張立亞，王建波，王科戰(zhàn)，陳光宇，王洪寶

（1.中國(guó)石化東北油氣分公司，吉林長(zhǎng)春 130000；2.山東科技大學(xué)，山東青島 266555）

隨著大部分油田進(jìn)入高含水率、高采收程度階段，致密油藏已成為現(xiàn)如今勘探開(kāi)發(fā)熱點(diǎn)研究領(lǐng)域之一[1-4]。致密油藏巖石滲透率低，孔隙度小，注水開(kāi)發(fā)困難，目前主要靠壓裂后地層內(nèi)的天然能量進(jìn)行開(kāi)發(fā)，采油井產(chǎn)量遞減快、采收率低[5-9]。有效補(bǔ)充地層能量成為致密油藏開(kāi)采的關(guān)鍵。

注水吞吐作為一種致密油藏補(bǔ)充地層能量方法，受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注。其提高采收率的主要機(jī)理為：（1）燜井過(guò)程中依靠油層毛管力的滲吸作用提高滲吸采收率；（2）開(kāi)井后依靠水的驅(qū)替作用提高驅(qū)替采收率[10-16]。李龍龍等[17]針對(duì)胡尖山油田開(kāi)展了注水吞吐采油試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該區(qū)油井產(chǎn)能恢復(fù)94.4%。高濤等[12]以延長(zhǎng)油田長(zhǎng)8 儲(chǔ)層巖心為研究對(duì)象，進(jìn)行了注水吞吐采油機(jī)理研究，試驗(yàn)表明注水吞吐補(bǔ)充地層能量效果顯著。

目前單井注水吞吐采油現(xiàn)場(chǎng)效果較好，原油采收率提高較為明顯，為進(jìn)一步提高采收率，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出在注水吞吐過(guò)程中加入表面活性劑[18-19]。向陽(yáng)等[20]通過(guò)向注入水中加入0.1%非離子型表面活性劑，發(fā)現(xiàn)采出程度可提高3.15%。WEISS 等[21]針對(duì)23 口親油白云巖油藏開(kāi)展了表面活性劑吞吐試驗(yàn)，驗(yàn)證了表面活性劑吞吐的有效性。SHULER 等[22]通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，表面活性劑吞吐不僅可以改變儲(chǔ)層潤(rùn)濕性作用，還可以提高吸附原油的動(dòng)用程度，從而提高采收率。

本文通過(guò)考察不同表面活性劑體系對(duì)吞吐采油的影響，建立表面活性劑性能指標(biāo)與吞吐采油的關(guān)系。闡述了表面活性劑提高致密油藏注水吞吐效果的機(jī)理，為表面活性劑體系在致密油藏注水吞吐的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1 表面活性劑 收集表面活性劑7 類(lèi)，具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 表面活性劑種類(lèi)及生產(chǎn)廠(chǎng)家

1.1.2 地層模擬原油 地層原油黏度2.26 mPa·s，地層原油密度0.813 4 g/cm3。

1.1.3 地層模擬水 地層水型為NaHCO3型，礦化度為2 215 mg/L。

1.1.4 巖心 收集巖心30 塊，具體參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 實(shí)驗(yàn)用巖心物性參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 表面活性劑的性能測(cè)試實(shí)驗(yàn) 采用SY/T 5753—2016 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試表面活性劑的性能指標(biāo)。

1.2.2 滲吸采油實(shí)驗(yàn) 將巖心放入120 ℃烘箱內(nèi)老化36 h 后備用。將老化后的巖心放置于體積法滲吸儀內(nèi)，加入地層水或表面活性劑溶液。當(dāng)液面上升至刻度線(xiàn)時(shí)，停止注入。每隔一段時(shí)間記錄刻度管讀數(shù)并采集圖像信息。刻度管內(nèi)讀數(shù)不再變化時(shí)，記錄最終采出程度。

1.2.3 反向驅(qū)替采油實(shí)驗(yàn) 將滲吸后的巖心放入巖心夾持器中，設(shè)置環(huán)壓大于注入壓力2～4 MPa，以0.5 mL/min 的驅(qū)替速度注入清水或表面活性劑溶液，測(cè)定驅(qū)替過(guò)程中壓力、采出程度的變化。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 表面活性劑性能指標(biāo)

2.1.1 表面張力 測(cè)定不同類(lèi)型表面活性劑溶液不同質(zhì)量濃度下的表面張力，確定各類(lèi)表面活性劑的臨界膠束濃度（CMC），結(jié)果見(jiàn)圖1、表3。

圖1 不同表面活性劑溶液表面張力隨質(zhì)量濃度的變化關(guān)系

表3 不同表面活性劑CMC 統(tǒng)計(jì)表

2.1.2 界面張力 測(cè)定不同表面活性劑CMC 下的界面張力，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 不同表面活性劑界面張力統(tǒng)計(jì)表

2.1.3 潤(rùn)濕性能 測(cè)定清水和不同類(lèi)型表面活性劑溶液浸潤(rùn)后的接觸角，結(jié)果見(jiàn)表5。

由表5 數(shù)據(jù)可知，YGS01 和YGS07 的接觸角較大，表現(xiàn)出使?jié)櫇裥杂捎H水轉(zhuǎn)變?yōu)橹行詽?rùn)濕的趨勢(shì)；而YGS03、YGS04、YGS05 和YGS06 的接觸角均小于清水的接觸角，表明這四類(lèi)表面活性劑可以將潤(rùn)濕性轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)親水。

2.2 滲吸采油實(shí)驗(yàn)

測(cè)定老化后巖心經(jīng)不同溶液滲吸后的滲吸采收率，結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 滲吸實(shí)驗(yàn)采收率統(tǒng)計(jì)表

由表6 數(shù)據(jù)可知，不同天然巖心的清水滲吸采收率不同，主要分布在9.00%～23.00%。不同類(lèi)型表面活性劑溶液的滲吸采收率變化較大，分布在1.00%～22.00%，最大為21.36%，所用表面活性劑為YGS02。

2.3 反向驅(qū)替采油實(shí)驗(yàn)

2.3.1 驅(qū)替采收率 巖心經(jīng)清水或表面活性劑溶液滲吸后，再由清水或表面活性劑溶液進(jìn)行驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，測(cè)定其驅(qū)替采收率，結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 驅(qū)替實(shí)驗(yàn)采收率統(tǒng)計(jì)表

由表7 數(shù)據(jù)可知，天然巖心經(jīng)清水滲吸后再由清水驅(qū)替，其驅(qū)替采收率均小于5.00%。天然巖心經(jīng)表面活性劑滲吸后再由表面活性劑溶液驅(qū)替，其驅(qū)替采收率分布在4.00%～20.00%，主要與表面活性劑種類(lèi)有關(guān)。使用表面活性劑YGS04，驅(qū)替采收率最大，為19.82%。這表明表面活性劑的加入對(duì)致密油驅(qū)替采收率具有提高作用。

2.3.2 總采收率 將不同溶液滲吸和驅(qū)替采收率匯總得總采收率，結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 不同溶液總采收率統(tǒng)計(jì)表

由表8 數(shù)據(jù)可知，天然巖心的清水總采收率分布在17.00%～24.00%。25、27 和30 號(hào)巖心的總采收率較高，大于30.00%。天然巖心經(jīng)表面活性劑溶液滲吸和驅(qū)替后，總采收率分布在18.00%～26.00%，主要與表面活性劑種類(lèi)有關(guān)。使用表面活性劑YGS02，總采收率最大，為25.69%。在滲透率相近的情況下，表面活性劑溶液的總采收率均大于清水的總采收率。這表明表面活性劑溶液的加入有利于提高注水吞吐的效果。最高提高6.01%，所用表面活性劑為YGS03。

2.3.3 驅(qū)替壓力 不同溶液驅(qū)替過(guò)程中驅(qū)替壓力隨時(shí)間的變化關(guān)系見(jiàn)圖2。

圖2 不同溶液驅(qū)替壓力隨時(shí)間的變化關(guān)系

圖2a 顯示，天然巖心經(jīng)清水滲吸后再由清水驅(qū)替，其驅(qū)替壓力隨著驅(qū)替時(shí)間的增長(zhǎng)而逐漸上升，最終趨于穩(wěn)定。驅(qū)替壓力分布在20.00 MPa 左右。其中，6號(hào)巖心所需驅(qū)替壓力最大，約為22.50 MPa。圖2b 顯示，天然巖心經(jīng)表面活性劑溶液滲吸后再由表面活性劑溶液驅(qū)替，其驅(qū)替壓力隨驅(qū)替時(shí)間的增長(zhǎng)普遍呈現(xiàn)先迅速上升后穩(wěn)定的趨勢(shì)。最終驅(qū)替壓力分布在7.00～20.00 MPa。1 號(hào)巖心所需驅(qū)替壓力最大，約為18.00 MPa，所用表面活性劑為YGS01。16 號(hào)巖心驅(qū)替壓力最小，約為8.00 MPa，所用表面活性劑為YGS05。

3 表面活性劑注水吞吐提高采收率機(jī)理分析

3.1 表面活性劑對(duì)采收率的影響

3.1.1 表面活性劑對(duì)洗油能力的影響 在注水吞吐采油過(guò)程中，要使吸附于巖石孔隙表面的原油脫離采出，就需要克服黏附功的阻力。黏附功阻力越小，洗油效率越高。表面活性劑的加入可以同時(shí)改善接觸角和降低油水界面張力，從而降低黏附功。水溶液的界面張力為0.29 mN/m，滲吸儀內(nèi)的巖石表面附著油滴較大，表明水溶液中的油滴黏附功較大，從巖石表面剝離的難度大，見(jiàn)圖3a。表面活性劑溶液的界面張力為1.28×10-2mN/m，巖石表面附著的油滴大小和數(shù)量減少，表明加入表面活性劑后可以降低油水界面張力，見(jiàn)圖3b，改善接觸角，降低黏附功，油滴從巖石表面剝離的難度變小，洗油效率提高。

圖3 不同界面張力溶液滲吸效果圖

3.1.2 表面活性劑性能指標(biāo)對(duì)吞吐采收率的影響

3.1.2.1 界面張力對(duì)吞吐采收率的影響 表面活性劑界面張力與吞吐采收率之間的關(guān)系，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 采收率隨界面張力變化關(guān)系

由圖4 可以看出，表面活性劑溶液的滲吸采收率隨著界面張力的增加而升高，驅(qū)替采收率則隨著界面張力的增加而降低，但總采收率隨著界面張力的增加變化不大，這表明降低界面張力有利于提高驅(qū)替采收率。

表面活性劑降低界面張力的機(jī)理是：表面活性劑在油水界面上定向吸附達(dá)到飽和后，分子會(huì)在油水界面上形成一層有較高機(jī)械強(qiáng)度的單分子膜。此時(shí)，水分子與油分子之間的極性差異轉(zhuǎn)變?yōu)樗肿优c表面活性劑分子的親水基和油分子與表面活性劑分子的親油基之間的極性差異，它們的極性較為相近，導(dǎo)致油水界面張力大大降低，毛管力下降，注入流體能夠進(jìn)入更多基質(zhì)小孔隙，擴(kuò)大波及體積，加強(qiáng)油水交換作用，提高洗油能力，進(jìn)而提高地層原油驅(qū)替采收率。

3.1.2.2 潤(rùn)濕性對(duì)吞吐采收率的影響 表面活性劑改變潤(rùn)濕角的能力與吞吐采收率之間的關(guān)系，結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 潤(rùn)濕角的變化對(duì)采收率的影響

以清水潤(rùn)濕角為零點(diǎn)，負(fù)值表示潤(rùn)濕性向親水性轉(zhuǎn)變，正值表示潤(rùn)濕性向中性潤(rùn)濕轉(zhuǎn)變，由圖5 可以看出，滲吸采收率隨著潤(rùn)濕性向親水性轉(zhuǎn)變而逐漸增大，本次實(shí)驗(yàn)中潤(rùn)濕角的變化對(duì)驅(qū)替采收率和總采收率的影響規(guī)律并不明顯。

3.2 表面活性劑對(duì)反向驅(qū)替壓力的影響

3.2.1 增大反向驅(qū)替壓力 滲透率相近情況下，清水和表面活性劑溶液的驅(qū)替壓力關(guān)系見(jiàn)圖6。

圖6 清水和表面活性劑溶液驅(qū)替壓力關(guān)系

由圖6 可以看出，在滲透率相近的情況下，表面活性劑溶液的驅(qū)替壓力明顯小于清水的驅(qū)替壓力，約5.00 MPa。兩性表面活性劑的表現(xiàn)最佳，降低驅(qū)替壓力約7.00 MPa。說(shuō)明表面活性劑的加入能顯著降低驅(qū)替壓力，增大反向驅(qū)替壓力。

3.2.2 降低流動(dòng)阻力 在燜井過(guò)程中，采油主要依靠滲吸作用，毛管力是滲吸發(fā)生的驅(qū)動(dòng)力。在返排過(guò)程中，采油主要依靠反向驅(qū)替力，毛管力成為阻力。同時(shí)，賈敏效應(yīng)產(chǎn)生的阻力也會(huì)導(dǎo)致驅(qū)替壓力降低，進(jìn)而降低原油驅(qū)替采收率。毛管力表達(dá)式：

式中：Pc-毛管力，MPa；σ-界面張力，mN/m；θ-潤(rùn)濕角，°；r-毛管半徑，μm。

由公式可知，在毛管半徑相同的情況下，毛管力Pc與油水界面張力σ 和潤(rùn)濕角θ 有關(guān)。表面活性劑的加入能夠顯著降低油水界面張力σ，從而降低毛管力Pc，進(jìn)而降低驅(qū)替過(guò)程中的阻力，并使反向驅(qū)替壓力降低。

4 結(jié)論

本文將吞吐過(guò)程分為滲吸采油階段和反向驅(qū)替采油階段，并研究了表面活性劑對(duì)其作用規(guī)律，主要結(jié)論如下：

（1）在滲吸采油階段，表面活性劑降低了滲吸采收率，但減小了原油從巖石表面剝離難度。

（2）在反向驅(qū)替采油階段，表面活性劑可有效提高驅(qū)替采收率，同時(shí)大幅降低驅(qū)替壓力。

（3）兩性表面活性劑表現(xiàn)最佳，在清水的基礎(chǔ)上提高采收率約5.00%，降低驅(qū)替壓力約7.00 MPa。

（4）表面活性劑提高注水吞吐效果的主要機(jī)理為：降低界面張力、改變潤(rùn)濕性，減小原油從巖石表面剝離難度；減小毛管力和賈敏效應(yīng)阻力，降低驅(qū)替壓力。