低滲透油藏微乳液驅(qū)啟動壓力梯度研究

殷代印，賈江芬，康紅慶

（1.東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院，黑龍江大慶163318；2.大慶油田有限責(zé)任公司，黑龍江大慶163318）

低滲透油藏具有低孔、低滲、開采難度大等特點，由于固液界面張力和吸附作用的存在，孔隙內(nèi)壁表面會形成一個邊界層，這個邊界層會阻礙流體通過，增大滲流阻力。低滲透油藏存在啟動壓力梯度，當(dāng)驅(qū)替壓力梯度小于啟動壓力梯度時，油藏中的流體不會發(fā)生流動，這給油藏的開發(fā)帶來了很大的難度[1-2]。因此，降低啟動壓力梯度在低滲透油藏開發(fā)過程中顯得尤為重要。目前，降低啟動壓力梯度的方法主要為提高油層溫度和表面活性劑驅(qū)油。然而，提高油層溫度具有很大的局限性，且操作復(fù)雜、成本偏高。表面活性劑驅(qū)油可行性較高，但界面張力降低程度有限，原油采收率增幅不太理想。近年來，微乳液驅(qū)油技術(shù)迅速發(fā)展，并在三次采油中展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景[3-5]。與表面活性劑驅(qū)油相比，微乳液驅(qū)油能夠進一步降低油水界面張力，且具有增溶油和水的作用，從而極大地提高了原油采收率。前人對微乳液驅(qū)油效果的研究已經(jīng)相當(dāng)成熟，但對于其在低滲透油藏中的非線性滲流特征和降低啟動壓力梯度等方面的研究卻少有報道。為了探究微乳液在低滲透油藏中對滲流產(chǎn)生的影響，本文采用“壓差-流量”法分別對低滲透油藏水驅(qū)和微乳液驅(qū)的啟動壓力梯度進行了精細(xì)測定，證明了微乳液驅(qū)能夠減小滲流阻力并降低啟動壓力梯度。深入分析了微乳液驅(qū)降低啟動壓力梯度的機理，為低滲透油藏微乳液驅(qū)油提供了理論支持和技術(shù)指導(dǎo)[6-9]。

1 啟動壓力梯度測定

1.1 實驗儀器

HW-4A型恒溫箱，海安華達(dá)石油儀器有限公司；TY-2型巖心夾持器，南通市中京機械有限公司；2XZ-8型旋片式真空泵，納西（中國）真空設(shè)備有限公司；1000D型ISCO泵，北京衛(wèi)星制造廠；JB-3型手動計量泵，海安縣石油科研儀器有限公司；TDS-100F型微流量計量儀，北京永瑞達(dá)科技有限公司等。其中，微流量計量儀能夠測量的最小流量為0.000 1 mL/d，可以極大地提高實驗的精確程度，保證了研究成果的可靠性[10-13]。

1.2 實驗方法

實驗原理是利用“壓差-流量”法，通過改變巖心兩端流體驅(qū)替壓差并測量通過巖心的流量來繪制“壓差-流量”曲線。延長曲線起始段，其與壓力梯度軸相交得到的截距即為巖心的啟動壓力梯度。

實驗步驟如下：將實驗儀器連接好，并確保實驗裝置的密閉性。將巖心在真空條件下飽和測試流體，放入巖心夾持器中。通過改變巖心兩端的驅(qū)替壓差，待滲流達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，用微流量計量儀測量其對應(yīng)的滲流速度，最終得到一系列的壓差和流量數(shù)據(jù)。整個實驗過程在45℃的條件下完成。

2 實驗結(jié)果

2.1 水驅(qū)啟動壓力梯度

為了研究不同滲透率巖心的非線性滲流特征和啟動壓力梯度，選用朝陽溝油田、榆樹林油田、頭臺油田的不同滲透率巖心共計15塊，采用地層水測定其“壓差-流量”曲線，得到啟動壓力梯度。不同滲透率巖心啟動壓力梯度測定結(jié)果見表1。圖1為以兩個不同滲透率級別的巖心為例繪制的“壓差-流量”曲線。由圖1可知，低滲透油藏的“壓差-流量”曲線是一條上凹型曲線，隨巖心滲透率的變化，曲線的彎曲程度不同。

圖1 水驅(qū)“壓差-流量”曲線Fig.1 Pressur e-consumption of water curve

2.2 微乳液驅(qū)啟動壓力梯度

表面活性劑是微乳液體系的重要成分，不同類型或不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的表面活性劑制備出的微乳液的性質(zhì)會有所不同，因此其滲流參數(shù)也會有所不同。以十二烷基甜菜堿為表面活性劑，正丁醇為助表面活性劑配制微乳液，通過正交實驗設(shè)計法優(yōu)選出配方的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（見表2）。

由表2可知，界面張力最低的組合為A2B2C3，即質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.5%的十二烷基甜菜堿、8%的正丁醇、5.0%的NaCl。具體配方：正辛烷5 mL，水5 mL，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.5%的十二烷基甜菜堿、8%的正丁醇、5%的NaCl。

采用旋轉(zhuǎn)液滴界面張力儀對所配微乳液的界面張力進行測定，實驗溫度為恒溫45℃。實驗結(jié)果表明，微乳液與油的界面張力為1.2×10-3mN/m，達(dá)到了超低水平。

選取大慶油田低滲透巖心共8塊，以微乳液為測試流體進行啟動壓力梯度測試，得到了一系列壓力梯度下的滲流速度。繪制各巖心的微乳液驅(qū)“壓差-流量”曲線，發(fā)現(xiàn)這些曲線變化趨勢一致，但隨著巖心滲透率的變化，曲線彎曲程度發(fā)生變化。現(xiàn)選取兩種不同滲透率級別的巖心繪制的曲線，結(jié)果如圖2所示。實驗巖心的基本參數(shù)及對應(yīng)的啟動壓力梯度見表3。

表1 低滲透巖心水驅(qū)啟動壓力梯度Table1 Star t-up pressure gr adient of water flooding in low per meability r eser voir

圖2 微乳液驅(qū)“壓差-流量”曲線Fig.2 Pr essur e-consumption cur ve of microemulsion dr ive

2.3 低滲透巖心非線性滲流特征

由各巖心水驅(qū)和微乳液驅(qū)的“壓差-流量”曲線得知，曲線不是一條完整的直線，屬于非達(dá)西滲流。其非達(dá)西滲流特征如下：

（1）“壓差-流量”曲線由兩部分組成，當(dāng)壓力梯度較低時，是一條上凹型曲線，當(dāng)壓力梯度增大到一定值后，曲線變?yōu)橐粭l直線，巖心達(dá)到了擬線性滲流階段。

（2）巖心的滲透率越低，“壓差-流量”曲線越彎曲，此時非線性滲流特征就越明顯。巖心滲透率越小，曲線與橫坐標(biāo)軸相交處的壓力梯度值越大，說明巖心滲透率與啟動壓力梯度成反比。

為了定量研究啟動壓力梯度與滲透率的關(guān)系，分別繪制水驅(qū)和微乳液驅(qū)的啟動壓力梯度與滲透率的關(guān)系曲線，結(jié)果如圖3所示。

表2 正交實驗設(shè)計及計算結(jié)果Table2 The r esults of or thogonal exper iment design and calculation tables

表3 低滲透巖心微乳液驅(qū)啟動壓力梯度Table3 Start-up pressure gradient of microemulsion flooding in low permeability reservoir

圖3 啟動壓力梯度與滲透率關(guān)系曲線Fig.3 Relationship between permeability and start-up pressure gradient of the curve

由圖3可知，低滲透巖心啟動壓力梯度特征如下：

（1）啟動壓力梯度與巖心滲透率呈乘冪關(guān)系，啟動壓力梯度隨滲透率的減小而增大。根據(jù)曲線的彎曲程度大致可分為3個不同的上升階段：當(dāng)滲透率大于7×10-3μm2時，曲線處于緩慢上升階段；當(dāng)滲透率為（3～7）×10-3μm2時，曲線處于快速上升階段;當(dāng)滲透率小于3×10-3μm2時，曲線處于急劇上升階段。

（2）水驅(qū)啟動壓力梯度為0.012～0.133 MPa/m時，平均啟動壓力梯度為0.050 MPa/m。微乳液驅(qū)啟動壓力梯度為0.008 8～0.091 8 MPa/m時，平均啟動壓力梯度為0.039 MPa/m。

2.4 微乳液驅(qū)降低啟動壓力梯度機理研究

2.4.1 微乳液驅(qū)與啟動壓力梯度關(guān)系 為了分析微乳液對巖心啟動壓力梯度的影響，將微乳液驅(qū)與水驅(qū)非線性滲流特征進行對比分析。微乳液驅(qū)與水驅(qū)的滲流速度與壓力梯度關(guān)系曲線如圖4所示。

與水驅(qū)非線性滲流相比，低滲透巖心微乳液驅(qū)非線性滲流具有以下特點：

(1）在同一壓力梯度下，微乳液驅(qū)的滲流速度高于水驅(qū)的滲流速度，說明微乳液驅(qū)減小了驅(qū)替時的流動阻力。

（2）滲透率越低，微乳液驅(qū)的啟動壓力梯度越大。為了研究在不同滲透率巖心中微乳液對啟動壓力梯度的影響，將水驅(qū)與微乳液驅(qū)的啟動壓力梯度曲線繪制在同一圖表中，如圖5所示。相對于水驅(qū)來說，微乳液驅(qū)的啟動壓力梯度降低幅度比較明顯，水驅(qū)與微乳液驅(qū)啟動壓力梯度差值曲線如圖6所示。

圖4 相同滲透率巖心微乳液驅(qū)與水驅(qū)啟動壓力梯度對比圖Fig.4 The same permeability of core starting pressure gradient of microemulsion flooding and water flooding comparison chart

圖5 微乳液驅(qū)與水驅(qū)啟動壓力梯度對比Fig.5 Comparison of start-up pressure gradient of microemulsion flooding and waterflooding

微乳液驅(qū)與水驅(qū)的啟動壓力梯度都與滲透率呈乘冪關(guān)系，滲透率越大，啟動壓力梯度越小。與水驅(qū)相比，微乳液驅(qū)的啟動壓力梯度具有以下特征：

（1）相同滲透率的巖心，微乳液驅(qū)的啟動壓力梯度更小。

（2）滲透率越小，微乳液驅(qū)與水驅(qū)的啟動壓力梯度差值越大。

圖6 水驅(qū)與微乳液驅(qū)啟動壓力梯度差值Fig.6 Difference of start-up pressure gradientof microemulsion flooding and water flooding

2.4.2 啟動壓力梯度與界面張力的關(guān)系 通過改變表面活性劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)配制不同性質(zhì)的微乳液，并利用旋轉(zhuǎn)液滴界面張力儀分別測定其界面張力[14-15]，各微乳液的配方和界面張力如下：

配方一：正辛烷5 mL、水5 mL、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.0%的十二烷基甜菜堿、8%的正丁醇、5.0%的NaCl。

配方二：正辛烷5 mL、水5 mL、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.5%的十二烷基甜菜堿、8%的正丁醇、5.0%的NaCl。

配方三：正辛烷5 mL、水5 mL、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.0%的十二烷基甜菜堿、8%的正丁醇、5.0%的NaCl。

通過實驗測定得知，配方一的界面張力是0.004 8 mN/m，配方二的界面張力是0.001 2 mN/m，配方三的界面張力是0.002 7 mN/m。

將上述3種微乳液作為測試流體，分別測定各微乳液驅(qū)替時巖心“壓差-流量”曲線，并求其啟動壓力梯度?！皦翰?流量”曲線如圖7所示，其對應(yīng)的界面張力與啟動壓力梯度如表4所示。

圖7 不同界面張力的“壓差-流量”曲線Fig.7 Pessure-consumption curve at different interfacial tensions

表4 不同界面張力微乳液啟動壓力梯度Table4 Start-up pressure gradient of microemulsion at different interfacial tensions

由圖7可知，在同一壓力梯度下，界面張力越小，其滲流速度就越大。對于同一滲透率的巖心，微乳液的界面張力越低，巖心的啟動壓力梯度越小。

由此可見，微乳液的界面張力是影響巖心非線性滲流特征和啟動壓力梯度的重要因素。界面張力越低，滲流的阻力越小，啟動壓力梯度也越小。

2.4.3 微乳液降低啟動壓力梯度的機理 低滲透油藏孔喉細(xì)小、滲流阻力大、比表面大,固-液界面之間存在界面張力,流體通過多孔介質(zhì)時會在孔隙表面形成邊界層。與孔隙中自由態(tài)的流體相比，邊界層中的流體具有更大的滲流阻力，當(dāng)驅(qū)替壓力小于滲流阻力時，流體被束縛在孔隙中而不能發(fā)生流動。隨著驅(qū)替壓力梯度的逐漸增大，各孔隙中的流體相繼參與流動，宏觀上表現(xiàn)為滲流速度隨壓力梯度增大而加速增大?！皦翰?流量”曲線為一條上凹型曲線，而非直線，低滲透油藏中的滲流屬于非線性滲流，不符合達(dá)西定律。

表面活性劑具有顯著降低界面張力的作用。微乳液流經(jīng)孔隙時，體系中的表面活性劑會吸附在孔隙內(nèi)壁處，大幅度降低了固液界面張力，減小了邊界層的滲流阻力。此外，離子型表面活性劑能夠在溶液中發(fā)生電離作用，生成帶電粒子，這些帶電粒子進入邊界層后，會與邊界層中原有的粒子發(fā)生相互作用，起到壓縮擴散雙電層的作用，進而使邊界層變薄。邊界層變薄會直接增大孔隙中的實際過流面積。因此，微乳液體系可以顯著降低啟動壓力梯度，減小滲流阻力。

3 結(jié)論

（1）“壓差-流量”曲線是一條上凹型曲線，當(dāng)壓力梯度達(dá)到一定值后，曲線變?yōu)橐粭l直線。啟動壓力梯度與滲透率呈乘冪關(guān)系，滲透率越低，啟動壓力梯度越大。水驅(qū)平均啟動壓力梯度為0.050 MPa/m，微乳液驅(qū)平均啟動壓力梯度為0.039 MPa/m。

（2）在相同滲透率條件下，與水驅(qū)相比，微乳液驅(qū)的啟動壓力梯度相對較小,差值隨滲透率的增大而逐漸變小，表明微乳液能夠降低低滲透油藏的啟動壓力梯度，從而降低油藏開發(fā)難度。

（3）微乳液的界面張力是影響巖心非線性滲流特征和啟動壓力梯度的重要因素。界面張力越低，滲流阻力越小，啟動壓力梯度也越小。界面張力從0.004 8 mN/m降低到0.001 2 mN/m，啟動壓力梯度從0.045 MPa/m降低到0.024 MPa/m。

（4）微乳液之所以能夠有效降低啟動壓力梯度，是因為它能夠顯著降低界面張力，減小了邊界層的滲流阻力。