稠油油藏氣體-泡沫輔助注蒸汽實驗與數值模擬

吳正彬劉慧卿龐占喜吳川高民

1.中國石油大學（北京）石油工程教育部重點實驗室；2.中國石油化工股份有限公司石油勘探開發研究院

稠油油藏氣體-泡沫輔助注蒸汽實驗與數值模擬

吳正彬1劉慧卿1龐占喜1吳川2高民1

1.中國石油大學（北京）石油工程教育部重點實驗室；2.中國石油化工股份有限公司石油勘探開發研究院

針對蒸汽吞吐過程中由于能量不足以及嚴重汽竄等導致熱效率低、吞吐效果變差的問題，從室內物理模擬以及數值模擬兩方面，開展了在蒸汽中添加氣體及高溫泡沫以改善蒸汽吞吐開發效果的研究。首先，通過引入泡沫綜合指數，篩選了合適的發泡劑；其次，進行了4組室內平行雙管實驗，分別為單純蒸汽驅、蒸汽-煙道氣泡沫驅、蒸汽-氮氣泡沫驅以及蒸汽-氮氣驅。實驗結果表明：在注入條件相同的情況下，蒸汽-煙道氣泡沫驅和蒸汽-氮氣泡沫驅均能夠有效地封堵高滲管，啟動低滲管，與單純蒸汽驅相比，采出程度最高分別提高了28.98%和26.04%；蒸汽-氮氣驅調剖效果有限，不能有效地啟動低滲管，采出程度比單純蒸汽驅提高了10.56%。結合物理模擬的結果，采用數值模擬方法，分析了地層參數對煙道氣-泡沫輔助吞吐和單純蒸汽吞吐開發效果的影響，結果顯示，對于層薄、油稠的非均質油藏，煙道氣-泡沫輔助吞吐與單純蒸汽吞吐相比具有顯著的優勢，能夠有效地提高蒸汽吞吐開發效果。對河南油田井樓零區煙道氣-泡沫輔助蒸汽吞吐方案進行了參數優化，得到最佳日注汽量為100 m3，最佳氣汽比為12，最佳燜井時間為7 d。

稠油油藏；蒸汽吞吐；泡沫驅；煙道氣；氮氣；平行雙管實驗；數值模擬

河南油田井樓零區稠油油藏以蒸汽吞吐為主要開發工藝。蒸汽吞吐開發稠油的主要機理在于加熱降黏、熱膨脹作用以及溶解氣驅作用等，增加原油流動性能，改善近井地帶的地層屬性，從而增加原油產量［1］。但是隨著吞吐輪次的增加，蒸汽吞吐逐漸暴露出一些嚴重的問題。最主要的是蒸汽超覆以及儲層非均質性導致注入蒸汽出現汽竄，從而使得油層中出現大量的剩余油［2］。

對于如何改善蒸汽吞吐開發效果，很多學者做了大量的工作。目前主要是應用非凝析氣、高溫泡沫以及化學劑等助劑來改善注蒸汽開發的效果。徐建軍［3］、宮俊峰等［4］研究了稠油開發過程中，利用高溫泡沫來提高采收率；熊啟勇等［5］、王順華等［6］、曹嫣鑌等［7］通過在蒸汽中添加二氧化碳或氮氣，研究了非凝析氣在改善蒸汽波及效率和提高采收率方面的作用；羅健等［8］、李德儒［9］、賀麗鵬等［10］研究了溶劑、降黏劑等化學劑在擴大蒸汽腔體積、降低油水界面張力等方面的作用，為提高稠油注蒸汽開發效果提供了另一種思路。筆者根據所研究區塊的實際情況，從室內物理模擬以及數值模擬兩方面出發，開展了氣體-泡沫輔助蒸汽吞吐改善開發效果的研究，并對其機理進行了分析。

1 氣體-泡沫驅油實驗

Gas-foam flooding tests

1.1 實驗材料與設備

Test materials and devices

實驗材料主要包括：粒徑為60目和120目的玻璃珠、質量濃度為0.5%的發泡劑溶液、純氮氣、煙道氣。實驗用油為河南油田井樓零區地面脫氣原油，密度約為0.95 g/cm3，50 ℃時黏度約為3 800 mPa·s。

實驗設備及儀器主要包括：蒸汽發生器、ISCO恒速平流泵、填砂管（?3.8 cm×60 cm）、中間容器、氣體質量流量控制器，單向閥、六通閥、恒溫箱、壓力表以及量筒若干。

1.2 實驗方法與步驟

Test methods and procedures

1.2.1 發泡劑的篩選 對發泡劑靜態性能的評價，發泡體積（Vmax）和半衰期（t1/2）是2個重要的指標。前者反映了發泡劑的發泡性能，后者則反映了泡沫的穩定性。以往的很多文獻［11-12］都是將發泡體積和半衰期分開研究，從而評價發泡劑的性能。為了綜合考慮兩者的共同影響，引入泡沫綜合指數S，S值越大，說明發泡劑的靜態性能越好。采用參考文獻［13］中提出的S的計算方法，則有

為了計算方便，式（1）可以簡化為

式中，S為泡沫綜合指數，mL·min；t1/2為半衰期，min；V為發泡體積，mL；Vmax為最大發泡體積，mL。

實驗設計了50 ℃、90 ℃、170 ℃、200 ℃、250 ℃等5種不同溫度，利用油田提供的5種不同的發泡劑（SDS、AOS、BS-12、ABS、SAS，分別編為1#、2#、3#、4#和5#），配成500 mL質量濃度為0.5%的發泡劑溶液，分別在不同的溫度下測試其性能，記錄每組實驗下的發泡體積和半衰期，并據此計算5種發泡劑的綜合泡沫指數。

1.2.2 動態驅替實驗 結合油田現場實際，在200℃條件下，利用自制的填砂管平行雙管模型，選取3種不同的流體，即蒸汽+煙道氣（CO2∶N2=0.2∶0.8）泡沫驅、蒸汽+氮氣泡沫驅以及蒸汽+氮氣驅，與單純蒸汽驅對比，設計了4組平行雙管實驗。

每組實驗用目數不同的石英砂將填砂管分別填成高滲管和低滲管，其中高滲管的滲透率在500 mD左右，低滲管的滲透率在170 mD左右。實驗基本步驟如下：（1）連接好實驗裝置并檢查氣密性；（2）飽和水：利用ISCO平流泵，以2 mL/min的流量分別向填砂管中注入根據油田水型配置的地層水，出口端見水穩定時飽和過程完成；（3）飽和油：以2 mL/ min的流量分別向填砂管中注入原油，出口端含油率達到100%且出油穩定時飽和油的過程完成；（4）蒸汽驅：利用蒸汽發生器，以2 mL/min的流量向填砂管中注入蒸汽，進行蒸汽驅，蒸汽溫度為200 ℃，當高滲管含水率達到95%時停止實驗；（5）氮氣泡沫驅：重復步驟（1）～（4），當蒸汽驅高滲管含水率達到95%時，以蒸汽+氮氣泡沫的形式進行后續驅替，當高滲管含水率達到95%時停止；（6）煙道氣泡沫驅：重復步驟（1）～（4），當蒸汽驅高滲管含水率達到95%時，以蒸汽+煙道氣泡沫的形式進行后續驅替，當高滲管含水率達到95%時停止；（7）蒸汽氮氣驅：重復步驟（1）～（4），當蒸汽驅高滲管含水率達到95%時，以蒸汽+氮氣的形式進行后續驅替，當高滲管含水率達到95%時停止。實驗過程中，氮氣和煙道氣的流量為15 mL/min。記錄4組實驗過程中的產液量、產水量以及驅替壓差，研究不同方式下的驅油效率和低滲管啟動情況。

2 實驗結果與討論

Test results and discussions

2.1 發泡劑的篩選

Screening of optimal foaming agents

5種發泡劑的發泡體積和半衰期，見表1。計算得到的5種發泡劑的綜合泡沫指數如圖1所示。

表1 不同發泡劑溶液發泡體積和半衰期隨溫度變化Table 1 Changes of foam volume and half-life of foaming agent solutions with temperature

圖1 不同發泡劑綜合泡沫指數對比Fig.1 Comprehensve foaming indicators of various foaming agents

綜合表1和圖1的實驗結果可知，1#發泡劑在不同溫度下的綜合泡沫指數最大，特別是在高溫條件下，靜態性能仍然較好，因此選取1#發泡劑進行后續的動態實驗。

2.2 動態驅替實驗

Dynamic displacement tests

不同驅替方式下含水率和驅油效率隨注入體積倍數變化關系如圖2所示。

圖2 不同驅替方式下含水率和采收率隨注入體積倍數變化Fig.2 Changes of water cut and oil recovery with injection volume at different displacement modes

雙管不同驅替方式下的總的驅油效率以及其他驅替方式相對于單純蒸汽驅提高的驅油效率見圖3。結合圖2和圖3可看出：雙管單純蒸汽驅中高滲管驅替效率43.79%，由于雙管滲透率級差，蒸汽沿著高滲管竄流，低滲管沒有啟動，導致雙管驅油效率很低，僅22.59%；與單純蒸汽驅相比，在蒸汽中添加氣體或者泡沫后，驅油效率都明顯提高，各方式提高驅油效率由大到小的順序為：煙道氣泡沫驅＞氮氣泡沫驅＞蒸汽氮氣驅。其中煙道氣泡沫驅的驅油效率可以提高28.98%，蒸汽氮氣驅可提高10.56%。

圖3 雙管不同方式下驅油效果對比Fig.3 Performances of flooding operation at different modes in two pipes

3 煙道氣泡沫輔助蒸汽吞吐注采參數優化

Optimization of parameters in flue gas foam assisted steam stimulation

河南油田井樓零區稠油油藏具有油藏埋深淺、厚度薄、原油黏度高等特點。油層埋藏深度為90～1 000 m，大部分在100～400 m；油層厚度為5～15 m；地層溫度下脫氣原油黏度為3 070～80 000 mPa·s，屬于普通稠油Ⅱ類，廣泛地使用注蒸汽來進行開發。但是經過多輪次蒸汽吞吐之后，出現了采出程度低、采油速度低等嚴重問題。為提高稠油采收率，需要采取措施來轉換開發方式。

根據研究區塊的實際地質資料，利用CMGSTARS模塊建立數值模擬模型。數值模型X、Y、Z方向的網格數分別為17、29、10，網格步長為20 m。油層頂面深度為400 m，地層平均絕對滲透率為1 250 mD，平均孔隙度為25%，原始含油飽和度為65.7%，地層原油黏度為3 800 mPa·s，原油密度為0.95 g/cm3，巖石壓縮系數為4.5×10-4MPa-1。對研究區塊注入方式、氣汽比以及蒸汽吞吐燜井時間進行了優化。

3.1 油藏參數的影響

Impact of reservoir parameters

針對目標區塊埋深淺、層薄以及油稠的特點，分析了油藏埋深、有效厚度、原油黏度以及滲透率變異系數對煙道氣-泡沫輔助蒸汽吞吐的影響，并以周期油汽比為評價指標。

3.1.1 油藏埋深的影響 河南稠油油藏埋深淺，地層原始壓力低，在實際開采過程中由于壓力的降低導致地層能量不足，從而對開發效果產生不利的影響。選取了200 m、400 m、600 m、800 m、1 000 m等5個深度進行數值模擬，結果如圖4所示。從圖中可以看出，隨著油藏埋深的增加，煙道氣-泡沫輔助吞吐與單純蒸汽吞吐的油汽比均逐漸降低，但是在相同的油藏埋深下煙道氣-泡沫輔助吞吐的油汽比要比單純蒸汽吞吐高。單純蒸汽吞吐時，當埋藏深度超過350 m時，油汽比低于0.2；而煙道氣-泡沫輔助吞吐時，當油藏埋深超過800 m，油汽比將低于0.2。說明注入煙道氣-泡沫之后，能夠很好地補充地層能量，增加蒸汽吞吐的適應性，在增產的同時增加效益。

圖4 油汽比隨油藏埋深的變化Fig.4 Change of oil/steam ratio with buried reservoir depth

3.1.2 有效厚度的影響 有效厚度是影響注蒸汽開發稠油的一個重要因素。有效厚度較低時，注入蒸汽的熱量大量散失，導致熱效率低。根據油田實際，選取了有效厚度為3.33 m、5 m、6.67 m、10 m、15 m進行數值模擬，結果如圖5所示。從圖中可以看出，隨著有效厚度的增加，煙道氣-泡沫輔助吞吐與單純蒸汽吞吐的周期油汽比均逐漸增加，在相同有效厚度下，煙道氣-泡沫輔助吞吐的油汽比要比單純蒸汽吞吐高。單純蒸汽吞吐時，當有效厚度低于6.44 m時，油汽比低于0.2；而煙道氣-泡沫輔助吞吐時，當有效厚度低于4.18 m，油汽比將低于0.2。這是因為煙道氣中的氮氣和二氧化碳均是非凝析氣體，且具有良好的隔熱性能。在煙道氣-泡沫的注入過程中，煙道氣密度低，因此在油層上部形成一個“隔熱帶”，在油層中能夠起到隔熱的作用，有效緩解蒸汽熱量向外界的散失。從圖5中還可以看出，當油層厚度超過12 m之后，油汽比的增幅變緩，此時則需要增加注汽強度來提高產油量。

圖5 油汽比隨有效厚度的變化Fig.5 Change of oil/steam ratio with effective reservoir thickness

3.1.3 原油黏度的影響 選取了地層條件5種不同的原油黏度（1 368 mPa·s、3 800 mPa·s、6 689 mPa·s、9 863 mPa·s和11 380 mPa·s），并分析其對稠油開發的影響，結果如圖6所示。從圖中可以看出，隨著原油黏度的增加，2種方式的油汽比均降低，但是相同原油黏度下煙道氣-泡沫輔助吞吐的油汽比要比單純蒸汽吞吐更高一些。這是因為煙道氣中的二氧化碳在一定條件下與稠油發生混相，減小驅動阻力，起到溶解降黏的作用。另外，泡沫在油藏中是一種分散體系，其中液相是連續相，氣相是分散相，在液膜表面積聚著大量的表面活性劑，在一定程度上能夠降低油水界面張力。而且泡沫具有較大的視黏度，其本身就能作為一種驅替劑將黏度降低的原油驅出。

圖6 油汽比隨原油黏度的變化Fig.6 Change of oil/steam ratio with viscosity of crude oil

3.1.4 滲透率變異系數 儲層非均質性在很大程度上制約稠油注蒸汽開發，注入蒸汽由于儲層非均質性而發生竄流，一方面導致熱效率低，另一方面造成油層波及不均勻。選取了滲透率變異系數分別為0.1、0.3、0.5、0.6、0.7、0.9進行數值模擬，結果如圖7所示。從圖中可以看出，儲層非均質性對單純蒸汽吞吐效果的影響很大。隨著滲透率變異系數增加到0.3左右，單純蒸汽吞吐的油汽比就降到0.2以下。而對于煙道氣-泡沫輔助吞吐，雖然隨著儲層非均質性的增加開發效果也迅速降低，但是總體來說效果要比單純蒸汽驅要好，說明煙道氣-泡沫輔助吞吐能夠在非均質儲層中起到良好的調剖作用，從而提高蒸汽吞吐的開發效果。這是因為泡沫作為一種選擇性堵劑，具有“堵大不堵小”，“遇水生泡，遇油消泡”的特點，首先進入油層中的大孔道，并占據孔隙空間；另外由于大孔道中的剩余油含量相對較低，使得泡沫能夠相對穩定的存在。后續的泡沫不斷地在大孔道的喉道處聚集，當流動阻力增大到一定值后，后續流體轉向小孔道和滲透率較低的區域，從而驅出其中的剩余油。

圖7 油汽比隨滲透率變異系數的變化Fig.7 Change of oil/steam ratio with permeability’s coefficient of variation

3.2 注采參數的優化

Optimization of flooding/production parameters

3.2.1 日注汽量的優化 蒸汽吞吐過程中，蒸汽的注入量對于周期產油量具有重大影響，因此設計了6種注汽量進行數值模擬，結果如圖8所示。從圖中可以看出，隨著日注蒸汽量的增加，周期產油量逐漸增加，但是當日注汽量達到101.82 m3后，周期產油量基本不再變化。從經濟方面考慮，選擇日注汽量100 m3進行后面的研究。

圖8 周期產油量隨日注蒸汽量的變化Fig.8 Change of periodical oil productivity with the volume of daily injected steam

3.2.2 氣汽比的優化 氣汽比是指在地面條件下，煙道氣的體積與蒸汽體積之比。將歷史擬合部分作為第1周期，選取的注汽參數為：日注汽量（第2周期）70 m3/d，周期注汽量700 m3，燜井時間6 d，注汽干度0.8。數值模擬計算了在注入煙道氣泡沫之后下一個周期的開采效果，結果如表2所示。可以看出，隨著氣汽比的增加，單井的周期累積產油量先增加后減小，且當氣汽比大于12之后，周期產油量雖然有所增加，但是增量有限，考慮到經濟方面的因素，最佳的氣汽比應為12比較合適。

表2 氣汽比優化設計結果Table 2 Design optimization for gas/steam ratio

3.2.3 燜井時間的優化 對于蒸汽吞吐，燜井時間是一個重要的參數。如果燜井時間過短，會使得泡沫隨著采出液返排出來，不能發揮泡沫的作用，而且造成浪費；而由于泡沫具有衰變周期，燜井時間過長勢必會影響到泡沫的封堵性能。數值模擬計算了燜井2 d、3 d、5 d、7 d、8 d的周期產油量，模擬結果表明，隨著燜井時間的增加，周期產油量呈現先增加后減小的趨勢，當燜井時間為7 d時，周期產油量達到最大值。因此，在實施煙道氣泡沫輔助蒸汽吞吐工藝時，燜井時間應在7 d左右。

4 結論

Conclusions

（1）綜合考慮泡沫的發泡體積和半衰期，利用泡沫綜合指數評價篩選了最佳發泡劑，該方法具有一定的可行性。室內平行雙管實驗得出的不同驅替方式的綜合驅油效率排序是蒸汽-煙道氣泡沫驅＞蒸汽-氮氣泡沫驅＞蒸汽-氮氣驅＞單純蒸汽驅。與單純的蒸汽驅相比，煙道氣泡沫驅兼具有表面活性劑、氮氣以及二氧化碳的特性，能夠有效調整吸汽剖面，啟動低滲管，從而改善驅油效果。

（2）油藏埋深、有效厚度、原油黏度以及油層非均質性對煙道氣-泡沫輔助吞吐以及單純蒸汽吞吐有較大影響，對于層薄、油稠的非均質油藏，煙道氣-泡沫輔助吞吐與單純蒸汽吞吐相比具有顯著的優勢，能夠有效地提高蒸汽吞吐開發效果。

（3）合理地設計煙道氣泡沫輔助蒸汽吞吐的注采參數對于該技術的成功十分重要。對于所研究的區塊，通過數值模擬方法優化得到最佳日注汽量為100 m3、最佳氣汽比為12，最佳燜井時間為7 d。

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（修改稿收到日期 2016-08-22）

〔編輯 朱 偉〕

Numerical simulation and tests of gas-foam assisted steam-flooding for heavy oil development

WU Zhengbin1,LIU Huiqing1,PANG Zhanxi1,WU Chuan2,GAO Min1
1.Key Laboratory of Petroleum Engineering Education Ministry,China Uniνersity of Petroleum,Beijing 102249,China;2.SINOPEC Petroleum Exploration and Deνelopment Research Institute,Beijing 100083,China

With consideration of low thermal conducting efficiency induced by insufficiency in energy and severe steam channeling during steam stimulation,researches have been conducted through indoor physical simulation and numerical simulation by adding gas and high-temperature foam to enhance performances of steam stimulation.First of all,comprehensive foam indicators have been introduced to identify the optimal foaming agent.Secondly,four indoor parallel dual-pipe tests,namely pure steam flooding,steam-flue gas foam flooding,steam-nitrogen foam flooding and steam-nitrogen flooding,were performed.Test results show under identical flooding conditions,both steam-flue gas foam flooding and steam-nitrogen foam flooding can effectively seal off high-permeability channels to mobilize low-permeability channels.Compared with pure steam flooding,the new technique can enhance oil recovery by 28.98% and 26.04%,respectively.The steam-nitrogen flooding displayed limited profile-control performances because it failed to mobilize lowpermeability channels effectively.It has improved oil recovery by 10.56% higher than that of pure steam flooding.With consideration ofthe results of physical simulation,numerical simulation has been performed to study the impact of formation parameters on the production performances of flue gas-foam assisted stimulation and pure steam stimulation.Test results show flue gas-foam assisted stimulation has outstanding advantages over pure steam stimulation for development of thin and heterogeneous heavy oil reservoirs because it may effectively enhance performances of steam stimulation.After optimization of the parameters for flue gas-foam assisted steam stimulation in Jinglouling Block,Henan Oilfield,the daily steam injection volume has been up to100 m3,gas/steam ratio to 12 and soaking time to 7 days.

heavy oil reservoir;steam stimulation;foam flooding;flue gas;nitrogen;parallel dual-pipe test;numerical simulation

吳正彬，劉慧卿，龐占喜，吳川，高民.稠油油藏氣體-泡沫輔助注蒸汽實驗與數值模擬［J］.石油鉆采工藝，2016，38（6）：852-858.

TE357.4

A

1000-7393（ 2016 ） 06-0852-07

10.13639/j.odpt.2016.06.027

:WU Zhengbin,LIU Huiqing,PANG Zhanxi,WU Chuan,GAO Min.Numerical simulation and tests of gas-foam assisted steam-flooding for heavy oil development［J］.Oil Drilling &Production Technology,2016,38(6):852-858.

國家自然科學基金 “裂縫型稠油油藏非等溫滲吸機理及動力學模型”（編號：51274212）；國家自然科學基金 “多孔介質中預交聯凝膠顆粒滲濾規律及動力學模型研究”（編號：51474226）。

吳正彬（1991-），2013年畢業于中國石油大學（北京）石油工程專業，中國石油大學（北京）油氣田開發專業博士研究生，現主要從事稠油熱采方面的研究。E-mail:wuzhengbincup@126.com