裂缝性油藏微乳液配方优选及驱油效果

赵洪鹏，姜贵璞

（大庆油田有限责任公司第四采油厂，黑龙江大庆163511）

1985 年，Shah 对微乳液有了比较完善的定义，认为微乳液是一种由表面活性剂和助表面活性剂与油、水组成的热力学稳定性体系[1-2]。1986 年后，微乳液驱成为石油行业的重点研究对象。由于微乳液的粒径分布范围较窄，可以有效控制流度、扩大波及体积、提高洗油效率，因此比较适用于孔隙喉道半径较小的低渗透油藏。微乳液可以形成超低的界面张力、降低渗流阻力，达到提高采收率的效果；高黏度的微乳液具有增溶作用，能够降低原油的黏度、增加流动性，从而将孔隙壁上的残余油驱除[3-5]，达到提高驱油效率的效果。 Schulman 和Prince 等提出的瞬时负界面张力理论和胶团增溶理论充分解释了微乳液的自发形成和稳定性，微乳液驱油体系较强的稳定性能够保持表面活性剂的表面活性，增加界面能，促进界面张力的降低[6]。目前微乳液驱广泛用于三次采油，在提高采收率方面起到至关重要的作用。前人对微乳液的复配体系研究比较多，但通过分析微乳液性能与微观含剩余油孔隙比例的关系来优选微乳液配方的研究相对较少。本文通过改变表面活性剂类型来分析微乳液性能对含剩余油孔隙比例的影响，最终优选出最佳微乳液驱油体系。利用驱油实验和含剩余油孔隙比例的分析验证微乳液体系对原油提高采收率的效果，为低渗透油藏提高采收率奠定基础。

1 实验部分

1.1 仪器及试剂

材料：采用第十采油厂裂缝性岩心；大庆第十采油厂原油与煤油按一定体积比配制模拟油（45 ℃黏 度 为9.6 mPa⋅s）；矿 化 度 为6 778 mg/L 的 模 拟盐水。

药品：正辛烷、羧基甜菜碱、十二烷基硫酸钠（SDS）、吐温-60、正丁醇、NaCl。

仪器：MS3000 激光粒度仪（英国马尔文仪器有限公司）、TX500C 旋滴界面张力仪（北京盛维基业科技有限公司）、真空泵（上海真空泵厂海安分厂）、保温箱、岩心夹持器（江苏海安石油仪器厂）、活塞容器、环压泵。

1.2 实验步骤

微乳液的性能不仅与微乳液体系中的各组分类型有关，还与各组分的质量分数和比例有关。通过改变表面活性剂类型，研究微乳液体系性能对含剩余油孔隙比例的影响来优选出最佳微乳液驱油体系，具体配方为：

配方一：正辛烷8 mL、水8 mL，质量分数为4.5% 的十二烷基硫酸钠（SDS）、6% 的正丁醇、5%的NaCl。

配方二：正辛烷8 mL、水8 mL，质量分数为4.5% 的吐温-60、6% 的正丁醇、5% 的NaCl。

配方三：正辛烷8 mL、水8 mL，质量分数为4.5% 的羧基甜菜碱、6% 的正丁醇、5% 的NaCl。

驱油实验：以筛选出的最优微乳液体系为驱替液，大庆外围低渗透油藏裂缝性岩心为驱替岩心，按以下步骤进行驱油实验：（1）将岩心抽空，并在真空条件下饱和模拟地层水，测定其渗透率和孔隙体积。（2）用模拟油驱替，直至岩心出口端不再含水为止，测定其含油饱和度。（3）用模拟盐水驱替，直至采出液中含水率达到98% 为止，然后转注0.3 PV 的段塞，之后进行后续水驱，直至采出液中含水率再次达到98%。

岩心解剖实验：

（1）将驱油实验结束后的裂缝性岩心折断，获取岩心的自然断面。

（2）使用微观显微镜拍摄岩心的微观孔隙结构，计算岩心孔隙半径大小，研究孔隙半径与驱油效率的关系，分析含剩余油孔隙比例分布状况。

2 结果与分析

2.1 配方优选

2.1.1 粒径分布 利用激光粒度仪测量微乳液体系的粒径分布，测量仪的测量范围是0.01～3 500 μm，可以通过放大不同倍数观察微乳液粒径分布。分别记录各微乳液的粒径大小，统计粒径的分布状况，实验结果如图1 所示。由图1 可知，微乳液粒径分布存在一个窄峰。微乳液体系不同，其粒径分布不同，但都近似于正态分布，且各微乳液的粒径分布 为0.01～0.20 μm，主 要 集 中 分 布 在0.07～0.12 μm。 其中，配方三的粒径主要分布在0.05～0.10 μm，说明粒径相对较小，比较容易进入细小的孔隙中。

图1 粒径分布Fig.1 Particle size distribution diagram

图2 为微乳液粒径与含剩余油孔隙比例关系。

图2 微乳液粒径与含剩余油孔隙比例关系Fig.2 Relationship between microemulsion particle size and ratio of porosity with remaining oil

由图2 可以发现，含剩余油孔隙比例随孔隙半径的减小而降低，微乳液粒径越小，越容易进入孔隙中驱替剩余油。 相同孔隙半径，微乳液粒径越小，含剩余油孔隙比例越小。低渗透油藏的岩心孔隙比较细小，微乳液驱的粒径一般分布在1～100 nm，能够通过细小孔隙增大驱油面积，所以微乳液驱可以广泛应用于低渗透油藏，提高采收率。

2.1.2 黏度 微乳液黏度是衡量驱油效果的重要指标，不同黏度的微乳液其驱油效果不同。溶液的流变性、盐类质量浓度等均影响微乳液的黏度，且不同黏度的溶液其微乳液质量分数不同。现研究不同配方的微乳液体系，其黏度与微乳液质量分数和含剩余油孔隙比例与半径的关系，结果如图3、4 所示。

图3 黏度与微乳液质量分数的关系Fig.3 Relationship between viscosity and mass fraction of microemulsion

图4 含剩余油孔隙比例与半径的关系Fig.4 Relationship between ration of pore with residual oil and radius

从图3 可以看出，当达到临界胶束质量分数时，溶液中可以生成微乳液，随着微乳液质量分数的增多，体系的黏度增大。其中，配方三的黏度较大，且微乳液质量分数较高，配方二的黏度最小。一般来说，由于微乳液的黏度比水大得多，在驱油过程中会降低驱替液的流度和水油流度比，从而减小指进现象，进一步扩大波及体积，达到提高原油采收率的目的。

从图4 可以看出，含剩余油孔隙比例随孔隙半径的减小而降低，高黏度的微乳液体系具有良好的增溶作用，改变油水流度比，增大洗油效率，从而增大驱油效率。相同孔隙半径的条件下，驱替液黏度越高，含剩余油孔隙比例越小。

2.1.3 稳定性 微乳液是一种热力学稳定体系，具有超低的界面张力。在理想条件下，其稳定性不随时间发生变化。但是在实际现场中，微乳液稳定性随时间的增加而变化[7-10]。两种实验对比，研究微乳液的稳定性：一是将不同质量分数的表面活性剂溶液放置2 d 后与原油混合，利用旋滴界面张力仪测定体系界面张力；二是将不同质量分数的表面活性剂溶液形成的微乳液体系放置2 d 后，测定微乳液质量分数，结果如图5 所示。从图5 可以看出，配方一的微乳液放置2 d 后界面张力和微乳液质量分数发生明显的变化，稳定性差；配方二的界面张力比较大，放置2 d 后微乳液质量分数比较小；配方三的界面张力较小，且放置2 d 后界面张力增幅也相对较小，但微乳液质量分数较大。所以，配方三的稳定性较好。在同一质量分数的表面活性剂下，静置2 d 后的微乳液体系的界面张力稍微高于原样品的界面张力，且微乳液质量分数也略有降低。这是因为，微乳液体系随时间的增加其稳定性略有降低，但是微乳液体系静置2 d 后仍然能够保持较低的界面张力和较高的微乳液质量分数，说明微乳液体系具有较好的稳定性。

图5 三种配方稳定性Fig.5 Stability Diagrams of Three Formulas

综上所述，最终优选出的最佳微乳液驱油体系是：正辛烷8 mL、水8 mL，质量分数为4.5% 的羧基甜菜碱、6% 的正丁醇、5% 的NaCl。

2.2 驱油效果

裂缝性岩心制作过程：取若干大庆外围低渗透岩心，利用三轴应力机对岩心施加一个小于岩心破裂压力的挤压力，持续一周时间，从而将岩心压出一定程度的微裂缝。

2.2.1 注入压力 测定微乳液的注入能力，按照实验步骤以恒定速度注入微乳液，分别记录注入压力。绘制注入体积倍数与注入压力的关系曲线如图6 所示。

图6 不同渗透率岩心的注入压力Fig.6 Injection pressure of cores with different permeability

由图6 可以看出，进行一次水驱（0～0.14 PV)时，注入压力开始迅速上升，这是因为在低渗透油藏中流体需要克服启动压力才能流动；注入微乳液后（0.14 ～0.18 PV），注入压力开始下降，主要是因为微乳液超低的界面张力可以降低启动压力梯度，降低驱替阻力，使油滴更容易进入小喉道，从而增大采收率；后续水驱（0.18 PV 后）时，注入压力逐渐趋于平稳，是因为微乳液驱阶段，原油在岩石表面的黏附力降低，使岩石表面的油膜剥落下来与油滴一起被驱替出去，在进行后续水驱时，部分油滴聚并形成油带而被驱替出来。渗透率越大，其注入压力越小。

2.2.2 驱油效果 根据含水率与采出程度的关系绘制曲线，反映裂缝性岩心的驱油效果，结果如图7 所示。由图7 可以看出，早期注水时，含水率为0，此时产出液中只含油，随累积注入PV 数的增大，含水率逐渐增大，当增大到98% 时注入微乳液体系，随后含水率开始降低，达到最低点后逐渐增大直至趋于平稳。 注水前期，随累积注入倍数的增加，采出程度迅速增大，高含水期采出程度增加比较缓慢；当注入微乳液体系后，采出程度随含水率的降低而急剧上升，采油速度相对比较大，采收率显著提高。

图7 岩心驱油效果Fig.7 Core flooding effect diagram

表1 为裂缝性岩心驱油实验结果。 由表1 可见，相对于水驱，微乳液驱最终采收率明显增大，从24.1% 增大到49.7%，且随渗透率的增大，采收率增幅逐渐增大，说明微乳液驱显著提高采收率。

表1 裂缝性岩心驱油实验结果Table1 Experimental settlement of fractured core oil displacement experiment

采用大庆第十采油厂4 块不同渗透率的裂缝岩心进行微乳液驱油实验，然后利用岩心解剖实验测得各岩心的平均孔隙半径[11-15]，绘制孔隙半径和含剩余油孔隙比例关系曲线，如图8 所示。从图8（a）可以看出，不同渗透率的岩心其含剩余油孔隙比例均随孔隙半径的减小而减小。在相同孔隙半径的条件下，含剩余油孔隙比例随渗透率的增大而减小。岩心基质渗透率从2.8×10-3μm2增大到27.4×10-3μm2，含剩余油孔隙体积比例从79.86% 降低到31.23%，不同的孔隙半径对剩余油的分布具有显著影响。这是因为，对于水湿性岩石，驱油过程中的毛管力是驱替动力，且毛管力随孔隙半径的减小而增大，驱替液优先进入半径较小的孔隙[16]，降低含剩余油孔隙比例。从图8（b）可以看出，随裂缝渗透率的增大，与相同孔隙半径对应的含剩余油孔隙比例也增加，微裂缝的渗流阻力很小，它是油水两相流动的优势通道，这会导致注入水沿裂缝窜流，加速无效循环通道的形成，使孔隙中的原油更难被驱替出来，因此剩余油会相应增加[17]。

图8 孔隙半径与含剩余油孔隙比例关系Fig.8 The relation curve of pore radius and ratio of porosity with remaining oil

与无裂缝性岩心相比，裂缝对岩心的驱油效率有很重要的影响，驱油效率有所降低。 主要是因为，微裂缝较小的渗流阻力，形成油水两相流动的优势通道，尤其是当微裂缝周围的基质物性较差时，其渗流优势更为明显，注入液沿裂缝窜流，加速无效循环通道的形成，大量残余油将滞留在基质孔隙中，使微乳液驱油效率降低。随裂缝渗透率的增大，驱油效率下降幅度增大。

微乳液驱虽然可以在很大程度上提高驱油效率，但由于成本过高，限制了其在油田的推广应用。因此，下一步攻关方向是降低微乳液制备成本。

3 结 论

（1）配方三的粒径主要分布在0.05～0.10 μm，粒径较小，对于喉道细小的低渗透油藏适用性高；其溶液的最高黏度为4.8 mPa⋅s，微乳液质量分数可达到42%；其较强的稳定性能够保持微乳液较好的性能。

（2）配方三的含剩余油孔隙比例较小，说明驱油效果较好。其正辛烷8 mL、水8 mL，质量分数为4.5% 的 羧基甜菜碱，6% 的 正 丁 醇，5% 的NaCl 为最优微乳液驱油体系。

（3）从驱油实验得知，微乳液的注入压力相对较小；采收率增幅随渗透率的增大而增大。与水驱相 比，岩 心 渗 透 率 从2.8×10-3μm2增 大 到27.4×10-3μm2，微 乳 液 驱的最终 采 收 率 从24.1% 增 大 到49.7%，采收率最大增幅达到10.8%，说明微乳液驱提高采收率效果显著。

（4）含剩余油孔隙比例随孔隙半径的减小而减小，表明孔隙半径对剩余油分布有显著影响。与基质岩心相比，裂缝性岩心的含剩余油孔隙比例相对较大，驱油效率相对较低。