三元复合驱微观剩余油驱替机理及动用比例研究

殷代印房雨佳

(东北石油大学石油工程学院,黑龙江大庆163318)

三元复合驱微观剩余油驱替机理及动用比例研究

殷代印,房雨佳

(东北石油大学石油工程学院,黑龙江大庆163318)

通过天然岩心和微观可视化驱替实验,分析了界面张力对三元复合体系驱油效果的影响规律和作用机理。将微观剩余油进行分类,重点研究了三元复合体系驱动各类剩余油的微观机理。结果表明,界面张力越低,三元复合体系提高采收率的幅度越大,采收率提高值最高可达23.88%。将剩余油分为簇状、柱状、盲端状、油滴状和膜状5种类型,三元复合驱后各类型剩余油的动用比例随界面张力的降低而增大,其中簇状剩余油的动用比例最大,盲端状剩余油的动用比例最小。

三元复合驱; 界面张力; 驱油效果; 微观剩余油; 驱替机理

目前,我国已经进入了油藏开发的后期,许多油田面临着注水开发效率低、含水率过高的问题。因此,三次采油技术的发展变得尤为重要。通过对矿场试验研究,复合驱相比于单一的表面活性剂其驱替效果要好,三元复合驱综合发挥了不同化学剂的协同效应[1-6]。在大庆油田进行现场试验,采收率可以达到20%左右[7]。李华斌等[8]对不同界面张力数量级的4种三元复合体系进行了岩心驱替实验,研究结果表明,对于大庆油田的三元复合驱,最低的油水界面张力值才是影响驱油效果的重要因素。R. L.Reed等[9]研究了表面活性剂与原油形成的超低界面张力是决定驱油效果的关键。目前,人们对三元复合驱的研究普遍局限在界面张力宏观驱油机理和与黏弹性的综合作用上,而专门研究三元复合驱中界面张力对水驱后的残余油动用机理较少。为此,本文通过进行不同界面张力数量级的三元复合体系驱替实验,验证了三元复合体系的驱油效果,并通过光刻玻璃模型实现了微观驱油的可视化[10-13],对微观剩余油进行分类并研究了三元复合驱各类剩余油的微观驱替机理及动用比例,为大庆油田进一步开展三元复合驱起到重要的指导作用。

1 实验部分

1.1 实验条件

实验用油:大庆油田第四采油厂生产的原油与煤油按一定比例配制的模拟油,45℃下黏度为10 m Pa·s。

实验用水:矿化度为6.7 g/L的模拟地层水用于岩心饱和水;矿化度为3.7 g/L的模拟盐水用于配制三元复合体系;矿化度为0.508 g/L的模拟盐水用于进行水驱油实验。

实验用岩心及模型:大庆油田第四采油厂天然岩心;玻璃刻蚀的透明微观模型(40 mm×40 mm)。

实验用化学试剂:表面活性剂ORS-41(分析纯,大庆油田ASP复合驱矿场试验区),强碱(氢氧化钠),弱碱(碳酸钠),大庆炼化公司生产的相对分子质量1 600×10-4的聚合物。

1.2 实验步骤

天然岩心驱油实验:①测定岩心气测渗透率;②将岩心模型抽真空4 h,饱和模拟地层水并测量孔隙度;③将岩心放置在恒温箱内恒温12 h(45℃);④岩心饱和油用模拟地层水驱替岩心至出口不含水为止;⑤水驱油至岩心出口端含水率达到98%为止,计算水驱采收率;⑥注入0.3 PV的三元体系,并进行后续水驱至采出液含水率98%为止,计算最终采收率。

光刻玻璃模型驱油实验:①过滤原油、污水及驱替体系,防止阻塞模型;②微观模型抽真空后饱和油;③以0.03 m L/h恒定流速水驱油,观察水驱过程中的微观渗流过程,并采集驱替过程中的动态图像。水驱至采出液中不含油为止,拍摄微模型内剩余油分布及剩余油形态;④分别用3种复合体系恒速驱替(0.03 m L/h)水驱后的残余油至模型出口端采出液不含油为止,观察实验过程中的微观渗流过程,并实时采集驱替过程中的动态图像。

2 结果与分析

2.1 三元复合体系驱油效果研究

根据表1配制不同界面张力的三元复合体系。使用不同界面张力的三元复合体系进行驱油实验,并计算其采收率,实验结果见表2。

表1 不同界面张力三元体系配方Table 1 Alkaline/Surfactant/Polymer(ASP)system with different interfacial tension

表2 三元复合驱实验岩心参数和实验结果Table 2 Core parameters and experimental results of ASP flooding experiment

从表2中可以看出,对于相同渗透率的岩心,随着油水界面张力的降低,三元复合体系提高采收率幅度逐渐增强。界面张力从1.29×10-1m N/m降至3.86×10-3m N/m。平均渗透率为684 mD的岩心采收率提高值从11.50%增大到20.59%,增幅为9.09%;平均渗透率为815 m D的岩心采收率提高值从12.04%增大到22.26%,增幅为10.22%;平均渗透率为1 097 mD的岩心采收率提高值从12.79%增大到23.88%,增幅为11.09%。

分析认为,一方面,三元体系中的聚合物使油水流度比发生变化,并起到封堵高渗层的作用,进而扩大了波及体积。另一方面,三元体系中表面活性剂可以降低油水界面张力,使油水界面膜更容易发生变形,残余油逐渐向流动方向以拖拉成丝的方式断裂成小油滴[14]。此外,界面张力越低,乳化作用越强,原油更容易被乳化成小油滴。随着界面张力的降低,在孔喉处贾敏效应的影响减小,油滴更易变形通过小孔道,使残余油饱和度大幅度降低。

2.2 三元复合体系可视化微观驱油效果研究

以光刻玻璃模型为实验对象,分别用表1中所示的3种三元复合体系进行驱油实验,得到了不同界面张力下的原油采收率,结果如图1所示。

图1 不同界面张力下的原油采收率Fig.1 Oil recovery at different interfacial tensions

由图1可知,对于同一块光刻玻璃模型,其水驱采收率是基本无差别的,而三元复合体系驱油后的最终采收率却差别明显,三元复合体系的界面张力越低,最终采收率越高,与水驱相比采收率提高的幅度也越大。这说明界面张力低的三元复合体系驱油效果更好[15]。这与天然岩心驱油实验所得到的结论是一致的,从而进一步证明了光刻玻璃模型的可靠性。

2.3 各类剩余油驱替机理及动用比例研究

为了深入研究三元复合体系提高原油采收率的微观机理,对光刻玻璃模型驱油实验后形成的微观剩余油进行分析,将模型中的微观剩余油分为5种类型:簇状、柱状、盲端状、油滴状和膜状。利用图像采集系统对驱替过程进行高频率连续拍摄,追踪各类型剩余油在驱替过程中的变化情况,以深入分析三元复合驱的微观驱油机理。

2.3.1 簇状剩余油 三元复合体系的注入使主流通道被体系中的聚合物封堵,造成簇状剩余油所在孔道两端的压差升高,剩余油逐渐被驱替液突破。簇状剩余油驱替过程如图2所示,随着界面张力的降低,驱替剩余油时受到的阻力越来越小,剩余油受到驱替液的推动力和切向拉力而发生运移,从而将一个簇状剩余油分散成多个部分。当数量级达到10-3时,体系的乳化作用显著增强,簇状残余油被乳化成油滴而逐渐减少。

图2 簇状剩余油驱替过程Fig.2 Cluster residual oil displacement process

2.3.2 柱状剩余油 在油湿的孔隙介质中,水驱后柱状剩余油存在毛管力和黏附力两种力,三元复合体系将界面张力由水驱26 m N/m降低到10-3m N/ m。毛管力和黏附力降低,因而在相同的压力梯度下,三元复合体系易进入更小的喉道,将柱状剩余油驱替出来。柱状剩余油的驱替过程如图3所示,当三元复合体系的界面张力高于10-1数量级时,其对水驱后形成的柱状残余油作用很小,柱状剩余油并没有发生明显的启动迹象。随着界面张力的进一步降低,三元体系逐渐沿孔壁突破,在柱状残余油的孔道中形成连续的水相通道。此时,柱状剩余油的活性增强,柱状剩余油在驱替液的切向力作用下沿着孔道被拉长甚至断裂,从而被驱替出来。

图3 柱状剩余油驱替过程Fig.3 Columnar residual oil displacement process

2.3.3 盲端状剩余油 盲端状剩余油驱替过程如图4所示。当盲端状剩余油在界面张力为10-1数量级时,部分剩余油运移至盲端处发生聚并,盲端剩余油并未减少。当界面张力低于10-2数量级时,在三元复合体系切向力的作用下,盲端状剩余油逐渐形成前端类似蝌蚪状的残余油,并被拉拽伸长,进而断裂形成油滴而被采出。界面张力越低,盲端中的剩余油越少。

图4 盲端状剩余油驱替过程Fig.4 Dead-end residual oil displacement process

2.3.4 油滴状剩余油 油滴状剩余油是贾敏效应造成的。当油滴通过细小喉道时,其前端会发生变形,形成一个曲率半径更小的球面,从而使油滴受到一个附加阻力F,附加阻力与驱替力相互抵消,最终油滴状原油会滞留在狭小喉道处形成剩余油。

式中,σ为油水界面张力,m N/m;θ为润湿接触角(°);r、R分别为两个球面的曲率半径,mm。

三元复合体系会使油水界面张力降低,进而使油滴变形后受到的附加阻力减小。驱油体系与原油之间的作用增强,油滴在驱替力作用下会克服附加阻力并向前运移。油滴状剩余油在采出端方向拉出蝌蚪状前端,随着蝌蚪状前端不断被拉长,整个油滴就能以变形的方式通过狭小喉道,并在驱替过程中发生聚并而被采出,驱替过程如图5所示。

图5 油滴状剩余油驱替过程Fig.5 Droplets residual oil displacement process

当体系界面张力在10-1数量级时,只有小部分油滴状残余油发生运移。当体系界面张力达到10-3数量级时,大多数油滴状剩余油会采取变形的方式发生运移,驱替结束后模型中几乎不存在油滴状剩余油。

2.3.5 膜状剩余油 在部分亲油的孔道中,孔道表面对膜状残余油的束缚较强。三元复合体系对膜状剩余油的驱替过程如图6所示,当体系界面张力为10-1数量级时,油膜没有发生明显变化。说明三元复合体系对油膜的剪切力还不足以使油膜发生移动。当体系界面张力达到10-2数量级时,油膜的一部分会形成尖端并拉长断裂,油膜开始变薄,油膜前缘与孔隙壁面的接触角变小,逐渐以拉长、断脱的形式随驱替液渗流。当体系界面张力达到10-3数量级时,油膜变得更薄,甚至从孔道表面剥离下来,这说明孔壁的润湿性逐渐从油湿向水湿转变。

图6 膜状剩余油驱替过程Fig.6 Oil film residual oil displacement process

利用图像分析软件分别计算水驱和三元复合驱后各类剩余油的面积,进而得到三元复合驱后各类剩余油的动用比例,计算结果见表3。

表3 三元复合驱后各类剩余油的动用比例Table 3 The utilization ratio of remaining oil after ASP flooding

由表3可知,三元复合体系的界面张力越低,各类剩余油的动用比例也就越高。簇状剩余油的动用比例最大,柱状剩余油次之,而盲端状剩余油的动用比例最小。这说明,三元复合驱对簇状剩余油的驱替效果最好,对盲端状剩余油的驱替效果最差。

3 结论

(1)对于相同渗透率的岩心,随着界面张力的降低,三元复合体系提高采收率的幅度逐渐增大。三元复合体系能够扩大波及体积,减小油水界面膜变形的难度,降低贾敏效应的影响,从而提高原油采收率,采收率提高值最高可达23.88%。

(2)利用光刻玻璃模型实现了微观驱油的可视化,并且原油驱替特征与天然岩心一致,从而证明了光刻玻璃模型的可靠性。

(3)通过对光刻玻璃模型中的微观剩余油进行分析,将剩余油分为簇状、柱状、盲端状、油滴状和膜状5种类型。研究了各类剩余油的微观驱替过程,得到了三元复合体系提高原油采收率的微观机理。

(4)剩余油的动用比例随界面张力的降低而增大。簇状剩余油的动用比例最大,盲端状剩余油的动用比例最小。表明三元复合驱对簇状剩余油的驱替效果最好,对盲端状剩余油的驱替效果最差。

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(编辑 王戬丽)

Mechanism and Utilization Ratio of Microscopicresidual Oil Displacement in ASP Flooding

Yin Daiyin,Fang Yujia
(College of Petroleum Engineering,Northeast Petroleum University,Daqing Heilongjiang163318,China)

The effect of interfacial tension on the displacement efficiency of the ASP system was analyzed by the natural core and microscopic visual displacement experiment.The microscopic residual oil was classified,and the microscopic mechanism of the residual oil driven by the ASP system was studied emphatically.The results show that the lower the interfacial tension is, the higher the recovery rate is,and the recovery rate is up to 23.88%.The remaining oil is divided into 5 types,including cluster type,columnar type,dead-end type,droplets type and oil film type.The proportion of the remaining oil displaced in the ASP flooding increases with the decrease of the interfacial tension.The proportion of cluster residual oil displaced is the largest and the proportion of the dead-end residual oil is the smallest.

Alkaline/Surfactant/Polymer(ASP)Flooding;Interfacial tension;Oil displacement effect;Microscopic residual oil;Displacement mechanism

TE357

:A

10.3969/j.issn.1006-396X.2017.01.004

1006-396X(2017)01-0018-05投稿网址:http://journal.lnpu.edu.cn

2016-12-03

:2016-12-13

国家自然科学基金“低渗透油藏表面活性剂驱微乳液渗流机理及数值模拟研究”(51474071)。

殷代印(1966-),男,博士,教授,从事油藏数值模拟和油田开发动态分析方面研究;E-mail:yindaiyin@163.com。

房雨佳(1992-),女,硕士研究生,从事油藏数值模拟和提高油气采收率研究;E-mail:xiaofangzi_101@163.com。