吳凡 ，侯吉瑞 ，汪志明，馬云飛 ，王東營

（1.中國石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院，北京 102249；2.中國石油大學(xué)（北京）提高采收率研究院，北京 102249；3.中國石油三次采油重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室低滲油田提高采收率應(yīng)用基礎(chǔ)理論研究室，北京 102249；4.教育部油田開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249）

0 引言

三元復(fù)合驅(qū)作為三次采油技術(shù)可以大幅度提高原油采收率[1-4]，但是三元復(fù)合體系在地層中的損耗問題一直是制約三元復(fù)合驅(qū)發(fā)展的瓶頸之一，特別是在注入井附近，水驅(qū)之后近井地帶沖刷充分，含水飽和度較高，此時(shí)注入三元復(fù)合體系會造成嚴(yán)重的損耗，極大影響三元復(fù)合體系提高采收率的性能。國內(nèi)外在三元復(fù)合體系的損耗方面做了大量研究[5-6]，認(rèn)為三元復(fù)合體系在油層中滲流傳質(zhì)的影響因素主要包括物理及化學(xué)吸附、機(jī)械捕集、剪切降解、色譜分離、擴(kuò)散彌散等。劉剛等[7]的研究表明，三元復(fù)合體系在二類油層中驅(qū)替時(shí)各組分損失嚴(yán)重，表面活性劑在運(yùn)移距離的前 20%損失率達(dá)到 80%，堿與聚合物的損失率也達(dá)到23%和 12%。目前降低復(fù)合體系損耗的方法主要是在注入主段塞前注入前置預(yù)沖洗段塞以及在主段塞中直接加犧牲劑，但這兩種方法并不能有效降低三元復(fù)合體系的損失，特別是在近井地帶的損失，而且成本較高。因此，如何降低注入井附近三元復(fù)合體系的損耗，提高三元復(fù)合驅(qū)的驅(qū)油效率成為急需解決的技術(shù)難題。

近年來隨著油田的深入開發(fā)、老油田的挖潛，利用高壓水射流破巖作用的水力噴射徑向鉆孔技術(shù)越來越成熟。2007年，在劉家區(qū)煤礦采用水力噴射徑向水平井技術(shù)完鉆了直徑大于50.8 mm、長度100 m的多個(gè)水平井眼[8]；2011年，在埃及Belayim油田1號井的兩個(gè)層位完鉆了5個(gè)長50 m和1個(gè)長90 m的徑向水平段[9]；2012年，在延長油田的M井，成功完鉆多個(gè)長度100 m的徑向水平段[10]。

為提高三元復(fù)合體系的利用效率，將高壓水力噴射徑向鉆水平井技術(shù)與三元復(fù)合驅(qū)結(jié)合起來，提出一種靶向輸送三元復(fù)合體系的注入方式，即在水驅(qū)后利用高壓水射流技術(shù)[11-14]，以富集油的區(qū)域?yàn)槟繕?biāo)靶位，從注入井到目標(biāo)靶位鉆出超短半徑徑向水平井作為靶向通道，三元復(fù)合體系經(jīng)過靶向通道被直接輸送至富集油的區(qū)域，以達(dá)到減少三元復(fù)合體系在注入井附近損耗的問題，充分發(fā)揮三元復(fù)合體系的利用效率，提高采收率。為優(yōu)選出最佳驅(qū)替方案，利用平板均質(zhì)巖心模型，開展相關(guān)的驅(qū)替物理模擬實(shí)驗(yàn)，并結(jié)合數(shù)值模擬技術(shù)優(yōu)化驅(qū)替參數(shù)。

1 三元復(fù)合驅(qū)靶向輸送實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

①堿（NaOH）：分析純；②表面活性劑：烷基苯磺酸鈉類混合物，有效含量 50%；③聚合物：相對分子質(zhì)量 2 400×104～2 600×104，平均 2 500×104，有效固含量90%，水解度 22%；④實(shí)驗(yàn)用水：模擬大慶油田地層水，礦化度6 778 mg/L（其中KCl：20 mg/L，NaCl：3 488 mg/L，Na2SO4：114 mg/L，MgCl2·6H2O：564 mg/L，CaCl2：64 mg/L，NaHCO3：2 828 mg/L）；⑤實(shí)驗(yàn)用油：大慶采油二廠脫氣脫水原油與航空煤油配制，模擬油黏度7.9 mPa·s（使用布氏黏度計(jì)在45 ℃下，以7.34 r/s測定）；⑥三元復(fù)合體系：用模擬地層水配制濃度 1 500 mg/L聚合物溶液，然后分別加入1.2%堿（NaOH）和 0.3%（有效質(zhì)量分?jǐn)?shù)）表面活性劑，得到三元復(fù)合驅(qū)油體系。該三元復(fù)合驅(qū)油體系的表觀黏度為 36.8 mPa·s（測定方法同材料⑤），三元復(fù)合體系在 45 ℃下與所配制的模擬油之間的界面張力為2.05×10-3mN/m；⑦平板巖心模型（見圖1）：均質(zhì)澆筑，其上分布注入井、采出井、電極對及飽和油水井（巖心飽和油、水時(shí)使用）。電極對用于測試電阻計(jì)算含油飽和度，繪制含油飽和度分布圖。模型尺寸50 cm×50 cm×3 cm，滲透率 500×10-3μm2。

圖1 實(shí)驗(yàn)平板模型

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

驅(qū)替實(shí)驗(yàn)儀器包括 HDH-100C型高溫高壓恒速泵、靜音空氣泵、HW-Ⅱ型恒溫箱、高壓中間容器、電阻測試裝置、SVT20N型旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀、DV-II+Pro型Brookfield黏度計(jì)、量筒等。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

為便于靶向通道的設(shè)置，平板模型注采方式為四分之一五點(diǎn)井網(wǎng)的一注一采方式。受模型及實(shí)驗(yàn)條件的限制，實(shí)驗(yàn)中采用鉆孔方式替代水射流過程來設(shè)置靶向通道，其長度25 cm、直徑3 mm。

實(shí)驗(yàn)步驟：①模型抽真空、飽和水；②飽和油、老化；③水驅(qū)油至出口含水率98%，計(jì)算水驅(qū)采收率；④常規(guī)三元復(fù)合驅(qū)替，水驅(qū)后直接注入0.3倍孔隙體積三元復(fù)合體系，繼續(xù)水驅(qū)至含水 98%；⑤重復(fù)①—③步后測試平板模型各部分的電阻，計(jì)算含油飽和度，繪制含油飽和度分布圖；⑥根據(jù)含油飽和度分布確定目標(biāo)靶位；⑦鉆靶向通道（直角或?qū)牵砂邢蛲ǖ雷⑷?0.3倍孔隙體積三元復(fù)合體系，繼續(xù)水驅(qū)至含水98%，計(jì)算總采收率；⑧繪制后續(xù)水驅(qū)結(jié)束后含油飽和度分布圖，與常規(guī)驅(qū)替進(jìn)行對比分析。

1.4 靶位確定方法

確定目標(biāo)靶位就是找出水驅(qū)后剩余油富集的區(qū)域，電阻法測電阻的方式可以計(jì)算平板模型中含油飽和度，繪制出水驅(qū)后的含油飽和度分布圖，從而確定目標(biāo)靶位。

通常地層水電阻率較低，原油電阻率無窮大（1×1016～10×1016?·m），巖石電性可以反應(yīng)出含水飽和度的變化。測量計(jì)算平板模型各部分的電阻率，由阿爾奇公式計(jì)算出含水飽和度[15-16]：

式中b——系數(shù)，無因次；IR——電阻率比值，無因次；n——飽和度指數(shù)，無因次；Rt——含油電阻率（實(shí)測電阻率），?·m；Rw——完全含水電阻率，?·m；Sw——含水飽和度，%。b和n的值可由巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)確定。

平板模型系統(tǒng)中，飽和用模擬地層水電極對間電阻在1×103?數(shù)量級，水中加入三元復(fù)合體系后溶液電阻值比原模擬地層水有所降低，為1×102～1×103?數(shù)量級，飽和原油后電阻達(dá)到1×106～1×107?數(shù)量級?？梢钥闯?，驅(qū)替用模擬地層水、三元復(fù)合體系溶液、原油電阻值差異顯著，因此驅(qū)替過程中可以通過測試電阻的方法來計(jì)算油水飽和度分布。

圖 2為水驅(qū)后含油飽和度分布圖，可以看出，水驅(qū)過后注入井和采出井對角線上為明顯的滲流通道，其含油飽和度下降明顯。注入井和采出井連線的垂直方向由于波及效率和驅(qū)油效率較低，剩余油較多，該區(qū)即為目標(biāo)靶位。為驗(yàn)證不同靶向通道下的三元復(fù)合驅(qū)效果，特設(shè)計(jì)直角靶向通道與對角靶向通道（見圖3a、圖3b），開展三元復(fù)合驅(qū)靶向輸送對比實(shí)驗(yàn)。

2 靶向輸送三元復(fù)合驅(qū)效果

表 1為相同條件下常規(guī)與靶向三元復(fù)合驅(qū)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可看出水驅(qū)采收率相差不大，模型可重復(fù)性較好；三元復(fù)合驅(qū)階段，相對于水驅(qū)，常規(guī)三元復(fù)合體系注入方式采收率提高19.47%；而靶向輸送注入方式提高采收率幅度明顯高于常規(guī)注入方式，對角靶向注入方式比水驅(qū)采收率提高29.24%，比常規(guī)三元復(fù)合體系注入方式采收率提高9.77%；直角靶向注入方式采收率提高幅度最大，比水驅(qū)提高35.02%，比常規(guī)三元復(fù)合體系注入方式提高15.55%，這主要是直角靶向三元復(fù)合驅(qū)波及面積更大，波及效率更高。

圖2 平板模型水驅(qū)后含油飽和度分布

圖3 靶位及靶向通道設(shè)計(jì)示意圖

表1 常規(guī)與靶向輸送三元復(fù)合驅(qū)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測的電阻，分別計(jì)算出常規(guī)注入、對角靶向注入、直角靶向注入三元復(fù)合體系結(jié)束和后續(xù)水驅(qū)結(jié)束后的含油飽和度，并繪制出含油飽和度分布圖（見圖4、圖5）。由圖4a可見，注入井到采出井有明顯的滲流通道，該通道上驅(qū)替效率較高，但整體波及效果較差；常規(guī)注入三元復(fù)合體系后續(xù)水驅(qū)結(jié)束后，圖 5a與圖 4a相比，滲流通道上沖刷更為充分，但波及面積變化不大，因而采收率提高幅度有限。

圖4b、圖4c分別為對角靶向和直角靶向三元復(fù)合驅(qū)結(jié)束時(shí)含油飽和度分布，與常規(guī)注入方式相比，注入井與采出井連線上驅(qū)替效果有所降低，但波及面積顯著增大，直角靶向波及效率優(yōu)于對角靶向。

圖4 三元復(fù)合驅(qū)結(jié)束后含油飽和度分布

圖5 后續(xù)水驅(qū)結(jié)束后含油飽和度分布

圖5b、圖5c分別為對角靶向和直角靶向后續(xù)水驅(qū)結(jié)束后含油飽和度分布，可以看出，靶向三元復(fù)合驅(qū)增大了波及面積，提高了驅(qū)替效率。沿靶向方位驅(qū)替效率更高，直角靶向優(yōu)于對角靶向，因此，直角靶向三元復(fù)合驅(qū)在后續(xù)水驅(qū)階段提高采收率程度最高，對角靶向三元復(fù)合驅(qū)次之，常規(guī)三元復(fù)合驅(qū)最低。

3 靶向輸送三元復(fù)合驅(qū)動(dòng)態(tài)特征

圖 6為常規(guī)、對角靶向和直角靶向三元復(fù)合驅(qū)的含水率、采出程度和注入壓力隨注入量變化關(guān)系曲線。

分析圖6a，可得3點(diǎn)認(rèn)識：①經(jīng)過一段時(shí)間的三元復(fù)合驅(qū)后，隨著三元復(fù)合體系向模型深處運(yùn)移，各注入方式下含水率均開始下降。常規(guī)注入方式下三元復(fù)合體系沿之前的滲流通道運(yùn)移，而靶向注入方式下三元復(fù)合體系沿靶向通道快速到達(dá)剩余油富集區(qū)域，因此靶向注入方式下含水率下降更快，且兩種靶向注入方式下含水率下降曲線基本一致。②常規(guī)三元復(fù)合驅(qū)含水率最低降至 35%左右，最低含水率維持時(shí)間較短；靶向三元復(fù)合驅(qū)含水率最低為 20%左右，最低含水率維持時(shí)間較長。③含水率到達(dá)最低點(diǎn)后，常規(guī)注入方式下含水率迅速上升，很快達(dá)到 98%并逐漸趨于平穩(wěn)；靶向注入方式含水率上升相對緩慢平穩(wěn)，因直角靶向注入方式下波及面積更大，波及效率更高，置換出更多的剩余油，因此，后續(xù)水驅(qū)階段含水率上升速度與幅度均小于對角靶向注入方式，直角靶向注入方式洗油、控水效果更明顯。

圖6 不同動(dòng)態(tài)參數(shù)隨注入量變化關(guān)系曲線

圖6b顯示，水驅(qū)結(jié)束后3個(gè)模型采收率基本一致。①三元復(fù)合驅(qū)階段，靶向注入方式采出程度上升率與上升幅度要優(yōu)于常規(guī)注入方式。②后續(xù)水驅(qū)階段，常規(guī)注入三元復(fù)合驅(qū)采出程度變化趨于平穩(wěn)，最終采出程度為53.51%；對角靶向驅(qū)替方式采出程度仍有一定程度上升后趨于平穩(wěn)，最終采收率61.32%；直角靶向驅(qū)替采收率有較大上升，比對角靶向驅(qū)替高出5.78%，最終采收率達(dá)70.49%。靶向輸送注入方式波及效率更高，驅(qū)油效果更好，且直角靶向注入方式更優(yōu)。

圖6c為不同注入方式三元復(fù)合驅(qū)階段注入壓力隨注入量的變化情況，水驅(qū)結(jié)束后各注入方式下注入壓力基本一致。三元復(fù)合驅(qū)階段，對于常規(guī)注入，隨著三元復(fù)合體系前緣不斷運(yùn)移，到達(dá)一定深度之后體系的增黏效果顯現(xiàn)出來，壓力不斷上升至0.65 MPa左右，注入量達(dá)0.32倍孔隙體積后壓力開始下降。靶向注入方式在三元復(fù)合驅(qū)開始后壓力上升更為明顯，這是由于常規(guī)三元復(fù)合驅(qū)方式下，近井地帶剩余油較少，三元復(fù)合體系經(jīng)過近井地帶時(shí)因吸附滯留化學(xué)反應(yīng)等作用，有很大的消耗；而靶向輸送經(jīng)過靶向通道使得三元復(fù)合體系的性能在到達(dá)剩余油富集區(qū)之前能夠更多地保留，體系黏度更高，所以注入壓力上升更快。對角靶向與直角靶向注入壓力最終上升至 1.30 MPa左右，注入壓力越高，在相同距離內(nèi)則壓力梯度更高，驅(qū)油效果更好。

4 靶向輸送參數(shù)優(yōu)化

采用 CMG數(shù)值模擬軟件模擬平板模型徑向流三元復(fù)合驅(qū)，研究不同靶向通道長度、三元復(fù)合體系注入量、靶向通道方位條件下的驅(qū)替效果變化，優(yōu)選最佳的靶向驅(qū)替方案。

數(shù)值模型基本參數(shù)與實(shí)際物理模型一致，模型網(wǎng)格數(shù)為50×50×1，平面上網(wǎng)格步長為1 cm，因模型均質(zhì)，故縱向上劃分為一層，網(wǎng)格步長為3 cm，共2 500個(gè)網(wǎng)格，滲透率 500×10-3μm2。

4.1 靶向通道長度優(yōu)化

為確定最佳的靶向通道長度，設(shè)計(jì)模擬驅(qū)替過程與物理模擬實(shí)驗(yàn)過程一致，即先水驅(qū)至含水 98%，然后打通靶向通道，從通道注入0.3倍孔隙體積三元復(fù)合體系（0.3%表面活性劑+1.2%堿+1 500 mg/L聚合物），最后再水驅(qū)至含水98%，驅(qū)替過程結(jié)束。

模擬計(jì)算水驅(qū)至含水98%時(shí)，采收率為34.59%，水驅(qū)結(jié)束后，保證其他條件不變，將通道長度分別設(shè)置為 4，8，10，12，15，20，25，30，35 cm，模擬計(jì)算各三元復(fù)合驅(qū)方式下的采收率，結(jié)果見圖7。圖中靶向通道長度為0時(shí)即為常規(guī)三元復(fù)合驅(qū)，相對于水驅(qū)，采收率提高23.01%。對角靶向通道長度從4 cm增加到35 cm的過程中，對應(yīng)的采收率提高值呈先上升后下降的趨勢，當(dāng)靶向通道長度等于 10 cm時(shí)達(dá)到最大值36.41%；直角靶向注入方式下采收率提高值曲線變化趨勢與對角靶向方式一致，但整體采收率提高值要大大高于對角靶向方式，同樣靶向通道長度等于 10 cm時(shí)達(dá)到最大值46.84%。模擬結(jié)果顯示靶向通道的長度最佳為10 cm，為井距的14.14%。

圖7 采收率提高值與靶向通道長度關(guān)系曲線

圖中曲線顯示，隨著靶向通道的變長，三元復(fù)合體系減少了不必要的損耗，采收率大幅提高，但隨著通道長度的繼續(xù)增加，采收率提高值反而下降。分析原因，注入井近井地帶在水驅(qū)過程中已經(jīng)沖刷較為充分，剩余油較少，剩余油集中在中后部位，適當(dāng)長度的靶向通道正好可以避開剩余油較少的區(qū)域，充分發(fā)揮三元復(fù)合體系的洗油效果；相反，如果靶向通道過長就會跳過一部分剩余油分布區(qū)域，即波及面積相應(yīng)減少，采收率提高值相應(yīng)降低。

4.2 三元復(fù)合體系注入量優(yōu)化

根據(jù)上述靶向通道長度優(yōu)化結(jié)果，設(shè)置對角靶向通道長度為10 cm，在靶向注入階段，分別注入0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9，1.0 倍孔隙體積段塞的三元復(fù)合體系，模擬三元復(fù)合體系注入量對采收率的影響（見圖8）。隨著三元復(fù)合體系注入量不斷增加，采收率提高值快速上升，當(dāng)注入量達(dá)到 0.4倍孔隙體積后，曲線上升幅度逐漸趨緩，三元復(fù)合體系提高采收率效率降低。綜合考慮礦場應(yīng)用成本及三元復(fù)合體系的利用效率，推薦三元復(fù)合體系段塞的大小為0.4倍孔隙體積。

圖8 采收率提高值與三元復(fù)合體系注入量關(guān)系曲線

4.3 靶向通道方位優(yōu)化

同樣采用前面最優(yōu)靶向通道長度和最優(yōu)三元復(fù)合體系注入量，設(shè)計(jì)對角、直角及二者疊加形成的復(fù)合靶向通道進(jìn)行驅(qū)替模擬，對比最終采收率提高情況，優(yōu)選出最佳的靶向通道設(shè)計(jì)方案。模擬結(jié)果見表2，表中無靶向通道方式即為常規(guī)三元復(fù)合體系注入方式，相對于水驅(qū)，采收率提高26.83%。數(shù)據(jù)顯示，對角靶向、直角靶向、復(fù)合靶向在通道長度10 cm，注入三元復(fù)合體系段塞0.4倍孔隙體積時(shí)，相對于水驅(qū)，采收率提高值分別為40.31%、48.87%、43.94%，直角靶向通道方式采收率提高程度最大。

直角靶向與對角靶向相比，由于波及效率更高，提高采收率效果更明顯，而復(fù)合靶向方式雖然靶向通道更多波及面積更大，但在三元復(fù)合體系段塞量一定的情況下，每條靶向通道中的復(fù)合體系量減少，則復(fù)合體系會更快地被稀釋損耗，驅(qū)替效率相應(yīng)降低。在三元復(fù)合體系總量一定的情況下并不是靶向通道越多提高采收率程度越大，所以復(fù)合靶向三元復(fù)合驅(qū)提高采收率效果低于直角靶向。綜上所述推薦使用直角靶向的靶位設(shè)計(jì)方式。

表2 靶向通道方位優(yōu)化模擬結(jié)果

4.4 應(yīng)用前景及技術(shù)難點(diǎn)

三元復(fù)合驅(qū)技術(shù)的發(fā)展存在兩大瓶頸：一是三元復(fù)合體系在地層中的損耗，二是高成本。三元復(fù)合驅(qū)靶向輸送技術(shù)將高壓水射流鉆徑向水平井技術(shù)與三元復(fù)合驅(qū)相結(jié)合，三元復(fù)合體系可直接輸送到剩余富集區(qū)，避免了在注入井近井地帶的損耗，基本解決了瓶頸一。平板模型實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬參數(shù)優(yōu)化研究證實(shí)，三元復(fù)合驅(qū)靶向輸送在合理參數(shù)下，相對于常規(guī)三元復(fù)合驅(qū)可提高采收率22.04%，采收率提高所帶來的經(jīng)濟(jì)效益基本可解決鉆靶向通道的成本與三元復(fù)合驅(qū)本身的高成本問題。因此，可以預(yù)見，通過進(jìn)一步的深入研究與礦場試驗(yàn)，該技術(shù)成熟后具有廣闊的應(yīng)用前景。

三元復(fù)合驅(qū)靶向輸送技術(shù)目前還處于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)階段，真正應(yīng)用于現(xiàn)場還有兩大關(guān)鍵技術(shù)問題需要解決：①非均質(zhì)、多儲集層注水開發(fā)條件下如何準(zhǔn)確預(yù)測剩余油富集區(qū)；②非均質(zhì)、多儲集層條件下靶向通道參數(shù)及三元復(fù)合體系注入量優(yōu)化。

5 結(jié)論

三元復(fù)合驅(qū)靶向輸送技術(shù)將高壓水射流鉆徑向水平井技術(shù)與三元復(fù)合驅(qū)相結(jié)合，三元復(fù)合體系可直接被輸送到剩余油富集區(qū)，避免了注水井近井地帶的損耗，可顯著擴(kuò)大波及效率，改善驅(qū)油效果，大幅度提高原油采收率。靶向輸送最佳驅(qū)替參數(shù)為：直角靶向輸送，通道長度約為井距的 15%，三元復(fù)合體系段塞注入量為0.4倍孔隙體積。

靶向輸送技術(shù)解決了三元復(fù)合驅(qū)近井地帶化學(xué)劑的高損耗問題，同時(shí)彌補(bǔ)了三元復(fù)合驅(qū)成本高、應(yīng)用受限的缺陷，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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