孟文玉，唐善法，2，王思瑤，董沅武，王 睿，高 潔，陳澤群

（1.長江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北武漢 430100；2.油氣鉆采工程湖北省重點實驗室，湖北武漢 430100）

0 前言

隨著石油資源的不斷開采和利用，我國的大部分中高滲油藏已經(jīng)進入高含水期，低滲、特低滲油藏逐漸成為我國提高石油產(chǎn)量的重要方向［1］。因此，為保證我國油氣資源的產(chǎn)量和石油工業(yè)的發(fā)展，改善低滲透油藏的開采效果、提高采收率已成為必須解決的重要問題。

由于我國低滲透油藏孔隙度小、非質(zhì)性強、賈敏效應(yīng)明顯，注水過程中啟動壓力及壓力梯度大，致使低滲透油藏在驅(qū)替過程中壓力過高，易發(fā)生注入水突進現(xiàn)象，難以形成有效驅(qū)替［2-4］?，F(xiàn)有的常規(guī)表面活性劑驅(qū)雖能降低油水界面張力，但對非均質(zhì)性油藏的適應(yīng)性較差，難以達到良好的流度控制要求。傳統(tǒng)的含聚合物化學(xué)驅(qū)中，聚合物屬大分子或高分子物質(zhì)，雖增黏性好但難以注入低滲透小孔隙中，如果強行注入則會因過強的剪切作用導(dǎo)致不可逆的黏度損失，甚至滯留孔隙中造成儲層傷害［5-8］。因此，在低滲透油藏中，急需尋找一種注入性好且能有效改善驅(qū)替相流度并提高采收率的方法，以滿足良好的注入性、油藏環(huán)境適應(yīng)性等需求。

本文提出了一種低界面張力小分子驅(qū)油劑（LST溶液）提高低滲透油藏采收率新技術(shù)。系統(tǒng)考察了LST 溶液的界面活性、增黏性、乳化性能及潤濕性，并研究了LST 溶液靜態(tài)吸附、配制水礦化度對其界面活性、增黏性的影響，最后模擬油藏均質(zhì)/非均質(zhì)性，評價了LST溶液驅(qū)油提高水驅(qū)采收率效果。本研究旨在為低滲透油藏化學(xué)驅(qū)提高采收率技術(shù)的選用提供新的思路及實驗依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

原油，47.2 ℃下的黏度為3.4 mPa·s，取自某低滲透油藏，脫水后備用；低界面張力小分子驅(qū)油劑LST溶液，屬低聚型（聚合度n=3～5）小分子活性有機物，相對分子質(zhì)量＜2000，含羥基、羧酸、磺酸基及鏈烴等基團，由長江大學(xué)石油工程學(xué)院提供；人造巖心，石英砂（120～150 mm），滲透率為0.01～0.15 μm2；含油巖心粉，取自前述低滲透油藏；模擬地層水礦化度與注入水一致，皆為6788.23 mg/L，離子組成（單位mg/L）為：Na+1684.33、K+10.67、Ca2+349.74、Mg2+75.01、Cl-1033.48、SO42-3470.9、HCO3-164.1。

MCR301 型界面流變儀，奧地利Anton Par 公司；TEXAS-500 型旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀，美國科諾工業(yè)有限公司；Brookfield DV3T 型黏度計，美國Brookfield公司；OCA50型全自動接觸角測量儀，德國Dataphysics 公司；FA2004 型電子天平，上海舜宇恒平科技儀器有限公司；多功能巖心驅(qū)替裝置，海安石油科研儀器有限公司等。

1.2 實驗方法

（1）溶液配制

模擬地層水的配制：根據(jù)離子組成，配制2000 mL 20 g/L的模擬地層水，機械攪拌0.5 h后移入2000 mL容量瓶定容，制得高礦化度地層水母液。實驗所需礦化度皆由該母液稀釋而成。

LST 溶液的配制：準確稱取18 g LST 溶液置于裝有模擬地層水的燒杯中，機械攪拌4 h，待完全溶解后移入500 mL容量瓶定容，制得高濃度的LST母液。實驗所需LST溶液皆由該母液稀釋得到。

（2）界面活性、黏度及乳化性測試

油水界面張力：在溫度47.2 ℃、轉(zhuǎn)速5000 r/min的條件下，采用旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀測定LST溶液與原油間的界面張力。

黏度：在溫度47.2 ℃、剪切速率7 s-1的條件下，使用黏度計測定LST溶液的黏度。

乳化性能：在溫度47.2 ℃、油水比1∶1 的條件下，在50 mL具塞量筒中加入10 mL 0.4%LST溶液與10 mL 原油，使用玻璃棒攪拌均勻后，放入47.2 ℃的恒溫箱中靜置，觀察并記錄量筒開始油水分離的時間，然后每隔一定時間，記錄一次析出水的體積，直至析出水體積不再變化。按式（1）計算乳狀液的析水率（E），以此來判斷驅(qū)油體系的乳化性能。

式中：V1—析出水的體積，mL；V2—制備乳狀液時LST溶液體系的體積，mL。

（3）潤濕性能測試

將巖心洗油烘干后，切割成尺寸一致的巖心切片，將其表面打磨光滑；在47.2 ℃下，用0.4% LST溶液浸泡7 h，取出風(fēng)干；使用全自動接觸角測量儀測定水相、油相接觸角，根據(jù)接觸角大小判定其潤濕性。

（4）礦物靜態(tài)吸附對LST溶液性能的影響

取適量目標(biāo)油藏天然含油巖心粉，將巖心粉與0.4% LST 溶液按質(zhì)量比1∶50 置于250 mL 錐形瓶中，使其充分混合均勻后密封；將密封后的錐形瓶放入47.2 ℃恒溫水浴搖床中振蕩24 h；取出靜置一段時間，待固液呈分離狀態(tài)時取上層清液，測試其油水界面張力、黏度及乳狀液析水率。重復(fù)以上操作3 次，測定不同吸附次數(shù)下LST 殘液的油水界面張力、黏度和乳化析水率。

（5）LST溶液耐鹽性測試

配制不同礦化度（0～16 570 mg/L）的0.4%LST溶液，評價礦化度對LST溶液油水界面活性、黏度、乳化性能的影響。

（6）驅(qū)油效果測試

均質(zhì)巖心驅(qū)油實驗。①選取均質(zhì)人造巖心（0.05 μm2），烘干、稱量后充分飽和地層水，稱巖心濕重，計算巖心的孔隙體積和孔隙度。②將巖心放入多功能巖心驅(qū)替實驗裝置中，加環(huán)壓，再實施油驅(qū)水，建立束縛水飽和度；封閉夾持器兩端，使其在47.2 ℃下靜置老化24 h。③以流速0.1 mL/min進行水驅(qū)油，直至出口端無油產(chǎn)出為止，計算水驅(qū)采收率。④轉(zhuǎn)注0.4%LST溶液共0.4 PV，然后水驅(qū)至采出液含水率100%，計算LST驅(qū)提高水驅(qū)采收率。

非均質(zhì)巖心驅(qū)油實驗。①選取滲透率級差為3、5、10的巖心，烘干、稱重后充分飽和地層水；②重復(fù)均質(zhì)巖心驅(qū)油實驗中的②③④操作。

2 結(jié)果與討論

2.1 LST溶液性能評價

2.1.1 界面活性

在47.2 ℃下，不同質(zhì)量分數(shù)（0.2%～1.0%）LST溶液與原油間的界面張力如圖1所示。隨LST溶液加量的增大，LST 溶液與原油間的界面張力呈先降低后緩慢上升之勢；LST溶液加量為0.4%時的油水界面張力最低。這與LST 溶液中具有的特殊官能團及液相中的LST溶液擴散移動有關(guān)。LST溶液屬低聚型小分子活性有機物，具有類似于雙子表面活性劑的多親水基團（羧基、羥基、磺酸基）及疏水基團（鏈烴），且聚合度相對更高（n=3～5）。LST 溶液與水、原油間分別通過氫鍵［7-9］及疏水締合作用，可更快更好地吸附在油水界面，有效降低油水界面張力。當(dāng)LST 溶液濃度較低時，油水界面吸附的LST溶液較少，降低油水界面張力效果不明顯；隨著LST溶液濃度增加，有更多的LST溶液可吸附于油水界面，使得油水界面張力降低；當(dāng)體系濃度增大到臨界值（0.4%）時，LST溶液分子在界面上的排列趨于飽和，即LST溶液分子繼續(xù)吸附于油水界面的機遇受限，此時界面張力達到最小值；水中LST 溶液濃度繼續(xù)增大，則LST溶液活性分子開始在溶液中形成疏水締合，液相黏度呈增大之勢，影響LST 溶液快速擴散到油水界面，繼而導(dǎo)致界面張力小幅升高，界面活性變?nèi)酰?0-11］。但在實驗濃度范圍內(nèi)，油水界面張力均處于2×10-2mN/m 數(shù)量級，說明LST 溶液具有較好的降低油水界面張力的能力，可以作為提高洗油效率的驅(qū)油劑。

圖1 不同質(zhì)量分數(shù)LST溶液對油水動態(tài)界面張力的影響

2.1.2 增黏性

在47.2 ℃、剪切速率7 s-1的條件下，0.2%～1.4%LST溶液的黏度如圖2所示。LST溶液的黏度隨著LST 溶液加量的增大而增大。在質(zhì)量分數(shù)為0.4%時，便可達到與地層原油相近的黏度，滿足注入流體流度調(diào)節(jié)的需求。這主要與分子間的疏水締合作用有關(guān)。隨著LST溶液濃度的增加，溶液中LST分子間疏水締合作用增強，分子大量聚集，形成一種較大的物理搭疊動態(tài)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)［12-13］，使得LST溶液黏度急劇增加。

圖2 LST溶液黏度隨其加量的變化曲線

綜上所述，0.4%LST溶液既有與地層原油相近的黏度，又具備低的油水界面張力，可以有效擴大波及體積和提高洗油效率?？紤]到現(xiàn)場驅(qū)油的效果和經(jīng)濟性，選用質(zhì)量分數(shù)為0.4%的LST溶液作為最佳驅(qū)油劑。

2.1.3 乳化性能

在47.2 ℃、油水比為1∶1 的條件下，0.4% LST乳狀液的乳化性能如圖3所示。乳狀液開始破乳的時間為5 min，在40 min 內(nèi)油水迅速分離，40 min 以后油水分離的速度逐漸變緩，直至100 min 時析水率曲線才逐漸平穩(wěn)，此時的析水率為70%。這說明0.4%LST乳狀液的破乳和析水時間較長，析水率較低，乳化穩(wěn)定性較強。在40 min 以前，受乳狀液液滴間的相互作用及自身重力的影響，油和水在開始破乳之后油水分離速度很快［10，14］；經(jīng)油水分離一段時間后，乳狀液中的油滴在連續(xù)水相中的占比增大，增大了乳狀液液滴之間的相互作用，使液滴之間排列的更加緊密，從而增強了油水界面膜的強度，有利于乳狀液的穩(wěn)定。

圖3 在47.2 ℃下LST溶液乳狀液的析水率隨時間的變化

2.1.4 潤濕性

將巖心置于0.4%LST溶液中浸泡后，測定巖心在水相和油相中接觸角的變化。未經(jīng)處理的巖心水相接觸角為57.0°（＜90°），說明巖心的親水性較好；經(jīng)LST溶液處理后，巖心的潤濕角降至12.5°，由此可知LST溶液可增強巖心的水潤濕性，使其更加親水。LST 溶液處理后，巖心與油相的接觸角從24.3°增至38.6°，也說明了LST 溶液使巖心變得更加疏油親水。因此，LST溶液注入低滲透油藏后，可以減小孔隙表面對原油的附著力，將孔隙壁面的殘余油剝離產(chǎn)出；同時可提高驅(qū)替相注入性，具有降壓增注的效果［15］。

2.2 礦物靜態(tài)吸附和礦化度對LST溶液性能的影響

2.2.1 礦物靜態(tài)吸附的影響

0.4%LST溶液經(jīng)重復(fù)多次吸附后，其殘液與原油間的界面張力、黏度和乳化性能如表1 所示。隨著吸附次數(shù)的增加，LST 殘液與原油間的界面張力和乳狀液的析水率均增大，黏度則減小。當(dāng)吸附次數(shù)達到3 次時，LST 殘液與原油間的界面張力仍能達到10-2mN/m 數(shù)量級，乳狀液靜置10、120 min 的析水率為38.6%、73.4%，說明LST 溶液具有良好的靜態(tài)抗吸附性能。地層巖石對LST 分子的吸附量較小，極大地減小了現(xiàn)場對LST溶液的使用量。這是由于目標(biāo)油藏孔隙巖石礦物表面主要帶負電荷，驅(qū)油劑LST溶液并不會電離出陽離子，且與儲層巖石間的靜電引力作用較弱［16-17］，因此導(dǎo)致體系與巖石礦物表面的吸附量較小。

表1 LST溶液吸附殘液的油水界面張力、黏度和乳化性能

2.2.2 礦化度的影響

礦化度（0～16 570 mg/L）對0.4% LST 溶液油水界面張力、黏度及乳化性能的影響如圖4、圖5所示。由圖4 可見，隨著礦化度的增加，LST 溶液的油水界面張力呈先降后升的趨勢。礦化度較低時，LST 溶液中的親水基團大多存在于水相，少量分布于油相；隨著礦化度增大，其與鹽溶液中的反離子發(fā)生靜電相互作用，壓縮極性頭水化層和膠束雙電層［18］，使得親水基團更易吸附于油水界面，因此油水界面張力降低。隨著礦化度的繼續(xù)增加，界面的吸附平衡被破壞，油水界面張力增高［18］。這種高礦化度也會破壞LST 溶液中的特殊網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使得LST溶液黏度降低。當(dāng)?shù)V化度由6788 mg/L增至16 570 mg/L時，油水界面張力均在7×10-2mN/m以下［19-20］，且黏度僅下降了0.34 mPa·s。

圖4 礦化度對LST溶液油水界面張力和黏度的影響

圖5 礦化度對LST溶液乳化性能的影響

由圖5可見，隨著礦化度的增大，乳狀液出現(xiàn)破乳分層的時間逐漸縮短，最終析水率也越來越大。這是因為礦化度的增大增強了乳狀液的絮凝和聚結(jié)作用，從而使乳化穩(wěn)定性降低。礦化度增大，鹽析作用增強，界面膜強度下降，乳狀液的聚并阻力減小，穩(wěn)定性降低［13］。

綜上所述，LST 溶液在高礦化度下的油水界面張力依然小于7×10-2mN/m，且黏度僅下降了0.34 mPa·s，說明LST 溶液在高礦化度下具有較好的界面活性、增黏穩(wěn)定性和耐鹽性。

2.3 LST溶液的驅(qū)油效果

2.3.1 均質(zhì)巖心驅(qū)油效果

在注入速度為0.1 mL/min、注入量為0.4 PV、巖心滲透率為0.05 μm2的條件下，0.4%LST 溶液的驅(qū)油效果如圖6所示。水驅(qū)階段含水率達到98%時的注入壓力為1.20 MPa，驅(qū)油效率為59.78%；當(dāng)轉(zhuǎn)至LST溶液驅(qū)后，含水率略有下降，且注入壓力呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢；在LST 溶液驅(qū)結(jié)束時，注入壓力上升至1.43 MPa，驅(qū)油效率比水驅(qū)時提高了1.31百分點；在后續(xù)水驅(qū)階段，驅(qū)替至含水率100%時的注入壓力呈現(xiàn)穩(wěn)步下降趨勢，最終降至0.68 MPa，驅(qū)油效率明顯提高，最終總采收率提高11.21 百分點。從LST溶液驅(qū)油過程中注入壓力的變化看，壓力呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，驅(qū)油效率則穩(wěn)步提高。這主要是由于LST 溶液在大孔道中產(chǎn)生封堵作用，注入壓力隨著體系注入量的增加而增大，進而使得驅(qū)替液向小孔道流動，推動小孔道中的油水混合液向前流動，因此LST溶液驅(qū)可起到提高采收率的目的。轉(zhuǎn)至后續(xù)水驅(qū)階段時，LST 溶液也會隨著注入水前進，直至封堵屏障被突破，這時注入壓力明顯下降，最終壓力穩(wěn)定階段明顯低于初始水驅(qū)。這是由于LST溶液不僅可以增強界面活性，還具有良好的抗吸附性能、乳化性能，使得后續(xù)水驅(qū)注入壓力降低，達到提高采收率的目的。

圖6 LST溶液在均質(zhì)巖心中的驅(qū)油效果

2.3.2 非均質(zhì)巖心驅(qū)油效果

在不同級差的并聯(lián)高、低滲透巖心進行LST溶液驅(qū)油實驗，考察地層的非均質(zhì)性對LST溶液驅(qū)油效果的影響，結(jié)果如表2 所示。水驅(qū)采收率受滲透率和滲透率級差的影響較明顯。水驅(qū)高滲透管采收率主要取決于巖心滲透率的大小，滲透率越大水驅(qū)采收率越高，說明水驅(qū)過程中存在高滲透通道優(yōu)先滲流或驅(qū)替原油的特征。相應(yīng)低滲透管水驅(qū)采收率大小則受滲透率極差的影響極大，滲透率極差越大，水驅(qū)采收率越低。由于滲流極差的存在，使得驅(qū)替液更易從高滲透通道通過，低滲透通道水驅(qū)油的困難性或低滲透層動用難度明顯加重。因此，水驅(qū)后有必要對高滲透通道進行封堵，以加速低滲透層的啟動和提高低滲透層的水驅(qū)采收率。

表2 不同級差雙管巖心實施LST溶液驅(qū)提高采收率效果對比

當(dāng)注入0.4 PV 0.4%LST溶液后，高滲透管的最終采收率變化較小，與注入前相比僅提高了0.41%～4.50%；而低滲透管的采收率則明顯增加，與水驅(qū)相比提高了13.38%～48.37%。由此可見，注入LST溶液可以有效封堵高滲透管通道，并可分流后續(xù)水至低滲透管。LST 溶液的油水界面張力低，增黏效果好，較高黏度的LST溶液可對大孔道進行有效封堵，并啟動小孔道，利用其自身對孔隙壁的強親水潤濕性和較好的乳化性能［21-23］，實現(xiàn)對殘余油的剝離和乳化分散產(chǎn)出，提高洗油效率和波及體積，達到提高采收率的目的。

3 結(jié)論

提出了一種低界面張力小分子驅(qū)油劑（LST 溶液）提高低滲透油藏采收率新技術(shù)。該驅(qū)油劑在較低的加量（0.4%）下可使油水界面張力達到10-2mN/m數(shù)量級，其黏度接近油藏原油黏度（3.4 mPa·s）。LST 溶液具有較好的乳化性能和親水潤濕性能，有利于驅(qū)替相注入及殘余油的剝離、乳化產(chǎn)出。LST溶液具有較好的油藏環(huán)境適應(yīng)性和耐鹽性能，靜態(tài)吸附損耗低。在礦化度為16 570 mg/L的環(huán)境下，其油水界面張力低于7×10-2mN/m、黏度為3.06 mPa·s。LST溶液的驅(qū)油效果較好，可有效封堵高滲透孔道，啟動低滲透孔道殘余油。