王所良，汪小宇，黃超，柴巧玲，荊建春，蔣文學(xué)，王業(yè)飛

（1.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田公司低滲透油氣田勘探開發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710018；2.中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院，陜西 西安 710018；3.中國(guó)石油大學(xué)（北京）地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249）

改變低滲透油藏潤(rùn)濕性提高采收率技術(shù)研究進(jìn)展

王所良1，2，汪小宇1，2，黃超1，2，柴巧玲1，2，荊建春1，2，蔣文學(xué)1，2，王業(yè)飛3

（1.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田公司低滲透油氣田勘探開發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710018；2.中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院，陜西 西安 710018；3.中國(guó)石油大學(xué)（北京）地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249）

油藏巖石潤(rùn)濕性是儲(chǔ)層物性的一個(gè)基本特征參數(shù)，是影響油田特別是混合潤(rùn)濕或油濕性低滲透油田開發(fā)的重要因素。文中針對(duì)目前通過改變油藏巖石潤(rùn)濕性以提高原油采收率方面的相關(guān)技術(shù)及研究進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)研，系統(tǒng)總結(jié)了改變油濕性油藏巖石潤(rùn)濕性以提高原油采收率的方法。經(jīng)過歸納總結(jié)，認(rèn)為目前這些方法主要分為物理法、化學(xué)法和微生物法3大類。潤(rùn)濕性轉(zhuǎn)變的機(jī)理是通過剝離巖石表面吸附的極性組分，還原巖石表面的親水性；或在巖石表面形成雙層吸附，使巖石表面潤(rùn)濕性反轉(zhuǎn)為水濕，增加毛細(xì)管力的滲吸驅(qū)油作用。在充分認(rèn)識(shí)巖石潤(rùn)濕性反轉(zhuǎn)機(jī)理的基礎(chǔ)上，有針對(duì)性地調(diào)節(jié)油藏巖石的潤(rùn)濕性，從而可以達(dá)到提高采收率的目的。

低滲透油藏；潤(rùn)濕性；潤(rùn)濕性反轉(zhuǎn)；采收率；機(jī)理

油藏潤(rùn)濕性是儲(chǔ)層物性的一個(gè)基本特征參數(shù)，影響油水相對(duì)滲透率、儲(chǔ)層中剩余油的分布及注水開發(fā)特征［1］。在低滲透裂縫性油藏水驅(qū)開發(fā)過程中，水驅(qū)采收率依賴于水自發(fā)滲吸進(jìn)入基質(zhì)巖塊將油驅(qū)替至裂縫中的能力。強(qiáng)水濕性油藏中，強(qiáng)毛細(xì)管力作用下導(dǎo)致滲吸驅(qū)替效率很高；而混合潤(rùn)濕或油濕性油藏中，由于毛細(xì)管力很弱，導(dǎo)致滲吸過程減弱或消失，嚴(yán)重影響水驅(qū)采收率［2-3］。目前，占全國(guó)陸上石油地質(zhì)儲(chǔ)量10%的油氣田是低滲透油氣田，已探明未開發(fā)儲(chǔ)量的一半以上是低滲透儲(chǔ)量［4］。潤(rùn)濕性是低滲透及裂縫性油藏滲吸驅(qū)油的主要影響因素之一，因此，研究改變油藏潤(rùn)濕性提高原油采收率技術(shù)，對(duì)改善水驅(qū)、提高采收率具有一定的指導(dǎo)意義［5］。

根據(jù)措施的不同，目前通過改變油藏巖石潤(rùn)濕性來提高原油采收率的方法可分為物理法、化學(xué)法和微生物法3大類。本文系統(tǒng)介紹了這3類方法改變油濕性油藏巖石潤(rùn)濕性的作用機(jī)理及其研究現(xiàn)狀，并列舉了部分方法在油田生產(chǎn)開發(fā)過程中的應(yīng)用實(shí)例。

1 物理法

1.1 改變溫度法

在油藏開發(fā)過程中，油藏溫度波動(dòng)將引起巖石礦物表面潤(rùn)濕性的改變。G.Tang等［6］通過Berea砂巖試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度由25℃升至75℃后，水的自發(fā)滲吸速率與原油最終采收率顯著提高。試驗(yàn)結(jié)果表明，在此水驅(qū)過程中，巖石表面的潤(rùn)濕性向水濕性方向轉(zhuǎn)變。J. Scembre等［7］的室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著溫度的升高，原始硅藻土由弱親水變?yōu)閺?qiáng)親水性，這種現(xiàn)象可能是由于高溫下巖石孔隙表面油膜剝離而造成的。D.Rao等［8］對(duì)接觸角的研究表明，溫度影響巖石表面水膜的厚度、地層水的組成、pH值，以及油-水、固-液表面的電學(xué)性質(zhì)，進(jìn)而影響巖石表面的潤(rùn)濕性。隨著油/水/固體系溫度的升高，石英巖表面的潤(rùn)濕性向親油性方向轉(zhuǎn)變，而方解石表面的潤(rùn)濕性向水濕性方向轉(zhuǎn)變。對(duì)于碳酸鹽巖裂縫性油藏，蒸汽驅(qū)時(shí)蒸汽或熱水與巖石表面相互作用，導(dǎo)致巖石表面的潤(rùn)濕性反轉(zhuǎn)，熱水可以自發(fā)滲吸進(jìn)入基質(zhì)巖石中驅(qū)替原油，從而提高原油采收率。阿曼GhabaNorth油田礦場(chǎng)試驗(yàn)表明，蒸汽驅(qū)過程中，蒸汽或熱水可以改變油藏原始潤(rùn)濕性，使水可自吸進(jìn)入基質(zhì)巖石中驅(qū)替原油，采收率可達(dá)到30%［9］。

1.2 振動(dòng)波法

振動(dòng)波具有傳播能量的物理性質(zhì)。振動(dòng)波的機(jī)械振動(dòng)作用、空化作用和熱效應(yīng)，使油藏中產(chǎn)生諸多的物理-化學(xué)作用，從而改變油藏巖石表面的潤(rùn)濕性［10］。顧春元等［11］、雷光倫［12］、楊玲等［13］認(rèn)為，機(jī)械振動(dòng)通過多孔或裂縫性介質(zhì)時(shí)可激發(fā)產(chǎn)生超聲波，在機(jī)械振動(dòng)和超聲波共同作用下，可降低流體在巖石表面的黏附力，改變巖石的潤(rùn)濕性，降低驅(qū)替過程的毛細(xì)管阻力，破壞吸附在孔隙表面上的油膜，使油膜脫落而聚集運(yùn)移，降低水驅(qū)油過程中儲(chǔ)層的殘余油飽和度，提高油井的產(chǎn)量和水驅(qū)油效率。T.Hamida等［14］通過研究指出，超聲波可以增加毛細(xì)管力的滲吸驅(qū)油效率，但對(duì)巖石表面潤(rùn)濕性的影響不是很大，其提高采收率的主要機(jī)理是改變了油水間的界面張力。

2 化學(xué)法

化學(xué)法通常是采用在注入水中添加化學(xué)藥劑，以降低油藏流體間界面張力，增加注入流體的波及體積，提高原油采收率的方法。通過化學(xué)法也可以調(diào)節(jié)油藏巖石表面的潤(rùn)濕性，提高原油采收率，尤其是在油濕性低滲透裂縫性油藏中，使巖石孔隙表面的潤(rùn)濕性向水濕性方向轉(zhuǎn)變，增加水的滲吸驅(qū)油作用，可顯著提高滲吸采收率。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和礦場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果均表明，在水驅(qū)過程中，加入化學(xué)調(diào)節(jié)劑調(diào)節(jié)油藏巖石的潤(rùn)濕性，可改善水驅(qū)開發(fā)效果，提高原油采收率［15-18］。

2.1 無機(jī)鹽

一些低廉的水溶性鹽類可以用來改變油藏巖石的潤(rùn)濕性，如氫氧化物、硅酸鹽、硫化物、亞硫酸鹽、碳酸鹽、磷酸鹽等。通過改變注入水的礦化度，實(shí)現(xiàn)對(duì)巖石潤(rùn)濕性的調(diào)控。其中，氫氧化物多用來改變砂巖油藏的潤(rùn)濕性，而碳酸鹽、磷酸鹽等多用來改變碳酸鹽巖油藏的潤(rùn)濕性［19］。

在低溫下，注入水中的Ca2+可以使吸附在灰?guī)r表面的極性物質(zhì)與巖石分離；隨溫度的升高，SO42-在灰?guī)r表面聚集，降低表面電負(fù)性，使得Mg2+更容易靠近巖石表面，并取代Ca2+與極性物質(zhì)結(jié)合，剝離吸附在巖石表面的極性組分，還原巖石表面原始的潤(rùn)濕性［18］。其機(jī)理模型如圖1所示。

圖1 Ca2+，Mg2+，SO42-引起潤(rùn)濕性反轉(zhuǎn)的機(jī)理

堿可以改變吸附在巖石表面油溶性表面活性物質(zhì)在水中的溶解度，恢復(fù)巖石表面原來的親水性；堿還可與石油酸反應(yīng)生成表面活性劑，主要擴(kuò)散到油相并吸附到巖石表面，使其由油濕性轉(zhuǎn)變?yōu)樗疂裥裕?0］。N.F. Najafabadi等［18］通過室內(nèi)試驗(yàn)證明，在碳酸鹽巖巖心中注入偏硼酸鈉，調(diào)節(jié)巖心潤(rùn)濕性，在后續(xù)水驅(qū)過后，殘余油飽和度明顯降低。

高溫下，CaCO3在石英巖表面的沉積可以阻止其表面變?yōu)橛蜐?。此外，較低濃度的CaCO3在巖石表面的沉積，可以使巖石表面親水性增強(qiáng)，并顯著提高油相的相對(duì)滲透率。利用CaCO3在巖石表面的沉積改變油藏潤(rùn)濕性提高采收率的方法，在加拿大進(jìn)行了試點(diǎn)應(yīng)用，礦場(chǎng)試驗(yàn)取得了可喜成果，證明了該技術(shù)的可行性和實(shí)用性［21］。

2.2 表面活性劑

近年來國(guó)內(nèi)外用于潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)的表面活性劑主要分為3類:1）陽離子表面活性劑，主要有烷基胺鹽和季銨鹽類（R-NH+，R-N+（CH3）3）；2）陰離子表面活性劑，主要有磺酸鹽［22］、羧酸鹽及聚氧乙烯（丙烯）烷基醇醚硫酸酯鹽等；3）非離子表面活性劑，主要有聚氧乙烯烷基醇醚、烷基糖苷等［23-24］。

2.2.1 陽離子表面活性劑

采用陽離子表面活性劑作為潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑的主要原因，是陽離子表面活性劑在帶負(fù)電荷的砂巖固體表面具有較大的吸附量［25］。Z.C.Bi等［26］通過CTAB在硅膠粉末表面的吸附導(dǎo)致潤(rùn)濕性變化提高采收率的試驗(yàn)研究指出，在較高的油水界面張力條件下，通過改變潤(rùn)濕性也可以獲得較高的采收率，且產(chǎn)出液中沒有乳狀液，證明其作用機(jī)理主要是潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)。用橢圓偏振法測(cè)定CTAB水溶液在二氧化硅表面的吸附層厚度，在不同質(zhì)量濃度下產(chǎn)生單分子和近似雙分子的吸附層，并與潤(rùn)濕性變化的數(shù)據(jù)吻合。曲巖濤等［27］用微觀模型研究發(fā)現(xiàn)，CTAB可以使親油表面轉(zhuǎn)變?yōu)橛H水或弱親水，殘余油量大大減少。用原子力顯微鏡觀察了CTAB在用甲基硅油處理得到的油濕性云母片表面的吸附構(gòu)象。結(jié)果表明，CTAB與油相和油濕性表面有很強(qiáng)的親和力，可以剝離云母片表面油膜，還原云母表面原始的潤(rùn)濕性。

D.Standnes［28］，M.Salehi等［29］認(rèn)為，在碳酸鹽巖油藏中，陽離子表面活性劑溶液在孔隙滲吸驅(qū)油過程中，陽離子表面活性劑分子與吸附在巖石表面帶有負(fù)電的極性物質(zhì)形成離子對(duì)，離子對(duì)脫離巖石表面并溶于原油中或在表面活性劑溶液中形成膠束，使得巖石表面恢復(fù)原始的潤(rùn)濕性，實(shí)現(xiàn)潤(rùn)濕性反轉(zhuǎn)，提高了水的滲吸驅(qū)油效率，使采收率增加（其機(jī)理如圖2a所示）。進(jìn)一步研究認(rèn)為，陽離子表面活性劑改變潤(rùn)濕性的效果主要取決于溶液中單分子活性劑的質(zhì)量濃度。

2.2.2 陰離子表面活性劑

陰離子表面活性劑的作用機(jī)理與陽離子活性劑不同。畢只初等［17］用SDBS改變硅膠粉末表面的潤(rùn)濕性，結(jié)果表明，當(dāng)表面活性劑溶液在硅膠粉末表面的接觸角最小時(shí)，模擬油的采收率最高。陰離子表面活性劑并不能使極性分子從固體表面脫附，而是吸附在固體表面，與原來吸附在表面的極性物質(zhì)形成雙層吸附，親油基朝向固體，而親水基朝向液體，從而在一定程度上改變巖石表面的潤(rùn)濕性。M.Salehi等［29］提出了陰離子表面活性劑改變油濕性碳酸鹽巖表面潤(rùn)濕性的機(jī)理，如圖2b所示。當(dāng)表面活性劑質(zhì)量濃度高于CMC后，表面活性劑分子在油濕性固體表面可以形成類似的雙層結(jié)構(gòu)，又導(dǎo)致了水在固體表面的接觸角變大。

圖2 表面活性劑改變油濕性巖石表面潤(rùn)濕性機(jī)理

2.2.3 非離子表面活性劑

離子表面活性劑因其在水中不解離，不帶電荷，受礦化度影響較小，得到廣泛應(yīng)用。D.Standnes等［28］認(rèn)為：非離子表面活性劑改變潤(rùn)濕性的機(jī)理與陰離子表面活性劑相同，吸附在油濕性的碳酸鹽巖固體表面，形成單分子層吸附結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致巖石表面由油濕性轉(zhuǎn)變?yōu)樗疂裥裕欣诒砻婊钚詣┤芤哼M(jìn)入巖石孔隙，提高了滲吸采收率。魏發(fā)林等［30］采用聚醚類潤(rùn)濕性反轉(zhuǎn)劑作為基質(zhì)巖石的優(yōu)先潤(rùn)濕相，可以使毛細(xì)管孔隙的親水能力加強(qiáng)，水可以自發(fā)滲吸驅(qū)油；采用潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑和水交替注入，不斷擴(kuò)大潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑的作用范圍和基質(zhì)巖石的滲吸驅(qū)油深度，控制含水率，提高原油采收率。

一般來說，陽離子表面活性劑需要較高的質(zhì)量濃度才能達(dá)到較好的潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)效果；而非離子及陰離子活性劑實(shí)現(xiàn)潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)的質(zhì)量濃度較低，使用范圍較大［2］：這是不同類型的活性劑在固體上的吸附能力和降低固體界面張力的能力不同造成的。

不同類型的表面活性劑改變潤(rùn)濕性機(jī)理的不同：陽離子表面活性劑與巖石表面的極性物質(zhì)是以較強(qiáng)的靜電力相互作用；而陰離子表面活性劑分子則是因疏水力與極性物質(zhì)間的范德華力作用，在巖石表面的極性物質(zhì)層上發(fā)生吸附。因此，在油濕性碳酸鹽巖油藏中，陽離子表面活性劑具有較強(qiáng)的使油濕性轉(zhuǎn)變?yōu)樗疂裥缘哪芰Γ?，31-32］；但在砂巖油藏中，陰離子表面活性劑改變潤(rùn)濕性的效果要優(yōu)于陽離子表面活性劑［33-35］。

2.3 新型膜劑

分子沉積MD（molecular deposition）膜是利用有機(jī)和無機(jī)陰陽離子體系的靜電作用為驅(qū)動(dòng)力，在固體表面上單層交替沉積制備的有序超薄膜?；贛D膜技術(shù)的特點(diǎn)，以及組成油層巖石的基本礦物（石英、方解石或白云石）和膠結(jié)物（高嶺石、蒙脫石、伊利石）表面基本都帶負(fù)電荷的特性，確立了分子沉積膜驅(qū)油技術(shù)（MD膜驅(qū)），它是單分子雙季銨鹽MD膜驅(qū)劑分子在油藏體系的各種界面上通過靜電作用形成納米級(jí)超薄膜來提高原油采收率的新型技術(shù)。膜的形成，降低了原油與巖石表面間的黏附功，使巖石的潤(rùn)濕性向親水方向轉(zhuǎn)變，從而提高原油采收率［36-37］。

高芒來等［38］研究了MD膜驅(qū)劑對(duì)油藏巖石礦物潤(rùn)濕性的影響，結(jié)果表明，MD膜驅(qū)劑使親水性較強(qiáng)的石英巖表面親水性減弱，中等潤(rùn)濕油砂表面的水濕性增強(qiáng)，而對(duì)弱親水性的表面潤(rùn)濕性影響不大。黃麗等［39］進(jìn)行了MD膜驅(qū)室內(nèi)試驗(yàn)研究，證明MD膜劑可以使油藏巖心表面由弱親油變?yōu)橹行?，由親油變?yōu)槿跤H油，三元復(fù)合驅(qū)后轉(zhuǎn)膜劑驅(qū)，可以使采收率提高5%～6%。

3 微生物法

微生物提高原油采收率的機(jī)理涉及到復(fù)雜的生物、化學(xué)和物理過程。微生物自身代謝產(chǎn)生的生物表面活性劑，可以有效降低水的表面張力和油、水、固之間的界面張力，改變巖石表面潤(rùn)濕性，減少剩余原油與巖石表面間的黏附功，提高注入水剝離、啟動(dòng)剩余油的能力［40-41］。

生物酶作為一種新型的生物化學(xué)劑，近幾年在國(guó)外石油及化工領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，其種類繁多，性能差異較大。油田生產(chǎn)過程中利用特定性質(zhì)的酶，可以實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)、增注、調(diào)剖或防砂等作用［42-44］。美國(guó) Apollo SeparationTechnology INC研究開發(fā)了一種新型高效的生物酶解堵劑。該種生物酶是以蛋白質(zhì)為基礎(chǔ)的具有能使油砂分離特性的非活性催化劑。王淵等［45］研究了該種生物酶改變巖石表面潤(rùn)濕性機(jī)理。研究結(jié)果表明，生物酶附著在石英片表面，短時(shí)間內(nèi)即可改變石英片表面的潤(rùn)濕性，而對(duì)于灰?guī)r片潤(rùn)濕性變化較慢。該生物酶能使巖石表面親水性增強(qiáng)，明顯降低油相在巖石表面的黏附功，剝落吸附在巖石表面的油膜，提高剩余油的流動(dòng)能力。

4 結(jié)束語

隨著對(duì)油藏潤(rùn)濕性認(rèn)識(shí)的不斷深入，通過改變油濕性油藏潤(rùn)濕性提高原油采收率技術(shù)逐漸得到重視。由于油濕性低滲透油層生產(chǎn)能力和注水能力差，導(dǎo)致油井產(chǎn)量不高，通過使巖石表面潤(rùn)濕性由油濕性或混合潤(rùn)濕性轉(zhuǎn)變?yōu)橛H水性，增加毛細(xì)管力推動(dòng)的自發(fā)滲吸驅(qū)油作用，改善油濕性低滲透油層水驅(qū)開發(fā)效果，可以顯著提高原油采收率。在深入研究油藏巖石潤(rùn)濕性轉(zhuǎn)變機(jī)理的基礎(chǔ)上，有針對(duì)性地選擇改變油藏巖石潤(rùn)濕性的方法，人為地調(diào)節(jié)油藏巖石的潤(rùn)濕性，并結(jié)合目前油田增產(chǎn)措施，可較大幅度地提高原油采收率。

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（編輯 李宗華）

Research progress of EOR with alteration of rock wettability in low-permeability reservoir

Wang Suoliang1，2,Wang Xiaoyu1，2,Huang Chao1，2,Chai Qiaoling1，2,Jing Jianchun1，2,Jiang Wenxue1，2,Wang Yefei3
(1.State Engineering Laboratory of Exploration and Development of Low-Permeability Oil&Gas Field,Changqing Oilfield Company, PetroChina,Xi′an 710018,China;2.Research Institute of Drilling&Production Engineering,Changqing Drilling Engineering Company Limited,PetroChina,Xi′an 710018,China;3.College of Geosciences,China University of Petroleum,Beijing 102249,China)

Rock wettability of reservoir is a basic characteristic parameter of reservoir property and it can affect the oilfield development,especially in low-permeability reservoir with mixed wettability and oil wettability.This paper analyzes the relative techniques of altering the rock wettability of oil reservoir to enhance the recovery ratio of crude oil and sums up the methods of altering rock wettability of oil reservoir with oil wettability to enhance the recovery ratio.The methods can be divided into three categories:physical,chemical and microbial methods.It is believed that the mechanism of wettability alteration is to restore the wettability of rock surface or to create the double layer adsorption on rock surface in order to make the wettability of rock surface reverse into water wet and improve the imbibition displacement action of capillary pressure through the stripping of polar component adsorbed by rock surface.Based on the sufficient understanding of wettability alteration mechanisms,the targeted adjustment of rock wettability of reservoir can realize the objective to enhance oil recovery.

low-permeability reservoir;wettability;wettability reversal;recovery ratio;mechanisms

中國(guó)博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目“表面活性劑改變巖石潤(rùn)濕性機(jī)理研究”（201004）

TE357

A

10.6056/dkyqt201204016

2012-01-08；改回日期：2012-05-21。

王所良，男，1985年生，2011年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（華東）油氣田開發(fā)工程專業(yè)，現(xiàn)從事壓裂酸化研究工作。E-mail：suoliangwang@163.com。

王所良，汪小宇，黃超，等.改變低滲透油藏巖石潤(rùn)濕性提高采收率技術(shù)研究進(jìn)展［J］.斷塊油氣田，2012，19（4）：472-476.

Wang Suoliang，Wang Xiaoyu，Huang Chao，et al.Research progress of EOR with alteration of rock wettability in low-permeability reservoir［J］. Fault-Block Oil&Gas Field，2012，19（4）：472-476.