熱力泡沫改善稠油油藏蒸汽驅開發效果

李德儒，龐占喜

(1.中國石化河南油田分公司，河南 南陽 473400；2. 長江大學，湖北 荊州 434023；3.石油工程教育部重點實驗室，北京 102249；4.中國石油大學(北京)，北京 102249)

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熱力泡沫改善稠油油藏蒸汽驅開發效果

李德儒1，2，龐占喜3，4

(1.中國石化河南油田分公司，河南 南陽 473400；2. 長江大學，湖北 荊州 434023；3.石油工程教育部重點實驗室，北京 102249；4.中國石油大學(北京)，北京 102249)

稠油油藏蒸汽驅開發過程中存在蒸汽竄流及蒸汽超覆等現象，大幅降低了蒸汽的利用率，影響了蒸汽驅開發效果。利用二維可視化物理模擬裝置，分析稠油油藏注蒸汽開發過程中的汽竄現象、泡沫封堵性能與改善微觀波及體積的效果。研究表明：稠油油藏注蒸汽過程中，注采井間容易形成竄流通道；蒸汽在油層中產生明顯的黏性指進現象，降低有效波及系數，竄流通道兩側滯留大量的剩余油；注入的泡沫流體進入并存在于竄流通道內，由于疊加的賈敏效應對竄流通道具有較好的封堵作用，使注入蒸汽及冷凝水進入含油飽和度較高的未波及區域，進一步驅替油藏內的剩余油。蒸汽驅開發的最終采收率為48.48%，熱力泡沫輔助蒸汽驅的最終采收率可達到59.95%，最終采收率明顯提高。該研究為稠油油藏蒸汽驅開發提供了借鑒。

稠油油藏；蒸汽驅；熱力泡沫；可視化實驗；機理分析

0 引 言

世界上稠油資源豐富，蒸汽驅是開發稠油的有效方式之一[1]。但在蒸汽驅過程中，由于油水黏度的差異，指進現象嚴重，使得蒸汽的波及體積有限[2]；油層中孔隙度、滲透率分布的非均質特性，使得油層中極易形成竄流通道，導致蒸汽驅后期原油產量大幅下降[3]；蒸汽與油水間存在較大的密度差異，蒸汽容易在油藏頂部超覆流動，油藏中底部原油得不到有效動用[4]。為了改善蒸汽驅開發效果，國內外學者進行了廣泛的研究[5-11]。

目前，注蒸汽開發稠油油藏主要應用非凝析氣、高溫泡沫等助劑來改善效果[9]。泡沫獨特的結構，可增加氣相的表觀黏度，降低蒸汽或水的流度，有效抑制蒸汽的黏性指進、重力超覆和井間竄流，使驅替介質進入油層底部以及滲流阻力大的低滲地層，從而有效提高了驅替介質的波及體積，提高油藏的最終采收率[7，9]。通過自制的二維可視化模型，從宏觀和微觀兩方面，研究了稠油油藏蒸汽驅開發及熱力泡沫輔助蒸汽驅開發稠油油藏的機理，對實際稠油油藏采用熱力泡沫提高采收率具有重要意義。

1 實驗裝置與流程

1.1 實驗流體

所用發泡劑采用耐溫發泡劑ZWF-1(乳白色，弱酸性)，所用原油為河南油田LZ27塊的地面脫氣原油，原油密度為0.969 8 g/cm3，地面脫氣原油黏度為7 896 mPa·s，地層水類型屬于重碳酸氫鈉型。

1.2 泡沫封堵能力實驗

實驗流程如圖1所示，實驗裝置由4部分組成：填砂管模型、注入系統、數據采集系統、產出系統。填砂管模型長度為60.0 cm，內徑為3.8 cm。實驗步驟：①向填砂管內填裝一定粒徑的玻璃微砂，然后連接實驗裝置并試壓30 min；②將實驗系統設定為實驗溫度，然后以2 mL/min向填砂管內注入地層水，計算填砂管的孔隙度與絕對滲透率；③以恒定流量向填砂管內注入熱水(2 mL/min)和標準狀況下的N2(100 mL/min)，穩定后的壓差即為基礎壓差；④以恒定流量向填砂管內注入發泡劑溶液(2 mL/min)和標準狀況下的N2(100 mL/min)，穩定后的壓差即為封堵壓差；⑤用該溫度條件下測得的封堵壓差除以基礎壓差即可計算出該溫度條件下的泡沫阻力因子；⑥向填砂管內以4 mL/min注入地層水，實時采集填砂管兩端壓差隨時間的變化關系，最終穩定后的壓差為殘余封堵壓差，殘余封堵壓差與基礎壓差的比值為殘余阻力因子。

圖1 泡沫封堵性能實驗流程

1.3 平面可視化實驗

二維可視化實驗設備主要包括：高清照相機、微距鏡頭、二維可視化模型、ISCO恒速平流泵、蒸汽發生器、秒表、壓力計、量筒。其中，二維可視化物理模型是實驗中最重要的部分，主要由2塊石英玻璃板組成。在耐溫石英玻璃的可視區域內用雙面膠將1層40目玻璃微珠固定于玻璃板內側，而后將2塊石英玻璃用耐溫玻璃膠粘合。將制作好的模型用夾持裝置進行固定?？梢暷Ｐ椭谱魍瓿芍鬁y得孔隙度為0.38，滲透率為2.01 μm2。

實驗流程如下：①向實驗系統內注入3 MPa的高壓N2，關閉注入端和出口端閥門，測試實驗系統的密閉性；②將實驗系統恒溫至油藏溫度(50 ℃)；③利用ISCO恒速恒壓泵注入地層水，流量為0.2 mL/min，至出口端見水穩定；④利用ISCO恒速恒壓泵注入稠油，流量為0.2 mL/min，至出口端含油率達到100%；⑤將蒸汽發生器溫度設定為200 ℃，利用ISCO恒速恒壓泵以0.2 mL/min的流量向可視化模型中注入蒸汽；⑥至出口端含水率達到95%時停止注蒸汽，而后同時注入發泡劑溶液與N2，其中發泡劑溶液流量為0.2 mL/min，N2流量為10.0 mL/min；⑦待可視化模型中觀察到大量氣泡形成后，利用ISCO恒壓恒速泵以0.2 mL/min的流量注入蒸汽，至出口端采出液的含水率達到95%停止。

2 實驗結果與分析

2.1 泡沫封堵性能

分別在50、150、200、250、300 ℃條件下測定ZWF-1發泡劑溶液的泡沫阻力因子(表1)。由表1可知：基礎壓差(N2和地層水同注)隨溫度的增加逐漸增加，溫度越高，增加幅度越大；在注N2泡沫條件下，封堵壓差(N2和發泡劑溶液同注)及阻力因子隨溫度的增加而大幅度降低，在300 ℃下的阻力因子降至10.79；50 ℃下后續水驅測定的殘余阻力因子為2.93，至300 ℃時殘余阻力因子僅為1.61。說明溫度對泡沫穩定性及封堵性影響較大。

表1 泡沫封堵能力測定結果

2.2 可視化實驗結果

2.2.1 動態變化特征

圖2為稠油底水油藏水平井生產過程中生產動態變化曲線。由圖2可知，從初始時刻至注泡沫階段前(0～140 min)，連續生產階段的生產壓差基本穩定在0.35 MPa左右，生產過程中明顯存在無水期，約為15 min，此時對應最高瞬時產油量為0.20 mL/min，而后瞬時產油量大幅度降低，含水率大幅度增加，無水期采收率為12.75%，140 min時含水率達到90%，瞬時產油量為0.02 mL/min，對應采出程度為48.48%。從140 min開始，注入0.2倍孔隙體積的N2泡沫，生產壓差增至約0.40 MPa，穩定于0.39 MPa，含水率由90%降至約80%，瞬時產油量增至0.05 mL/min，直至175 min含水率才明顯增加，至模擬結束(245 min)時，含水率為92.31%，瞬時產油量為0.02 mL/min，最終采出程度為59.95%，比蒸汽驅開發提高了11.47個百分點。

圖2 生產動態變化曲線

2.2.2 平面驅油特征

注蒸汽結束后，可視化模型的對角注采井間沿主流線形成了明顯波及范圍(圖3)。圖3中，黑色區域為未波及原油，黃色或橙色區域為注入介質，平面波及系數達到48.74%，對應的蒸汽驅采出程度為48.48%，波及范圍內仍有部分原油被注入蒸汽繞流而滯留于油藏內，主流線兩側有大量的剩余油；后續注入蒸汽、N2和發泡劑混合流體后，平面波及系數明顯增加，達到70.35%，比蒸汽驅增加了21.61個百分點，且波及范圍內的洗油效率明顯增加，最終對應的采收率達到59.95%。其原因為：發泡劑本身為表面活性物質，可有效降低蒸汽波及區域內的殘余油；另外，N2與發泡劑生成的泡沫具有“堵大不堵小、堵水不堵油”的特點，注N2的同時添加適量發泡劑可進一步改善蒸汽的開發效果[5，7]。

圖3 蒸汽驅與熱力泡沫輔助蒸汽驅后平面波及狀況對比

圖4選取了泡沫注入過程中的局部微觀圖像(圖中粉紅色為氣泡)。由圖4可知，注入的泡沫經過玻璃珠與平板玻璃構成的孔隙介質后被截斷為氣泡段塞，泡沫段塞優先進入含油飽和度較低的A區域。而隨著泡沫量的增加，A區域形成的氣泡段塞對蒸汽或熱水的流動具有一定的暫堵能力。在N2氣泡段塞封堵作用下，底水蒸汽或熱水的流動逐漸由A區域轉向B區域，B區域先前較窄的流動通道逐漸擴大，波及系數與洗油效率逐漸提高，有利于增加原油采出程度。這也正是熱力泡沫改善稠油油藏注蒸汽開發效果的機理所在。

圖4 泡沫封堵機理及改善波及效率機理分析

根據以上實驗結果并結合泡沫的封堵機理，對熱力泡沫改善蒸汽驅的效果進行綜合分析：①表面活性劑有效降低油水界面張力，提高洗油效率。隨蒸汽注入油層的表面活性劑一部分與氣體接觸，以泡沫液膜的形式存在；而另一部分以表面活性劑溶液的形式隨蒸汽冷凝液流動，能夠大幅度降低油水界面張力，改善地層的潤濕特性，對蒸汽驅的殘余油具有一定的啟動作用。②竄流通道內的熱力泡沫增大氣相表觀黏度，降低氣相流度。泡沫的存在極大降低了氣相的流動能力，控制氣相流度，從而有效抑制汽竄。③對蒸汽吸汽剖面的改善作用。熱力泡沫的作用主要體現在調剖和流動控制2方面：一方面，泡沫有效抑制蒸汽超覆，調整吸汽剖面，使蒸汽沿垂向均勻分配；另一方面，泡沫在平面上使驅替前緣以大致相同的速度均勻推進，擴大平面波及系數。④提高注入熱能的利用率。由于泡沫與非凝析氣體的存在，降低油藏的熱損失，注入蒸汽滯留在油藏中，提高了注入蒸汽的利用率。

3 結 論

(1) 蒸汽驅過程中指進現象非常明顯，注入蒸汽沿主滲流通道方向突進，滯留大量剩余油。泡沫注入地層后，由于賈敏效應對水相和氣相的流動起到抑制作用，可進一步擴大波及系數和驅油效率；注熱力泡沫調驅后最終采出程度達到59.95%，比蒸汽驅提高了11.47個百分點。

(2) 宏觀層面上，由于泡沫的獨特結構，有效抑制蒸汽超覆流動，降低蒸汽與冷凝水的竄流，可有效增大驅替流體的波及體積，提高最終采收率；微觀層面上，由于氣泡的膨脹效應，運移氣泡可以驅動孔隙邊緣及盲端內的殘余油，提高微觀波及系數和驅油效率。

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編輯 劉 巍

10.3969/j.issn.1006-6535.2016.05.021

20160323；改回日期：20160520

國家自然科學基金項目“蒸汽+非凝析氣熱力泡沫在多孔介質中的運移及滯留機理”(51104165)

李德儒(1974-)，男，高級工程師，1997年畢業于大慶石油學院石油地質專業，現從事油田開發技術管理工作。

TE357

A

1006-6535(2016)05-0089-04