雙河油田泡沫復合驅數值模擬研究方法

黎 明

（中國石化河南油田分公司勘探開發研究院，河南鄭州 450048）

泡沫驅可以大幅度提高采收率，隨著泡沫驅油機理及現場工藝的深入研究，泡沫驅有望成為三次采油的重要技術手段。但是國內外關于泡沫驅的油藏數值模擬研究很少有公開報道，未形成該技術系統的研究體系。本文在充分調研國內外泡沫驅數值模擬文獻的基礎上，將泡沫驅經驗法和機理法結合起來，建立合理的泡沫驅數值模擬模型，并進行室內巖心驅替實驗，來驗證模型的可靠性，在雙河油田Eh3Ⅳ1-3層系進行了效果預測。雙河油田Eh3Ⅳ1-3層系經歷水驅和聚驅兩個階段，現處于后續水驅階段。實驗室優選出泡沫復合體系配方為0.4%的PM5泡沫劑，有利于在非均質油藏中起到更好的調堵作用，適用于雙河油田Eh3Ⅳ1-3層系的地質條件。

1 泡沫復合驅數值模擬新方法

CMG軟件中的 STARS模塊可以運用兩種方法模擬泡沫的流動。一種是機理法，能夠詳細模擬泡沫的產生、發展、破滅等具體過程，涉及多個化學反應，比較復雜，適用于機理研究，用在實際模型中運算速度很慢。另一種是經驗法，通過泡沫選項對相對滲透率曲線進行插值來模擬流度的降低，不需模擬實際泡沫的產生和破滅過程，涉及參數較少，使用方便，適用于礦場規模的模擬，但其無法體現泡沫的半衰期、氣體注入量等參數對泡沫驅效果的影響。本次研究將經驗法與機理法結合起來，具體描述泡沫復合驅在數值模擬軟件中的體現。

1.1 氣體注入量在數值模擬中的體現

泡沫驅數值模擬經驗法未考慮泡沫的產生，無法體現注氣量對泡沫驅效果的影響。在后續進行注入參數優化時，氣液比的大小對開發效果基本沒有影響，從圖1可以看出，氣液比由0.5逐漸增大到2.0時，提高采收率值變化不大。而實際礦場試驗中氣液比越大，產生的泡沫質量越高，氣量的增多，可以使更多的液體被帶入低滲透層中，發揮超低界面張力驅油作用，增大氣液比可以提高驅油效率，提高采收率[1]。因此，在經驗法中加上機理法中氣體參與反應的方程式：

式中：SUR為表面活性劑；H2O為水；N2為參與反應的氮氣；LA為生成的泡沫；2.15×10-5表示參加反應的組分在反應平衡式內的系數。

圖2為加反應方程式后氣液比對泡沫驅的影響，可以看出，隨著氣液比的增大，提高采收率值增大。

圖1 加反應方程式前氣液比對泡沫驅的影響

圖2 加反應方程式后氣液比對泡沫驅的影響

1.2 泡沫特異性及半衰期模型的實現

泡沫體系具有油敏性，在含油介質中穩定性變差，導致其半衰期變短。消泡后其黏度降低，并遠遠低于不消泡時的黏度，因此，能起到“堵水不堵油”的作用，從而提高驅油效率[2]。經驗法中無法體現泡沫的這種特異性和半衰期，為此，本文在經驗法數據體中加入了機理法中表述泡沫半衰期的方程式：

反應式（2）表示在液相狀態下，泡沫自然消泡的過程。該式的反應速率體現泡沫半衰期的大小，反應速率與半衰期的關系式為：

式中：Ko為反應速率，無因次；t1/2為半衰期，min。

實驗室測得泡沫體系的半衰期為20 min，計算得到反應速率為0.034。

1.3 泡沫體系在地層中吸附的模型實現

泡沫體系在油藏中的吸附損失直接影響泡沫在運移過程中的應用效率。泡沫體系被吸附到巖石礦物上的機理較為復雜，與介質的性質有很大關系，如砂巖、碳酸鹽巖、黏土礦物的組成和含量等，同時還與礦化度、溫度、pH值等有關。對于好泡沫劑，要求其在地層中的吸附量盡可能小[3]。

泡沫體系抗吸附性指的是泡沫劑對石英砂吸附的耐受能力，故用泡沫體系被石英砂吸附后的泡沫體積和泡沫半衰期來表征。通過室內實驗研究（表1），可以看出，經過4次吸附后，發泡體積由初始的255 mL降至250 mL，變化較小；消泡半衰期由初始的34 min降至29 min，這表明泡沫體系抗吸附能力較強。

表1 泡沫體系抗吸附性能評價

在數值模擬軟件中是通過關鍵字 ADMAXT來設置吸附參數，表示最大吸附量。發泡體系抗吸附能力較強，ADMAXT值較小。本次模擬采用泡沫劑濃度為4000 mg/L，根據室內實驗評價結果，泡沫劑濃度4000 mg/L時，對應的吸附量為1.12 mg/g（圖3）。模擬設置了 5個不同的 ADMAXT值，分別為0.50，0.70，0.90，1.10，1.30 mg/g，對比5種方案的開發效果，來評價吸附量對開發效果的影響。從圖4可以看出，隨著最大吸附量的增大，累產油逐漸增加，但增加幅度很小，這說明了ADMAXT不敏感，最大吸附量對開發效果的影響較小。

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圖3 吸附量隨泡沫劑濃度的變化

圖4 不同吸附量對應的開發效果

通過添加機理法中的兩個反應方程式，并將實驗室測得的半衰期應用到方程式中，建立了泡沫復合驅數值模擬模型。為了檢驗模型的可靠性，進行了室內巖心驅替實驗擬合。

2 室內巖心驅替實驗擬合

泡沫復合驅因其驅替特征的特殊性，是油藏開發后期具有潛力的提高采收率方法。其模擬過程需要與大量的室內實驗相結合，故選擇數值模擬真實巖心，并與實驗結果相互擬合，以確定數值模擬研究中泡沫驅的特征參數[4-11]。

2.1 實驗材料及實驗條件

實驗材料主要有：實驗巖心（具體參數見表2）；實驗原油為模擬油，黏度7.61 mPa·s；實驗用水為雙河陳化污水；聚合物（ZL-1）為雙河陳化污水配制，濃度1800 mg/L，黏度68.30 mPa·s；質量分數為0.4%的泡沫劑（PM5）。

表2 泡沫復合驅巖心驅替實驗及數值模擬基本參數對比

實驗條件為：氣源為空氣；實驗溫度80 ℃；注入方式為氣液共注，氣液比為 1∶1；注入速度 0.5 mL/min；回壓設計6 MPa。

2.2 實驗步驟

（1）測滲透率、孔隙度。測氣相滲透率、抽空飽和水、測孔隙體積。

（2）飽和油。以注入速度0.2 mL/min注入模擬油，得到含油飽和度。

（3）水驅。以注入速度0.5 mL/min進行水驅至產出液不含油，得到水驅采出程度。

（4）聚合物驅。以注入速度0.5 mL/min注入0.5 PV聚合物溶液，然后水驅（注入速度 0.5 mL/min）至產出液無油，得到聚合物驅采出程度。

（5）泡沫驅。氣液同注：在溫度80 ℃，加回壓6 MPa，氣液比1∶1條件下，以滲透率200×10-3μm2的1.5 cm短巖心為泡沫發生器，以0.5 mL/min的速度注入0.5 PV的泡沫，然后水驅（注入速度0.5 mL/min）至產出液無油，得到泡沫驅的采出程度。

參考巖心模型基本參數（表2），建立數值模擬模型滲透率（圖5），采用與室內巖心驅替實驗相同的注入速度和注入段塞，分別進行水驅、聚合物驅、泡沫驅。

表3為泡沫復合驅巖心驅替實驗擬合對比結果，可以看出，泡沫驅數值模擬模型計算的采出程度與室內驅油實驗的相對誤差為-4.54%，說明巖心驅替實驗動態擬合程度較好，數值巖心能較為準確地反映真實巖心的驅替過程，泡沫驅數值模擬模型是可靠的，為后續的泡沫復合驅數值模擬研究奠定了良好的基礎。

圖5 數值模擬模型滲透率

表3 泡沫復合驅巖心驅替實驗擬合對比結果 %

3 泡沫復合驅數值模擬預測效果

泡沫復合驅的特征參數給定后，在雙河油田Eh3Ⅳ1-3層系實際區塊進行了數值模擬研究[7]。該區塊1977年底投入開發，1978年開始注水，先后經歷了早期注水、層系細分、井網加密調整、局部細分完善調整、聚合物驅+后續水驅五個開發階段，目前采出程度42.81%，綜合含水97.25%。該區塊聚合物驅提高采收率4.00%，現已進入后續水驅。為了攻關該區聚驅后提高采收率難題，現對其進行泡沫復合驅數值模擬研究，模擬區共有4口注入井，9口對應油井，控制儲量101.73×104t。

泡沫復合驅注入參數采用質量分數為0.4%的泡沫劑（PM5），濃度為2000 mg/L的穩泡劑（WP），注入泡沫段塞0.5 PV，注入速度0.1 PV/a，氣液比1∶1。分別進行水驅和泡沫復合驅，驅替至含水 98 %時，來對比這兩種不同驅替方式下的提高采收率狀況。從兩種不同驅替方式下的累計產油及提高采收率結果來看（表4），泡沫復合驅累計增油6.87×104t，提高采收率10.24%，遠遠高于水驅。這表明聚驅后區塊采用泡沫復合驅，能大幅度挖潛剩余油，進一步提高采收率。

表4 不同驅替方式累計增油及采收率結果

4 結論

（1）巖心驅替實驗擬合結果表明，將經驗法與機理法結合，來具體描述泡沫復合驅在數值模擬軟件中的體現，用這種新方法建立的泡沫復合驅模型是合理可靠的。

（2）通過模擬預測得到，泡沫復合驅能提高采收率10.24%，是聚驅后區塊進一步提高采收率的有效手段。