非均质微观模型驱替剩余油分布规律研究

王欣然，李红英，谷志猛，杨志成，柴秋会

（中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津 300452）

岩心驱替实验能分析各种驱油实验的采收率，而非均质模型驱替实验可以分析宏观剩余油分布规律以及开发动态等[1-3]，但不能观察微观驱替过程。水驱后的微观剩余油尺度非常小，一般属于微米级[4-7]。玻璃刻蚀模型可以动态直观地观察整个孔隙规模级的驱替过程以及剩余油的分布形态，为研究驱油过程提供理论支持。本文通过微观孔隙模型研究早期注聚条件下剩余油富集规律影响及主控因素。

1 实验准备

1.1 实验条件及流程

实验仪器：显微镜、可视化装置、针管泵、注射器、光源等。实验温度为25 ℃。实验流程见图1。

图1 实验流程

1.2 实验材料及模型

实验用油：真空泵油，与煤油体积比为 2:1配制，25 ℃条件下黏度为19.8 mPa·s。为便于观察，将适量的苏丹红加入模拟油，将模拟油染成红色，过滤后使用。

实验用水：根据渤海 J油田水源井离子组成复配的地层水，矿化度为3 878 mg/L，25 ℃条件下黏度 0.9 mPa·s。

聚合物体系：渤海 J油田注入聚合物，低黏聚合物浓度400 mg/L，黏度5.3 mPa·s；高黏聚合物浓度600 mg/L，黏度7.2 mPa·s。

聚表二元体系：聚合物浓度600 mg/L加表面活性剂质量分数0.3%。

模型：对角均质玻璃刻蚀微观模型，孔隙半径为 0.2～1.0 mm。

2 实验方案及步骤

2.1 实验方案

编制不同方案，观察不同驱替介质在不同驱替速度下的剩余油分布规律（表1）。

2.2 实验步骤

实验包括水驱、低黏聚合物驱、高黏聚合物驱和聚表二元驱。①将微观模型水驱洗净后饱和油；②低速驱，以恒定的驱替速度0.004 mL/min至模型不出油为止，通过可视化装置拍照记录驱油过程及剩余油存在形式；③高速驱，提高驱替速度至0.020 mL/min至模型不出油为止，通过可视化装置拍照记录剩余油存在形式。④清洗模型，更换驱油体系重复上述实验。

表1 实验方案

3 实验结果与分析

文中所有图片的水流方向均为从左下到右上，暗红色代表染色模拟油。图2为饱和油后（即驱替开始之前）模型中玻璃油刻蚀模型中选定单元的含油孔隙分布。

图2 模型饱和油初始时刻及流动方向

3.1 不同驱替速度下不同驱替介质剩余油分布

3.1.1 水驱剩余油分布

以速度为0.004 mL/min的低速水驱后选定单元的剩余油分布见图3a，以速度为0.020 mL/min的高速水驱后选定单元的剩余油分布见图3b。低速水驱后剩余油类型主要为簇状、柱状、膜状和Y状剩余油。①膜状剩余油主要在弱亲油孔隙表面，油粘附在孔隙表面，水驱剪切力小于粘附力，不能将油膜从孔隙表面剥离形成膜状剩余油，其流动阻力很大。② Y状剩余油本质上属于膜状剩余油，多形成在形状为Y状的孔隙区域，粘附在孔隙表面的油膜易在两个方向受到驱动力，形成Y状剩余油。③柱状剩余油是由于模型内孔隙存在微观非均质性，大孔道内的油被驱走，小孔道内阻力较大，水相不能进入，油被卡断，形成柱状剩余油。④簇状剩余油是被细小孔道包围起来的大油块。低速水驱时簇状剩余油较多，而高速水驱注入水能够进入簇状剩余油，将其分割成柱状剩余油，减少剩余油。

图3 水驱后剩余油分布

3.1.2 低浓度聚合物驱剩余油分布

用浓度为600 mg/L，黏度为7.2 mPa·s的聚合物分别进行速度为0.004 mL/min的低速驱替和速度为0.020 mL/min的高速驱替，选定单元的最终剩余油分布情况如图4。

图4 低浓度聚驱后剩余油分布形式

由水驱（图3）和低浓度聚驱（图4）剩余油分布情况可知，与水驱相比，注入聚合物能够显著驱替簇状、柱状剩余油，较大幅度地提高水相的波及系数，从而减少剩余油。低浓度聚合物驱替条件下，剩余油模式主要以柱状和膜状剩余油为主，这是因为簇状剩余油的粘附力相对较小，聚合物扩大驱替相波及体积的同时，能够有效驱替簇状剩余油；高浓度聚合物驱替条件下，提高聚合物驱替速度可增大驱替相剪切力，使粘附力较大的部分柱状剩余油得到动用，微观模型中剩余油模式主要以膜状剩余油为主，剩余油饱和度进一步降低。

3.1.3 高浓度聚合物驱剩余油分布

用浓度为800 mg/L、黏度为9.1 mPa·s的聚合物分别进行速度为0.004 mL/min的低速驱替和速度为0.020 mL/min的高速驱替，研究单元的剩余油分布情况(图5)。

对比低浓度聚驱（图4）和高浓度聚驱（图5）剩余油分布情况可以看出：在相同注入速度下，注入高浓度聚合物后，簇状剩余油分布的区域显著减少，部分较大的柱状剩余油也进一步减少，这是由于提高注入聚合物浓度能够使驱替相的黏度增加，从而进一步减小油水流度比，同时还能提高驱替相剪切力的作用。特别是在高浓度聚合物高速驱替的情况下，簇装剩余油几乎消失，剩余油以小柱状、膜状剩余油为主；但由于细小孔喉中的柱状剩余油有较高的渗流阻力，即使提高高浓度聚合物的注入速度，也无法使小柱状剩余油得到有效驱替。

3.1.4 聚表二元体系驱剩余油分布

图5 高浓度聚驱后剩余油分布

用聚合物浓度为600 mg/L、表面活性剂质量分数为0.3%的复合体系，分别进行速度为0.004 ml/min的低速驱替和速度为 0.020 ml/min的高速驱替，所选单元的剩余油分布情况如图6。

图6 聚表二元驱后剩余油分布形式

聚表二元复合驱结合了聚合物驱的高黏度和表面活性剂驱低界面张力的优点，不仅能提高波及系数，还能提高驱油效率[8-10]。聚表二元驱驱替前缘能相对均匀地推进，连通多个喉道的孔隙，导致Y状剩余油的形成。与单一聚合物驱相比，聚表二元驱没有明显的簇状和柱状剩余油，剩余油类型以Y状和膜状为主，说明二元复合驱能够改善流度比，同时降低油水界面张力，使粘附力较高的剩余油被驱替出来。提高聚表二元驱的注入速度，能够有效增加毛管数，提高微观驱油效率，使Y状和膜状剩余油变薄，驱替效果进一步变好。

3.2 注入体系对不同模式剩余油分布的影响

不同注入体系对不同类型的剩余油的影响不同，为有效对比不同驱替介质的驱油效果，在低注入速度下分析各注入体系对剩余油分布的影响。

3.2.1 对膜状剩余油分布的影响

膜状剩余油前缘受驱动力、粘附力和内聚力三个主要作用力的影响。聚合物驱能增大驱动力，但低浓度聚合物不足以驱动油膜，高浓度聚合物会使膜状剩余油明显降低。聚表二元体系中的表面活性能使孔隙表面向亲水性转变，降低了油膜的粘附力，并且显著降低油水界面张力，剩余油容易被拉断，聚表二元驱能显著减少膜状剩余油。

3.2.2 对柱状剩余油分布的影响

柱状剩余油主要是由注入水指进造成的，水驱时由于指进现象严重，柱状剩余油较多，聚合物能够提高注入相的波及系数，且高浓度聚合物驱效果好于低浓度聚合物，使柱状剩余油减少。聚表二元体系所产生的协同作用，可使柱状剩余油进一步减少。

3.2.3 对簇状剩余油分布的影响

聚合物驱降低簇状剩余油机理与降低柱状剩余油机理相同。低浓度聚驱和高浓度聚驱可将孔隙内柱状的剩余油进一步驱替，在喉道内形成柱状剩余油。聚表二元驱能将柱状剩余油进一步驱替，驱替后剩余油类型主要为膜状剩余油。降低簇状剩余油效果的驱油体系由高到低分别为聚表二元驱、高浓度聚驱、低浓度聚驱。

4 结论

（1）水驱后剩余油类型主要为簇状、柱状和膜状剩余油，前两者为主要分布模式。

（2）对于相同的驱替介质，高速驱替下的剩余油均少于低速驱替下的剩余油，说明适当增大驱替速度能够改善驱替效果。

（3）聚合物驱能够提高水相的波及系数，降低剩余油饱和度，且高浓度聚合物驱替效果优于低浓度聚合物。聚表二元驱协同作用，不仅能提高波及系数，还能提高驱油效率，驱替后剩余油最少，驱替效果最好。