克拉瑪依油田三元復合驅相滲曲線研究

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摘要： 在用穩定法測定三元復合驅油體系與油的相滲曲線時，用聚合物分子滯留條件下的堿、表面活性劑體系（AS）與油的相滲曲線來代替ASP驅油過程中的相滲曲線。研究了聚合物分子在孔隙介質中的滯留程度、體系的界面張力對相滲曲線的影響，將聚合物的作用歸結為對不可動水相飽和度、油水相的相滲曲線高低的影響；將堿和表面活性劑的作用歸結為通過降低界面張力來影響殘余油飽和度及水相相滲曲線的高低，得出了聚合物的滯留程度與不可動水相飽和度、油水相端點相對滲透率值之間的關系曲線和界面張力與殘余油飽和度、界面張力與水相端點相對滲透率之間的關系曲線。
主題詞：聚合物驅；復合化學驅；相對滲透率曲線；非牛頓流體；聚合物滯留；低張力
中圖分類號：TE312　　文獻標識碼：A
文章編號：0253-2697（2000）01-0049-06

LABORATORY STUDY ON THE RELATIVE PERMEABILITY CURVE DURING ALKALI-SURFACTANT-POLYMER COMBINATION FLOODING IN KARAMAY OILFIELD

YE Zhong-bin et al.（Southwest Petroleum Institute）

　　The relative permeability curve of ASP/Oil system was obtained by measuring that of AS/Oil system using steady-state method after polymer retention. The effect of polymer retention and interfacial tension on the relative permeability curve was investigated. The results shows that polymer mainly increase the irreducible water saturation while decreasing the height of relative permeability curves for both water and oil phases; alkali and surfactant mainly decrease the residual oil saturation while increasing the height of relative permeability curve for water phase. The experiments indicated the relations between polymer retention and irreducible water saturation, end-point relative permeability reductions for water and oil phases, and that between interfacial tension and residual oil saturation, end-point relative permeability for water phase.
Key words:　polymer flooding; combination flooding; relative permeability curve; non-Newtonian fluid; polymer retention; low-tension

1　前　言

　　ASP三元復合驅油體系在驅油過程中，存在著多種物理化學作用，如聚合物分子在孔隙介質中的滯留、表面活性劑在巖石表面上的吸附、堿與巖石礦物之間的反應而造成的巖石孔滲參數變化以及流體的非牛頓效應等。這些因素交替作用影響著ASP驅油過程中的滲流形態，使得ASP驅油滲流過程變得非常復雜。在三元復合驅中聚合物的主要作用是通過提高驅替相的粘度而提高波及效率，堿和表面活性劑則是使界面張力降低，從而提高驅油效率。在微乳液驅油技術中也有關于界面張力對相對滲透率曲線的影響研究^［1、2］，其主要結論是，隨著界面張力的降低，不可動水飽和度和殘余油飽和度減小，油水相的相對滲透率曲線升高，曲線指數減小。由于聚合物溶液的非牛頓特性，使得不可能用傳統的相對滲透率曲線測試方法直接測定聚合物溶液與油之間的相滲曲線。文獻［3］測定了巖心在進聚合物前后的油水兩相相對滲透率曲線，發現巖心在進聚合物之后，油相的相滲曲線明顯右移，其端點滲透率有所下降，水相的相滲曲線明顯降低。在關于三元復合驅相滲曲線測試方法研究中，文獻［4］曾試圖將聚合物分子的滯效應、液體的非牛頓效應綜合考慮到達西粘度中，即將ASP驅油體系相滲曲線測試中關于水相粘度的確定問題轉化為研究液體的殘余阻力系數與粘度的確定問題，但這具有很大的難度。首先它涉及高分子流體的流變性和在孔隙介質中的微觀流變性，目前在這些領域還存在著許多有待解決的問題，同時還將造成整個三元復合驅數值模擬中有關滲流基本方程及相關表達式的重寫。
　　在了解三元復合驅油數值模擬計算對相滲曲線的需求的基礎上，針對新疆克拉瑪依油田開展三元復合驅目的油層的巖性情況，用聚合物分子滯留條件下的AS與油體系的相滲曲線來表征ASP與油體系的相滲曲線，研究了聚合物分子在孔隙介質中的滯留程度和體系的界面張力對相滲曲線的影響，得出了聚合物的滯留程度與不可動水相飽和度、滯留程度與油水相端點相對滲透率值之間關系曲線，以及界面張力與殘余油飽和度之間的關系曲線。

2　研究方法

　　根據堿、表面活性劑和聚合物在驅油過程中各自所起的作用，在實驗研究ASP驅油體系的相滲曲線時，采取分離問題、突出主要矛盾的方法，在各種不同穩定條件下測定相滲曲線。

　　（1）相滲曲線的測定采用穩態法。用體積守恒法確定相飽和度，通過提高巖心入口端和出口端計量精度來飽和度的精度；
　　（2）由于在ASP復合體系驅油過程中，聚合物的主要作用是增加驅替相粘度、降低水相的流度，從而擴大驅油體系的波及系數，因而在研究中用滯留飽和了聚合物分子條件下的AS溶液與油的相滲曲線代表ASP與油的相滲曲線。　

3　研究條件

4　研究內容及討論

4.1　聚合物分子在孔隙介質中的滯留對相滲曲線特征的影響

表1　聚合物分子滯留對S_wc、S_or的影響（IFT=35mN/m）
Table 1　Effects of polymer retention on S_wc and S_or（IFT=35mN/m）

　（1）溫度：T=30℃。
　　（2）主要設備：SY-03A型雙柱塞微量計量泵，TY-Ⅲ改型長巖心夾持器，旋滴界面張力儀（超低界面張力儀），布氏粘度計。
　　（3）主要化學劑：表面活性劑1^#石油磺酸鹽（油田提供）；聚合物M₀3000H等；堿NaHCO₃。
　　（4）孔隙介質：天然露頭砂礫巖（38mm×200mm，油田提供）。
　　（5）油樣：原油/煤油=60/40。
　　（6）水樣：地層水。　　高分子聚合物在注入水中的存在，一方面提高水相粘度（μ_p），另一方面聚合物大分子在孔隙介質中的滯留使滲透率降低（F_rr），結果使水相流度降低，以達到穩定排驅前緣，提高注入水在油層中的波及體積的目的。在實驗研究中發現，在ASP驅油體系中，水相流度的降低不僅靠μ_p和F_rr，同時還可通過增大不可動水相飽和度來實現。實驗結果還表明，聚合物分子在孔隙介質中的滯留將使油的流動能力有所降低。
　　相滲曲線上的端點相對滲透率值、不可動水飽和度及殘余油飽和度是相滲曲線的重要特征，為了研究高分子聚合物的存在對油水兩相滲流的影響，首先考慮它對相滲曲線的特征點（端點相對滲透率值、不可動水飽和度及殘余油飽和度）的影響。聚合物分子在孔隙介質中的滯留程度用殘余阻力系數來描述，它可以通過兩種方法來建立，*種方法是在同一批性質相近的巖心中，分別注入不同量（xPV）的同種聚合物溶液，然后用水沖洗得到不同的殘余阻力系數F_rr，從而建立起不同的滯留程度；第二種方法是在同一批性質相近的巖心中，分別注入相同量（5PV）的不同種類聚合物溶液，它們的水解度相同，但分子量不同，然后用水沖洗得到不同的殘余阻力系數F_rr，從而建立起不同的滯留程度。實驗中分別測定了具有高、低界面張力的油水體系在不同的聚合物分子滯留程度下的不可動水相飽和度、油水相端點相對滲透率。
4.1.1　實驗過程
　　（1）巖心抽空飽和含有粘土穩定劑的地層水；
　　（2）用水相（具有一定濃度的表面活性劑和堿）驅替巖心，直至巖心內各種物化作用達到平衡，測定巖心的滲透率K_w（S_w=1）；
　　（3）分別用兩種方法建立聚合物分子在孔隙介質中的滯留程度。用*種方法時，選用5塊性質相近的巖心，分別注入0.0、 0.5、 1.0、2.0、 5.0PV分子量為1200×10⁴、水解度為25%左右、質量濃度為10³kg/m³的聚合物溶液，用水相沖洗巖心，測殘余阻力系數；用第二種方法時，另選用3種聚合物（HPAM），分子量分別為650×10⁴、800×10⁴和1000×10⁴，水解度均為25%左右。在3塊性質相近的巖心中分別注入5.0PV質量濃度為10³kg/m³的上述3種聚合物溶液，用水相沖洗巖心，測殘余阻力系數；
　　（4）油驅替水相，測定不可動水相飽和度S_wc及對應的油相有效滲透率K_o（S_wc）；
　　（5）用水相驅趕油，測定殘余油飽和度S_or及對應的水相有效滲透率K_w（S_or）。
4.1.2　實驗結果
　　表1和表2分別是常規油水體系（水相中不含表面活性劑和堿）和低張力體系在不同聚合物分子滯留程度條件下的實驗結果。由于每組實驗的巖性及物性參數相似，可以把*塊巖心（X=0.0PV）的油水相端點相對滲透率值和不可動水相飽和度看成是進了聚合物的巖心（X＞0.0PV）在進聚合物前的油水相端點相對滲透率值和不可動水相飽和度。表中油、水相的相對滲透率值的基數是進聚合物前巖心的水測滲透率。圖1、圖2分別是巖心在進聚合物后油、水相的端點相對滲透率下降倍數、不可動水相飽和度上與殘余阻力系數的關系，即K_rwb（S_or）/K_rwa（S_or）～F_rr、K_rob（S_wc）/K_roa（S_wc）～F_rr及△S_wc～F_rr。

K_w（S_w=1）（μm²）	K_o（S_wc）（μm²）	PV數	F_rr	S_wc	K_rw⁰	K_ro⁰	S_or	△S_wc（%）	聚合物分子量（10⁴）
0.4347	0.2684	0.0	1.00	0.618	0.058	0.617	0.164	0.0	1200
0.4156		0.5	1.45	0.634	0.043	0.479	0.154	1.6
0.4463		1.0	2.00	0.653	0.032	0.379	0.150	3.5
0.4276		2.0	2.40	0.668	0.025	0.332	0.142	5.0
0.4365		5.0	2.50	0.675	0.024	0.324	0.138	5.7
0.4755		5.0	1.62	0.636	0.038	0.447	0.155	1.8	650
0.4520		5.0	1.95	0.650	0.032	0.416	0.148	3.2	800
0.4486		5.0	2.35	0.665	0.027	0.343	0.145	4.7	1000

表2　聚合物分子滯留對S_wc、S_or的影響（IFT=3.84×10^-3mN/m）
Table 2　Effects of polymer retention on S_wc and S_or（IFT=3.84×10^-3mN/m）

K_w（S_w=1）（μm²）	K_o（S_wc）（μm²）	PV數	F_rr	S_wc	K_rw⁰	K_ro⁰	S_or	△S_wc（%）	聚合物分子量（10⁴）
0.3474	0.2155	0.0	1.00	0.584	0.652	0.620	0.137	0.0	1200
0.3716		0.5	1.50	0.625	0.447	0.493	0.104	4.1
0.3649		1.0	1.80	0.652	0.385	0.450	0.087	6.8
0.3585		2.0	2.20	0.684	0.312	0.404	0.082	10.0
0.3526		5.0	2.40	0.701	0.296	0.377	0.079	11.7
0.4015		5.0	1.55	0.634	0.438	0.493	0.105	5.0	650
0.4250		5.0	1.86	0.659	0.370	0.443	0.090	7.5	800
0.4420		5.0	2.25	0.692	0.310	0.393	0.085	10.8	1000

　　　　注：表中K_ro⁰、K_rw⁰分別為油、水相的端點相對滲透率。

　　圖中，K_rob（S_wc）為進聚合物前油相的端點相對滲透率；K_roa（S_wc）為進聚合物后油相的端點相對滲透率；K_rwb（S_or）為進聚合物前水相的端點相對滲透率；K_rwa（S_or）為進聚合物后水相的端點相對滲透率；△S_wc為進聚合物后水相不可動水相飽和度增加值。
　　表1、表2和圖2表明，聚合物分子的滯留將引起不可動水相飽和度的增加，這可能是因為部分水解聚丙稀酰胺本身是極性分子，它對水分子具有一定的親合力，巖石孔隙在吸附滯留了部分水解聚丙稀酰胺后，增加了對水分子的吸附能力，因而使不可動水飽和度增加。文獻［5，6］表明，巖石孔隙在聚合物分子作用下，其潤濕性將向親水方向變化，巖石的親水性越強，束縛水飽和度越高，所以巖石在進聚合物后束縛水飽和度增加。但在低張力下，聚合物分子的滯留使不可動水相飽和度增加的幅度反而比高張力下更大（見圖2），這與常理不合，因為在研究不涉及聚合物的低張力體系（如微乳液）的相滲曲線時發現，隨著界面張力的降低，束縛水飽和度和殘余油飽和度都將減小^［1，2］。若分別單獨考慮復合體系中聚合物和活性劑的作用，它們在對不可動水飽和度的影響上作用相反，因此在低張力下聚合物分子的滯留使不可動水相飽和度增加的幅度應比高張力下小，而實驗結果卻相反，這也許正是聚合物與活性劑及堿之間協同效應的表現形式之一。

t5201.gif （2404 bytes）

圖1　殘余阻力系數對端點相對滲透率的影響
Fig.1　Effects of residual resistance factor （F_rr）on　end-point relative permeabilities

t5202.gif （1999 bytes）

圖2　殘余阻力系數對不可動水飽和度的影響
Fig.2　Effects of residual resistance factor （F_rr）on irreducible water saturation

　　表1、表2和圖1還表明，聚合物分子的滯留使油、水兩相的端點相對滲透率都下降，其下降程度隨聚合物分子的滯留程度的增加（F_rr增大）而增大，但油相的下降程度小于水相。人們希望聚合物的存在只減小水的流度而不影響油的流動，因而聚合物在孔隙介質中的殘余阻力系數也就只是對水而言。基于這一觀點，一些聚合物驅的數模軟件在考慮滯留聚合物分子對多相滲流的作用時，殘余阻力系數F_rr僅作用于水相的相對滲透率曲線，而油相的相對滲透率曲線不受影響。表1、表2和圖1說明聚合物大分子在孔隙介質中的滯留不僅僅增加水相的流動阻力，同時還要降低油相的流動能力，只是對油相的影響弱于水相。同時表1、表2還表明，進聚合物后，殘余油飽和度略有下降。
4.2　不同界面張力下三元復合驅相滲曲線的測定
　　ASP三元復合驅油體系在驅油過程中，存在著諸如聚合物分子的滯留、表面活性劑在巖石表面上的吸附等物理化學作用，同時還有因堿與巖石礦物之間的反應而造成的巖石孔滲透性變化，這些因素交替作用，影響著ASP驅油過程中的滲流過程。由于這些特殊性，使得非穩定法不能用于測定三元復合驅油體系與油之間的相滲曲線。盡管該驅油過程處于動態變化之中，但就地層中的某一微元而言，在一定的時間范圍內，總存在一個相對穩定的參數場，如化學劑濃度、殘余阻力系數、界面張力等，因此仍然可以采用穩定法的思想。但由于流體的非牛頓效應，又不能用穩定法直接測定三元復合驅油體系與油之間的相滲曲線。根據堿、表面活性劑和聚合物在驅油過程中各自所起的作用，采取分離問題、突出主要矛盾的辦法，在各種不同穩定條件下測定相滲曲線。既綜合文獻^［1，3］的思想，用聚合物分子滯留條件下的AS與油體系的相滲曲線來表征ASP與油體系的相滲曲線，分別研究聚合物分子在孔隙介質中的滯留程度和體系的界面張力對相滲曲線的影響。
　　用的堿和油田所提供的表面活性劑，當體積濃度為C_S=0.2%～1.2%，C_A=0.2%～1.0%時，所形成的兩相體系的界面張力在1.226mN/m～3.84×10^-3mN/m范圍內。因此，用堿和石油磺酸鹽配制了具有不同界面張力的兩相體系，采用穩態法分別測定巖心在進聚合物前后的相滲曲線，以研究界面張力對相滲曲線的影響。
4.2.1　實驗過程
　　（1）巖心抽空飽和含有粘土穩定劑的地層水；
　　（2）用AS溶液驅替飽和巖心，使各化學劑在孔隙介質中的各種物化作用達到飽和（平衡）；
　　（3）速度由低到高進行油驅水，建立束縛水飽和度；
　　（4）用穩態法測定AS/油體系的相滲曲線（總流量為50mL/h）；
　　（5）用聚合物溶液驅替飽和巖心；
　　（6）用AS溶液沖洗巖心；
　　（7）重復（3）、（4）兩步，測定進聚合物后的AS/油相滲曲線。
4.2.2　實驗結果
　　圖3、圖4分別是普通油水體系和不同界面張力條件下的AS/油體系在進聚合物前、后的相滲曲線，其特點是：

t5301.gif （2387 bytes）

圖3　普通油水體系相滲曲線
Fig.3　Relative permeability curve for oil/water system

t5302.gif （2756 bytes）

圖4　AS/油體系相滲曲線
Fig.4　Relative permeability curve for oil/AS system

t5303.gif （1188 bytes）

圖5　界面張力對殘余油飽和度的影響
Fig.5　Effects of IFT on residual oil saturation

　　（1）與一般砂巖巖石相比，此批砂礫巖的束縛水飽和度偏高，兩相流動區間窄小，普通油水體系的相滲曲線指數較小；
　　（2）進聚合物前后，各自曲線指數相近，進聚合物后兩相流動區間明顯向右壓縮，油相端點相對滲透率下降、水相曲線明顯降低；
　　（3）隨著AS/油體系的界面張力降低，束縛水飽和度基本不變（個別除外），殘余油飽和度降低，見圖5；水相相滲曲線升高；水相端點相對滲透率與界面張力的關系的數學表達式為（在實驗所涉及的界面張力范圍內）

K_rwb（S_or）=-13.88×logσ+32.77（%）
K_rwa（S_or）=-8.30×logσ+16.01（%）

　　1.聚合物大分子在孔隙介質中的滯留將同時增加水相和油相的流動阻力，使油、水相的端點相對滲透率同時降低，但對油相的作用弱于水相；
　　2.聚合物分子滯留將引起不可動水相飽和度明顯增加，而殘余油飽和度卻下降很少，兩相流區間減小，相對滲透率曲線向右壓縮；
　　3.ASP復合驅油體系相滲曲線可以通過測定進聚合物后的AS/油體系相滲曲線獲得；聚合物的作用是使不可動水相飽和度增加和使油、水相端點相對滲透率下降，堿和表面活性劑的作用是通過降低界面張力而使殘余油飽和度降低和使水相的相滲曲線升高，隨著界面張力降低，不可動水相飽和度基本不變，而殘余油飽和度明顯降低；
　　4.與一般砂巖相比，砂礫巖的束縛水飽和度偏高，兩相流動區間窄小，相滲曲線指數較小。

編輯楊茁作者簡介：葉仲斌，男，1966年11月生。1989年畢業于西南石油學院石油工程系，獲碩士學位。現為西南石油學院副教授。
葉仲斌（西南石油學院石油工程系，四川南充　637001）
　彭克宗（西南石油學院石油工程系，四川南充　637001）
　吳小玲（西南石油學院石油工程系，四川南充　637001）
　黃愛斌（西南石油學院石油工程系，四川南充　637001）

參　考　文　獻

［1］　Delshad M,Pope G A. Two and three phase relative permeabilities of micellar fluids［J］.SPE FE,1987,2（3）:327～337.
［2］　Fulcher R A.The effect of capillary number and its constituents on two phase relative permeability curves［C］.SPE 12170,1983.
［3］　Schneider F N，Owens W W. Steady-state measurement of relative permeability for polymer/oil systems［J］.SPEJ,1982,22（1）:79～86.
［4］　葉仲斌，彭克宗.ASP 驅油體系相對滲透率曲線測定方法研究［J］.西南石油學院學報，1995，17（3）：85～91.
［5］　El-Sayed A A H,Al-Awad M N J.Effect of partially hydrolyzed polyacrylamide （PHPA）mud contamination on rock wettability［J］.Oil Gas Europe Mag,1997,23（2）:10～11.
［6］　Zaitoun A,Kohler N.Two-phase flow through porous media:effect of an adsorbed polymer layer［C］.SPE 18085,1988:297～310.

5　結　論

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