《Fuel》：Synergy of a polymer-viscosity reducer system for heavy oil recovery: insights from visualization and phase-field modeling
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本研究通过高温高压微流控可视化实验与相场数值模型结合，揭示了聚合物-稠化剂复合驱油体系在储层条件下的协同机制，阐明了关键参数对提高重油采收率的影响，为优化复合驱油策略提供理论支撑。
王国焕|肖文联|张曦|郑玲丽|张宇豪|郑道文|凌正平
中国四川省成都市610500，西南石油大学，油气水库地质与开发国家重点实验室
摘要
在复合 flooding 中，聚合物和减粘剂之间的协同机制对于提高重油回收率至关重要，但目前对此了解仍然不足。这一知识空白阻碍了这种有前景的非热增强采油技术的优化。在本研究中，我们结合了使用来自海上油田的真实岩石和重油样本进行的高温高压（HTHP）微流控可视化实验，并利用相场数值模型来研究在水库条件下的流体位移行为。两种方法的结果都揭示了一种明显的协同机制：聚合物-减粘剂系统促进了油滴的持续生成、分裂和变形，使其能够稳定地通过狭窄的孔隙通道运输。这一过程将残余油从大团块转化为分散的移动油滴，显著降低了表观油粘度。相场模型进一步量化了这种乳化作用和运输过程如何受到关键操作参数的控制。适当的注入速率可以增强剪切力和流动性控制，而过高的注入速率则会降低减粘剂的乳化性能和聚合物的空间网络结构。此外，较低的油水粘度比可以抑制粘性指进现象，而降低的界面张力则能增强毛细驱动的乳化作用——这两者对于提高扫油效率和最终回收率都至关重要。通过将HTHP可视化技术与相场建模相结合，本研究阐明了在真实水库条件下的复合 flooding 系统的孔隙尺度协同机制，并明确了聚合物诱导的流动性控制如何增强乳化作用。这些发现为优化重油水库中的复合 flooding 策略提供了理论支持。
引言
石油和天然气资源仍然是全球能源系统的基础。随着传统轻质油储备的逐渐枯竭，非常规资源对于维持长期能源供应变得越来越重要。其中，重油占世界石油总资源的70%以上[1]、[2]、[3]，广泛分布于加拿大、委内瑞拉、美国、中东、俄罗斯和中国等地。与传统水库相比，重油由于粘度高、密度大以及重质组分的强粘附性而面临独特的生产挑战。这些特性导致流体流动性差、流动性比不利以及位移前沿不稳定，使得重油的开发难度显著增加。
虽然传统的水力驱油方法简单且成本低廉，但由于重油粘度高、扫油效率低，导致回收率较低[4]、[5]，因此效果不佳。因此，增强采油方法变得必不可少，主要分为热增强和非热增强技术。热增强采油方法，如蒸汽驱油[6]、[7]、[8]、循环蒸汽刺激[9]、[10]、蒸汽辅助重力排水[11]、[12]和原位燃烧[13]、[14]，通过提高水库温度来降低粘度，在某些油田中可实现高达70%的回收率。然而，热增强采油方法面临重大的技术、经济和环境限制[1]。
因此，结合化学方法、微生物方法和混合方法的冷生产技术作为节能替代方案受到了关注[15]、[16]。这些方法在显著降低能耗的同时，表现出与热增强方法相当的粘度降低和产量提升效果[17]、[18]。目前，水力驱油辅助的冷生产方法占总开发重油储备的40%以上[19]。化学驱油是最广泛使用的冷生产技术之一[20]、[21]、[22]。在重油冷生产中，主要的水溶性化学驱油系统包括聚合物驱油、减粘剂（或表面活性剂）驱油和碱性驱油[2]、[23]、[24]、[25]、[26]。聚合物溶液通过提高水相粘度和优化流动性比来增强宏观扫油效率，但在重油系统中，它们提高微观位移效率的能力仍受到限制[27]、[28]、[29]。减粘剂通过降低界面张力、改变润湿性和乳化作用来降低粘度，但对扫油效率的影响有限[30]、[31]、[32]。碱性驱油通过皂化反应在原位生成减粘剂，并溶解矿物质以提高水库渗透性，但会引起矿物结垢和管道腐蚀[33]、[34]。复合驱油充分利用了由聚合物、减粘剂和碱组成的二元或三元复合系统，以扩大扫油效率并提高位移效率，从而提高石油回收率[8]、[35]、[36]、[37]、[38]。最常用的二元复合驱油是聚合物和减粘剂的组合。尽管复合驱油在重油水库中显示出良好的增强采油潜力，但大多数现有实验研究仅限于岩心尺度评估或宏观回收率测量。这使得直接观察和表征相关水库条件下的孔隙尺度现象（如乳化作用、油滴变形和传输动力学）变得困难[19]、[39]。尽管微流控研究提供了宝贵的孔隙尺度见解，但它们通常在常温常压条件下进行，这限制了它们在高温高压重油系统中的直接应用[15]、[40]、[41]。
化学驱油的数值模拟主要采用两种方法框架：基于连续介质力学的达西尺度模型[42]、[43]、[44]、[45]，以及利用纳维-斯托克斯方程的孔隙尺度计算流体动力学[46]、[47]、[48]。达西尺度模型广泛用于预测现场规模的生产行为；然而，它们的连续介质假设限制了它们表示单个孔隙内多相相互作用的能力，而这对于化学驱油系统至关重要。相比之下，计算流体动力学可以捕捉复杂孔隙几何形状中的流体-流体和流体-岩石界面动力学，尽管计算成本较高。关于复合驱油的许多研究仍然主要集中在宏观模拟上，孔隙尺度的位移机制和流体-岩石相互作用仍不够清楚。
本研究结合了在水库相关条件下进行的微流控可视化实验和基于相场的数值模型，直接系统地研究了孔隙尺度上聚合物-减粘剂的协同作用。这项研究揭示了流动性控制如何动态促进乳化作用和石油运输，并量化了关键参数（如注入速率、粘度比和界面张力）对重油回收率的影响。结果为优化重油水库中的复合驱油策略提供了机制洞察和实际指导。
部分摘录
材料
水库岩石样本和油样取自大港油田一个深度为1,450米的重油水库（地层压力为14 MPa，温度为60°C）。该水库的平均孔隙率为33%，平均渗透率为1,165 mD。图1a-b显示了水库岩石的铸片数据。图像分析显示平均孔径为150 μm，平均孔喉直径为20 μm，面孔隙率为24%。这种岩石属于中粒径岩石
HTHP可视化实验
图4总结了顺序水力驱油、聚合物驱油和二次水力驱油过程中的动态油分布、位移压力和回收效率。如图4a和b所示，初始水力驱油阶段的特征是快速油回收，随后出现平台期，最终回收率约为35%。由于极高的油水粘度比（>500），沿优先流动通道（图中的蓝色箭头）出现了明显的粘性指进现象
结论
本研究通过综合微流控可视化实验和相场模拟，研究了在水库条件下的聚合物-减粘剂复合驱油的孔隙尺度机制。它特别关注了流动性控制与乳化作用之间的动态耦合，这是以往研究的主要局限，因为以往的研究主要集中在岩心尺度性能或单一剂型机制上。
实验结果表明，聚合物和减粘剂通过
CRediT作者贡献声明
王国焕：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，验证，方法论，研究，数据管理。肖文联：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，资金获取，概念构思。张曦：研究，数据管理。郑玲丽：资金获取，数据管理。张宇豪：可视化，验证。郑道文：研究，正式分析。凌正平：方法论。
利益冲突声明
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：肖文联报告获得了中国国家自然科学基金项目（项目编号51874248）的财政支持；肖文联还获得了中国国家重点科技项目（项目编号2025ZD1405402）的财政支持；肖文联还获得了青年科技创新团队的财政支持
致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金项目（项目编号51874248）、中国国家重点科技项目（项目编号2025ZD1405402）以及西南石油大学青年科技创新团队（项目编号2018CXTD10）的财政支持。我们对此表示最深的感谢。
