王振宇, 郭紅強(qiáng), 姚 健, 吳若寧, 董 越, 梅 艷

(1. 延長(zhǎng)油田股份有限公司勘探開發(fā)技術(shù)研究中心, 陜西 延安 716000；2. 延長(zhǎng)油田股份有限公司, 陜西 延安 716000； 3. 延長(zhǎng)油田股份有限公司杏子川采油廠, 陜西 延安 717400)

延長(zhǎng)油田為特低滲裂縫性油藏，儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)。目前水驅(qū)開發(fā)依然占據(jù)主導(dǎo)地位，注入水優(yōu)先沿優(yōu)勢(shì)孔道流動(dòng)，驅(qū)替作用為采出原油的主導(dǎo)因素[1-3]，部分區(qū)塊已經(jīng)進(jìn)入注水開發(fā)中后期，面臨水竄、油井高含水等一系列問(wèn)題。水驅(qū)開發(fā)中隨著優(yōu)勢(shì)孔道剩余油減少，基質(zhì)巖塊中原油依然富集，注入水在自發(fā)滲吸作用下可將基質(zhì)巖塊中的原油有效置換出來(lái)，后通過(guò)驅(qū)替作用將原油采出[4-9]。但單純依靠注入水自發(fā)滲吸的強(qiáng)度和波及范圍有限，油藏中仍滯留部分不可動(dòng)油和水驅(qū)不可及的區(qū)域。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出，利用化學(xué)劑的特殊作用可以強(qiáng)化滲吸作用，使自發(fā)滲吸向強(qiáng)制滲吸過(guò)渡，增大注入介質(zhì)的波及范圍和驅(qū)油效率，最大程度促進(jìn)基質(zhì)與裂縫的滲透與互換，進(jìn)而提高油田采收率[10-13]。延長(zhǎng)油田在化學(xué)劑強(qiáng)制滲吸方面的研究近乎空白。該研究通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，在不同類型表面活性劑對(duì)延長(zhǎng)油田長(zhǎng)6油藏的滲吸驅(qū)油效率影響分析基礎(chǔ)上，對(duì)滲吸體系進(jìn)行了優(yōu)選并進(jìn)行礦場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)延長(zhǎng)油田及同類其他油藏水驅(qū)開發(fā)具有指導(dǎo)和借鑒作用。

1 表面活性劑增滲機(jī)理

表面活性劑種類較多，根據(jù)活性劑分子在溶液中是否能解離成離子，將其分為離子型和非離子型表面活性劑，其中離子型表面活性劑又可按照所帶電荷的正負(fù)細(xì)分為陰離子、陽(yáng)離子以及兩性離子表面活性劑[14-17]。陰、陽(yáng)離子型表面活性劑的表面活性來(lái)源于陰、陽(yáng)離子單方面作用，兩性離子表面活性劑比較特殊，因其分子中同時(shí)存在正、負(fù)電荷基團(tuán)，在不同的酸堿性溶液中既可以表現(xiàn)出陰離子表面活性劑的性質(zhì)，又可以表現(xiàn)出陽(yáng)離子表面活性的性質(zhì)，如氨基酸型、甜菜堿型表面活性劑均為兩性離子表面活性劑；而非離子表面活性劑又與前面幾種存在很大不同，在溶液中不會(huì)電離，依靠多個(gè)羥基和醚鍵這樣的弱親水基團(tuán)而呈現(xiàn)出親水性，因此非離子表面活性劑性質(zhì)比較穩(wěn)定，如脂肪酸山梨坦(Span)，聚山梨酯(Tween)等都屬于非離子表面活性劑[18]。

圖1 巖石表面潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)機(jī)理示意圖Fig.1 Schematic diagram of the wetting reversal mechanism of rock surface

滲吸過(guò)程中加入表面活性劑后，一方面可以降低巖石孔隙表面的粘附功，注入水滲吸驅(qū)油過(guò)程中，使原油從巖石表面脫離所需的驅(qū)油動(dòng)力減小，相同的驅(qū)油動(dòng)力下，粘附功越小，越有利于原油從孔隙表面脫附；另一方面，可以改變巖石的潤(rùn)濕性，不同類型或濃度的表面活性劑改變巖石潤(rùn)濕性的程度和方向有所差異，因此作用機(jī)理也有較大的差異[19]。一些陽(yáng)離子表面活性劑通過(guò)在油水界面上吸附，如圖1a所示，在油相體系中形成膠束，進(jìn)一步與孔隙表面富集的活性物質(zhì)起反應(yīng)，增強(qiáng)了巖石孔隙表面的親水性[20]。而陰離子表面活性劑則通過(guò)憎水基在巖石孔隙表面吸附，如圖1b所示，使巖石的親水性變得更強(qiáng)，從而水在巖石表面鋪展能力增強(qiáng)，油膜厚度減小，擴(kuò)大滲吸波及范圍[21]。第三方面，降低了界面張力。油水界面張力大時(shí)，孤立的油滴在表面張力作用下，趨向于圓形不易變形，遇到狹窄孔喉容易卡斷滯留，加入表面活性劑后，油水界面張力降低，使油滴呈圓形的作用力降低，油滴容易發(fā)生變形，油滴流動(dòng)變形阻力減小，流動(dòng)能力增強(qiáng)，驅(qū)油效率提高。

水-油-巖石體系中油在巖石表面的粘附功可以通過(guò)式(1)計(jì)算：

W粘=σ油水(1-cosθ)

(1)

式中：W粘為油在巖石表面的粘附功；σ油水為油水界面張力；θ為水在巖石表面的接觸角。

從式(1)中可以看出，油水界面張力越小，水在巖石表面的接觸角越小，則對(duì)應(yīng)的粘附功越小，附著在巖石孔隙表面的原油越容易從巖石脫附。

2 實(shí)驗(yàn)材料和方法

2.1 實(shí)驗(yàn)器材及材料

本次實(shí)驗(yàn)界面張力測(cè)定依據(jù)表面及界面張力測(cè)定方法標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5370—2018，滲吸效率測(cè)試選取新型室內(nèi)可視化滲吸裝置，如圖2所示。

圖2 滲吸實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.2 Diagram of the experimental device for permeation

主要組成部件有高精密電子天平、滲吸釜、溫度控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)巖心為延長(zhǎng)油田長(zhǎng)6真實(shí)砂巖巖心，實(shí)驗(yàn)用油為對(duì)應(yīng)區(qū)塊長(zhǎng)6油藏脫水原油與煤油根據(jù)地層原油的黏度按一定比例配制的實(shí)驗(yàn)?zāi)M油。滲吸劑為對(duì)應(yīng)區(qū)塊長(zhǎng)6層位注入水和各類表面活性劑按一定比例與注入水配置而成的溶液。

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

1)將取自長(zhǎng)6儲(chǔ)層的巖樣按照長(zhǎng)度6 cm，直徑2.5 cm的標(biāo)準(zhǔn)造樣，并記錄各巖心樣品的真實(shí)尺寸。

2)使用酒精-苯進(jìn)行清洗，而后烘干處理，最后對(duì)各巖心樣品進(jìn)行水相滲透率測(cè)定，并記錄測(cè)定結(jié)果。

3)利用有機(jī)硅烷和有機(jī)氯硅烷溶液對(duì)W和L編號(hào)的巖心進(jìn)行處理，制備親油性和中性實(shí)驗(yàn)樣品。

4)將研究區(qū)長(zhǎng)6采出油進(jìn)行脫水后與煤油按一定比例配制實(shí)驗(yàn)用油，并利用本區(qū)注入水和各類表面活性劑按比例配置滲吸溶液，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表Table1 Statistical table of experimental data

5)巖心抽真空并完全飽和水，再用油驅(qū)水至不出水，認(rèn)為巖心飽和油結(jié)束。

6)將飽和好油的巖心放入滲吸瓶，并用微壓泵給滲吸瓶中注入滲吸用水至充滿滲吸瓶，開始記錄數(shù)據(jù)，直至巖心的質(zhì)量在數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中的顯示不再增加為止，單組滲吸實(shí)驗(yàn)時(shí)間一般在90 h以上，依次進(jìn)行各組滲吸試驗(yàn)。

7)利用公式計(jì)算滲吸驅(qū)油效率，表達(dá)式為

(2)

式中：Δm是t時(shí)刻巖心質(zhì)量增加值，g；Vo是巖心中飽和油的體積，cm3；ρw為實(shí)驗(yàn)用水密度，g/cm3；ρo為模擬油密度，g/cm3；R是t時(shí)刻巖心的靜態(tài)滲吸采出程度，%。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 驅(qū)油效率分析

通過(guò)對(duì)各組實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可以看出，滲吸驅(qū)油效率與巖心潤(rùn)濕性相關(guān)，加入表面活性劑后，通過(guò)對(duì)巖心潤(rùn)濕性和界面張力的改變，滲吸驅(qū)油的速度和驅(qū)油效率隨之變化。滲吸時(shí)間共138 h，不同的實(shí)驗(yàn)體系中，不加表面活性劑時(shí)，原油在親水巖心中的粘附功最小，僅有2.464 5×10-3J/m2，而在親油巖心中的粘附功達(dá)到16.743 7×10-3J/m2，是親水巖心的6.8倍。加入表面活性劑后，所有體系中的粘附功均大幅度降低，相同的表面活性劑加在親水巖心中后粘附功最小，在親油巖心中粘附功最大，中性巖心居中。

由圖3a可知，親水巖心初始滲吸速度最快，最終滲吸驅(qū)油效率也最高，達(dá)到15.5%；中性巖心略差于親水巖心，最終滲吸效率為11.7%；親油性巖心基本不發(fā)生滲吸現(xiàn)象，這是由于潤(rùn)濕角不同，所提供的滲吸動(dòng)力條件不同，即毛細(xì)管力的大小和方向不同。圖3b和圖3c所示為親水性和中性巖心在不同滲吸溶液體系下的滲吸結(jié)果，其中十六烷基磺酸鈉溶液滲吸效率最高，親水巖心中滲吸效率達(dá)到25.2%，中性潤(rùn)濕巖心中滲吸效率為20%；除體系Ⅴ和Ⅹ外，其他滲吸體系的滲吸速度和滲吸區(qū)有效率都高于注入水，原因是在加入各類表面活性劑后，界面張力降低，基質(zhì)中原油的變形能力增強(qiáng)，油滴可在之前處于卡斷狀態(tài)的孔隙喉道順利通過(guò)，增大了滲吸波及體積和強(qiáng)度，提高了滲吸驅(qū)油效率。但界面張力過(guò)低會(huì)影響滲吸動(dòng)力系統(tǒng)，原本以毛管力為主要?jiǎng)恿χ蔚哪嫦驖B吸減弱或直接轉(zhuǎn)變?yōu)榱艘灾亓轵?qū)動(dòng)的順向滲吸，滲吸速度和滲吸驅(qū)油效率會(huì)明顯降低，故滲吸驅(qū)油效果變差，如圖4所示。圖3d為親油性巖心的滲吸驅(qū)油實(shí)驗(yàn)結(jié)果，十六烷基磺酸鈉溶液滲吸效率最高，為14%，但均低于親水和中性潤(rùn)濕巖心中的滲吸效率；注入水滲吸體系中cosθ為-0.07，毛細(xì)管力變?yōu)榱藵B吸阻力，體系Ⅺ基本不發(fā)生滲吸現(xiàn)象，其他體系實(shí)驗(yàn)初期，巖心表面也沒(méi)有油滴析出，而在表面活性劑的作用下，巖心潤(rùn)濕性向水濕反轉(zhuǎn)，滲吸驅(qū)油逐漸發(fā)揮作用，基質(zhì)內(nèi)部分原油被成功置換。

圖3 潤(rùn)濕性及滲吸體系對(duì)滲吸驅(qū)油效率的影響Fig.3 Influence of wettability and imbibition system on imbibition oil displacement efficiency

圖4 界面張力與滲吸效率的關(guān)系Fig.4 The relationship between interfacial tension and imbibition efficiency

3.2 驅(qū)油效率機(jī)理分析

不同的表面活性劑體系滲吸結(jié)果表明，十六烷基磺酸鈉表面活性劑溶液滲吸效果最好，主要因?yàn)槭榛撬徕c是陰離子表面活性劑，在硬水中有非常好的潤(rùn)濕性和分散作用。長(zhǎng)6油藏地層水化驗(yàn)結(jié)果呈弱酸性，且Ga2+和Mg2+含量高，水的硬度高，如表2所示，在巖石表面的束縛水表面表現(xiàn)出正電性，因此使陰離子表面活性劑具有很強(qiáng)的吸附性，

在靜電力的作用下，活性劑溶液自發(fā)滲吸鋪展在巖石顆粒表面，同時(shí)降低界面張力，雙重作用使其具有較好的排驅(qū)效果，機(jī)理如圖5所示。相反，0.05RS-1溶液在親水滲吸體系和中性滲吸體系中，與同組中其他表面活性劑溶液相比，滲吸效果均最差，原因在于RS-1溶液屬于陽(yáng)離子表面活性劑，抗靜電功效較好，并且與陰離子物質(zhì)不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，自發(fā)吸入效果較差，在親油滲吸體系中的滲吸作用主要體現(xiàn)在增強(qiáng)巖石的親水性，降低油水界面張力的作用上。

圖5 陰離子表面活性劑滲吸機(jī)理示意圖Fig.5 Schematic diagram of the absorption mechanism of anionic surfactants

表2 HZP區(qū)塊油井水型化驗(yàn)結(jié)果Table 2 HZP block oil well water type test results

4 礦場(chǎng)應(yīng)用

0.05%Span活性溶液體系屬于非離子表面活性劑，該活性劑乳化能力和分散力均較好。滲吸排油過(guò)程中，原油受賈敏效應(yīng)、粘滯力等阻力作用，出現(xiàn)卡斷、滯留，不能順利流動(dòng)到大孔隙，加入此類活性劑后，卡斷滯留的原油被分散，減小了流動(dòng)阻力，增加了流動(dòng)能力，從而被動(dòng)用起來(lái)，原油乳化機(jī)理如圖6a所示，實(shí)際原油乳狀液如圖6b所示。但其驅(qū)油動(dòng)力并未增大，因此滲吸效率低于陰離子表面活性劑溶液滲吸效果。

0.05%MD-100A溶液是一種陽(yáng)離子季銨鹽，由其性質(zhì)可知，其分子比較小，而且分子鏈兩端由親水基團(tuán)組成，溶解于水中后帶正電荷且兩端親水，但不改變水的界面張力[22]。因此，0.05%MD-100A溶液的親水性略微增加了其進(jìn)入小孔隙的動(dòng)力，表現(xiàn)出比注入水和RS-1溶液的滲吸效率更高。

圖6 原油乳化圖Fig.6 Crude oil emulsification diagram

通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，延長(zhǎng)HZP區(qū)塊長(zhǎng)6油藏的地層水呈弱酸性，無(wú)論在親水性滲吸體系、中性滲吸體系或親油性滲吸體系中，陰離子表面活性劑(十六烷基磺酸鈉)滲吸驅(qū)油效果均最好，加入表面活性劑后，降低了粘附功，原油更容易脫離巖石表面。通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)為礦場(chǎng)應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

延長(zhǎng)HZP區(qū)為鄂爾多斯盆地典型的低孔低滲油藏，注水開發(fā)初期注入水主要依靠天然裂縫和人工裂縫等優(yōu)勢(shì)通道驅(qū)油，注水波及體積較小，水驅(qū)效果相對(duì)較差。利用上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，將該區(qū)塊的注入介質(zhì)進(jìn)行了改良和優(yōu)化，從而增強(qiáng)逆向滲吸作用，增大注入水波及體積，提升水驅(qū)效果。按照實(shí)驗(yàn)中優(yōu)選的滲吸體系，將注入水與十六烷基磺酸鈉按實(shí)驗(yàn)中濃度進(jìn)行配備，按照區(qū)塊合理注采比1.14的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行配注，保證穩(wěn)定注入。

選取HZP區(qū)塊中相鄰的6口注水井對(duì)應(yīng)的典型井組，其含水上升規(guī)律基本相同，為了充分發(fā)揮滲吸驅(qū)油效果，需要保證足夠的滲吸時(shí)間，故采用周期注水的方式。2019年5月以前常規(guī)注水，含水井組綜合含水上升較快，達(dá)到70%以上，2019年5月開始改變注水方式，采用周期注水，周期為15天。

礦場(chǎng)試驗(yàn)生產(chǎn)曲線如圖7所示，改變井組的注水方式后，油井的累產(chǎn)液逐漸下降，目前基本穩(wěn)定在58 m3/d，含水也逐漸下降，目前油井綜合含水率穩(wěn)定在約50%，累計(jì)產(chǎn)油量緩慢上升，從累計(jì)日產(chǎn)油17 t上升到24 t，目前保持穩(wěn)定，結(jié)果如圖7所示。2019年6月以來(lái)累計(jì)增油281 t，油井綜合含水下降20個(gè)百分點(diǎn)。HZP區(qū)塊典型井組注水過(guò)程中充分發(fā)揮出了滲吸驅(qū)油的作用。

圖7 礦場(chǎng)試驗(yàn)生產(chǎn)曲線Fig.7 Production curve of mine field trial

5 結(jié)論

1)巖心的潤(rùn)濕性對(duì)滲吸驅(qū)油有直接影響，注入水在親水性巖心驅(qū)油效果最好，滲吸效率為15.5%，中性巖心次之，滲吸效率為11.7%，親油性巖心基本不發(fā)生滲吸現(xiàn)象，可利用表面活性潤(rùn)濕性反轉(zhuǎn)的特性提高滲吸強(qiáng)度，達(dá)到較好的滲吸驅(qū)油效果。

2)不同類型的表面活性劑對(duì)滲吸效果的影響存在差異，其中0.05%十六烷基磺酸鈉溶液滲吸驅(qū)油效果最好，親水巖心中滲吸效率最高達(dá)到25.2%，最終優(yōu)選0.05%十六烷基橫酸鈉溶液作為滲吸驅(qū)油劑。

3)礦場(chǎng)試驗(yàn)表明，HZP區(qū)塊滲吸效果非常明顯，累計(jì)增油281 t，油井綜合含水下降了20個(gè)百分點(diǎn)。