表面活性剂提高致密油藏注水吞吐效果的机理

张立亚，王建波，王科战，陈光宇，王洪宝

（1.中国石化东北油气分公司，吉林长春 130000；2.山东科技大学，山东青岛 266555）

随着大部分油田进入高含水率、高采收程度阶段，致密油藏已成为现如今勘探开发热点研究领域之一[1-4]。致密油藏岩石渗透率低，孔隙度小，注水开发困难，目前主要靠压裂后地层内的天然能量进行开发，采油井产量递减快、采收率低[5-9]。有效补充地层能量成为致密油藏开采的关键。

注水吞吐作为一种致密油藏补充地层能量方法，受到国内外学者广泛关注。其提高采收率的主要机理为：（1）焖井过程中依靠油层毛管力的渗吸作用提高渗吸采收率；（2）开井后依靠水的驱替作用提高驱替采收率[10-16]。李龙龙等[17]针对胡尖山油田开展了注水吞吐采油试验发现该区油井产能恢复94.4%。高涛等[12]以延长油田长8 储层岩心为研究对象，进行了注水吞吐采油机理研究，试验表明注水吞吐补充地层能量效果显著。

目前单井注水吞吐采油现场效果较好，原油采收率提高较为明显，为进一步提高采收率，国内外学者提出在注水吞吐过程中加入表面活性剂[18-19]。向阳等[20]通过向注入水中加入0.1%非离子型表面活性剂，发现采出程度可提高3.15%。WEISS 等[21]针对23 口亲油白云岩油藏开展了表面活性剂吞吐试验，验证了表面活性剂吞吐的有效性。SHULER 等[22]通过室内实验发现，表面活性剂吞吐不仅可以改变储层润湿性作用，还可以提高吸附原油的动用程度，从而提高采收率。

本文通过考察不同表面活性剂体系对吞吐采油的影响，建立表面活性剂性能指标与吞吐采油的关系。阐述了表面活性剂提高致密油藏注水吞吐效果的机理，为表面活性剂体系在致密油藏注水吞吐的现场应用提供了理论依据。

1 实验材料和方法

1.1 实验材料

1.1.1 表面活性剂 收集表面活性剂7 类，具体参数见表1。

表1 表面活性剂种类及生产厂家

1.1.2 地层模拟原油 地层原油黏度2.26 mPa·s，地层原油密度0.813 4 g/cm3。

1.1.3 地层模拟水 地层水型为NaHCO3型，矿化度为2 215 mg/L。

1.1.4 岩心 收集岩心30 块，具体参数见表2。

表2 实验用岩心物性参数统计表

1.2 实验方法

1.2.1 表面活性剂的性能测试实验 采用SY/T 5753—2016 行业标准测试表面活性剂的性能指标。

1.2.2 渗吸采油实验 将岩心放入120 ℃烘箱内老化36 h 后备用。将老化后的岩心放置于体积法渗吸仪内，加入地层水或表面活性剂溶液。当液面上升至刻度线时，停止注入。每隔一段时间记录刻度管读数并采集图像信息。刻度管内读数不再变化时，记录最终采出程度。

1.2.3 反向驱替采油实验 将渗吸后的岩心放入岩心夹持器中，设置环压大于注入压力2～4 MPa，以0.5 mL/min 的驱替速度注入清水或表面活性剂溶液，测定驱替过程中压力、采出程度的变化。

2 实验结果

2.1 表面活性剂性能指标

2.1.1 表面张力 测定不同类型表面活性剂溶液不同质量浓度下的表面张力，确定各类表面活性剂的临界胶束浓度（CMC），结果见图1、表3。

图1 不同表面活性剂溶液表面张力随质量浓度的变化关系

表3 不同表面活性剂CMC 统计表

2.1.2 界面张力 测定不同表面活性剂CMC 下的界面张力，结果见表4。

表4 不同表面活性剂界面张力统计表

2.1.3 润湿性能 测定清水和不同类型表面活性剂溶液浸润后的接触角，结果见表5。

由表5 数据可知，YGS01 和YGS07 的接触角较大，表现出使润湿性由亲水转变为中性润湿的趋势；而YGS03、YGS04、YGS05 和YGS06 的接触角均小于清水的接触角，表明这四类表面活性剂可以将润湿性转变为强亲水。

2.2 渗吸采油实验

测定老化后岩心经不同溶液渗吸后的渗吸采收率，结果见表6。

表6 渗吸实验采收率统计表

由表6 数据可知，不同天然岩心的清水渗吸采收率不同，主要分布在9.00%～23.00%。不同类型表面活性剂溶液的渗吸采收率变化较大，分布在1.00%～22.00%，最大为21.36%，所用表面活性剂为YGS02。

2.3 反向驱替采油实验

2.3.1 驱替采收率 岩心经清水或表面活性剂溶液渗吸后，再由清水或表面活性剂溶液进行驱替实验，测定其驱替采收率，结果见表7。

表7 驱替实验采收率统计表

由表7 数据可知，天然岩心经清水渗吸后再由清水驱替，其驱替采收率均小于5.00%。天然岩心经表面活性剂渗吸后再由表面活性剂溶液驱替，其驱替采收率分布在4.00%～20.00%，主要与表面活性剂种类有关。使用表面活性剂YGS04，驱替采收率最大，为19.82%。这表明表面活性剂的加入对致密油驱替采收率具有提高作用。

2.3.2 总采收率 将不同溶液渗吸和驱替采收率汇总得总采收率，结果见表8。

表8 不同溶液总采收率统计表

由表8 数据可知，天然岩心的清水总采收率分布在17.00%～24.00%。25、27 和30 号岩心的总采收率较高，大于30.00%。天然岩心经表面活性剂溶液渗吸和驱替后，总采收率分布在18.00%～26.00%，主要与表面活性剂种类有关。使用表面活性剂YGS02，总采收率最大，为25.69%。在渗透率相近的情况下，表面活性剂溶液的总采收率均大于清水的总采收率。这表明表面活性剂溶液的加入有利于提高注水吞吐的效果。最高提高6.01%，所用表面活性剂为YGS03。

2.3.3 驱替压力 不同溶液驱替过程中驱替压力随时间的变化关系见图2。

图2 不同溶液驱替压力随时间的变化关系

图2a 显示，天然岩心经清水渗吸后再由清水驱替，其驱替压力随着驱替时间的增长而逐渐上升，最终趋于稳定。驱替压力分布在20.00 MPa 左右。其中，6号岩心所需驱替压力最大，约为22.50 MPa。图2b 显示，天然岩心经表面活性剂溶液渗吸后再由表面活性剂溶液驱替，其驱替压力随驱替时间的增长普遍呈现先迅速上升后稳定的趋势。最终驱替压力分布在7.00～20.00 MPa。1 号岩心所需驱替压力最大，约为18.00 MPa，所用表面活性剂为YGS01。16 号岩心驱替压力最小，约为8.00 MPa，所用表面活性剂为YGS05。

3 表面活性剂注水吞吐提高采收率机理分析

3.1 表面活性剂对采收率的影响

3.1.1 表面活性剂对洗油能力的影响 在注水吞吐采油过程中，要使吸附于岩石孔隙表面的原油脱离采出，就需要克服黏附功的阻力。黏附功阻力越小，洗油效率越高。表面活性剂的加入可以同时改善接触角和降低油水界面张力，从而降低黏附功。水溶液的界面张力为0.29 mN/m，渗吸仪内的岩石表面附着油滴较大，表明水溶液中的油滴黏附功较大，从岩石表面剥离的难度大，见图3a。表面活性剂溶液的界面张力为1.28×10-2mN/m，岩石表面附着的油滴大小和数量减少，表明加入表面活性剂后可以降低油水界面张力，见图3b，改善接触角，降低黏附功，油滴从岩石表面剥离的难度变小，洗油效率提高。

图3 不同界面张力溶液渗吸效果图

3.1.2 表面活性剂性能指标对吞吐采收率的影响

3.1.2.1 界面张力对吞吐采收率的影响 表面活性剂界面张力与吞吐采收率之间的关系，结果见图4。

图4 采收率随界面张力变化关系

由图4 可以看出，表面活性剂溶液的渗吸采收率随着界面张力的增加而升高，驱替采收率则随着界面张力的增加而降低，但总采收率随着界面张力的增加变化不大，这表明降低界面张力有利于提高驱替采收率。

表面活性剂降低界面张力的机理是：表面活性剂在油水界面上定向吸附达到饱和后，分子会在油水界面上形成一层有较高机械强度的单分子膜。此时，水分子与油分子之间的极性差异转变为水分子与表面活性剂分子的亲水基和油分子与表面活性剂分子的亲油基之间的极性差异，它们的极性较为相近，导致油水界面张力大大降低，毛管力下降，注入流体能够进入更多基质小孔隙，扩大波及体积，加强油水交换作用，提高洗油能力，进而提高地层原油驱替采收率。

3.1.2.2 润湿性对吞吐采收率的影响 表面活性剂改变润湿角的能力与吞吐采收率之间的关系，结果见图5。

图5 润湿角的变化对采收率的影响

以清水润湿角为零点，负值表示润湿性向亲水性转变，正值表示润湿性向中性润湿转变，由图5 可以看出，渗吸采收率随着润湿性向亲水性转变而逐渐增大，本次实验中润湿角的变化对驱替采收率和总采收率的影响规律并不明显。

3.2 表面活性剂对反向驱替压力的影响

3.2.1 增大反向驱替压力 渗透率相近情况下，清水和表面活性剂溶液的驱替压力关系见图6。

图6 清水和表面活性剂溶液驱替压力关系

由图6 可以看出，在渗透率相近的情况下，表面活性剂溶液的驱替压力明显小于清水的驱替压力，约5.00 MPa。两性表面活性剂的表现最佳，降低驱替压力约7.00 MPa。说明表面活性剂的加入能显著降低驱替压力，增大反向驱替压力。

3.2.2 降低流动阻力 在焖井过程中，采油主要依靠渗吸作用，毛管力是渗吸发生的驱动力。在返排过程中，采油主要依靠反向驱替力，毛管力成为阻力。同时，贾敏效应产生的阻力也会导致驱替压力降低，进而降低原油驱替采收率。毛管力表达式：

式中：Pc-毛管力，MPa；σ-界面张力，mN/m；θ-润湿角，°；r-毛管半径，μm。

由公式可知，在毛管半径相同的情况下，毛管力Pc与油水界面张力σ 和润湿角θ 有关。表面活性剂的加入能够显著降低油水界面张力σ，从而降低毛管力Pc，进而降低驱替过程中的阻力，并使反向驱替压力降低。

4 结论

本文将吞吐过程分为渗吸采油阶段和反向驱替采油阶段，并研究了表面活性剂对其作用规律，主要结论如下：

（1）在渗吸采油阶段，表面活性剂降低了渗吸采收率，但减小了原油从岩石表面剥离难度。

（2）在反向驱替采油阶段，表面活性剂可有效提高驱替采收率，同时大幅降低驱替压力。

（3）两性表面活性剂表现最佳，在清水的基础上提高采收率约5.00%，降低驱替压力约7.00 MPa。

（4）表面活性剂提高注水吞吐效果的主要机理为：降低界面张力、改变润湿性，减小原油从岩石表面剥离难度；减小毛管力和贾敏效应阻力，降低驱替压力。