稠油油藏多元介質復合蒸汽吞吐驅油機理研究

霍 進，呂柏林，楊兆臣，盧迎波，胡鵬程

(中國石油新疆油田分公司，新疆 克拉瑪依 834000)

0 引 言

風城油田A區塊平均油藏埋深為358 m，50 ℃原油黏度為19 974 mPa·s，原始地層壓力為4 MPa，孔隙度為27.4%，滲透率為545 mD，屬淺層構造巖性特稠油油藏。在蒸汽吞吐開發過程中，存在井間竄擾嚴重、油層剖面動用程度低、有效生產周期短、地層能量低、油井排液能力差等多重開發矛盾，隨生產時間延長，開發矛盾愈發突出，開發效果逐漸變差。針對該問題，前人開展了蒸汽泡沫驅、氮氣驅、二氧化碳驅等方面的驅油實驗研究和現場試驗，但由于驅油介質作用單一，問題未得到有效解決[1-4]。因此，選取N2、CO2、尿素、起泡劑4種常用介質，通過巖心驅油、三維物理模擬、微觀驅油模擬等室內實驗，優選最佳驅油介質及介質組合，研究多元介質復合驅油機理，實現調剖、降黏、增能等作用的定量表征，為稠油開發提供了新的增產提效方法。

1 多元介質驅油體系篩選

1.1 單一介質優選

為優選出單一驅油介質，以風城油田A區塊油藏條件為依據，按照行業標準規定方法制作5組巖心(表1)，填充6.8 mL原油。實驗設置蒸汽溫度為150 ℃，回壓為4.00 MPa，驅替速度為0.5 mL/min。實驗流程如下：注入2.00倍孔隙體積蒸汽進行驅替，然后分別注入0.03倍孔隙體積的N2、CO2、尿素(質量濃度為300 g/L)、起泡劑(質量濃度為5 g/L)，再進行蒸汽驅替直至產出液含水98%為止。對比不同類型介質驅油效果。單一介質優選實驗結果表明，相較于純蒸汽驅替，尿素、CO2、起泡劑3種介質在提高采收率方面效果較好(表1)，采收率均提高3.00個百分點以上，其中尿素驅油效果最佳，提高采收率5.05個百分點，最終采收率為32.17%。

表1 實驗巖心參數

1.2 介質組合優選

單一起泡劑能起到調剖作用，單一非凝析氣體能起到補充地層能量、降黏作用，而非凝析氣體與起泡劑組合后產生泡沫流，在儲層中疊加產生賈敏效應，封堵巖石中的大孔道，迫使蒸汽轉向未波及區域，提高油層動用程度[2]，且能補充地層能量，提高油井排液能力。因此，建立3種介質組合(尿素+起泡劑、CO2+起泡劑、N2+起泡劑)，尿素、CO2、N2分別與起泡劑等體積配比，巖心基本參數如表2所示，實驗條件與單一介質實驗相同，對比不同介質組合方式驅油效果。實驗結果表明，尿素+起泡劑在提高采收率方面效果最好，提高采收率7.10個百分點。

表2 實驗巖心參數及介質組合驅替效果

2 多元介質驅油機理表征

尿素在150 ℃以上的高溫條件下與水反應分解為CO2和NH3，CO2在地層中與起泡劑形成泡沫流，起到調剖、封竄的作用，NH3溶于水呈堿性，易形成堿驅[5-8]。通過三維物理模擬實驗、降黏實驗和高壓反應實驗揭示多元介質組合(尿素+起泡劑)提高剖面動用、降低原油黏度、補充能量的驅油機理，并通過微觀驅油模擬實驗研究多元介質驅油過程。

2.1 提高油層剖面動用程度

利用風城油田A區塊油藏實際參數建立三維物理模型，模型尺寸為30 cm×15 cm×40 cm，模型的油藏厚度、滲透率嚴格按照Pujol和Boberg的相似標準進行比例模化。設計3套油層，每套油層之間夾有2個厚度為2.0 cm的隔層，隔層滲透率為10 mD。每個小層內存在2種滲透率：油層1上部滲透率為5 000 mD，孔隙度為30.5%，下部滲透率為1 000 mD，孔隙度為25.3%；油層2上部滲透率為3 000 mD，孔隙度為28.3%，下部滲透率為600 mD，孔隙度為23.8%；油層3上部滲透率為4 000 mD，孔隙度為29.4%，下部滲透率為700 mD，孔隙度為24.6%(圖1)。三維模型與高壓金屬瓶連接，金屬瓶中裝入N2，壓力保持和原始油藏壓力一致(4.0 MPa)，蒸汽吞吐實驗中注汽速度為150 cm3/min；多元介質復合吞吐實驗中注蒸汽速度為130 cm3/min，注多元介質(300 g/L尿素+5 g/L起泡劑)速度為20 cm3/min。每個周期注汽8 min，燜井2 min，生產30 min。共開展吞吐模擬實驗11個周期，前7個周期開展蒸汽吞吐，后4個周期開展多元介質復合吞吐。

圖1 多元介質三維物模實驗示意圖

由實驗監測的吸汽剖面及周期生產指標對比(圖2、3)可知，蒸汽吞吐階段蒸汽超覆明顯，高滲層吸汽量達到81.6%，低滲層動用困難；多元介質復合吞吐階段，起泡劑發泡進入高滲層，促使蒸汽流向低滲層，吸汽剖面得到較大幅度提高，高滲層吸汽量降至38.6%，油層得到均衡動用，尿素熱分解的非凝析氣體提高反應釜內壓力，提高排液能力，綜合作用下周期產油量、油汽比明顯提升，采收率提高9.3個百分點。實驗結果表明，多元介質復合吞吐可有效改善油層剖面動用程度，擴大蒸汽波及范圍。

圖2 三維物模實驗吸汽剖面對比

2.2 降低原油黏度

CO2在稠油中的溶解度隨壓力增加而增加，隨溫度的升高而降低，原油降黏率隨CO2溶解度增加而增加[7-8]。選取50 ℃黏度為12 400 mPa·s、密度為0.974 g/cm3的油樣進行多元介質降黏實驗，將尿素溶液(300 g/L)與原油按不同比例充分混合后放入反應釜中，隨后加熱升溫至180 ℃，恒溫保持2 h，尿素在高溫下充分分解，然后降壓并測量不同壓力下原油黏度(表3)。由表3可知，溶液與原油混合比例為2∶8時，降黏效果最好。尿素熱分解產生的CO2溶于原油，原油黏度由12 400 mPa·s降至7 552 mPa·s，此時降黏率為39.1%；降壓至2.50 MPa后析出擬混相狀態的泡沫油，原油黏度繼續降至1 327 mPa·s，最終降黏率高達89.3%。

圖3 三維物理模擬實驗吞吐周期生產指標

2.3 補充地層能量

將多元介質溶液(300 g/L尿素+5 g/L起泡劑)放入高壓反應釜中，并加入N2至油藏壓力4.00 MPa，逐漸提高系統溫度，記錄反應釜內壓力隨時間的變化規律，直至系統內壓力穩定即為分解反應完畢。實驗結果表明：當溫度升至150 ℃時，尿素分解速率提高至0.36 mol/(mL·s)，經過1.9 h，壓力由0.30 MPa上升至2.95 MPa后基本趨于穩定，表明尿素在150 ℃時基本完全分解，反應釜內壓力提升近3.00 MPa(表4)，由此可見，多元介質高溫下分解的非凝析氣體能夠迅速提升油藏壓力，達到補充地層能量的目的。

表3 尿素溶液降黏實驗結果

表4 多介質溶液不同溫度條件下分解反應實驗數據

2.4 提高驅油效率

為進一步深入對多元介質蒸汽驅驅油機理認識，開展微觀驅油模擬實驗。將制好的光刻磨片放入微觀可視化模型內，真空狀態下將磨片飽和油。利用恒溫烘箱將多元驅替介質加熱至200 ℃，恒溫5 h后，進行微觀模型驅替實驗，連續觀測微觀模型內驅替介質驅油的流變特征及驅油特征。實驗先進行200 ℃熱水驅至產出液含水率達到98%，再轉為200 ℃熱水+多元介質(多元介質溶液為300 g/L尿素與5 g/L起泡劑混合)驅至產出液含水率達到98%時結束實驗。實驗表明：熱水驅實驗結束后，由于大孔道發生水竄，繼續用熱水驅已無法提高驅油效率；轉多元介質+熱水驅后，大孔道逐漸被泡沫封堵，熱水驅油面積逐漸擴大，原油以乳化泡沫油的方式采出，驅油效率大幅度提升。其原理如下：多元介質中尿素熱分解產生NH3和CO2，NH3溶解水中，在高溫下形成NH4+和OH-，與原油中的酸性物質反應產生表面活性劑，同時與CO2、起泡劑共同作用，既起到泡沫驅擴大波及體積的作用，也具有大幅度提高微觀驅油效率的作用[9-11]，最終驅油效率提高近30個百分點。

3 現場應用效果

2019年，在新疆風城油田A區塊19口試驗井開展多元介質復合吞吐技術，實施前單井周期產油量為418 t，油汽比為0.16，水平段動用程度達到42%。采用多元介質進行復合吞吐，單井注入多元介質藥劑(尿素+起泡劑)54 t，隨后注入蒸汽進行吞吐生產。實施后，周期生產指標提升顯著，平均單井周期產油提高了480 t，油汽比提高了0.12，采油速度提高1.2個百分點，井溫剖面資料顯示，水平段動用程度提高33個百分點(表5)，多元介質復合效果顯著。

表5 多元介質復合吞吐前后生產指標變化

4 結論及建議

(1) 室內實驗表明，多元介質復合驅油效果優于單一介質輔助和常規蒸汽吞吐效果，為稠油增產提效提供了新方法。

(2) 尿素在地層中熱裂解生成非凝析氣體CO2和NH3，與起泡劑協同作用，稠油降黏率可達到89%以上，吸汽剖面改善率達到73%，驅油效率提高近30個百分點，具有較好的驅油效果。

(3) 風城油田多元介質復合吞吐試驗結果表明，19口試驗井平均單井周期產油量提高480 t，油汽比提高0.12，采油速度提高1.2%，水平段剖面動用程度提高33個百分點。

(4) 多元介質復合技術具有提高油層剖面動用、降低原油黏度、補充地層能量等作用，可在蒸汽驅、驅泄復合、SAGD等開發方式中推廣，具有較好的推廣價值。