稠油油藏降黏剂注入过程乳化机理可视化实验研究

卢 川 赵 卫 郭少飞 卢克勤

(1. 中海油研究总院， 北京 100027； 2. 中国石油大学(北京)， 北京 102249；3. 中石油华北油田分公司第一采油厂， 河北 任丘 062552)



稠油油藏降黏剂注入过程乳化机理可视化实验研究

卢 川1赵 卫2郭少飞3卢克勤3

(1. 中海油研究总院， 北京 100027； 2. 中国石油大学(北京)， 北京 102249；3. 中石油华北油田分公司第一采油厂， 河北 任丘 062552)

针对稠油降黏剂的乳化机理，进行可视化实验研究。利用微观孔隙级热采可视化物理模拟装置，借助图像采集系统，观察稠油在降黏剂体系注入过程中就地乳化而生成乳状液滴的过程。降黏剂与稠油界面之间的张力及降黏剂经高温降解的降黏率可作为热采用降黏剂的筛选指标。在低界面张力及驱替流体的扰动作用下，附着的剩余油与玻璃微珠表面间的润湿角逐渐变小直至剥离，同时剩余油被包裹成O/W型乳状液滴在多孔介质中运移，提高了稠油的流动能力。乳状液滴在多孔介质中的运移机理可归纳为表面吸附机理、单个乳状液滴卡堵喉道机理和多个乳状液滴叠合缩径机理。

稠油油藏；降黏剂；就地乳化；微观可视化；运移机理

稠油中含有大量胶质和沥青质。这些物质一方面可加大原油黏度，另一方面可起到天然乳化剂的作用，使稠油形成乳状液[1-5]。水溶性降黏剂是一种特殊的表面活性剂，可用于降低油水界面张力。其作用原理是，将稠油包裹成低黏度的水包油型(O/W)乳状液，或实现油包水型(W/O)乳状液的反相，以降低原油黏度，提高流动能力[6-10]。目前大部分研究是通过采出液来分析和判定乳状液的形成类型，实验的可靠性有待加强。

可视化物理模拟装置能够直观、真实地反映物理现象的宏观和微观过程，广泛应用于油气田开发领域。微观刻蚀模型是用来研究流体微观运移机理的重要可视化模型，但存在以下缺陷：(1) 孔隙和喉道通过平面玻璃上不同形态的凹槽进行模拟，与油藏真实孔隙喉道形态有较大差别，不能真正反映流体在多孔介质中的流动特征；(2) 模型通常用玻璃薄片制成，承压能力有限；(3) 模型耐温能力较弱，较难模拟高温流体的注入过程。

本此研究在对耐高温降黏剂体系进行效果评价和筛选的基础上，自行设计微观尺度孔隙级热采可视化物理模拟装置，通过高清图像实时采集系统及流体计量系统，研究降黏剂辅助稠油注蒸汽就地乳化过程及乳状液滴微观运移机理。

1 降黏剂性能评价

1.1 高温降解后降黏效果评价

降黏率可以作为降黏剂的评价标准，表征降黏剂对样品黏度的降低程度[11]。本次研究选用的2种水溶性降黏剂是AE和KMK。由于降黏剂应用于稠油热采，因此首先利用降黏率来评价降黏剂高温降解后的降黏效果。实验用油在50 ℃时的黏度为1 926 mPa·s。

将降黏剂原液置于密闭的高温高压反应釜内，耐受温度设定为250 ℃。通过设定不同耐受时间(分别为1、3、5、7 d)，得到高温降解后的降黏剂原液，并降至室温配置成质量分数为0.5%的降黏剂溶液。

图1所示为高温降解后的稠油降黏效果对比曲线。可以看出，高温降解后2种降黏剂的降黏效率均逐渐降低。当高温耐受时间达7 d时，KMK的降黏率降低至62.03%，AE的降黏率降至63.81%。由整体变化曲线可知，AE的耐温效果略优于KMK。

1.2 界面张力评价

界面张力是影响乳化难易程度及乳状液稳定性的重要因素之一。本次研究利用SVT20N界面流变仪对高温降解后降黏剂与稠油的界面张力进行测定，以此评价高温降解后降黏剂的乳化性能及其乳状液的稳定性。在实验测定过程中，降黏剂溶液的质量分数均为0.5%，耐受温度设定为250 ℃，测试温度为50 ℃。

图1 高温降解后的稠油降黏效果对比曲线

图2所示为降黏剂与稠油间界面张力变化曲线。可以看出，随着高温降解时间的增加，降黏剂溶液与稠油间的界面张力逐渐增大。这将增大降黏剂溶液与超稠油形成乳状液的难度，并对所形成乳状液的稳定性产生消极影响。AE与稠油间的界面张力范围为0.176～0.502 mNm，而KMK与稠油间的界面张力范围为0.706～4.268 mNm。在相同的降解条件下，KMK与稠油间的界面张力明显大于AE与超稠油间的界面张力，且随降解时间的增加，KMK与稠油间界面张力的上升幅度明显较大。而AE更易与稠油样品发生乳化，且更有利于保持乳状液的稳定。

根据高温降解条件下降黏剂降黏率测定结果，确定降黏剂AE具有较好的高温耐受性能和降黏效果，并将其用于后续可视化实验。该实验方法也可以作为热采降黏剂筛选评价的一种方法。

图2 降黏剂与稠油间界面张力变化曲线

2 可视化实验设备及流程

2.1 实验设备

该微观尺度孔隙级热采可视化实验模拟装置由温控箱体、可视化实验模型、图像采集系统、压力采集系统以及流体注入和采集设备组成。图3所示为可视化实验流程图。可视化实验模型是用四周边缘相互黏接的2块石英玻璃(280 ℃下承压3 MPa)加工而成，在玻璃的四角位置均设有贯穿此石英玻璃的孔，在玻璃表面上通过铺设玻璃微珠(40目)来模拟多孔介质。2块石英玻璃由高温密封胶体相互黏接，并最终由2块镂空金属框架进行二次夹持固定。图像采集系统设置于温控箱体外部，与可视化实验模型相对而设，其主要组成部分为尼康高清、高倍微距镜头。压力采集系统连接在可视模型流体注入端，并与数据采集系统相连接，其功能是实现压力数据的实时采集。流体注入和采集系统由恒压恒速泵、流体存放耐压活塞容器和量筒组成。

图3 可视化实验流程图

2.2 实验流程

(1) 借助长35 cm、直径为3.8 cm的填砂管，利用水测渗透率法测定充填40目(直径约380 μm)玻璃微珠的填砂管渗透率。

(2) 利用上述玻璃微珠制作可视化平板模型的多孔介质区域，并将其与其他设备相连，构成完整的可视化物理模拟实验装置。

(3) 将模型装置嵌入恒温箱体内，恒温箱体温度设置为70 ℃，以0.02 mLmin的速度完成可视化模型的饱和油过程，待模型饱和油过程结束后，降低恒温箱温度至50 ℃，并将模型静置于恒温箱体内24 h使其老化。

(4) 在进行蒸汽驱替之前，首先将蒸汽发生器的温度设置为250 ℃，测试注入流体，直至模型入口端蒸汽满足实验要求。

(5) 先进行蒸汽注入，完成之后再进行降黏剂溶液注入。

在实验过程中，利用图像采集系统和压力采集系统，实时采集可视区域图像动态变化过程和模型入口端压力变化，同时记录生产时间和采出液量，直至模型出口端含水率达90%时，停止实验。

3 实验结果分析

3.1 就地形成乳状液滴过程再现

图4所示为稠油就地形成乳状液滴的过程。从图中可以看出，在注入降黏剂溶液后，充填介质玻璃微珠表面附着的剩余油被逐渐分散成小液滴进入流动通道内，从而被驱替出来。由于降黏剂溶液与稠油间界面张力较低，且驱替流体具有扰动作用，因此，稠油与玻璃微珠表面的润湿接触角逐渐变小，并最终被剥离下来。剥离下来的稠油被包裹成OW型乳状液滴，在多孔介质内继续运移。

图4 稠油就地形成乳状液滴的过程

3.2 乳状液滴表面吸附机理

图5所示为多个乳状液滴在多孔介质中的表面吸附机理。可以看到，单个乳状液滴首先吸附于玻璃微珠表面。随着多孔介质中降黏剂溶液的不断注入和乳状液滴的不断生成，又有一个乳状液滴出现在该玻璃微珠附近，并同样吸附于玻璃微珠表面。所吸附的乳状液滴是否能够从玻璃微珠表面“解吸”并重新运移，主要取决于注入流体的扰动强度。

图5 多个乳状液滴在多孔介质中的表面吸附机理

3.3 单个乳状液滴卡堵喉道机理

图6所示为单个乳状液滴在多孔介质中的卡堵喉道机理。可以看出，单个乳状液滴被卡在玻璃微珠间所形成的孔隙喉道区域内。在后续驱替流体进一步注入的条件下，被夹持的乳状液滴将发生形变而逐渐被拉伸、延展。于是产生2种结果：一是，乳状液滴通过被夹持的孔隙喉道区域进入孔隙空间内，继续运移；二是，乳状液滴并未通过被夹持的孔隙喉道区域，而是仍停留在原区域，产生“变形封堵”现象。“变形封堵”现象形成的条件是，沿乳状液滴拉伸方向的驱替压力不够大而使得乳状液滴能够通过该孔隙喉道空间，即驱替压力没有达到该乳状液滴和孔隙喉道尺度对应的乳状液滴“启动压力”。由此引申出，若驱替压力达到乳状液滴和孔隙喉道尺度所对应的乳状液滴“启动压力”，则乳状液滴将发生变形并最终通过孔隙喉道，即发生“变形运移”。

图6 单个乳状液滴在多孔介质中的卡堵喉道机理

3.4 多个乳状液滴叠合缩径机理

图7所示为多个乳状液滴在多孔介质中的叠合缩径机理。当多个乳状液滴通过孔隙喉道时，乳状液滴相互挤压、碰撞，在较小流动孔道内会出现多个乳状液滴的叠加堆积。堆积可分为“搭桥叠合”型和“环形叠合”型。当相邻2个多孔介质单元之间的区域均被叠加的乳状液滴所占据时，即形成“搭桥叠合”现象；当堆积的乳状液滴并未完全占据多孔介质单元之间的空间，而是使得其所附着、捕集的多孔介质单元周围流动空间有所减小时，即形成“环形叠合”现象。这2种堆积现象均能使得多孔介质内的有效流动空间减小。对于实际储层多孔介质而言，乳状液滴的不断生成、运移、叠加和堆积可导致多孔介质中流动通道变窄，流动阻力增大。乳状液滴聚集形成的乳状液滴“团簇”加大了乳状液滴的运移阻力，在一定程度上也加大了后续驱替流体的注入阻力，可为改善波及效率提供帮助。

4 结 语

在高温降解条件下，降黏剂AE和KMK在稠油样品中的降黏率均随高温降解时间的延长而降低，界面张力随高温降解时间的延长而增大，降黏剂AE比KMK表现出了更好的高温耐受性能和降黏效果。

利用微尺度孔隙级可视化模型对乳状液滴就地形成过程进行再现。在降黏剂溶液与稠油间较低界面张力水平以及驱替流体扰动作用下，附着在玻璃微珠表面的剩余油表面间润湿角逐渐减小直至被剥离下来，同时被包裹成OW型乳状液滴在多孔介质中运移。乳状液滴在多孔介质中的运移机理可归纳为表面吸附机理、单个乳状液滴卡堵喉道机理和多个乳状液滴叠合缩径机理。

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Visualization Investigation of In-Situ Emulsification Process During the Injection of Viscosity Reducer for Heavy Oil Reservoirs

LUChuan1ZHAOWei2GUOShaofei3LUKeqin3

(1.Research Institute of China National Offshore Oil Corporation, Beijing 100027, China; 2.China University of Petroleum (Beijing), Beijing 102249, China; 3.No.1 Oil Production Plant of Huabei Oilfield Company, CNPC, Renqiu Hebei 062552, China)

This paper focuses on the visual experimental study according to emulsification mechanism of viscosity reducer for heavy oil. Based on pore-scale visualization equipment and with the help of an image acquisition system, the in-situ emulsification process was replicated and the pore-scale transportation mechanisms of emulsion droplets in porous media were studied. The results showed that the viscosity-reduction rate and IFT could be used as indexes to evaluate the performance of viscosity reducer under high temperature tolerance. Under the combination effect of low IFT between viscosity reducer and heavy oil as well as the disturbance of the injected liquid, the oil attached on the surface of glass bead was gradually peeled off and was formed into O/W emulsion droplets flowing in porous media. This was beneficial for improving oil fluidity. The migration mechanism of emulsion droplets in porous media mainly consists of capture-plugging based on single emulsion droplet and superposition-plugging and annulus-plugging based on multiple emulsion droplets.

heavy oil reservoir; viscosity reducer; in-situ emulsification; microscopic visualization; transportation mechanism

2016-09-03

国家科技重大专项“油砂SAGD开发地质油藏评价及方案优化技术”(2016ZX05031003)

卢川(1987 — )，男，博士，研究方向为稠油热采和油藏数值模拟。

TE345

A

1673-1980(2017)02-0001-04