我国稠油探明储量超50×108t，但现阶段稠油油藏的平均采收率不足20%，开采效率亟需提升。稠油热采是我国稠油开发的主要方式，80%的热采产量来自于蒸汽吞吐技术。但以下问题限制了蒸汽吞吐产量的提高：多轮次蒸汽吞吐后热效率下降，油气比迅速降低；在薄互层油藏、厚层块状油藏等复杂稠油油藏，蒸汽驱、SGAD(steam gravity assisted drainage, SGAD)等接替技术无法规模化推广应用；热采面临高碳排放、高能耗以及高成本等难题[1-5]。稠油冷采是指不通过地面热源，直接开采稠油的开发方式，如何降低稠油黏度及其在地层流动的黏滞阻力是稠油冷采的关键[6-8]。化学冷采通过化学剂降低稠油黏度，具有工艺简便、所需设备少等特点，已经在我国各大油田应用[9-14]。水溶性降黏剂通过乳化稠油大幅降低稠油黏度，是现阶段降黏能力最强、经济效益最高和适用范围最广(适用于油层、井筒和管道降黏)的化学降黏技术[15-17]。但因我国稠油油藏高孔高渗、非均质性严重，多轮次吞吐后发育有大量窜流通道，并且降黏剂与稠油流度差异大，造成降黏剂窜流严重。因此，控制降黏剂窜流是提高稠油化学冷采采收率的关键。针对上述问题，本研究结合冻胶分散体颗粒型调控剂与稠油冷采降黏剂，构建了一种兼具储层调控提高波及效率和高效降黏能力的稠油冷采用冻胶分散体调驱体系。为明确体系组分间相互作用机制及其影响因素，对体系的界面流变性质以及共存方式进行了研究。
实验所用材料：冻胶分散体，实验室自制[18]；稠油冷采降黏剂，上海诺颂实业有限公司；实验用模拟地层水矿化度8 000 mg/L(NaCl与CaCl2质量比为9∶1)；所用稠油样品为胜利油田河口采油厂的特超稠油，油藏温度为50 ℃，样品基础性质及组成见表 1和表 2。
实验所用仪器：激光粒度分布仪(Bettersize2000，丹东百特仪器有限公司，中国)；旋转黏度计(DV2T，BROOKFIELD，美国)；旋转滴界面张力仪(TX500C，CNG，美国)；界面扩张流变仪(Tracker，TECLIS Scientific，法国)；高温高压流变仪(HAAKE MARS 60，Thermo Fisher Scientific，美国)等。
使用激光粒度分布仪对稠油冷采用冻胶分散体调驱体系的粒径分布进行测定，使用旋转滴界面张力仪测定体系与稠油界面张力，使用旋转黏度计测量体系黏度及稠油乳液黏度。将不同质量分数的体系与稠油样品进行机械搅拌获得稠油乳液并测定其黏度，计算乳化降黏率。
使用界面扩张流变仪，通过悬滴法对液滴的周期性扰动，利用滴外形分析方法测试界面张力响应，研究界面层分子吸附与脱附过程，并对体系动态界面张力(固定振荡频率为0.5 Hz)和不同振荡频率下的界面扩散模量进行测试，测试温度为50 ℃。界面扩张模量定义为界面张力变化与界面面积相对变化的比值，见式(1)。
式中：ε为扩张模量，mN/m；γ为界面张力，mN/m；A为界面面积，mm2。
将体系在50 ℃下老化10天，分别收集顶部溶液(相对分散状态)和底部溶液(聚集体)，使用超声波水浴处理5 min，使溶液中的冻胶分散体颗粒及其聚集体重新分散。使用流变仪的同轴同桶转子在100 s-1的恒定剪切速率下测量并计算平均剪切应力，测试温度25 ℃，剪切时间120 s。
冻胶分散体以本体冻胶为原料，经机械剪切、物理磨圆作用后制得不同粒径分布的均匀分散水相溶液，作为颗粒型调剖剂，与表面活性剂具有良好的配伍性，两者直接复配能够组成非均相的调驱体系，在常规油藏中展现出良好的提高采收率效果[19]。基于已有研究基础，使用具有黏弹性的冻胶分散体颗粒与甜菜碱类两性表面活性剂型降黏剂，通过直接复配的方式构建了稠油冷采用冻胶分散体调驱体系，所用冻胶分散体的质量分数为0.06%~0.12%，降黏剂的质量分数为0.05%~0.15%。降黏剂与冻胶分散体的吸附、解吸附行为对体系调驱性能会产生影响，为探明体系组分间的相互作用机制，首先要对调驱体系基础性能进行评价。
图 1为稠油冷采用冻胶分散体调驱体系的粒径分布曲线。从图 1可知，冻胶分散体的粒径主要分布在0.30~3.00 μm范围内，中值粒径为1.03 μm，根据颗粒粒径与地层孔隙的匹配关系，该粒径范围的冻胶分散体能够在高渗透率的稠油储层中深部运移，体系在老化后可通过架桥、聚结和直接封堵等方式有效地调控稠油油藏中的窜流通道。
图 2为体系在不同组分含量下的黏度变化。从图 2可知，冻胶分散体表现出高黏弹性，其含量增加会导致固体含量提高，颗粒间距减小，分子碰撞频率增加提高了内部摩擦力，导致体系黏度的明显增加。由于降黏剂分子量较小，其含量未对体系黏度产生影响。体系整体黏度维持在约10 mPa·s，有助于体系注入到地层深部，从而提升对窜流通道的调控效果。
图 3为在不同降黏剂质量分数下，体系油水界面张力的变化情况。从图 3可知，在降黏剂质量分数为0.05%~0.10%时，界面张力随质量分数增加而降低。当降黏剂质量分数超过0.10%时，界面张力开始上升。在低质量分数下，降黏剂在油水界面上形成吸附膜，降低界面张力。当降黏剂质量分数超过临界胶束含量后，降黏剂在界面聚集数量增加，吸附层排布更不规则，导致界面张力升高。
图 4为在不同乳液含水率条件下，体系在稠油乳化后的乳液黏度和降黏率。从图 4可知，随着含水率增大，乳液黏度显著降低，当含水率大于30%时，乳液黏度低于100 mPa·s，降黏率超过95%。由于稠油初始黏度高，在含水率为10%和20%时，并不能完全乳化形成O/W型乳状液，部分稠油仍以连续相的形式存在于乳液中，导致整体黏度升高。因此，当含水率高于30%时，通过乳化稠油可以有效地降低其黏度，并提高乳化降黏效率。
图 5为体系在油水界面吸附行为示意图，如图 5所示，体系中降黏剂与冻胶分散体在油水界面的吸附过程呈现复杂性，这是由于冻胶分散体表面带负电，降黏剂分子带正电且部分会吸附在颗粒表面。同时，在油水界面上主要吸附位点大多被具有油水两亲性的降黏剂分子所占据，少量冻胶分散体可以直接向油水界面膜迁移，自发地吸附在界面上，影响体系的降黏性能和调控能力。界面流变特性是相接触时最重要的界面特征之一，当界面层受到扰动时，会产生张力响应，通过分析不同组分含量和油藏条件下界面层恢复平衡的过程，可以研究分子在界面层内的聚集状态和相互作用。
图 6为体系组成对动态界面张力及界面扩张模量的影响。图 6(a)和图 6(c)呈现了冻胶分散体质量分数对界面流变性质的影响。其中，降黏剂质量分数保持为0.10%。随着振荡时间的增加，体系界面张力逐渐趋于稳定。冻胶分散体在高质量分数时，稳定界面张力明显更高，这是由于在降黏剂质量分数不变时，油水界面上降黏剂分子数量相对固定冻胶分散体在油水界面的吸附量随质量分数增大逐渐增加，挤占了降黏剂分子在界面吸附位置。同时，由于体系黏度上升，降低了降黏剂向界面扩散的速度，导致界面张力增加。体系黏度提高，增加了动态扩张模量，在高质量分数冻胶分散体条件下，黏弹性提升效更加显著。
图 6(b)和图 6(d)为降黏剂质量分数对界面流变性质的影响，冻胶分散体质量分数固定为0.06%。在降黏剂质量分数为0.05%~0.10%的范围内，随着降黏剂质量分数的增加，动态界面张力稳定值下降。但当质量分数超过0.10%时，随着质量分数的增加，动态界面张力稳定值增大。体系的扩张模量变化趋势与动态界面张力相同。在低质量分数情况下，随着降黏剂分子数量的增多，逐渐在油水界面形成有序的吸附层，使得界面膜的强度不断增大，动态界面张力降低，界面扩张模量增大。而在高质量分数下，降黏剂在界面层吸附饱和后，质量分数继续增加会增强空间位阻效应，使降黏剂的部分亲水基团从水相中逸出，形成胶束聚集体，对吸附膜的强度产生负面影响，使得界面扩张模量减低。因此，当降黏剂质量分数为0.10%时，体系在稠油界面层形成的界面膜最为稳定，体系的乳化降黏能力最强。
图 7为油藏条件对动态界面张力及界面扩张模量的影响。采用不同矿化度模拟水配制体系(0.06%(w)冻胶分散体+0.10%(w)降黏剂)，在50 ℃老化10天。图 7(a)和图 7(c)呈现了矿化度对体系界面流变性质的影响。从图 7可知，随着矿化度的提高，老化后体系的动态界面张力稳定值从0.127 mN/m增至0.356 mN/m。降黏剂带有磺酸盐基团，有较强的耐温耐盐能力，因此界面张力的提升幅度有限。此外，体系的界面扩张模量随矿化度的增大而减低，这是由于地层水阳离子会对冻胶分散体之间的扩散双电层产生压缩作用，减小冻胶分散体表面负电量，降低其分散稳定性，体系黏度随之下降。
将体系(0.06%(w)冻胶分散体+0.10%(w)降黏剂)置于50 ℃条件下老化，模拟长期的调驱过程。图 7(b)和图 7(d)为老化时间对体系界面流变性质的影响。从图 7可知，随着老化时间的增加，体系的动态界面张力稳定值增加，同时界面扩张模量减小。在老化过程中，降黏剂分子的界面活性逐渐减弱，导致降黏剂的有效吸附含量降低，使得动态界面张力增加。此外，由于老化后冻胶分散体聚结沉降在底部，体系黏度降低，降低了界面扩张模量。总体来看，老化后的体系对稠油的乳化能力略有下降。
稠油冷采用冻胶分散体调驱体系是热不稳定体系。老化后体系内的冻胶分散体受到颗粒间斥力降低和重力沉降作用的影响，聚结形成较大的聚集体(见图 8)。因此，利用流变仪在恒定剪切速率下测量体系的剪切应力，间接反映冻胶分散体在体系中的共存方式(聚集或者分散)，并考查组分含量、油藏条件对聚结稳定性的影响。
图 9为体系组成对剪切应力的影响。图 9(a)显示了冻胶分散体质量分数对剪切应力的影响(降黏剂质量分数固定为0.10%)。从图 9(a)可知，底部溶液的剪切应力明显更高，老化后冻胶分散体相互聚结形成聚结体，导致体系在不同部位的共存方式差异明显。上下部的剪切应力均随着冻胶分散体质量分数的增加而增大。冻胶分散体质量分数是体系黏弹性以及颗粒间聚集程度的主控因素，其质量分数越大，颗粒间相互接触的次数增多，更易聚结形成聚结体。当体系注入到油藏后，聚结体会强化对窜流通道的封堵效果，有助于提升体系的储层调控能力。图 9(b)展示了降黏剂质量分数对剪切应力的影响(冻胶分散体质量分数固定为0.10%)。随着体系中降黏剂质量分数的增加，顶部的剪切应力略微增加，而底部的剪切应力减小，表明降黏剂质量分数越高，冻胶分散体聚集作用越弱。降黏剂分子在冻胶分散体表面吸附后降黏剂带有负电的亲水端朝向水中，增大颗粒之间的排斥作用及颗粒在水相中的稳定性。这种特性有助于将冻胶分散体运移到地层深部，强化体系对稠油油藏的调控效果。
固定冻胶分散体和降黏剂质量分数均为0.10%，考查油藏条件对剪切应力的影响。从图 10(a)地层水矿化度对体系剪切应力的影响可知，随着矿化度增加，体系顶部的剪切应力减小，而底部的剪切应力增大。地层水中的阳离子可压缩冻胶分散体颗粒之间的扩散双电层，减少颗粒间因负电产生的斥力，使冻胶分散体聚结沉降，同时冻胶分散体内部的水部分脱出，冻胶分散体粒径减小，形成的聚结体会更加紧密，有助于加强对储层窜流通道的调控效果。
从图 10(b)老化时间对体系剪切应力的影响(老化温度为50 ℃)可知：随着老化时间的延长，体系顶部的剪切应力减小，而底部的剪切应力增加，且在老化30天后，体系底部的剪切应力显著增大。随着老化时间的增加，冻胶分散体的热运动加剧，颗粒相互碰撞的概率增加；同时，降黏剂逐渐从冻胶分散体表面解吸附，降低颗粒间斥力，加快冻胶分散体聚结沉降。并且随着老化时间增长，冻胶分散体聚结的量显著增多，对窜流通道的封堵效果是一个不断加强的过程，可获得更高的长期调控效果。
1) 构建了一种兼具储层调控和高效降黏能力的稠油冷采用冻胶分散体调驱体系，初始粒径中值为1.03 μm，体系黏度为10 mPa·s，能够降低油水界面张力至10-1 mN/m，对稠油样品的乳化降黏率能达到95%以上。
2) 通过界面流变性质研究了体系在油水界面的吸附行为，降黏剂决定了油水界面的稳定性，其质量分数为0.10%时，界面膜最为稳定，乳化降黏能力最强。冻胶分散体主要通过提高体系黏度起到增强界面稳定性的作用，矿化度和长时间老化对体系的乳化能力影响不大。
3) 对老化沉降后的体系剪切应力进行了测试，冻胶分散体质量分数越高、地层水矿化度越大聚结速度越快，所形成聚结体强度越高，聚结量随着老化时间增长而增大。此外，降黏剂的存在能够提高冻胶分散体的稳定性，并有助于提高冻胶分散体对地层深部的调控效果。
2024, Vol. 53 Issue (2): 71-77 2024, Vol. 53 Issue (2): 71-77