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低渗透均质油层超低界面张力体系驱替毛管数的研究

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渗透 油层 界面 张力 体系 驱替毛管数 研究
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收 稿 日 期 : 2007202208基 金 项 目 : 国 家 重 点 基 础 研 究 发 展 (973)计 划 课 题 “ 新 型 活 性 剂 驱 油 体 系 适 应 性 研 究 (编 号 :2005作 者 简 介 : 陈 涛 平 (19612) ,男 ,教 授 ,博 士 ,主 要 从 事 提 高 采 收 率 及 采 油 工 艺 技 术 研 究 编 号 :16732064X(2007) 0520033204低 渗 透 均 质 油 层 超 低 界 面 张 力 体 系 驱 替 毛 管 数 的 研 究on of in 平 ,刘 金 山 ,刘 继 军(大 庆 石 油 学 院 提 高 油 气 采 收 率 教 育 部 重 点 实 验 室 ,黑 龙 江 大 庆 163318)摘 要 :针 对 经 典 毛 管 数 理 论 在 低 渗 透 油 层 超 低 界 面 张 力 体 系 驱 替 中 应 用 的 局 限 性 ,在 考 虑 低 渗 透 油层 水 驱 油 渗 流 速 度 、 超 低 界 面 张 力 对 油 水 相 对 渗 透 率 影 响 的 条 件 下 ,给 出 了 毛 管 数 的 修 正 公 式 ;依据 均 质 低 渗 透 岩 心 超 低 界 面 张 力 体 系 驱 油 实 验 数 据 绘 制 了 化 学 驱 采 收 率 与 毛 管 数 的 关 系 曲 线 ,提出 了 超 低 界 面 张 力 体 系 驱 替 条 件 下 应 用 毛 管 数 的 注 意 事 项 ,指 出 了 用 超 低 界 面 张 力 体 系 提 高 水 驱低 渗 透 油 层 采 收 率 的 合 理 途 径 词 :毛 管 数 ;低 渗 透 油 层 ;超 低 界 面 张 力 体 系 驱 油 ;提 高 采 收 率中 图 分 类 号 : 46     文 献 标 识 码 : 毛 管 数 理 论 把 水 驱 油 的 黏 滞 力 与 毛 管 力 之比 定 义 为 毛 管 数 ,并 给 出 了 实 际 岩 心 中 残 余 非 润 湿相 饱 和 度 、 润 湿 相 饱 和 度 与 毛 管 数 之 间 的 关 系 曲 线(\[1 \]. 该 理 论 作 为 化 学 驱 油 的 理 论 基 础 ,许 多 学者 曾 对 此 进 行 了 修 正 完 善 \[26 \] ,随 着 超 低 界 面 张 力体 系 驱 油 技 术 的 发 展 ,这 一 理 论 显 出 了 其 不 适 用 的方 面 从 理 论 和 室 内 实 验 已 证 明 \[7 \]:当 驱 替 液 和被 驱 替 液 之 间 的 界 面 张 力 小 于 10 - 3 m 时 ,由 于毛 管 力 作 用 ,被 陷 留 在 较 细 的 或 喉 道 窄 口 处 的 二 次残 余 油 基 本 上 可 以 全 部 驱 出 . 因 此 在 许 多 化 学 驱 方案 筛 选 和 数 值 模 拟 中 均 以 油 水 两 相 界 面 张 力 达 到10 - 3 m 作 为 启 动 残 余 油 的 筛 选 标 准 . 然 而 在 加入 聚 合 物 提 高 驱 替 液 的 黏 度 后 ,在 同 样 的 达 西 速 度下 达 到 的 相 同 毛 管 数 所 需 的 界 面 张 力 值 则 不 必 低 至10 - 3 m ,同 样 可 采 出 大 量 的 二 次 残 余 油 \[829 \] \[6 \]根 据 合 驱 实 验 结 果 得 出 :随 着碱 剂 浓 度 的 增 加 , 合 体 系 的 界 面 张 力 由 100m 下 降 至 10 - 3 m 数 量 级 ,相 应 的 毛 管 数增 加 ;而 随 碱 剂 浓 度 的 增 加 ,采 收 率 的 变 化 趋 势 与 毛管 数 的 变 化 趋 势 显 然 不 同 . 最 明 显 的 是 当 碱 剂 浓 度由 0. 6 %增 加 到 1. 2 %时 ,界 面 张 力 达 到 了 超 低 状 态(10 - 3 m 数 量 级 ) ,毛 管 数 增 大 了 10 倍 ,但 均 质岩 心 的 采 收 率 基 本 不 变 ,非 均 质 岩 心 的 采 收 率 反 而下 降 . 对 此 ,用 经 典 毛 管 数 理 论 显 然 不 能 得 到 令 人 满意 的 解 释 的 研 究 表 明 \[10211 \] ,单 纯 将 油 水 界 面 张 力 降至 10 - 3 m 数 量 级 时 ,提 高 采 收 率 的 幅 度 并 不 明显 ,而 与 此 同 时 将 驱 替 液 黏 度 适 当 提 高 后 ,则 收 到 了较 好 的 驱 替 效 果 ,这 与 经 典 毛 管 数 理 论 不 完 全 相 符 ,经 典 毛 管 数 理 论 应 用 于 目 前 在 水 驱 之 后进 行 的 超 低 界 面 张 力 体 系 化 学 驱 油 ,还 存 在 一 些 值得 探 讨 的 内 容 毛 管 数 的 修 正经 典 毛 管 数 理 论 是 以 单 一 均 匀 毛 管 孔 道 模 型 为基 础 建 立 的 ,实 际 低 渗 透 油 层 超 低 界 面 张 力 体 系 驱替 机 理 与 其 有 一 定 区 别 ,因 此 ,有 必 要 对 毛 管 数 做 进2007 年 9 月第 22 卷 第 5 期西 安 石 油 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 )i′ 200722 5一 步 的 修 正 1   驱 替 速 度 对 采 收 率 和 毛 管 数 的 影 响按 照 经 典 毛 管 数 的 定 义 及 其 理 论 ,提 高 毛 管 数是 降 低 残 余 油 饱 和 度 、 提 高 采 收 率 的 途 径 ,但 几 乎 所有 研 究 都 是 将 降 低 油 水 界 面 张 力 与 提 高 驱 替 相 黏 度作 为 提 高 采 收 率 的 途 径 ,而 不 将 提 高 驱 替 速 度 作 为提 高 采 收 率 的 途 径 ,经 常 给 出 的 解 释 是 提 高 驱 替 速度 因 驱 替 压 力 梯 度 太 大 在 实 际 中 难 以 实 现 ,但 对 低渗 透 油 层 而 言 并 非 完 全 如 此 \[1213 \]曾 对 低 渗 透 油 层 油 水 渗 流 规 律 进行 过 系 统 深 入 的 研 究 ,都 指 出 ,低 渗 透 油 层 存 在 水 驱油 的 最 佳 渗 流 速 度 ,即 水 驱 亲 水 岩 心 过 程 中 是 润 湿相 驱 替 非 润 湿 相 ,当 渗 流 速 度 较 低 时 ,易 于 发 挥 毛 管力 的 吸 水 排 油 作 用 ,当 渗 流 速 度 较 高 时 ,则 主 要 发 挥驱 动 力 的 作 用 . 当 二 者 的 作 用 都 充 分 发 挥 时 ,即 为 最佳 驱 替 速 度 进 行 的 一 组 低 渗 透 岩 心 水 驱 油 对 比 实 验 也发 现 ,当 其 他 条 件 一 定 时 ,驱 替 速 度 不 同 其 水 驱 采 收率 也 有 一 定 差 别 ,见 表   不 同 驱 替 速 度 的 驱 油 效 果岩 心 号 驱 替 速 度/ (m· d - 1) 渗 透 率/ 10 - 3μ 收 率/ % 34. 52 38. 40 34. 78 34. 32因 此 ,对 于 低 渗 透 油 层 而 言 ,考 虑 驱 替 速 度 对 采收 率 的 影 响 时 ,已 不 能 将 毛 管 数 与 驱 替 速 度 之 间 的关 系 用 线 性 函 数 表 达 . 经 对 文 献 \[1213 \]给 出 的 原 油采 收 率 与 驱 替 速 度 关 系 曲 线 的 分 析 处 理 ,原 油 采 收率 与 驱 替 速 度 之 间 近 似 地 有 关 系η = f 1 (1)式 中 ,η 为 原 油 采 收 率 ; v 为 驱 替 相 速 度 ; 最 佳驱 替 速 度 . 故 可 将 毛 管 数 修 正 为N vμ (2)式 中 ,μ w 为 驱 替 相 (水 ) 黏 度 ;σ 油 水 界 面 张 力 2   超 低 界 面 张 力 对 相 对 渗 透 率 和 毛 管 数 的 影 响油 水 相 对 渗 透 率 曲 线 受 油 水 界 面 张 力 的 影 响 ,界 面 张 力 不 同 ,曲 线 形 状 也 不 同 ,随 着 油 水 界 面 张 力的 下 降 ,油 水 相 对 渗 透 率 曲 线 均 上 升 \[14215 \]. 对 于 亲水 岩 石 ,若 油 水 界 面 张 力 降 为 零 ,水 的 相 对 渗 透 率 曲线 理 论 上 可 以 提 高 至 1\[16 \],其 变 化 如 图 1 所 示   油 水 界 面 张 力 对 相 对 渗 透 率 线 的 影 响 \[ 16\]笔 者 的 研 究 表 明 \[10 \],对 低 渗 透 岩 心 在 注 入 速 度一 定 的 条 件 下 ,水 驱 之 后 注 入 超 低 界 面 张 力 活 性 水驱 替 时 ,其 注 入 压 力 比 水 驱 的 注 入 压 力 低 ,表 明 已 使水 的 相 对 渗 透 率 提 高 . 文 献 \[ 16 \]也 给 出 了 类 似 的 实验 结 果 ,如 图 2 所 示   心 驱 替 压 力 变 化 曲 线 \[ 16\]低 渗 透 岩 心 中 注 入 超 低 界 面 张 力 活 性 水 后 ,提高 了 水 的 相 对 渗 透 率 ,但 这 时 的 活 性 水 很 容 易 沿 水驱 已 形 成 的 通 道 向 前 突 进 ,驱 替 效 果 不 理 想 \[11 \]. 这是 因 为 超 低 界 面 张 力 活 性 水 驱 替 过 程 中 靠 界 面 剪 切将 油 剥 离 岩 石 多 发 生 在 与 水 驱 已 波 及 的 大 孔 道 紧 贴的 部 位 ,而 对 于 较 小 的 孔 道 中 的 原 油 ,由 于 超 低 界 面张 力 活 性 水 的 流 度 比 水 小 , 很 难 进 行 有 效 的 驱替 \[17 \] 透 率 小 于 50 × 10 - 3μ ,小 孔 道 占 总孔 道 的 比 例 较 大 \[13 \],故 对 低 渗 透 油 层 更 应 注 重 驱 替其 小 孔 道 中 的 原 油 界 面 张 力 驱 替 液 较 强 的 洗 油 能 力 有 利 于 提高 采 收 率 ,但 其 相 对 较 小 的 流 度 又 对 提 高 采 收 率 产生 了 负 面 影 响 ,毛 管 数 不 仅 要 体 现 超 低 界 面 张 力 的有 利 作 用 ,也 应 包 含 其 不 利 的 流 度 比 因 素 ,即N vμ 1M , (3)其 中 流 度 比M = λ oμ w , (4)—43— 西 安 石 油 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 )式 中 ,λ o ,λ w 为 油 、 水 流 度 ; 油 、 水 相 对 渗透 率 ;μ o 为 油 的 黏 度 率 K 与 孔 道 半 径 r 有 理 论 关 系 式K = < (5)式 中 , <为 孔 隙 度 似 地 有N vμ wμ o . (6)综 上 所 述 ,低 渗 透 油 层 水 驱 后 进 行 低 界 面 张 力体 系 驱 油 的 毛 管 数 可 修 正 为N′ c = vμ wμ o (7)2 化 学 驱 采 收 率 与 修 正 毛 管 数 的 关 系用 本 文 实 验 所 测 得 的 低 渗 透 油 层 超 低 界 面 张 力体 系 驱 油 采 收 率 值 与 相 应 实 验 数 据 按 式 (7) 计 算 的修 正 毛 管 数 N′ c 值 绘 制 的 关 系 曲 线 如 图 3 所 示 ,其中 计 算 N′ c 值 所 用 参 数 的 数 值 范 围 见 表   化 学 驱 采 收 率 与 修 正 毛 管 数 关 系 曲 线表 2   计 算 值 所 用 参 数 的 数 值 范 围参   数 数 值 范 围v/ (m · ) 1. 0 ,8. 0μ w/ ( s) 0. 625 ~ 5. 700σ 10 - 3 ( ) 5. 32 ~ 43. 50( 2 1/ 3μ w/μ o 0. 062 5 ~ 0. 570(m · ) 2从 图 3 中 可 以 看 出 ,数 据 点 具 有 较 好 的 规 律 性 ,表 明 在 考 虑 低 渗 透 油 层 水 驱 油 渗 流 速 度 及 超 低 界 面张 力 对 油 水 相 对 渗 透 率 影 响 的 条 件 下 ,驱 替 速 度 、 驱替 相 黏 度 、 油 水 界 面 张 力 、 驱 替 相 与 被 驱 替 相 黏 度 比及 水 驱 残 余 油 水 的 平 均 孔 隙 半 径 比 是 决 定 毛 管 数 大小 的 主 要 参 数 ,其 中 驱 替 速 度 、 驱 替 相 与 被 驱 替 相 黏度 比 对 毛 管 数 的 影 响 是 不 可 忽 视 的 毛 管 数 的 合 理 应 用经 典 毛 管 数 理 论 是 以 单 一 均 匀 毛 管 孔 道 模 型 为基 础 建 立 的 ,推 广 应 用 于 实 际 低 渗 透 油 层 时 ,因 驱 替机 制 的 差 异 ,应 用 中 应 注 意 以 下 几 点 :(1) 在 低 渗 透 亲 水 油 层 中 水 驱 油 的 机 理 已 不 同于 经 典 毛 管 数 理 论 建 立 时 水 驱 油 的 机 理 ,因 此 不 能将 驱 替 速 度 越 高 ,则 毛 管 数 越 大 ,采 收 率 越 高 的 经 典理 论 用 于 指 导 提 高 这 类 油 层 的 采 收 率 ,而 应 在 最 佳驱 替 速 度 下 寻 求 这 类 油 层 提 高 采 收 率 的 途 径 .(2) 经 典 毛 管 中 v ,μ w ,σ 个 参 数 对 毛 管 数N c 及 其 驱 替 效 率 的 影 响 可 以 看 作 是 互 相 独 立 的 ,固 定 其 中 的 两 个 参 数 ,调 整 另 一 参 数 ,就 可 改 变 毛 管数 从 而 改 变 驱 替 效 率 ,这 在 单 毛 管 孔 隙 中 是 正 确 的 于 实 际 岩 石 孔 隙 网 络 ,固 定 其 中 两 参 数 ,而 单 独调 整 另 一 参 数 则 不 一 定 能 达 到 预 定 目 标 ,特 别 是 对于 目 前 常 用 的 元 低 界 面 张 力 体 系 ,单 独 强 调提 高 碱 含 量 ,降 低 界 面 张 力 值 ,来 提 高 采 收 率 是 片 面的 . 因 为 碱 含 量 增 加 后 虽 然 界 面 张 力 值 大 幅 度 降 低 ,提 高 了 洗 油 能 力 ,但 同 时 元 体 系 的 黏 度 值 也下 降 ,使 元 体 系 更 易 窜 流 ,不 利 于 驱 油 . 而 且实 际 岩 石 孔 隙 网 络 中 ,界 面 张 力 和 黏 度 值 变 化 后 ,对毛 管 数 及 采 收 率 的 影 响 也 不 能 再 回 到 经 典 毛 管 数 的定 义 中 来 定 量 分 析 ,应 当 考 虑 到 实 际 岩 石 孔 隙 网 络条 件 下 毛 管 数 与 驱 替 效 率 之 间 的 关 系 已 发 生 变 化 ,对 毛 管 数 进 行 适 当 修 正 ,以 便 进 行 综 合 分 析 .(3)根 据 经 典 毛 管 数 理 论 ,用 超 低 界 面 张 力 活 性剂 提 高 油 层 采 收 率 ,特 别 是 提 高 中 低 渗 透 油 层 采 收率 的 方 向 是 勿 庸 置 疑 的 ;但 也 要 看 到 界 面 张 力 大 幅度 下 降 后 ,活 性 水 流 度 降 低 ,它 易 在 水 驱 已 形 成 的 水道 中 窜 流 ,有 不 利 于 提 高 采 收 率 的 一 面 . 欲 使 超 低 界面 张 力 体 系 驱 替 收 到 良 好 效 果 ,必 须 适 度 控 制 体 系的 流 度 ,保 证 其 不 发 生 或 少 发 生 窜 流 ,特 别 是 当 活 性水 在 地 层 中 不 能 与 原 油 很 好 地 乳 化 时 ,更 应 如 此 结   论(1)经 典 毛 管 数 理 论 是 以 单 一 均 匀 毛 管 孔 道 模型 为 基 础 建 立 的 ,应 用 于 低 渗 透 均 质 油 层 超 低 界 面张 力 体 系 驱 替 中 时 ,应 考 虑 驱 替 机 制 的 差 异 ,对 其 进行 必 要 的 修 正 .(2)在 考 虑 低 渗 透 油 层 水 驱 油 渗 流 速 度 和 超 低—53—陈 涛 平 等 :低 渗 透 均 质 油 层 超 低 界 面 张 力 体 系 驱 替 毛 管 数 的 研 究界 面 张 力 对 油 水 相 对 渗 透 率 影 响 的 条 件 下 ,驱 替 速度 、 驱 替 相 与 被 驱 替 相 黏 度 比 对 毛 管 数 的 影 响 不 可忽 视 .(3)本 文 给 出 的 毛 管 数 修 正 公 式 ,以 及 用 实 验 数据 作 出 的 化 学 驱 采 收 率 与 修 正 毛 管 数 的 关 系 曲 线 ,可 供 复 合 体 系 驱 油 理 论 研 究 参 考 .(4)水 驱 之 后 进 行 化 学 驱 油 时 ,不 能 单 纯 追 求 降低 界 面 张 力 来 提 高 采 收 率 ,应 走 提 高 微 观 洗 油 效 率(驱 出 水 驱 已 波 及 区 较 小 孔 道 中 的 原 油 )与 提 高 宏 观波 及 系 数 (驱 出 水 驱 未 波 及 区 的 原 油 )并 举 的 道 路 文 献 :\[1 \]  拉 里 L W(美 ) . 化 学 和 热 力 采 油 工 艺 与 原 理 \[ M \]厚 ,李 秀 生 ,陈 镭 ,译 . 济 南 : 山 东 科 学 技 术 出 版 社 ,1992.\[ 2 \]  A J r. of on C\]2170.\[3 \]  姜 言 里 . 活 性 水 驱 油 数 值 模 拟 中 的 参 数 处 理 \[J \]石 油 地 质 与 开 发 ,1985 ,4 (3) :41252.\[4 \]  姜 言 里 . 毛 管 数 与 残 余 油 饱 和 度 关 系 的 预 测 \[J \]石 油 地 质 与 开 发 ,1987 ,6 (1) :63266.\[5 \]  吕 平 . 毛 管 数 对 天 然 岩 心 渗 流 特 征 的 影 响 \[J \] 力学 研 究 与 进 展 ,1987 ,2 (1) .\[6 \]  侯 吉 瑞 . 复 合 体 系 的 界 面 张 力 — 流 变 性 对 驱 油 的 综 合作 用 研 究 \[D \] :大 连 理 工 大 学 ,2004.\[7 \]  韩 冬 ,沈 平 平 . 表 面 活 性 剂 驱 油 原 理 及 应 用 \[ M \] :石 油 工 业 出 版 社 ,2001.\[8 \]  唐 钢 ,李 华 斌 . 复 合 驱 界 面 张 力 与 驱 油 效 率 的 关 系 研 究\[J \] 石 油 地 质 与 开 发 ,2005 ,24 (3) :81283.\[9 \]  陈 中 华 ,李 华 斌 ,曹 宝 格 . 复 合 驱 中 界 面 张 力 数 量 级 与提 高 采 收 率 的 关 系 研 究 \[J \] 石 油 ,2005 ,25 (3) :53257.\[10 \]陈 涛 平 ,李 楠 . 低 渗 透 油 层 性 剂 提 高 采 收 率 实 验研 究 \[J \] 石 油 学 院 学 报 ,2005 ,29 (6) :45248.\[11 \]陈 涛 平 ,蒲 春 生 . 低 渗 透 油 层 超 低 界 面 化 学 驱 油 方 式 研究 \[J \] 石 油 大 学 学 报 :自 然 科 学 版 ,2006 ,21 (3) :30233.\[12 \]阎 庆 来 ,何 秋 轩 . 低 渗 透 油 气 藏 开 勘 探 开 发 技 术 \[ M \] :石 油 工 业 出 版 社 ,1993.\[13 \]黄 延 章 . 低 渗 透 油 层 渗 流 机 理 \[ M \] :石 油 工 业 出版 社 ,1998.\[14 \]吴 迪 祥 . 油 层 物 理 \[ M \] :石 油 工 业 出 版 社 ,1994.\[15 \]卢 广 钦 . 低 界 面 张 力 体 系 对 相 对 渗 透 率 影 响 实 验 研 究\[J \] 化 学 ,2003 ,20 (1) :54257.\[16 \]王 德 民 . 对 大 庆 油 田 持 续 发 展 有 影 响 的 四 项 工 艺 技 术与 方 法 探 讨 \[J \] 石 油 地 质 与 开 发 ,2002 ,21 (1) :10219.\[17 \]陈 涛 平 . 低 渗 透 油 层 超 低 界 面 张 力 体 系 驱 油 方 式 研 究\[D \] :中 国 科 学 院 渗 流 流 体 力 学 研 究 所 , :贺 元 旦(上 接 第 32 页 )\[2 \]  et of [J \]. of 1987 ,33(3) :73277.\[3 \]  C of of a in a [J \]. 2004 ,39 :137921384.\[4 \]  u J \]. 1963 ,14 :1226.\[ 5 \]  R K R of in J \]. 1995 , 30 (6) :8172839.\[6 \]  崔 海 清 ,孙 智 ,高 涛 . 非 体 在 内 管 做 轴 向 往复 运 动 的 偏 心 环 空 中 非 定 常 流 的 速 度 分 布 \[J \]力 学 研 究 与 进 展 ,2003 ,18 (6) :7112715.\[7 \]  孙 智 ,高 涛 ,崔 海 清 . 流 体 在 内 管 做 轴 向 运 动 的 偏 心 环空 中 的 速 度 分 布 \[J \] 石 油 学 院 学 报 , 2004 , 28(1) :10213.\[8 \]  Y ,N R S. of a [J \]. 1979 ,18 :3112322.\[9 \]  et J \]of 38 (2) : :贺 元 旦—63— 西 安 石 油 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 )J 007 V. 22 N. 5 p. 29232 ,36on of in in of to in of is In it of in of on to of in in of to to of in L L il 63318 ,J 007 V. 22 N. 5 p. 33236of in is to In to it is to an on of of to a of an is It of of of of is of to of of G L I S G 1. Xi’10065 ,2. 41000 ,J 007 V. 22 N. 5 of on of of is of in of is of of of on of is on it on of on of be dif
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