徐 萍，許 寧，蔣美忠，戰(zhàn)常武，蔡洪波，楊永亮，李雅晶

（中國(guó)石油遼河油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，遼寧盤(pán)錦 124010）

非常規(guī)油藏除了致密油、頁(yè)巖油之外，還包括有瀝青砂等，本文非常規(guī)油藏特指致密油、頁(yè)巖油。中國(guó)非常規(guī)石油資源勘探潛力巨大，中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司在2016 年評(píng)估全國(guó)頁(yè)巖油技術(shù)可采資源量已達(dá)145×108t（含油頁(yè)巖）；2019 年，中國(guó)石油化工股份有限公司初步估算全國(guó)頁(yè)巖油技術(shù)可采資源量為（74～375）×108t[1]。2020 年勘探評(píng)價(jià)在鄂爾多斯、準(zhǔn)噶爾和松遼等多個(gè)盆地取得戰(zhàn)略性突破[2]，全國(guó)致密油（含頁(yè)巖油）年產(chǎn)量為200×104t，未來(lái)還有很大的增長(zhǎng)潛力，預(yù)計(jì)峰值年產(chǎn)量可達(dá)到（1 200～2 000）×104t 。近年通過(guò)長(zhǎng)水平井和體積壓裂大幅度提高了單井產(chǎn)量，但是致密油和頁(yè)巖油開(kāi)發(fā)仍面臨三大挑戰(zhàn)：一是低豐度，開(kāi)發(fā)前期到中期階段的產(chǎn)量遞減快，排液達(dá)到峰值產(chǎn)量后的首年遞減率達(dá)到30%～40%，三年的遞減率合計(jì)達(dá)到75%～85%；二是連續(xù)補(bǔ)充地層能量困難，依靠體積壓裂階段一次性蓄能，相當(dāng)于增加了彈性能，作用有限，采收率低，準(zhǔn)天然能量開(kāi)發(fā)采收率僅8%～12%，且主要依靠溶解氣驅(qū)，不但因脫氣而增加原油黏度、使原油體積收縮，而且大大增加殘余油飽和度，造成資源浪費(fèi)；三是開(kāi)采成本高，完全成本仍高達(dá)60～70 美元/桶，高投入和低油價(jià)遏制了規(guī)模開(kāi)發(fā)效益。壓裂后燜井與周期驅(qū)替補(bǔ)能提采開(kāi)發(fā)中都要發(fā)揮注入介質(zhì)的滲吸、置換、排油作用。除了納米劑，表面活性劑也被考慮為提高滲吸置換效率的添加劑[3]。但是通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，表面活性劑的效果并不理想，需要正確分析和研究其作用和機(jī)理，對(duì)于指導(dǎo)具有廣闊前景的非常規(guī)油藏開(kāi)發(fā)具有重要意義。

1 表面活性劑對(duì)滲吸影響的已有認(rèn)識(shí)

表面活性劑主要通過(guò)改變或者改善儲(chǔ)層潤(rùn)濕性和油水降低界面張力影響滲吸效果，在低滲透砂巖油藏影響滲吸采收率方面已有較多研究[4-6]，其中一些研究是表面活性劑的驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，滲吸置換時(shí)間不足[7]。以空氣滲透率550～880 mD 的高滲透砂巖巖心為實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行研究[8]，得到的表面活性劑認(rèn)識(shí)與致密儲(chǔ)層存在較大差距。李?lèi)?ài)芬等[9]基于改進(jìn)的LW 滲吸模型結(jié)合分形理論建立的自發(fā)滲吸模型計(jì)算表/界面張力對(duì)自發(fā)滲吸體積的影響呈非線性；李洪等[10]用7 塊不同滲透率的親水人造巖心研究表面活性劑對(duì)界面張力、滲吸采收率等影響，認(rèn)識(shí)到巖樣滲吸采收率與油水界面張力和毛細(xì)管力的對(duì)數(shù)呈線性負(fù)相關(guān)關(guān)系；張邈等[11]研究表面活性劑在瓜爾膠壓裂液中對(duì)滲吸的影響，認(rèn)為改向和黏彈作用是低濃度瓜爾膠壓裂液提高滲吸采收率的主要機(jī)理；周德勝等[12]統(tǒng)計(jì)延長(zhǎng)組致密砂巖儲(chǔ)層巖心自發(fā)滲吸實(shí)驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為界面張力對(duì)滲吸的影響僅次于滲透率，超過(guò)原油黏度和水礦化度?；|(zhì)滲透率為（2～10）×10-3μm2的巴肯巖心實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，表面活性劑水溶液自發(fā)滲吸可以排出15%～60%預(yù)先飽和的油相，但自吸過(guò)程僅僅在很小距離范圍（如厘米級(jí)）內(nèi)有效，油藏中必須使用高壓注入才行，同時(shí)要考慮泥頁(yè)巖黏土含量高、易水化膨脹以及對(duì)有機(jī)質(zhì)內(nèi)存在的互溶態(tài)烴類(lèi)動(dòng)用等問(wèn)題。楊正明等[13]應(yīng)用高壓大模型物理模擬系統(tǒng)和核磁共振等技術(shù)研究致密儲(chǔ)層滲吸影響因素和作用效果，認(rèn)為改變潤(rùn)濕性有利于滲吸，但未提出改變潤(rùn)濕性的具體方法。侯寶峰[14]提出了潤(rùn)濕性表征方法及潤(rùn)濕劑種類(lèi)。也有很多研究表面活性劑對(duì)超低滲等儲(chǔ)層化學(xué)滲吸及采收率的影響[15-20]，但在表面活性劑對(duì)滲吸效果的影響上尚未取得統(tǒng)一認(rèn)識(shí)。

之前曾有觀點(diǎn)認(rèn)為由于地層水的長(zhǎng)期浸泡和巖石表面的極性基團(tuán)，地下巖石都表現(xiàn)出了親水的特性，地下沒(méi)有親油的巖石[21]。雖然現(xiàn)在潤(rùn)濕性實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)有中性甚至弱親油的致密油、頁(yè)巖油儲(chǔ)層，但是仍然以親水儲(chǔ)層為主，表面活性劑對(duì)潤(rùn)濕性改善只是減小了潤(rùn)濕角。因此，表面活性劑對(duì)滲吸的影響主要體現(xiàn)在降低表/界面張力，減少滲吸時(shí)間。因此，對(duì)于低滲透油藏，表面活性劑對(duì)于提高洗油效率作用較大。而在致密油、頁(yè)巖油油藏，由于微納米孔縫是主要儲(chǔ)油空間，驅(qū)滲劑需要首先進(jìn)入這些微納米孔縫，單純降低界面張力提高洗油效率成為下一級(jí)因素。

致密砂巖中的原油賦存狀態(tài)除了無(wú)機(jī)孔隙游離態(tài)、無(wú)機(jī)礦物吸附態(tài)之外，還有有機(jī)孔隙游離態(tài)、有機(jī)孔隙吸附態(tài)等多種賦存形式。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)因?yàn)闅v經(jīng)洗油和重新飽和油等過(guò)程，原油主要為游離態(tài)，吸附態(tài)較少，潤(rùn)濕性偏向水濕，油不容易吸附在儲(chǔ)層孔喉表面，游離態(tài)油的比例變大，可動(dòng)性較好。同時(shí)，潤(rùn)濕性也影響到流體滲流和分布，決定毛細(xì)管力的大小和方向。儲(chǔ)層孔喉水濕，水進(jìn)入孔喉的過(guò)程中毛細(xì)管力表現(xiàn)為動(dòng)力?？缀碓郊?xì)小，毛細(xì)管力作用越強(qiáng)。理論上，壓裂液中加入水濕性表面活性劑可以在一定程度上改善致密砂巖儲(chǔ)層潤(rùn)濕性，在中性甚至親油儲(chǔ)層中通過(guò)表面活性劑改變潤(rùn)濕性，減少巖石表面黏附油和孔喉中原油的滲吸滯留，有利于滲吸效率提高，起到正向作用。但是在實(shí)際上，儲(chǔ)層巖石的潤(rùn)濕性改變?cè)趲资斓臓F井期間并不易于實(shí)現(xiàn)。鄂爾多斯盆地中性-弱水濕的長(zhǎng)7 頁(yè)巖油儲(chǔ)層巖心經(jīng)過(guò)納米劑、壓裂液和低濃度表面活性劑（質(zhì)量濃度0.05%）50 d 的浸泡，滲吸后的巖心潤(rùn)濕性基本沒(méi)有變化，仍為中性-弱水濕，接觸角中～較小。

致密油、頁(yè)巖油儲(chǔ)層先天致密，其中發(fā)育的微納米孔縫具有異于毫米級(jí)孔隙的強(qiáng)相互作用、尺度效應(yīng)、毛細(xì)管效應(yīng)、真實(shí)氣體效應(yīng)、界面現(xiàn)象、分子擴(kuò)散效應(yīng)、裂縫沖擊效應(yīng)[1]等特殊的物理化學(xué)性質(zhì)，因此，對(duì)表面活性劑在非常規(guī)油藏中作用的評(píng)價(jià)不能簡(jiǎn)單沿用中高滲透儲(chǔ)層的評(píng)價(jià)結(jié)果。致密儲(chǔ)層和頁(yè)巖內(nèi)部的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特征與宏觀條件完全不同。

對(duì)非常規(guī)油藏細(xì)粒沉積巖微納米級(jí)原油賦存空間的潤(rùn)濕性影響，不同于常規(guī)砂巖儲(chǔ)層，表面活性劑能否進(jìn)入以及進(jìn)入微納米孔縫的程度是改變和改善潤(rùn)濕性的第一步，可以借助納米粒子并保持較高的油水界面張力，可以通過(guò)滲吸動(dòng)力進(jìn)行分析。

2 表面活性劑對(duì)滲吸動(dòng)力影響的分析

致密砂巖和頁(yè)巖油首先采用蓄能體積壓裂方式進(jìn)行開(kāi)發(fā)，很大程度上依靠燜井-滲吸-置換采油，依靠毛細(xì)管力作為主要驅(qū)動(dòng)力幫助壓裂液通過(guò)微納米喉道進(jìn)入微米孔隙置換、剝離原油，因此，與化學(xué)驅(qū)不同，加入表面活性劑降低油水界面張力對(duì)于滲吸置換不完全是正向作用，這與原有的一些認(rèn)識(shí)不同。

在水濕-中性致密儲(chǔ)層中，主要滲吸動(dòng)力是毛細(xì)管力，而不是浮力。以微納米孔縫為主要儲(chǔ)集空間的致密油、頁(yè)巖油儲(chǔ)層中由于尺度效應(yīng)等影響，原應(yīng)用于包括低滲透油藏、雙重孔隙介質(zhì)油藏在內(nèi)的常規(guī)油藏的一些概念和方程已經(jīng)不適用，比如靜態(tài)滲吸實(shí)驗(yàn)的油滴在巖心各個(gè)面都有滲出，而非文獻(xiàn)[21]所預(yù)測(cè)的僅從頂面滲出。致密油、頁(yè)巖油開(kāi)發(fā)滲吸作用很重要，儲(chǔ)層滲吸貢獻(xiàn)比例達(dá)到24.8%～31.1%[22]，而且儲(chǔ)層孔隙越小，滲吸作用越強(qiáng)。滲吸是多孔介質(zhì)由于毛細(xì)管力作用自發(fā)產(chǎn)生的流體進(jìn)入多孔介質(zhì)孔隙的現(xiàn)象，這一定義也已得到共識(shí)。滲吸主要?jiǎng)恿κ窃诿?xì)管力的情況下，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室與油藏條件下毛細(xì)管力轉(zhuǎn)換公式，可得到用于油藏條件下的毛細(xì)管力：

式中：pc-毛細(xì)管力，MPa；σ-界面張力，mN/m；θ-潤(rùn)濕角，°；K-滲透率，mD；下標(biāo)res 和lab 分別代表油藏條件和實(shí)驗(yàn)室條件。

則油藏條件下的毛細(xì)管力為：

實(shí)驗(yàn)室條件下的毛細(xì)管力為：

式中：r-毛細(xì)管半徑，10-6m。

通過(guò)毛細(xì)管力公式（4）和（1）代入表1 中油水界面張力、潤(rùn)濕角數(shù)據(jù)[23]和正寧油田長(zhǎng)7 頁(yè)巖油儲(chǔ)層孔隙半徑分析資料，可計(jì)算出孔隙半徑2～8 μm 對(duì)應(yīng)的毛細(xì)管力為（26.0～6.5）×10-3MPa。在此壓力下，水完全可以進(jìn)入相應(yīng)大小的孔縫驅(qū)替原油。加入表面活性劑使油水界面張力下降到超低界面張力1×10-3mN/m 時(shí)，公式（4）中毛細(xì)管力降低到（1.00～0.25）×10-6MPa，只有原毛細(xì)管力的0.003 85%，滲吸置換動(dòng)力大大降低。由此可見(jiàn)，表面活性劑在非常規(guī)油藏中不宜直接使用，可以納米材料為載體進(jìn)入微納米孔縫發(fā)揮作用，也可以作為納米顆粒的分散穩(wěn)定劑、表面修飾材料等間接應(yīng)用。

表1 界面張力與潤(rùn)濕角

3 滲吸實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)選用同井、同段儲(chǔ)層物性相近的長(zhǎng)711頁(yè)巖油（深度1 595.0～1 594.5 m）2.5 cm×5.0 cm 巖心6 塊（表2）。實(shí)驗(yàn)用劑除了模擬地層水（總礦化度40 000 mg/L）、EM30S 滑溜水壓裂液之外，還有納米驅(qū)油劑iNanoW1.0，為中國(guó)石油納米化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研發(fā)提供，配制了質(zhì)量濃度0.02%和0.10%兩個(gè)濃度的驅(qū)替劑，分別稱(chēng)為低濃度納米劑（低納米劑）和高濃度納米劑（高納米劑）；表面活性劑（ERDS-1），為中國(guó)石油遼河油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院勘探開(kāi)發(fā)試驗(yàn)中心研發(fā)，為耐鹽非離子型表面活性劑，進(jìn)行配伍性實(shí)驗(yàn)及界面張力實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，三種表面活性劑均具有良好的配伍性，其中表面活性劑（ERDS-1）降低油水界面張力效果好，低濃度條件下能夠達(dá)到超低界面張力，因此，選擇該表面活性劑進(jìn)行滲吸實(shí)驗(yàn)（表3）。也選擇了濃度0.20%和0.05%兩個(gè)濃度的表面活性劑，分別稱(chēng)為高濃度表面活性劑（高表面活性劑）和低濃度表面活性劑（低表面活性劑）。

表2 實(shí)驗(yàn)巖心基礎(chǔ)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

表3 表面活性劑參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

3.2 實(shí)驗(yàn)方法與步驟

油藏溫度下的靜態(tài)滲吸實(shí)驗(yàn)除圍壓外，其他條件相似于油藏燜井滲吸過(guò)程。經(jīng)過(guò)洗油，重新飽和油之后進(jìn)行滲吸實(shí)驗(yàn)，同時(shí)利用切割長(zhǎng)度5.0 cm 巖心剩下的小段碎巖心測(cè)試孔隙度、滲透率、礦物成分等。滲吸實(shí)驗(yàn)步驟如下：

（1）巖心標(biāo)號(hào)、洗油，烘干，測(cè)試巖心干質(zhì)量、長(zhǎng)度、直徑等基礎(chǔ)參數(shù)；

（2）氣測(cè)巖心孔隙度、滲透率；

（3）抽真空并加壓飽和模擬地層水，利用巖心濕質(zhì)量與干質(zhì)量差計(jì)算孔隙度（水測(cè)孔隙度）；

（4）用與地層油相同黏度的模擬油驅(qū)替巖心，建立巖心的飽和油束縛水狀態(tài)，模擬油密度0.84 g/cm3，溫度50 ℃，黏度5.99 mPa·s；

（5）飽和油的巖心老化48 h；

（6）擦凈后的巖心放入滲吸瓶，加入不同滲吸液，在地層溫度下恒溫滲吸，連續(xù)記錄滲吸出的原油體積。

滲吸實(shí)驗(yàn)中油水相的數(shù)量變化采用體積法測(cè)量。體積法通過(guò)滲吸瓶收集排出的原油，讀取與滲吸瓶直連的毛細(xì)管瓶壁刻度，根據(jù)液面變化來(lái)計(jì)量排出油體積，實(shí)驗(yàn)全過(guò)程可視、觀察連續(xù)、計(jì)量準(zhǔn)確。體積最小讀數(shù)誤差0.01 cm3，系統(tǒng)相對(duì)誤差小于3.3%。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

包括表面活性劑在內(nèi)的不同滲吸介質(zhì)進(jìn)行油藏溫度常壓靜態(tài)可視平行滲吸實(shí)驗(yàn)，連續(xù)觀測(cè)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 不同滲吸介質(zhì)驅(qū)油效率變化曲線

滲吸實(shí)驗(yàn)顯示：

（1）表面活性劑、地層水滲吸置換的驅(qū)油效率較大程度低于納米劑和滑溜水壓裂液；

（2）表面活性劑滲吸機(jī)理能夠解釋其滲吸特征。表面活性劑由于能夠大幅度降低油水界面張力，因此，滲吸初期能夠驅(qū)洗、排出受毛細(xì)管力影響較小的中、大孔縫中的原油，驅(qū)油效率高于地層水，呈現(xiàn)驅(qū)油效率的增加，排油空窗期很短。但是對(duì)于微納米孔喉，因?yàn)槊?xì)管力隨著界面張力數(shù)量級(jí)的下降而大大減小了進(jìn)入微納米孔喉的能力，地層水則因水分子團(tuán)半徑大于微納米孔喉而進(jìn)不去，因此，都難以驅(qū)洗微小孔縫中原油，微觀波及體積小，總的驅(qū)油效率低。WANG 等[24]認(rèn)為，過(guò)于消耗毛細(xì)管力不利于裂縫和基巖之間充分發(fā)生毛細(xì)管滲吸采油過(guò)程。

高濃度表面活性劑滲吸驅(qū)油效率低于低濃度表面活性劑，主要是質(zhì)量濃度0.20%高濃度表面活性劑的油水界面張力比質(zhì)量濃度0.05%的低濃度表面活性劑更低，滲吸動(dòng)力更小，因此，滲吸驅(qū)油效率也越低。另外，高濃度表面活性劑滲吸中出現(xiàn)原油乳化，以至滲吸液從無(wú)色變?yōu)槲⒓t色（為便于觀察，模擬油中含有甲基紅），原油乳化影響了油滴形成和進(jìn)一步滲吸驅(qū)油。

4 結(jié)論

（1）表面活性劑在滲吸置換中的作用是雙向的：正向作用是一定程度上改善巖石潤(rùn)濕性、降低殘余油飽和度，即油藏儲(chǔ)層潤(rùn)濕性由親油向親水轉(zhuǎn)變，或者由中性-弱親水變?yōu)閺?qiáng)親水。這些轉(zhuǎn)變將有助于提高驅(qū)油效率，降低殘余油飽和度，從而提高原油采收率，但是從頁(yè)巖油賦存機(jī)制（微納米孔縫與烴類(lèi)賦存、富集的匹配結(jié)構(gòu)關(guān)系）和多介質(zhì)滲吸實(shí)驗(yàn)定量結(jié)果分析，常規(guī)表面活性劑難以進(jìn)入微納米孔縫，因此，潤(rùn)濕性變化即使有，程度也很小，作用有限。

（2）油藏溫度常壓靜態(tài)可視平行滲吸實(shí)驗(yàn)顯示，表面活性劑在滲吸置換中的負(fù)向作用是主要的。由于表面活性劑大大降低了油水界面張力、減小了毛細(xì)管力，降低了滲吸動(dòng)力，使?jié)B吸液難以進(jìn)入作為致密油、頁(yè)巖油等非常規(guī)油藏主要儲(chǔ)集空間的微納米孔隙，從而降低了微觀波及系數(shù)和滲吸驅(qū)油效率。

（3）毛細(xì)管力作為滲吸作用的主要驅(qū)動(dòng)力，有助于滲吸液通過(guò)微納米喉道進(jìn)入微米孔隙置換、剝離原油，因此，與中高滲砂巖的化學(xué)驅(qū)中表面活性劑不同，表面活性劑降低油水界面張力對(duì)于致密油、頁(yè)巖油開(kāi)發(fā)負(fù)向作用大于正向，表面活性劑要在非常規(guī)油藏中發(fā)揮驅(qū)油、降低殘余油飽和度提高采收率的作用，需要以納米粒子為載體，以改善致密儲(chǔ)層潤(rùn)濕性為主要目的，合理保持界面張力。