稠油降黏劑驅提高采收率機理

魏超平，李偉忠，吳光煥，鄧宏偉，孫業恒，閔令元

（中國石化勝利油田分公司勘探開發研究院，山東東營 257015）

勝利油田普通稠油油藏地質儲量為5.27×108t，以蒸汽吞吐和水驅開發為主，目前正面臨著采收率低、經濟效益差等問題。隨著國家環保要求的提高，傳統燒渣油生產蒸汽的熱力采油技術受到限制。為保證稠油正常生產、提高稠油油藏開發效果，目前亟需一種非熱力采油的技術，它應具有較好的經濟效益且能達到目前環保要求。

改善普通稠油驅替過程中油水黏度比主要有2種途徑：增加驅替相黏度或者減小被驅替相黏度。在提高驅替相黏度方面，主要是應用聚合物驅，但根據篩選標準，聚合物驅主要適用于黏度小于150 mPa·s 的原油，在礦場實踐已取得顯著效果［1-4］，中外學者在此方面也進行了大量的研究，對其提高采收率機理進行了細致的分析［5-12］。而單獨采用化學劑使被驅替相黏度減小的礦場實踐和理論研究卻很少，目前降黏劑的使用主要是和蒸汽一起，用其輔助蒸汽開采特稠油或者超稠油，同時形成了一些有效的開發技術，如HDCS和HDNS等［13-16］。油藏工程人員主要通過測試降黏劑與地層流體的配伍性、降黏率、乳狀液的穩定性等指標來確定化學降黏開采稠油的方法是否可應用于油藏［17-18］，并根據這些測試結果進行了礦場應用，但主要是采用吞吐的方式，降黏劑驅替的方式在稠油油藏的應用情況尚未有報道。目前相關研究主要是圍繞降黏劑驅的驅油效率及注采參數進行，例如，王劍峰等通過巖心實驗指出降黏劑驅能大幅提高驅油效率，并優化了注入時機、注入濃度等參數，但未對微觀驅油機理進行研究［19-20］。采用勝利油田草4 塊原油樣品，應用單管填砂驅油模型和微觀玻璃刻蝕驅油模型進行實驗，對比水驅和降黏劑驅剩余油和驅替流線的變化，得出降黏劑驅提高采收率的機理，為降黏劑驅這一開發方式提供理論支持。

1 實驗部分

1.1 實驗用油及降黏劑性能

實驗用油：勝利油田草4 塊沙四段油井脫水原油與煤油（國藥）按照一定比例配制而成，使其在室溫下和地層條件下保持相同的黏度341 mPa·s。

實驗用水：草4 塊Es43 單元地層水，NaHCO3型，礦化度為6 400 mg/L。

對10 個降黏劑廠家所送降黏劑樣品進行盲選測試，最終選定J10 降黏劑為最優產品。該產品為水溶性乳化型降黏劑，在質量分數為0.3%時降黏率為82.1%，界面張力為0.34 mN/m，具體參數見表1。

1.2 實驗條件及過程

1.2.1 單管填砂驅油模型實驗

實驗目的：分析對比水驅和降黏劑驅驅油效率。

模型參數：根據勝利油田草4塊實際地層參數，為對比不同驅替方式開發效果，制作2 個石英填砂管巖心，巖心長度均為30 cm，直徑均為2.5 cm，兩者氣測滲透率相近，分別為256 和225 mD，其具體參數見表2。

表1 質量分數為0.3%的J10降黏劑主要性能參數Table1 Main performance parameters of J10 viscosity reducer with a mass fraction of 0.3%

表2 單管填砂巖心參數Table2 Parameters of single-pipe sand-packed core

實驗步驟包括：①讓巖心飽和水，即巖心抽真空后注入地層水，至巖心出口端出現連續水滴。②以實驗用油驅替巖心中飽和的水，至巖心出口端出現連續油滴，認為完全飽和油。③1 號巖心注入地層水驅油，注入速度為0.25 mL/min，直至含水率為98%以上。④2 號巖心采用質量分數為0.3%的J10降黏劑驅油，注入速度和步驟③保持一致，直至含水率為98%以上。

1.2.2 三維填砂驅油模型實驗

實驗目的：分析對比水驅和降黏劑驅波及系數。

模型參數：用有機玻璃壓制一個平面尺寸為25 cm×12.5 cm、厚度為1.6 cm 的長方體三維填砂模型，所充填砂為石英砂，模型滲透率為200 mD。

實驗器材包括：三維填砂模型、2PB00C 型平流泵、中間容器（容積為1 L）、精密天平（精確到0.001 g）、回壓閥、燒杯（容積為200 mL）、量筒（容積為100 mL）、管線、接頭、閥門、透明有機玻璃板、帶孔金屬管、錄像機、不銹鋼夾板等。為方便后期觀察對比，對實驗用油和驅替液采取染色措施，實驗用油添加蘇丹Ⅲ染色劑，驅替液采用亮藍染色。

該實驗步驟和單管填砂驅油模型實驗步驟基本一致，驅替時先采用水驅直至含水率為98%以上，然后再轉降黏劑驅直至含水率為98%以上。實驗中注入速度為0.3 mL/min。

1.2.3 微觀玻璃刻蝕驅油模型實驗

實驗目的：借助高倍電子放大鏡等設備，觀察驅替過程中的油水分布狀態、運移路徑和降黏劑驅替中的乳化現象，并對降黏劑驅提高采收率機理進行微觀分析。

實驗器材包括：微觀玻璃刻蝕驅油模型（滲透率為400 mD）、耐壓反應釜、柱塞平流泵（耐壓為20 MPa，最大量程為10 mL/min）、中間容器、開關、接頭、管線等（圖1）。

圖1 微觀玻璃刻蝕驅油模型實驗裝置Fig.1 Experimental device of microscopic glass etching model for oil displacement

實驗步驟包括：①實驗準備。按照實驗流程圖連接實驗裝置，柱塞平流泵流速為0.03 mL/min，通過耐壓反應釜設置圍壓為3 MPa。②向裝置中飽和水。關閉實驗用油和降黏劑中間容器，打開盛有地層水的中間容器，向微觀玻璃刻蝕驅油模型中注入地層水，至模型中水相分布均勻且出口端出現連續水滴。③向裝置中飽和油。關閉地層水和降黏劑中間容器，打開實驗用油中間容器，向微觀玻璃刻蝕驅油模型中注入實驗用油，至模型中油相分布均勻且出口端出現連續油滴，認為飽和油完全。④水驅。關閉中間容器與六通閥的連接開關，向已飽和油的微觀玻璃刻蝕驅油模型中注入蒸餾水，至出口端產出液的含水率達98%或以上，且模型中油相不再移動，結束水驅。⑤降黏劑驅。關閉地層水和實驗用油的中間容器，打開盛有降黏劑的中間容器，向模型中注入J10 降黏劑溶液，至出口端無油滴產出，且模型中油滴不再移動，結束實驗。

實驗條件包括：實驗溫度為20 ℃，回壓為3 MPa，水驅和降黏劑驅注入速度相同，均為0.03 mL/min，實驗用油黏度為341 mPa·s，J10 降黏劑溶液質量分數為0.4%。

2 提高采收率機理分析

對于驅替開發的油藏，其采收率實際就是驅油效率和波及系數的乘積［20］。采收率取決于兩者的高低，當驅油效率和波及系數增加時，油藏的采收率就得到提高。

2.1 降黏劑驅對驅油效率的影響

2.1.1 驅油效率測定

根據單管填砂驅油模型實驗，對比1號巖心和2號巖心實驗結果（圖2），與水驅相比，降黏劑驅能減緩含水率上升速度，當驅替量為1.25 PV 時，降黏劑驅含水率比水驅低4.2%。同時降黏劑驅能大幅提高驅油效率，在相同的驅替量下（11 PV），降黏劑驅驅油效率比水驅高19%；最終水驅驅油效率為36%，降黏劑驅驅油效率達49%，驅油效率提高13%。

圖2 單管填砂驅油模型實驗驅油效率及含水率變化曲線Fig.2 Oil displacement efficiency and water cut curve of single-pipe sand-packed model for oil displacement

由實驗注入壓力變化（圖3）可見，由于油水黏度比大，水驅初期含水率即達到80%，隨注入水的突破，形成水竄通道，巖心水流阻力不斷減小，注入壓力一直下降，直至驅替結束。在降黏劑驅的過程中，由于降黏作用使得油水黏度比降低，初期含水率低于40%，隨著注入進行，壓力下降，當含水率達到80%時，注入降黏劑亦突破，注入壓力快速下降，直至含水率達到97%左右，壓力會再次上升，關于壓力升高的原因會在波及系數部分進行討論。對比兩者不同點：①降黏劑驅存在中含水（含水率低于60%）采油期，而水驅沒有；②降黏劑驅初期注入壓力明顯低于水驅，當含水率為80%時，水驅注入壓力為7.3 MPa，降黏劑驅注入壓力為4.8 MPa。

圖3 單管填砂驅油模型實驗注入壓力變化曲線Fig.3 Profiles of injection pressure of oil displacement experiment with single-pipe sand-packed model

2.1.2 原因分析

采用微觀玻璃刻蝕驅油模型實驗，從微觀機理上對降黏劑驅提高驅油效率的原因進行分析，其機理主要體現在2個方面。

分散乳化原油 乳化型降黏劑的一個特點就是可以分散乳化原油，形成水包油的小油滴，有利于增強原油的流動性。當大油滴變成小油滴后，更利于原油通過狹窄的喉道［21］，同時形成水包油的乳狀液后，原油在流動中將油分子之間的內摩擦力變成水分子之間的內摩擦力，原油表觀黏度降低。

采用高倍數字攝像機連續拍攝微觀模型中某點的原油狀態，同時收集采出液（降黏劑驅采出液按時間先后順序排列），并對其進行分析。水驅結束后某處未被水波及的“死油區”，原油在孔隙和喉道處仍以油塊的形式存在（圖4a）。注入降黏劑后，受其分散乳化作用影響，原油不再以整塊形式存在，變成小油滴，同時，受降黏劑的影響，油水界面張力降低，油滴近似球形存在（圖4b）。圖5表明，水驅采出液中，原油仍以大油滴形式存在，后期隨降黏劑的不斷注入，原油不斷被分散乳化成更小的油滴。

圖4 微觀模型中水驅與降黏劑驅原油狀態對比Fig.4 Comparison of oil states after water flooding and viscosity reducer flooding in microscopic model

圖5 水驅與降黏劑驅采出液中原油狀態對比Fig.5 Comparison of oil states in produced liquid after water flooding and viscosity reducer flooding

當形成水包油型（O/W）乳狀液后，小油滴外表被水分子包圍，形成水膜，并且分散于水相之中，小油滴主要是隨驅替液在壓差的作用下向前流動，油滴在流動過程中，阻力變成水分子之間的內摩擦力，流動阻力大大減小，原油流動性明顯提高。這解釋了單管填砂驅油模型實驗中降黏劑驅注入壓力低于水驅的原因，即注降黏劑驅后，原油流動性提高，多孔介質中滲透阻力減小，注入壓力降低（圖3）。

增加毛管數 毛管數為被驅替相（油）所受到的粘滯力與毛細管力之比，其數學表達式為：

式中：NC——毛管數；V——驅替速度，m/s；μW——驅替液黏度，mPa·s；σWO——油和驅替液間的界面張力，mN/m。

NC越大，殘余油飽和度越小，驅油效率越高。降黏劑為表面活性劑的一種，它可以降低油水界面張力，從而增加毛管數，提高驅油效率。

微觀玻璃刻蝕驅油模型實驗結果表明，由于降黏劑的注入，油水界面張力降低，從而使得油滴在小的作用力下就可以發生變形，部分比喉道大、在水驅中無法流動的油塊，可以變為油絲，穿過喉道，甚至從原來油滴斷開、剝離出更小的油滴，大大增強原油的流動性，減少殘余油（圖6）。

圖6 剝離小油滴及變形運移Fig.6 Peeling，deformation and migration of small oil droplets

圖6a 為水驅后模型中某處油水分布圖，非主流線上孔隙中存在剩余油（圖6a 紅圈）。由于降黏劑注入后油水界面張力降低，同時受驅替液不停沖刷的影響，原油開始不斷變形（圖6a），大油滴被拉長形成油絲進入下一喉道（圖6b 紅圈）。當降黏劑和沖刷作用到一定程度后，油絲被斷開，由于體積小，其再次變形通過窄喉道，進入下一孔隙中（圖6c）。在原油內部分子力弱的地方，降黏劑可以直接在油絲上剝離出一個小油滴（圖6d 藍圈）。圖6e 可以看出，變形的油滴可以不斷重復“變形（剝離）—通過窄喉道—進入下一孔隙”這一過程（圖6d，6e棕圈）。

2.2 降黏劑驅對波及系數的影響

2.2.1 波及系數的測定

實驗前，一般研究認為降黏劑主要作用為降低原油黏度，提高驅油效率，此次研究表明，降黏劑驅還具有提高波及系數的作用。根據三維填砂驅油模型實驗，水驅時注入水直接沿著注采之間壓力下降最快的方向（注采端連線）推進，波及系數為18.8%（圖7a），之后轉降黏劑驅，波及面積明顯擴大，提高至39.9%，波及系數提升了1 倍以上（圖7b）。

圖7 水驅和降黏劑驅結束時波及面積Fig.7 Swept area map at end of water flooding and viscosity reducer flooding

2.2.2 原因分析

采用微觀刻蝕驅油模型分析降黏劑驅水和油流方向，降黏劑驅提高波及系數主要體現在2 個方面。

乳化調驅 水驅中，由于油水黏度比較大，水沿高滲透條帶快速到達采出端，在注入端和采出端之間形成明顯的水竄通道，通道兩側未波及區存在明顯的剩余油（圖8a 綠圈），繼續水驅，水直接沿竄流通道快速流過，水驅采收率僅為18.8%。之后采用降黏劑驅，降黏劑分散乳化的原油在流動時首先進入滲透阻力較小的水竄通道，并重新聚集（圖8b紅圈），通道被乳化的原油占據后，水竄通道中水的滲流面積變窄，水流阻力增加，導致后續注入液進入以前未波及區域，從而形成調驅作用，提高其波及系數。由圖8c 可見，后續聚集的油最終被驅替出，同時水驅未波及的綠圈內原油被驅替采出，降黏劑驅采收率最終為43.3%，提高了24.5%。

圖8 水驅與降黏劑驅后原油分布Fig.8 Distribution of crude oil after water flooding and viscosity reducer flooding

賈敏效應 當乳化油滴在通過狹窄通道時，可能會發生聚并，在小孔喉處形成賈敏效應，改變驅替液方向。選取圖8b 中的一點放大并進行跟蹤分析。注降黏劑后，主流線上存在乳化小油滴（圖9a藍圈），之后油滴聚并成大油滴堵在孔喉處（圖9b藍圈），由于賈敏效應，其對水竄通道起封堵作用，周圍驅替液轉向，圖中紅圈內未被波及區域的剩余油被驅替走。

圖9 降黏劑驅形成賈敏效應Fig.9 Jamin effect of viscosity reducer flooding

正是由于乳化調驅和賈敏效應的作用，圖3 中注入壓力在驅替后期出現升高的過程，壓力的變化從側面進一步證實了降黏劑驅過程中調驅和封堵作用的存在。

3 結論

降黏劑驅通過提高驅油效率和增加波及系數2個方面提高采收率。

單管驅油效率測試結果表明，相對水驅，降黏劑驅可提高驅油效率13%。通過微觀驅油實驗分析，其提高驅油效率主要通過2 個途徑：①分散乳化，使大油滴變成水包油的小油滴，有利于通過狹窄的喉道，同時降低原油的表觀黏度，增強其流動性；②降低界面張力，增加毛管數，降低殘余油飽和度。

三維填砂驅油模型實驗結果表明，降黏劑驅可以將波及系數由水驅時18.8%提高到39.9%。通過微觀驅油實驗分析，其水驅時增加波及系數主要通過2 個途徑：①乳液調驅分散乳化的原油在流動時首先進入滲流阻力較小的水竄通道，水滲流面積減小、阻力增加，導致后續注入液進入以前未波及區域；②賈敏效應，降黏乳化小油滴聚并成大油滴堵在孔喉處，周圍驅替液轉向。