主要指标用于驱油剂的优化和评价。

序张翼现为中国石油勘探开发研究院提高石油采收率国家重点实验室教授，也是中国石油天然气股份公司三次采油重点实验室学术带头人，近年来一直致力于化学渗吸采油理论与实验新方法、化学复合驱规律和驱油新体系方面的研究工作，取得了较多的研究成果。张翼教授在化学复合驱规律研究中提出了“乳化综合指数”的概念，发现了乳化综合指数与驱油效率间的关系，指明在驱油剂优化中可以将乳化综合指数作为驱油剂体系主要指标用于驱油剂的优化和评价。在化学渗吸剂的室内设计与优化中探索性研究了界面张力、接触角、乳化稳定性、黏度比和渗透性等属性对渗吸效率的影响规律，发现不同渗吸剂体系在低渗透油藏中存在最佳的孔喉适应值，提出了用于征渗吸剂在储层中渗透与扩散性能的物理量——“渗透力”的概念，同时建立了该参数的定义式和测试方法，使渗吸剂在渗透性能评价方面有了定量的方法。为了更好地判断渗吸剂对孔隙岩石表面上原油的启动能力，她提出了“黏附功降低”的概念，从理论上给出了岩石表面原油启动的热力学初步判别式；在多年的研究中她还发现了在岩心静态渗吸过程中，渗吸采收率与渗吸时间之间存在指数多项式关系，首次给出了实际渗吸时间与渗吸效率关联的动力学方程。该方程可以直观地判断化学渗吸剂在单位时间内的渗吸效果，便于优化和选择高效渗吸剂；在探索渗吸效率影响因素的过程中，她发现了渗吸剂属性中的几个主要影响因素，并将这几个属性因素对渗吸效率的影响利用数学理论中多元分析方法进行了排序，建立了多因素交互影响的结构方程，这一实验结果可以帮助研究人员更好地理解渗吸规律。该书是张翼教授及其研究团队多年来研究成果的部分总结，她将自己的一些新发现、新认识、新方法、新工艺、新仪器及理论方面的新进展都融入书中，相信该书的出版定会为化学渗吸采油技术的矿场应用提供重要参考。中国工程院院士2017年7月前言石油是我国能源结构中仅次于煤炭的第二大重要能源，长期以来影响着国民经济的发展，在“十三五”甚至今后更长的时间里，在新的能源未能发挥主导作用之前，石油、天然气等化石能源仍然起着不可替代的作用。但随着我国国民经济的迅速发展，石油需求量日益增长，供需矛盾日益突出。从2005～2011年全球石油消费量统计结果看，我国的石油消费量逐年提升，消费量由世界第4位上升到第2位，而储量位于全球第13或14位。我国2010年石油年产量2亿t，需求3.8亿t，缺口1.8亿t；2012年产量2.05亿t，消费量4.93亿t，石油净进口量为2.84亿t，对外依存度由2000年的28.2%上升到58%；2015年上升到60.69%，首次突破了60%的大关。预计至2020年，需求4.5亿t，自给2.2亿t，缺口一半以上。而截至2013年年底，我国石油与天然气分别占全球探明储量的1.1%和1.8%。据有关专家测算，按照《能源发展战略行动计划(2014～2020年)》，到2020年，我国一次能源消费总量控制在48亿t标准煤左右，其中天然气消费比重达10%以上，这相当于3600亿m3。自2015年以来，国际油价持续低迷，给新的石油开采技术带来了前所未有的挑战。近年来，我国探明油气资源品位走低，难采储量占比逐年升高。延缓老油田产量递减和加快非常规油气投入开发，都需要提高采收率技术方面有革命性的突破。由于我国原油资源结构较差，随着勘探开发程度的不断加深，原油品质呈现总体变差的非常规化趋势，原油产能重心逐年向老油田低效储量和新油田低品位储量转移。截至2011年年底，我国石油处于高含水、高采出程度(“双高”)阶段的老油田年产油量占全年总产量的58%，处于“双高”阶段油藏剩余可采储量占总剩余可采储量的44%；而难采储量已达42亿t，其中已开发低效难采储量18亿t，未动用低品位难采储量24亿t。低效难采储量和低品位储量是我国油田未来开发的主战场。在几十年的开发历史中，技术人员积极攻关，在开发方式上狠下工夫，采用井网加密、超前注水、体积压裂等一系列强制措施，取得了提产、稳产的效果。但这一系列措施将步入瓶颈的阶段，如何持续保持产量，进一步提高低渗透油藏和低品位油藏的采收率的问题是“十三五”以后石油工作者面临的重大课题。渗吸作用起源于毛细管力及毛细现象，在自然界中普遍存在。渗吸采油的概念于20世纪50年代提出，起初的发现、理解和相关研究多集中在水的自发渗吸方面，如理论模型、数值分析、渗流理论的改进、渗吸方式及如何通过人工压裂加强水的渗吸过程等。在工程实际应用中也多为水的吞吐，缺少基于深入认识储层润湿性的基础上通过改善润湿性、利用渗吸剂作用强化渗吸方面的研究。本书即通过探索渗吸采油基本理论、研究储层特征与渗吸作用的相关性、渗吸作用的实用条件、渗吸剂的室内实验方法和优化方法等，为读者展示了国内外最新研究进展和笔者的最新成果。本书研究内容得到了中国石油勘探开发研究院“超前储备”项目的支持，以及“十·iv·化学渗吸采油理论与实验新方法一五”中国石油勘探生产分公司和国家科学技术部重大专项的部分支持。感谢对本书给予大力支持的宋新民院长、中国石油勘探开发研究院开发一路及科研管理处的领导；感谢参与研究的中国石油提高采收率国家重点实验室的李建国、蔡红岩、高明、樊剑、高建、严守国、侯建锋、王友净、秦勇、李佳鸿、张文旗、赵丽莎等，以及参与实验工作的中国地质大学(北京)的博士研究生王德虎、江敏、陈海汇，博士后刘化龙，硕士研究生翟文静、王兴伟、倪非、唐蒙、孙蕴；感谢陈海汇、杨欢、巩芳鸽等同学为本书做了图表制作、排版及资料翻译工作。特别感谢在渗吸理论及基础研究中给予辛勤指导的韩大匡院士，在应用研究中提出宝贵建议的马德胜、朱友益所长！由于水平有限，书中难免有不妥之处，敬请读者批评指正。张翼2017年9月30日目录序前言第1章渗吸采油基本原理....................................................................................................................11.1低渗透油藏开发中存在问题....................................................................................................11.2渗吸采油理论..............................................................................................................................61.2.1渗吸作用微观解释..................................................................................................................61.2.2渗吸动力学模型......................................................................................................................81.2.3渗吸过程热力学...................................................................................................................191.2.4渗吸过程的研究方法............................................................................................................211.3油藏岩石润湿性测试方法.....................................................................................................211.3.1动态接触角法.......................................................................................................................221.3.2渗吸与排驱法.......................................................................................................................24......................................................................................1.3.3离心法——USBM润湿性指数法251.3.4Washburn法..........................................................................................................................251.3.5色谱润湿性指数法...............................................................................................................261.3.6浮选法...................................................................................................................................261.3.7核磁共振方法.......................................................................................................................261.3.8电阻测量方法.......................................................................................................................271.4恢复和调整润湿性的方法.....................................................................................................271.4.1保持岩心状态的方法............................................................................................................271.4.2影响油层初始润湿性的因素................................................................................................271.4.3恢复润湿性的方法...............................................................................................................281.4.4实验室中润湿性的人工调整................................................................................................291.5渗吸采油的影响因素概述.....................................................................................................291.5.1岩石类型的影响...................................................................................................................301.5.2油藏物性特征的影响............................................................................................................331.5.3润湿性的影响.......................................................................................................................341.5.4流体的影响...........................................................................................................................361.5.5其他影响因素.......................................................................................................................391.5.6发展趋势...............................................................................................................................41参考文献..............................................................................................................................................41第2章渗吸作用与储层物性关系......................................................................................472.1储层润湿性与评价方法比较....................................................................................492.1.1定量测定方法.......................................................................................................502.1.2定性测量方法.......................................................................................................532.1.3现场测定法...........................................................................................................55·vi·化学渗吸采油理论与实验新方法2.1.4各种润湿性测定方法的评价...................................................................................562.1.5化学剂对储层润湿性及渗吸效果关系.....................................................................562.1.6实验结果..............................................................................................................622.2渗透率与孔隙度.......................................................................................................652.2.1岩石渗透率的影响................................................................................................652.2.2岩石孔隙度的影响................................................................................................682.3含油饱和度..............................................................................................................692.4储层孔隙与裂缝的影响...........................................................................................702.4.1储层孔隙与喉道的影响..........................................................................................702.4.2裂缝性油藏的渗吸................................................................................................76参考文献...........................................................................................................................79第3章渗吸实验方法..........................................................................................................813.1静态渗吸实验..........................................................................................................813.1.1早期实验方法.......................................................................................................823.1.2新建立的实验方法................................................................................................853.1.3测试实验和结果分析.............................................................................................863.1.4渗吸采收率的计算................................................................................................873.1.5渗吸效果评定.......................................................................................................873.2动态渗吸实验..........................................................................................................903.2.1压力脉冲法...........................................................................................................903.2.2周期注水法...........................................................................................................913.2.3动态渗吸和静态渗吸组合法...................................................................................923.3渗透力的定义与测试方法........................................................................................93..............................................................................................3.3.1毛细管举升系数(Sc)933.3.2渗透速度的测试方法.............................................................................................953.3.3渗透力的结果与分析.............................................................................................973.4乳化性能测试方法.................................................................................................1003.4.1乳化力及测试方法..............................................................................................1003.4.2乳化稳定性及测试方法........................................................................................1063.4.3乳化强度综合指数及评价方法.............................................................................1073.5洗油效率实验方法.................................................................................................1123.5.1背景...................................................................................................................1123.5.2洗油效率评价方法..............................................................................................1133.6渗吸剂的综合筛选方法.........................................................................................1143.6.1背景...................................................................................................................1143.6.2渗吸剂筛选步骤..................................................................................................114参考文献.........................................................................................................................120第4章渗吸剂属性与渗吸效果........................................................................................1214.1实验条件................................................................................................................1224.1.1实验材料............................................................................................................1224.1.2实验仪器与方法..................................................................................................123目录·vii·4.2界面张力与渗吸效果.............................................................................................1234.3黏度与乳化性能.....................................................................................................1274.3.1黏度的影响.........................................................................................................1274.3.2乳化性能的影响..................................................................................................1294.4黏附功与接触角.....................................................................................................1324.4.1黏附功变化.........................................................................................................1324.4.2接触角................................................................................................................1344.5渗吸剂的渗透性.....................................................................................................1374.5.1毛细管举升系数实验...........................................................................................1374.5.2渗透速度实验.....................................................................................................1374.5.3渗透性评价.........................................................................................................1384.6渗吸剂属性与渗吸效率相关性综合分析...............................................................1394.6.1数学方法与分析软件...........................................................................................1394.6.2分析方法介绍.....................................................................................................1424.6.3主成分分析法的基本思想....................................................................................1454.6.4分析软件的选择和功能性介绍..............................................................................1464.6.5回归分析............................................................................................................150参考文献.........................................................................................................................224第5章渗吸实验仪器........................................................................................................2255.1静态渗吸仪.................................................................................................................2255.1.1研制背景.................................................................................................................2255.1.2结构与特征..............................................................................................................2255.1.3自吸仪操作与计量...................................................................................................2265.2耐压渗吸仪.................................................................................................................2275.2.1研制背景.................................................................................................................2275.2.2结构特征.................................................................................................................2275.2.3操作规程.................................................................................................................2285.3洗油效率测试装置......................................................................................................2295.3.1洗油效率测试刻度瓶...............................................................................................2295.3.2洗油效率测试装置...................................................................................................2305.4乳化稳定性评价仪......................................................................................................2325.4.1乳化稳定性评价仪研制............................................................................................2325.4.2技术指标与操作规程...............................................................................................2345.5毛细管实验装置..........................................................................................................2355.5.1结构与功能..............................................................................................................2355.5.2操作规程.................................................................................................................2365.6油砂制备装置..............................................................................................................2365.6.1结构特征.................................................................................................................2375.6.2实体设计的改进......................................................................................................238参考文献..............................................................................................................................239·viii·化学渗吸采油理论与实验新方法第6章渗吸剂研制与筛选.....................................................................................................2406.1实验材料.....................................................................................................................2406.1.1原油和水.................................................................................................................2406.1.2油砂与岩心..............................................................................................................2446.1.3化学剂的准备..........................................................................................................2456.2渗吸剂性能评价..........................................................................................................2526.2.1不同类型渗吸剂的定量分析.....................................................................................2526.2.2吸附损耗.................................................................................................................2696.2.3表面活性剂的HLB值..............................................................................................2706.2.4表面活性剂临界胶束浓度的测定..............................................................................2736.3室内筛选与优化..........................................................................................................2776.3.1优化实验.................................................................................................................2776.3.2动/静态渗吸实验.....................................................................................................2816.3.3渗吸剂的吸附性能评价............................................................................................287参考文献..............................................................................................................................289第7章油田应用.....................................................................................................................2917.1应用条件.....................................................................................................................2917.1.1油藏条件.................................................................................................................2917.1.2注入工艺.................................................................................................................2977.2应用实例.....................................................................................................................3017.2.1国外应用.................................................................................................................3027.2.2国内应用.................................................................................................................306参考文献..............................................................................................................................321彩图第1章渗吸采油基本原理我国发现的低渗透油田占新发现油藏的一半以上，而低渗透油田产能建设的规模则占油田产能建设规模总量的70%以上，低渗透油田已经成为油田开发建设的主战场[1]。从我国每年提交的石油地质储量看，低渗透油田地质储量所占比例逐年增高、但动用程度较低。1989年，探明低渗透油藏的石油地质储量为9989万t，占当年总探明储量的27.1%。1990年，探明低渗透油藏地质储量为21214万t，占当年总探明地质储量的45.9%。1995年，探明低渗透油藏的石油地质储量为30796万t，占当年探明储量的72.7%。2004年，我国探明的低渗透油藏的石油地质储量为52.1亿t，动用低渗透油藏地质储量26.0亿t，尚有一半的储量未动用。2012年，我国石油新增探明地质储量15.2亿t，同比增长13%，新增可采储量2.7亿t，同比增长7%。例如，姬塬油田是中国石油天然气股份有限公司新增探明地质储量最大的陆上油田，新增2.02亿t，属于特低孔隙度、特低渗透率的岩性油藏。红河油田新增探明石油地质储量为1.2亿t，属于低孔隙度、特低渗透率的岩性油藏。我国低渗透油田广泛分布在全国的各个油气区，探明储量为63亿t，约占探明总储量的28%。2011～2015年探明储量中低渗透油田储量的比重已增至50%～60%，剩余石油资源中低渗透油田的储量也占到76.5%，其中松辽、鄂尔多斯、柴达木、准噶尔四大盆地低渗透油田储量比例均在85%以上。在低渗透油气资源中，探明储量大于2亿t的油区有大庆、吉林、辽河、大港、新疆、长庆、吐哈、胜利、中原9个油区。低渗透油田最基本的特点就是流体渗透能力差、产能低，通常需要进行油藏改造才能维持正常生产，如何经济高效地开发低渗透油藏是当前世界油田开发中的一大难题[2-4]。现有技术条件下采收率较低。我国低渗透油田平均采收率只有21.4%，比中、高渗透油田的34%低12.6%。目前有50多个油田年平均开采速度小于0.5%，这些低速、低效油田的地质储量约3.2亿t，其平均采油速度仅有0.27%。如果通过改造、挖潜、实施新方法，使低渗油田能够年均提高采收率2%，就相当于增产3500万～4000万t原油，相当于发现一个大油田。可见，低渗油田提高采收率新技术是当前及今后石油行业将长期面临的开发问题。因此，国内外石油开采现状对化学剂的要求更为苛刻，已经提升到高效、低廉、绿色环保的水平，老油田的挖潜改造及新技术的推广都步入了十分艰难的境地，亟须环境友好、廉价高效的技术。1.1低渗透油藏开发中存在问题1.国内技术现状我国低渗透油藏的分布较广，中国石油天然气股份有限公司(简称中石油)的低渗透油藏主要有长庆、大庆、吉林、辽河、新疆、大港、吐哈、塔里木、延长等油区。我国·2·化学渗吸采油理论与实验新方法第一个规模开发的低渗透油田是中石油长庆油田分公司的安塞油田，是一个特低渗透油田，1997～2008年，产量由100万t提高到300万t，11年间增产2倍，年均增长10.5%，并为长庆油田分公司开创了“安