波及范围明显变小，最终采收率较差。

对于16号体系（图5b），由于其形成乳化液滴的粒径居中且在渗流过程比较稳定，并可在主流通道或高渗透层产生贾敏效应，致使注入压力升高，其与原油的界面张力近超低状态且具有较好的洗油作用，后续流体突破后仍可以具有较好的洗油作用，在注入端至采出端波及效果都较好，最终采收率最高。

对于17号体系（图5c），由于界面张力达到超低，具有较好的洗油效果和高度分散能力，所形成的乳化液滴粒径最小，所形成的乳化液滴很快被后续流体带走，乳状液滴对高渗透层或主流通道的封堵能力较差，只能依靠较强的洗油能力均匀地将原油一层层剥离下来，所以油水界面较为平滑，从注入端至采出端波及范围也比较均匀，由于具有较好的洗油效果，所以其最终驱油效果好于15号体系，但由于与16号体系相比乳状液封堵效果较差，所以最终驱油效果差于16号体系。

3 结论

针对非均质油藏，二元复合体系存在一个临界粘度和合理界面张力，分别为15 mPa·s和1.865× 10-2mN/m。

物理模拟实验表明，非均质油藏中存在一个合理的毛管数使采收率增值较高，而非毛管数越大采收率增值越大，合理毛管数的提出大大降低了表面活性剂的质量浓度，降低了驱油成本，改善了在筛选表面活性剂时追求超低界面张力增大毛管数而带来的问题。

微观可视化驱油实验结果表明，当二元复合体系达到临界粘度后，界面张力为10-2mN/m数量级的体系形成的乳化液滴对高渗透孔道具有一定的封堵作用，为合理毛管数的提出提供了理论依据。

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编辑刘北羿

TE357.43

A

1009-9603（2014）01-0087-05

2013-11-10。

李堪运，男，助理工程师，硕士，从事油田开发井筒动态管理工作。联系电话：15891569892，E-mail：lkylcp@163.com。