特低滲砂巖油藏CO2-低界面張力黏彈流體協(xié)同驅(qū)油機(jī)理研究

董沅武 王睿 王思瑤 孟文玉 陳龍龍 唐善法,3

1.長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院 2.陜西延長(zhǎng)石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院 3.油氣鉆采工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

注CO2驅(qū)油是特低滲油氣藏提高采收率和實(shí)現(xiàn)CO2有效埋存的重要技術(shù)手段[1-7]。由于氣體黏度低、密度小以及儲(chǔ)層非均質(zhì)性，注氣過(guò)程中往往會(huì)面臨氣體流動(dòng)性控制不佳，存在黏性指進(jìn)、重力超覆以及氣竄等問(wèn)題，氣體的高流動(dòng)性會(huì)降低波及系數(shù)，對(duì)提高采收率產(chǎn)生不利的影響[8-10]。水氣交替注入(WAG)是增強(qiáng)注氣過(guò)程中氣體流動(dòng)性控制最為常用的解決方案之一,國(guó)內(nèi)外大量實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明[11-15]，采用水氣交替注入的方式既充分利用CO2驅(qū)的優(yōu)勢(shì)，又可以有效控制氣竄并延長(zhǎng)氣體突破時(shí)間，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)前緣穩(wěn)定驅(qū)替，提高其波及系數(shù)。

考慮到特低滲透油藏復(fù)雜的儲(chǔ)層環(huán)境及特征，保證注入體系的滲流能力是油藏開(kāi)發(fā)的前提。由低界面張力黏彈表面活性劑構(gòu)筑的黏彈流體既滿足低/特低滲透儲(chǔ)層注入性，又具有類似表面活性劑/聚合物二元驅(qū)功能，在提高波及系數(shù)和洗油效率方面具有顯著優(yōu)勢(shì)[16-18]，但針對(duì)低界面張力黏彈流體和CO2相結(jié)合用以提高特低滲砂巖油藏采收率技術(shù)鮮有研究，對(duì)其驅(qū)油機(jī)理的研究有待進(jìn)一步深入。為了進(jìn)一步增強(qiáng)氣體流動(dòng)性控制及改善CO2-水交替驅(qū)的開(kāi)發(fā)效果，本研究在水氣交替注入階段用低界面張力黏彈流體代替水，以特低滲砂巖儲(chǔ)層為研究對(duì)象，開(kāi)展微觀可視化驅(qū)油實(shí)驗(yàn)、巖心驅(qū)油實(shí)驗(yàn)以及潤(rùn)濕性測(cè)試等，深入探索并研究特低滲砂巖油藏CO2-低界面張力黏彈流體協(xié)同驅(qū)油過(guò)程中二者之間的協(xié)同作用及驅(qū)替方式對(duì)實(shí)際驅(qū)油效率的影響，以期為提高特低滲砂巖油藏采收率方法的研究提供新的思路和理論參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

實(shí)驗(yàn)材料：儲(chǔ)層原油(溫度為47.2 ℃，黏度為3.5 mPa·s)、低界面張力黏彈流體(自制)、注入水(離子組成見(jiàn)表1)、煤油、白油、蘇丹紅、亞甲基藍(lán)、CO2(體積分?jǐn)?shù)為99.99%)、實(shí)驗(yàn)用巖心為儲(chǔ)層天然巖心。

表1 模擬地層水離子組成mg/L質(zhì)量濃度Na+K+Ca2+Mg2+Cl-SO2-4HCO-3礦化度1 928.8310.80316.7467.371 258.463 236.80162.756 981.75

實(shí)驗(yàn)儀器：Brookfield DV2T黏度計(jì)，美國(guó)Brookfield公司； QBZY型自動(dòng)表面張力儀，上海方瑞儀器有限公司；TEXAS-500旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀，美國(guó)科諾工業(yè)有限公司；OCA 50全自動(dòng)接觸角測(cè)量?jī)x，德國(guó)Dataphysics公司；非均質(zhì)微觀刻蝕模型，鎮(zhèn)江華瑞芯片科技有限公司；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(shí)驗(yàn)方法

1.2.1溶液配制

(1) 模擬注入水配制：采用NaCl、Na2SO4、NaHCO3、CaCl2、MgCl2·6H2O、KCl，按地層水組分配制模擬注入水，礦化度為6 981.75 mg/L。

(2) 可視化實(shí)驗(yàn)用水：模擬注入水經(jīng)亞甲基藍(lán)染色并過(guò)濾。

(3) 可視化實(shí)驗(yàn)用油：根據(jù)實(shí)驗(yàn)所需黏度，將煤油與白油按一定比例復(fù)配，用蘇丹紅染色并過(guò)濾。

1.2.2界面張力測(cè)試

使用TX500C旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀，在轉(zhuǎn)速為5 000 r/min、溫度為47.2 ℃的條件下，測(cè)定不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下低界面張力黏彈流體與儲(chǔ)層原油間的界面張力。

1.2.3潤(rùn)濕性能測(cè)試

將儲(chǔ)層天然巖心洗油、烘干后切割成直徑、厚度一致的巖心薄片；將巖心薄片分別放置于低界面張力黏彈流體、CO2-低界面張力黏彈流體中浸泡6 h，取出巖心薄片自然風(fēng)干；用OCA 50全自動(dòng)接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)定巖心薄片表面水相接觸角θ，以θ值大小判斷不同流體浸泡后巖心表面潤(rùn)濕性變化。

1.2.4微觀可視化模型驅(qū)油實(shí)驗(yàn)

通過(guò)微觀刻蝕仿真模型開(kāi)展CO2驅(qū)、低界面張力黏彈流體驅(qū)、CO2-低界面張力黏彈流體協(xié)同驅(qū)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)可視化觀測(cè)不同驅(qū)替方式、驅(qū)替階段下剩余油分布狀態(tài)。

微觀可視化模型驅(qū)油實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示。

1.2.5巖心驅(qū)油實(shí)驗(yàn)

在47.2 ℃下，以恒壓驅(qū)替方式，在水驅(qū)含水率達(dá)到90%后，模擬地層非均質(zhì)性(3組雙管巖心的滲透率分別為0.191×10-3μm2/0.795×10-3μm2、0.155×10-3μm2/0.686×10-3μm2、0.161×10-3μm2/0.755×10-3μm2)開(kāi)展CO2驅(qū)、低界面張力黏彈流體驅(qū)、CO2-低界面張力黏彈流體交替協(xié)同驅(qū)實(shí)驗(yàn)，對(duì)比不同驅(qū)替方式下的驅(qū)油效率。

2 結(jié)果與討論

2.1 低界面張力黏彈流體基本性能

2.1.1低界面張力黏彈流體的界面活性

在油藏溫度47.2 ℃、不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下低界面張力黏彈流體的界面活性如圖2所示。低界面張力黏彈流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0.05%增至0.40%的過(guò)程中，界面張力值總體變化幅度不大，處于0.020 79～0.031 97 mN/m區(qū)間，始終保持在低界面張力(10-2mN/m)范疇。低的油水界面張力，可降低毛細(xì)管阻力和巖石表面對(duì)油滴的黏附力，提高毛管數(shù)[19]。

2.1.2低界面張力黏彈流體對(duì)巖石表面的潤(rùn)濕性能

不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的低界面張力黏彈流體處理前后天然巖心表面接觸角變化如圖3所示。經(jīng)不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的低界面張力黏彈流體處理后，巖石表面潤(rùn)濕性向強(qiáng)親水性轉(zhuǎn)變，水相接觸角由42.2°降至10°以下，油相接觸角有一定程度的增加，最大增加至24.2°。低質(zhì)量分?jǐn)?shù)的低界張力黏彈流體可顯著增強(qiáng)巖石表面的親水性，這一變化有益于剩余油的啟動(dòng)和剝離，進(jìn)而使流動(dòng)孔徑尺寸相對(duì)變大，并由于水相更容易侵入親水層，增強(qiáng)低界面張力黏彈流體的注入性[20-21]。

2.2 不同驅(qū)替方式對(duì)微觀刻蝕模型中剩余油啟動(dòng)的影響

2.2.1CO2驅(qū)對(duì)模擬油啟動(dòng)的影響

CO2驅(qū)油效果如圖4所示。從圖4可明顯觀測(cè)到氣體注入后會(huì)沿著微觀刻蝕模型連通性較好的孔道快速通過(guò)(見(jiàn)圖4(b))，氣體波及區(qū)域面積較小(見(jiàn)圖4(c))，并且氣體通過(guò)后微觀模型孔隙中仍充斥著紅色模擬油(見(jiàn)圖4(d))，僅憑借氣體快速流動(dòng)攜帶產(chǎn)出模擬油效果不佳。同時(shí)，相關(guān)研究表明[22]，在一定程度上提高CO2驅(qū)的宏觀波及體積較降低最小混相壓力更為重要，注CO2驅(qū)的開(kāi)發(fā)必須要考慮黏性指進(jìn)及重力超覆現(xiàn)象，避免CO2驅(qū)油過(guò)早氣竄造成CO2的無(wú)效注入和氣體波及體積下降所導(dǎo)致的最終采收率大幅下降。

2.2.2低界面張力黏彈流體對(duì)剩余油啟動(dòng)的影響

低界面張力黏彈流體驅(qū)不同階段油水分布狀態(tài)如圖5所示。從圖5可知：水驅(qū)結(jié)束后基于微觀刻蝕模型中孔隙的迂曲性，水驅(qū)剩余油主要分布在靠近主流線連通的小孔隙中(見(jiàn)圖5(b))；低界面張力黏彈流體驅(qū)結(jié)束后，低界面張力黏彈流體能夠?qū)⑺?qū)未能波及到的剩余油有效驅(qū)替，孔隙內(nèi)未見(jiàn)明顯剩余油(見(jiàn)圖5(c))；后續(xù)水驅(qū)結(jié)束后發(fā)現(xiàn)部分低界面張力黏彈流體彼此聚集形成流體柱、團(tuán)滯留于孔隙中(見(jiàn)圖5(d))。由此可以說(shuō)明，低界面張力黏彈流體既具備較好的注入性，又能對(duì)驅(qū)油剖面進(jìn)行有效調(diào)整，具有增強(qiáng)氣體流動(dòng)性控制的潛力。

2.2.3CO2-低界面張力黏彈流體交替驅(qū)對(duì)剩余油啟動(dòng)的影響

CO2-低界面張力黏彈流體交替驅(qū)不同階段殘余油分布狀態(tài)如圖6所示。從圖6可知，第1次氣水交替結(jié)束，微觀模型孔隙中僅殘余少許模擬油(見(jiàn)圖6(b))，第2次和第3次氣水交替結(jié)束，微觀模型孔隙中未見(jiàn)明顯的殘余油，可發(fā)現(xiàn)隨著CO2-低界面張力黏彈流體交替驅(qū)輪次的增加，殘余油含量呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)，說(shuō)明CO2-低界面張力黏彈流體交替驅(qū)能夠?qū)⑺?qū)未能波及到的剩余油有效驅(qū)替。

考慮到仿真微觀模型薄片耐壓能力有限，不能完全模擬地層條件，CO2不能達(dá)到混相的同時(shí)，CO2流度也相應(yīng)較高，該條件下CO2驅(qū)更容易發(fā)生重力超覆、黏性指進(jìn)以及氣竄。但是，CO2-低界面張力黏彈流體交替驅(qū)仍表現(xiàn)出較好的驅(qū)油效率，能夠提供一定的參考借鑒，可以進(jìn)一步通過(guò)巖心驅(qū)油實(shí)驗(yàn)相互印證，有效評(píng)估CO2-低界面張力黏彈流體協(xié)同驅(qū)油效果。

2.3 不同驅(qū)替方式對(duì)巖心驅(qū)油實(shí)驗(yàn)驅(qū)油效率的影響

模擬非均質(zhì)性，在水驅(qū)含水率達(dá)到90%后，分別開(kāi)展 CO2驅(qū)、低界面張力黏彈流體驅(qū)、CO2-低界面張力黏彈流體協(xié)同驅(qū)，3種不同驅(qū)替方式的提高采收率效果見(jiàn)表2。

表2 非均質(zhì)物模驅(qū)油效果評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果驅(qū)替方式巖心號(hào)Kg/10-3 μm2φ/%Soi/%水驅(qū)至含水90%驅(qū)替結(jié)束E低滲/%E高滲/%E綜合/%E低滲/%E高滲/%E綜合/%CO2驅(qū)10.19111.5464.1720.79511.8168.5512.9646.829.6813.3748.0130.49低界面張力黏彈流體驅(qū)30.1559.7566.0140.68610.8269.1125.1247.9640.4549.9451.6851.11CO2-低界面張力黏彈流體驅(qū)50.16111.1265.1960.75512.9169.8325.6646.5538.3454.2855.4354.59

由表2可知，水驅(qū)后分別開(kāi)展連續(xù)CO2驅(qū)、低界面張力黏彈流體驅(qū)、CO2-低界面張力黏彈流體驅(qū)，可進(jìn)一步改善水驅(qū)開(kāi)發(fā)效果，最終綜合采收率在水驅(qū)的基礎(chǔ)上分別提高0.91%、10.66%、16.25%。其中，低滲通道采收率在水驅(qū)基礎(chǔ)上分別提高0.41%、24.82%、28.62%，高滲通道采收率在水驅(qū)基礎(chǔ)上分別提高1.21%、3.72%、8.88%。連續(xù)CO2驅(qū)提高采收率效果不明顯，低界面張力黏彈流體的注入可以使采收率有效提高，從低/高滲通道采收率對(duì)綜合采收率的貢獻(xiàn)程度來(lái)看，僅有連續(xù)CO2驅(qū)高滲通道采收率對(duì)綜合采收率貢獻(xiàn)程度大于低滲通道，表明氣驅(qū)受儲(chǔ)層非均質(zhì)性影響較強(qiáng)，CO2主要沿著高滲透層突進(jìn)，很大程度上限制了氣體的波及范圍，進(jìn)入低滲通道的CO2較少，低滲通道原油的動(dòng)用程度低；低界面張力黏彈流體驅(qū)、CO2-低界面張力黏彈流體協(xié)同驅(qū)低滲通道采收率對(duì)綜合采收率貢獻(xiàn)程度遠(yuǎn)大于高滲通道，表明低界面張力黏彈流體在地層運(yùn)移時(shí)會(huì)選擇性地進(jìn)入高滲通道，降低高滲通道的滲透率，具有較強(qiáng)的調(diào)驅(qū)作用；CO2-低界面張力黏彈流體驅(qū)在一定程度上可解決非均質(zhì)特低滲油藏CO2驅(qū)氣竄問(wèn)題。此外，有研究表明[23]，地層中存在的天然裂縫不會(huì)威脅CO2埋存的穩(wěn)定性，CO2擴(kuò)散系數(shù)對(duì)埋存幾乎無(wú)影響，能夠?qū)崿F(xiàn)CO2有效埋存。因此，CO2-低界面張力黏彈流體協(xié)同驅(qū)既可實(shí)現(xiàn)特低滲砂巖油氣藏提高采收率，又可以實(shí)現(xiàn)CO2的有效埋存。

2.4 CO2-低界面張力黏彈流體協(xié)同驅(qū)油機(jī)理探討

為了更好地探究CO2-低界面張力黏彈流體協(xié)同驅(qū)油機(jī)理，首先對(duì)低界面張力黏彈流體驅(qū)替過(guò)程中剩余油的形變和運(yùn)移進(jìn)行了觀察。剩余油啟動(dòng)過(guò)程如圖7所示。從圖7可知，低界面張力黏彈流體驅(qū)替剩余油時(shí)，剩余油會(huì)順著驅(qū)替方向流動(dòng)，主要是因?yàn)轲椓黧w與油的剪切應(yīng)力大于水與油的剪切應(yīng)力，黏彈流體可以啟動(dòng)或剝離水驅(qū)后剩余油。低界面張力黏彈流體與剩余油接觸時(shí)，體系表面能會(huì)降低，導(dǎo)致殘余油內(nèi)聚力下降，油滴更容易發(fā)生變形，黏彈流體通過(guò)多孔介質(zhì)滲流的剪切作用，剩余油前緣會(huì)發(fā)生拉伸變形(見(jiàn)圖7(b))，逐漸變長(zhǎng)變細(xì)，直至斷脫成小油滴被水夾帶滲流(見(jiàn)圖7(c))，使微觀模型剩余油飽和度降低。

乳化分散剩余油運(yùn)移過(guò)程如圖8所示。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中也觀察到部分孔隙內(nèi)有很多分散的小油滴，被低界面張力黏彈流體夾帶滲流運(yùn)移(見(jiàn)圖8(a))，并發(fā)現(xiàn)低界面張力黏彈流體彼此聚集形成流體柱、團(tuán)，展示出了很好的流動(dòng)變形能力(見(jiàn)圖8(b))，可隨孔隙尺度變化而變形(見(jiàn)圖8(c))，在運(yùn)移通道中變形充滿孔隙呈“段塞式”徹底全面驅(qū)替所遇剩余油(見(jiàn)圖8(d))，在運(yùn)移過(guò)程中低界面張力黏彈流體聚集體會(huì)一直發(fā)生封堵、變形通過(guò)(見(jiàn)圖8(e))，展現(xiàn)出較好的運(yùn)移能力。之所以孔隙內(nèi)會(huì)存在這些分散的小油滴，是由于低界面張力黏彈流體具備一定的乳化能力，與多孔介質(zhì)通道中剩余油接觸后，可以通過(guò)降低油水界面張力，促使剩余油發(fā)生形變，自發(fā)乳化分散成小油滴，從而產(chǎn)生流動(dòng)阻力比較小的乳狀液繼續(xù)向后運(yùn)移。且在低界面張力黏彈流體存在時(shí)，這種不斷乳化-攜帶的過(guò)程會(huì)一直緩慢地進(jìn)行著，使驅(qū)替液更容易將剩余油攜帶出來(lái)，減少殘余油飽和度，使其展現(xiàn)出良好的乳化洗油能力。鑒于低界面張力黏彈流體聚集體變形通過(guò)小孔隙時(shí)，將增加其在小孔隙中的流動(dòng)阻力(或?qū)π】紫懂a(chǎn)生封堵作用)，需達(dá)到一定的驅(qū)替壓力才可變形通過(guò)，可迫使驅(qū)替流體進(jìn)入相對(duì)低滲的通道中，擴(kuò)大波及體積，并由于其自身較好的運(yùn)移變形能力，在運(yùn)移過(guò)程中會(huì)不斷地發(fā)生封堵、變形通過(guò)，進(jìn)而對(duì)驅(qū)油剖面進(jìn)行有效調(diào)整。

CO2的溶解會(huì)相應(yīng)改變低界面張力黏彈流體的潤(rùn)濕性能力，測(cè)試了不同處理方式前后天然巖心表面潤(rùn)濕角大小，結(jié)果見(jiàn)圖9。經(jīng)CO2-低界面張力黏彈流體浸泡處理后，巖心表面潤(rùn)濕性變化更為明顯，水相潤(rùn)濕角下降至6.7°，油相潤(rùn)濕角增大至26.2°。說(shuō)明低界面張力黏彈流體可以使巖石孔隙介質(zhì)表面潤(rùn)濕性向強(qiáng)親水性轉(zhuǎn)變。CO2-低界面張力黏彈流體協(xié)同注入油藏，有利于巖石孔隙介質(zhì)表面的水潤(rùn)濕性增強(qiáng)，這種變化一方面會(huì)導(dǎo)致原油相對(duì)巖石表面的黏附力減小，使得孔隙中的原油處于不平衡狀態(tài)中，在驅(qū)替液的作用下更容易脫離巖石表面；另一方面會(huì)促使地層毛細(xì)管中的彎液面發(fā)生變形，減小原油在孔隙中流動(dòng)時(shí)為克服毛細(xì)管阻力所消耗的能量，從而更有利于提高特低滲油藏水驅(qū)油時(shí)的采收率[24]。

CO2驅(qū)時(shí)，CO2在儲(chǔ)層中會(huì)對(duì)原油進(jìn)行溶解萃取，主要萃取其中的輕質(zhì)組分，會(huì)導(dǎo)致重質(zhì)組分沉積(如瀝青)，一方面會(huì)導(dǎo)致滲透率傷害增加；另一方面還會(huì)引起巖石潤(rùn)濕性向親油性轉(zhuǎn)變[25-27]。低界面張力黏彈流體具備一定的乳化能力，既能夠?qū)⒃腿榛稚⒊晌⑿∮偷伪粖A帶滲流產(chǎn)出，不容易造成乳堵傷害，也能通過(guò)乳化的包裹作用將重質(zhì)組分?jǐn)y帶出來(lái)，降低重質(zhì)組分沉積對(duì)滲透率的影響，有利于提高洗油效率，又可增強(qiáng)巖石孔隙表面的親水性，減弱瀝青質(zhì)沉積對(duì)潤(rùn)濕性的影響，盡可能保證巖石潤(rùn)濕性在驅(qū)替過(guò)程中處于一個(gè)較好的環(huán)境。CO2-低界面張力黏彈流體協(xié)同驅(qū)，既可以有效增強(qiáng)非均質(zhì)特低滲砂巖油藏注CO2過(guò)程中氣體流動(dòng)性控制,又能夠降低CO2萃取輕烴導(dǎo)致重質(zhì)組分沉積的影響，具有協(xié)同增效作用。

綜合上述研究可知，儲(chǔ)層的非均質(zhì)性會(huì)導(dǎo)致注入流體沿著高滲通道/裂縫等低流動(dòng)阻力路徑優(yōu)先運(yùn)移，氣驅(qū)受儲(chǔ)層非均質(zhì)性影響較強(qiáng)，氣體的高流動(dòng)性會(huì)致使提高采收率效果不明顯；低界面張力黏彈流體具有流度控制和洗油的雙重作用，顯著提高低滲通道采收率的同時(shí)，進(jìn)一步提高高滲通道采收率；CO2-低界面張力黏彈流體協(xié)同驅(qū)兼具CO2驅(qū)油機(jī)制和低界面張力黏彈流體驅(qū)油機(jī)制，主要通過(guò)降低界面張力、改善流度比、巖石表面潤(rùn)濕性改變及乳化作用的協(xié)同效應(yīng)，從而有效提高波及系數(shù)及洗油效率，具有較好的應(yīng)用前景。

3 結(jié)論與展望

(1) 低界面張力黏彈流體具備良好的界面活性和改變巖石表面潤(rùn)濕性能力，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%～0.40%時(shí)，油水界面張力值處于0.020 79～0.031 97 mN/m，始終保持在低界面張力(10-2mN/m)的范疇，可顯著增強(qiáng)巖石表面的親水性。

(2) 水驅(qū)后開(kāi)展CO2驅(qū)、低界面張力黏彈流體驅(qū)、CO2-低界面張力黏彈流體交替協(xié)同驅(qū)，采收率可在水驅(qū)的基礎(chǔ)上分別提高0.91%、10.66%、16.25%，低界面張力黏彈流體的注入可以顯著提高水驅(qū)后特低滲砂巖油藏的采收率。

(3) CO2-低界面張力黏彈流體協(xié)同驅(qū)兼具CO2驅(qū)油機(jī)制和低界面張力黏彈流體驅(qū)油機(jī)制，既可以有效增強(qiáng)非均質(zhì)特低滲砂巖油藏注CO2過(guò)程中氣體流動(dòng)性控制,又能夠降低CO2萃取輕烴導(dǎo)致重質(zhì)組分沉積的影響，較單一注入方式，采收率有一定程度的提高，具有協(xié)同增效作用，可見(jiàn)采用CO2-低界面張力黏彈流體協(xié)同驅(qū)是合理可行的。

(4) CO2-低界面張力黏彈流體協(xié)同驅(qū)既可實(shí)現(xiàn)特低滲砂巖油氣藏提高采收率，又可實(shí)現(xiàn)CO2有效埋存，具有較好的應(yīng)用前景。