普通稠油降黏剂驱与聚合物驱微观驱油机理

赵红雨， 李美蓉， 曲彩霞， 郝清滟

(1.中国石化胜利油田地质科学研究院，山东东营 257015； 2.中国石油大学(华东)理学院，山东青岛 266580)



普通稠油降黏剂驱与聚合物驱微观驱油机理

赵红雨1， 李美蓉2， 曲彩霞2， 郝清滟2

(1.中国石化胜利油田地质科学研究院，山东东营 257015； 2.中国石油大学(华东)理学院，山东青岛 266580)

优选适用于胜利油田孤岛中二中区块普通稠油的聚合物体系及降黏剂体系，对比采收率及其微观驱油机理。结果表明，水驱油的采收率只有41.1%，微观玻璃刻蚀模型显示存在大片残余油、油块及油膜。质量分数为0.3%XJ+0.2%OP-10复配降黏剂体系在水驱基础上可提高采收率18.67%，主要依靠大油滴变形重新运移，乳化作用降低稠油流动阻力，油滴对油膜的推拉及油膜拉丝剥离作用提高洗油效率。质量浓度为1 500 mg/L AP-P5聚合物驱在水驱基础上提高采收率18.55%，主要是通过增大波及面积及聚合物对油膜和盲状残余油的拉扯作用来提高采收率，相比降黏剂驱，更具优势。

降黏剂驱； 聚合物驱； 稠油； 采收率； 微观机理

随着常规原油的开发，其地下储量明显降低，储量巨大的稠油资源在今后的能源结构中占越来越大的比例，而常规水驱后稠油残余油较多，探究这些稠油资源开采方式成为了今后的重要课题。

聚合物驱油及乳化降黏驱油技术在提高稠油采收率方面均具有广阔的应用前景。国内外学者在聚合物驱稠油开采方面，进行了大量的研究，而且取得了可喜的成果[1-3]，特别是交联聚合物驱油效果较好，乳化夹带、剪切和拉伸作用、改变岩石表面润湿性以及黏弹效应共同作用来提高采收率[4]。降黏剂因为成本较高而一直未得到广泛推广，人们对降黏剂的研究也多集中在降黏剂的优选以及新型降黏剂的开发上，对其驱油机理的研究还有待深入，降黏剂体系可以乳化并启动剩余油滴，主流区的残余油以O/W型乳状液运移，两侧的区域出现一定量的W/O型乳状液流动[5-7]。

本文筛选出适用于胜利油田孤岛中二中区块普通稠油的聚合物体系及降黏剂体系，研究对普通稠油水驱后采收率提高幅度，利用微观仿真玻璃刻蚀模型[8-9]对比聚合物驱及降黏剂驱微观驱油机理，为现场普通稠油的开采提供必要依据。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

原油为胜利油田孤岛中二中区块普通稠油，普通聚合物、AP-P5、OP-10、XJ(普通聚合物为部分水解聚丙烯酰胺、AP-P5为疏水缔合部分水解聚丙烯酰胺、OP-10为非离子型降黏剂、XJ为新型阴离子型降黏剂)为胜利油田地质院提供，蒸馏水为实验室自制。

Brookfield DV-Ⅱ+Pro型黏度计(美国Brookfield公司)；D-250L型恒速恒压泵(海安石油科技有限公司)；HW-4B型恒温箱(南通华兴石油仪器有限公司)，微观仿真玻璃刻蚀模型(外观尺寸为20 mm×20 mm、孔道直径为50～250 μm)；超级恒温器(上海实验仪器厂有限公司)；人造岩心、中间容器、数字显微摄像系统。

1.2 降黏率的测定

乳化条件：温度60 ℃，油水体积比6∶4，转速8 000 r/min、时间5 min；黏度测量条件：转速120 r/min、转子为RV-6。测定原油及乳化降黏后乳状液的黏度，根据试剂加入前后黏度的变化得到降黏率[10]。

1.3 聚合物黏度的测定

分别将5 000 mg/L的聚合物母液用去离子水稀释到不同质量浓度，用电磁搅拌器搅拌1 h后在25 ℃下恒温20 min，用Brookfield DV-Ⅱ+Pro型黏度计测定其黏度，剪切速率为42.22 s-1。

1.4 驱油微观机理

微观驱油流程示意图如图1所示。具体流程如下：

① 将水、降黏剂溶液以及聚合物溶液均加入少量曙红染色；

② 将微观亲油模型中注入体积分数为10%甲苯模拟油，60 ℃恒温放置；

③ 以0.005 mg/min的速度，先注入水驱至采出液不含油；再注入质量分数为0.3%XJ+0.2%OP-10降黏剂体系溶液或1 500 mg/L AP-P5聚合物溶液，拍摄驱替过程的图像并分析图像。

图1 微观驱油流程示意图

Fig.1 Process of microscopic oil displacement

2 结果与讨论

2.1 降黏剂体系及聚合物的筛选

孤岛中二中区原油为普通稠油，黏度(60 ℃)为3 625 mPa·s，水驱采收率低，拟采用降黏剂驱或聚合物驱提高采收率。

2.1.1 复配降黏剂体系的确定 稠油开采过程中，降黏剂体系可以通过乳化降黏以及降低油水界面张力来提高洗油效率提高采收率，不同降黏剂的降黏率及界面张力情况见表1。

表1 降黏剂体系降黏率及界面张力

由表1可知，OP-10的降黏能力较强，但是它们与原油之间的界面张力较大；而降黏剂XJ与原油之间的界面张力达到了超低的水平，但是其降黏的效果不是很好。单一的降黏剂的洗油能力不是很高，为了提高降黏剂的洗油能力，进而满足油田开发应用的要求，将降黏能力较好的OP-10与界面活性较高的XJ复配，界面张力达到1.05×10-1mN/m，降黏率为95.40%。

2.1.2 聚合物的筛选 疏水缔合聚合物溶液的表观黏度主要取决于分子链间的相互作用和分子链的粒径，黏度一般较普通聚合物大。驱油过程中，聚合物黏度越大，油水流度比越低，波及面积越大，采收率越高。实验选取普通聚合物和AP-P5,考察聚合物黏度随聚合物质量浓度变化，结果如图2所示。

图2 聚合物黏度随质量浓度变化曲线

Fig.2 Viscosity changes with polymer mass concentration

由图2可知，质量浓度为1 500 mg/L时，AP-P5黏度达到315.8 mPa·s，明显高于普通聚合物黏度256.7 mPa·s。当AP-P5的质量浓度较低时，分子链由于疏水基团的分子内缔合效应而发生卷曲，这时对溶液黏度起作用的主要是聚合物粒径；随着质量浓度的进一步增加，当聚合物质量浓度高于其临界缔合浓度后[11]，分子间的缔合作用逐渐增强，同时粒径也增加，致使聚合物溶液的黏度显著上升。

2.2 降黏剂驱及聚合物驱油效果对比

温度60 ℃时，进行室内岩心驱替实验，围压2 MPa，水驱至含水率90%左右后，先注入0.3 PV的0.3%XJ+0.2%OP-10溶液或1 500 mg/L AP-P5聚合物溶液，然后进行后续水驱，到含水率高于98%时驱油实验结束。水驱油实验，最终采收率只有41.1%；水驱结束后，注入聚合物溶液，含水率降低，产油量增加，降黏剂驱在水驱基础上可提高采收率18.67%，总采收率达到56.70%；聚合物驱能在水驱基础上提高采收率18.55%，总采收率达到57.18%。

2.3 降黏剂驱及聚合物驱油微观机理研究

进行微观仿真玻璃刻蚀模型驱油试验，借助显微观察观测流体在孔隙介质内的流动状态，探究降黏剂驱及聚合物驱油微观机理研究。实验过程中驱油体系从模型的左下角注入，右上角产出。

2.3.1 降黏剂驱油微观机理 水驱至采出液不含油，再注入质量分数为0.3%XJ+0.2%OP-10降黏剂体系溶液至采出液不含油，观察玻璃刻蚀模型饱和油后、水驱后及降黏剂驱后剩余油分布情况见图3。

图3 微观模型中模拟油分布

Fig.3 Distribution of simulated oil in microscopic model

由图3(a)可知，微观仿真玻璃刻蚀模型饱和油后，微观模型的孔隙内充满了模拟油，束缚水主要分布在孔隙的内壁上，在孔隙之间的连接处也有少许束缚水。由图3(b)可知，水驱后，存在大片未波及的残余油以及波及后剩余的油块、油膜，使残余油饱和度高，用水作驱油剂，由于稠油黏度高，阻力大，出现严重突进现象，波及面积小，驱油效率降低。由图3(c)可知，相对水驱，降黏剂驱后，波及面积变化不大，但波及到的区域含油量明显降低，洗油效率明显提高，使残余油饱和度降低。分析发现，降黏剂驱洗油效率的提高主要依靠大油滴变形重新运移，乳化作用降低稠油流动阻力，油滴对油膜的推拉及管壁剩余油拉丝作用来剥离油膜[12]。

(1) 大油滴变形重新运移及大片稠油乳化运移

降黏剂体系可以降低界面张力并软化界面膜，使水驱后剩余的大油滴变形重新运移以及大片原油乳化，结果见图4。

由图4(a)可知，孔隙中的油滴在降黏剂的作用下变形，随着降黏剂流动并通过狭窄的喉道，在油滴变形的过程中，有的油滴被拉的细长，有利于通过喉道向前运移，提高稠油采收率。由图4(b)可知，降黏剂驱具有较强的降低界面张力的能力，还可形成大量水包油型乳状液，使稠油乳化成较小的油珠，进入原来水进不去的小孔道，并且形成的水包油型乳状液随着降黏剂向前运移，降低了大片稠油的流动阻力。大油滴变形运移及大片稠油乳化运移是降黏剂驱油的主要阶段，驱油效果较好。

(2) 剥离油膜的能力

驱油体系对剩余油膜的剥离有两种形式：主要形式为分散移动的油滴对油膜的推拉作用，会使油膜减少；其次，可以通过拉丝来剥离油膜。 油膜的剥离情况如图5所示。

图4 大油滴变形重新运移及大片稠油乳化运移

Fig.4 Migration of oil droplet deformation and heavy oil emulsification

图5 油膜的剥离情况

Fig.5 Detaching state of oil film

由图5(a)可知，乳化形成的油滴在降黏剂溶液的驱动下向前运移，前进过程中会对附近的油膜产生助推作用，同时在降黏剂的乳化作用下部分被推动的油膜会形成小油滴，剥离油膜，如此反复进行，降黏剂能有效提高洗油效率。由图5(b) 可知，随着降黏剂注入量逐步增大，微观模型中的降黏剂浓度也逐渐增大，油水界面张力进一步降低，孔隙中的油膜也会在降黏剂的作用下变形，有的油膜被拉成细长的油丝，随着降黏剂流动并通过狭窄的喉道，继续向前运移。

2.3.2 聚合物驱油微观机理 水驱至采出液不含油，再注入质量浓度为1 500 mg/L AP-P5聚合物溶液至采出液再次不含油，水驱后及聚合物驱后剩余油分布情况见图6。

由图6可知，聚合物通过扩大波及系数，未波及的面积减少，从而使残余油饱和度降低，采收率提高。

聚合物驱通过增加驱油体系的黏度来降低流度比，增大波界面积以及对油膜和盲状残余油的拉扯作用，结果见图7。

图6 微观模型中模拟油分布

Fig.6 Distribution of simulated oil in microscopic model

图7 聚合物驱油机理

Fig.7 The mechanism of polymer flooding

由图7(a)可知，聚合物溶液在剩余油表面的黏度远远高于水在剩余油表面处的黏度，聚合物携带原油能力增强，并且在岩石中产生滞留，增加了驱油体系在孔隙介质中的流动阻力，引起了水相渗透率的下降，使油水流度比进一步降低，改善油层横向和微观孔隙结构的非均质状况，缓解水的指进、窜流、绕流等现象，提高了波及系数，增加波及面积。由图7(b)可知，AP-P5为疏水缔合型聚丙烯酰胺，在应力作用下将产生形变，其弹性又会使其恢复、收缩，聚合物溶液流经孔道尺寸变化处时，既存在着剪切流动，也存在着拉伸流动，对油膜和盲状残余油产生较强拉扯作用，提高微观驱油效率[13]。

2.3.3 驱替采出液分析 室内岩心驱替实验采出液形态分析驱油机理，将60 ℃采出液压片放在OLYMPUS光学显微镜下，透射光下观察采出液形态，结果见图8。

图8 采出液显微镜图片

Fig.8 Microscope images of produced fluid

由图8可知，水驱采出液主要为W/O乳状液，因油水界面张力很大，乳化降黏困难，开采程度较低；降黏剂驱采出液中乳化颗粒明显增多且粒径较小的O/W乳状液，降低油水界面张力能力较强，稠油易被乳化成小油滴，阻力降低，易油水共流，能在水驱的基础上提高采收率[12]；聚合物驱采出液W/O乳状液因聚合物黏度较大，能缓解水驱指进现象，提高了波及系数，增加驱替液的波及面积，提高采收率。

3 结论

(1) 水驱油实验，最终采收率只有41.1%；0.3%XJ+0.2%OP-10降黏剂驱在水驱基础上提高采收率18.67%；AP-P5聚合物驱能在水驱基础上提高采收率18.55%。降黏剂驱及聚合物驱采收率均较高且相差不大。

(2) 降黏剂驱油过程中油水界面张力降低促使残余大油滴变形重新运移以及管壁剩余油拉丝剥离，乳化作用降低大片稠油流动阻力，油滴前进对油膜产生推拉作用，三者均提高洗油效率，从而提高采收率；聚合物驱主要通过增加驱替剂的黏度，降低油水流度比来增大波及面积，结合聚合物对油膜和盲状残余油的拉扯作用来提高采收率。

(3) 相比降黏剂驱，聚合物驱在增加波及面积的同时还可以拉扯剩余油膜，在驱油上更具优势。

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(编辑 宋官龙)

Microscopic Displacement Mechanism of Ordinary Heavy Oil by Viscosity Reducer and Polymer Flooding

Zhao Hongyu1, Li Meirong2, Qu Caixia2, Hao Qingyan2

(1．Sinopec Shengli Oilfield Geological Scientific Research Institute, Dongying Shandong 257015, China;2．CollegeofScience,ChinaUniversityofPetroleum,QingdaoShandong266580,China)

Viscosity reducer and polymers system suitable for heavy oil of block Gudao-2 of Shengli oilfield were selected so that recovery and microscopic mechanism of viscosity reducer and polymer flooding were compared. The results showed that the ultimate recovery rate of water flooding was only 41.1% and after water flooding there was large presence of residual oil and the film and lump. The recovery rate of XJ and OP-10 viscosity reducer flooding after water flooding was increased by 18.67%, which mainly relied on transport of large oil particles after deformation and emulsification to reduce the flow resistance and boosting function of dispersed oil particles to oil film and stripping of the remaining oil by drawing. The recovery rate of AP-P5 polymer flooding after water flooding was increased by 18.55% by increasing the sweep area and the pull effect on the oil film and blind-residual oil, so polymer flooding compared with viscosity reducer flooding was more valuable.

Viscosity reducer flooding; Polymer flooding; Heavy oil; Recovery ratio; Microscopic mechanism

1006-396X(2015)01-0059-06

2014-10-29

2014-11-20

“十二五”国家科技重大专项“大型油气田及煤层气开发”的子课题“胜利油田特高含水期提高采收率技术研究”资助项目(2011ZX05011-002)。

赵红雨(1969-)，男，硕士，高级工程师，从事稠油开发方面的研究；E-mail:13325051560@126.com。

李美蓉(1966-),女，硕士，教授，从事油田化学方面的研究；E-mail:lmrong888@163.com。

TE357.46

A

10.3969/j.issn.1006-396X.2015.01.013