中高渗油藏空气泡沫封堵与流度控制实验研究

中高渗油藏空气泡沫封堵与流度控制实验研究
陈振亚;张帆;刘印华;任韶然
【摘要】注空气是提高采收率的有效技术;但对于中高渗、非均质油藏,单纯注空气容易引发气窜,加剧老井腐蚀,带来安全隐患.因此,针对此类油藏进行空气驱,需要加入泡沫进行封堵和流度控制.通过室内实验,进行了空气泡沫封堵能力影响因素的敏感性分析,研究了空气泡沫段塞在不同驱替方式和不同驱替速率下的流度控制作用.研究结果表明,温度对空气泡沫稳定性有不利影响;在实验压力范围内,高压可以提高空气泡沫的稳定性;当气液比在1∶1 ～2∶1之间时,空气泡沫的封堵能力达到最大值;泡沫段塞后气驱,体系阻力因子先增大后减小;泡沫段塞后水驱,在一段时间内体系的阻力因子持续增大;无论是泡沫段塞后气驱还是泡沫段塞后水驱,较高的注入速率会带来较强的封堵能力.
【期刊名称】《科学技术与工程》
【年(卷),期】2015(015)017
【总页数】5页(P51-55)
【关键词】中高渗;注空气泡沫;流度控制;提高采收率
【作者】陈振亚;张帆;刘印华;任韶然
【作者单位】广东石油化工学院石油工程学院,茂名525000;中国寰球工程公司,北京100000;中石油煤层气有限责任公司陕西技术服务分公司,西安710000;中国石油大学(华东)石油工程学院,青岛266580
【正文语种】中文
【中图分类】TE357.45
实践证明注气(如二氧化碳、天然气或氮气等)是一种提高采收率的有效技术［1—5］;但是注氮气成本较高，注天然气、二氧化碳都存在气源不足等问题。

注空气驱油技术以其成本低廉、气源丰富等特点，受到国内外各石油公司越来越多的重视。

油藏注空气，空气中的氧气可以与原油发生低温氧化反应［6—11］，消耗掉氧气，而生成的二氧化碳、一氧化碳可以形成烟道气驱，可以有效、安全的提高油藏的采收率。

但是，对于中高渗、非均质、无倾角的油藏来说，单纯的注空气容易引起气窜，气窜降低了气驱采收率，使注入的空气形成无效的循环，加剧了老井的腐蚀，同时也会因为氧气气窜到生产井而引起安全隐患。

因此，针对此类油藏进行空气驱，加入泡沫进行封堵和流度控制，同时提高波及系数与驱油效率是非常必要的［12］。

中石化中原油田针对明15块中高渗、非均质的油藏特征，开展了注空气泡沫提高采收率先导试验，现场实施结果表明，空气泡沫驱增油效果显著，提高采收率15%以上，综合含水率降低4% ～6%，生产井中至今未见氧气突破，成为国内注空气
泡沫工艺成功应用的典范［13—15］。

通过空气泡沫驱成功开发的实例证明空气
泡沫提高采收率工艺有效可行，但关于空气泡沫封堵与流度控制的机理尚不明确，工程人员尤为关心封堵效果、氧气的突破及其安全问题。

通过室内实验，进行了空气泡沫封堵能力影响因素(温度、压力、渗透率、气液比)的敏感性分析，研究了空气泡沫段塞在不同驱替方式和不同驱替速率下的流度控制作用，力图为该技术在油田的现场应用提供理论支持。

1 实验部分
1.1 仪器
空气泡沫封堵与流度控制实验装置见图1。

主要设备包括，大型恒温箱(温控范围
0～200℃)，高压填砂模型(Φ25×700 mm，耐压 32 MPa)，2PD00Z系列平流泵(量程流量9.99 mL/min)，压差变送器(量程0.3 MPa，耐压10 MPa)，压力传感器，泡沫发生器，高压空气瓶，高压中间容器，回压阀，调压阀等。

1.2 原料与试剂
起泡剂(ZY—1阴离子型，浓度0.6%wt)，稳泡剂，中原油田明15块原油，地下原油粘度为3.96 mPa·s(87℃，22.5 MPa)，地面条件下密度为0.886 g/cm3，黏度为46.3 mPa·s，模拟地层水，总矿化度为20 mg/L。

石英砂，筛孔尺寸80～120目。

1.3 实验步骤
1.3.1 空气泡沫封堵特性实验
将填砂模型抽真空，饱和地层水。

对填砂模型进行升温，升温1 h，使之达到预设的温度条件。

然后饱和原油。

以0.5 mL/min速度水驱，至出口端含水率98%(或基本不出油)时，将起泡剂与空气通过泡沫发生器混合注入岩心(地面发泡)，实时测量水驱与泡沫驱时模型两端的稳定压力差值，计算阻力系数。

图1 空气泡沫封堵特性实验流程示意图Fig.1 Scheme of blocking capability experiments by air foam flooding
1.3.2 空气泡沫段塞驱替流度控制实验
将填砂模型抽真空，饱和地层水。

将恒温箱温度升高至60℃，保持1 h。

然后饱和原油。

以0.5 mL/min速度水驱，至出口端含水率98%(或基本不出油)时，按气液比1∶1注入0.2 PV泡沫，然后注水(或空气)驱替泡沫段塞，实时测量模型两端的稳定压力差值，计算阻力系数。

2 结果与讨论
2.1 空气泡沫封堵特性实验
2.1.1 温度对空气泡沫封堵能力的影响
实验条件为，温度30℃、70℃、110℃，压力4 MPa，研究空气泡沫驱在不同温度下的封堵能力，实验结果见图2。

实验结果表明，温度升高，空气泡沫的封堵能力变差，高温对空气泡沫体系的稳定性有着不利的影响;这是因为，泡沫体系是一种热力学不稳定体系，在不同温度下，泡沫的消亡过程不同。

当温度较低时，气体扩散起主要作用;当温度较高时，泡沫
液膜的表面活性剂分子动能变大，容易摆脱水分子对其的束缚，导致泡沫液膜表面张力下降，液膜容易破裂。

其次，温度升高对泡沫液膜性质有很大影响，随着温度的升高，液膜表面粘度降低，使液膜排液速度加快，泡沫稳定性变差。

2.1.2 压力对空气泡沫封堵能力的影响
实验条件为，压力 2 MPa，4 MPa，12.5 MPa，温度70℃，研究空气泡沫驱在
不同压力下的封堵能力，实验结果见图3。

图2 不同温度下阻力因子随注入孔隙体积倍数的变化Fig.2 Resistance factor versus injected pore volume times at different temperatures
图3 不同压力下阻力因子随注入孔隙体积倍数的变化Fig.3 Resistance factor versus injected pore volume times at different pressures
实验结果表明，在实验压力范围内，压力的升高能够提高空气泡沫泡沫的封堵能力。

分析原因是因为，当表面活性剂浓度相同的情况下，压力越大，所形成泡沫的半径就越小，不易破裂。

同时，压力越大，液膜变得越薄，排液速度越低，也增强了泡沫稳定性。

2.1.3 气液比对空气泡沫封堵能力的影响
实验条件为，温度70℃，压力4 MPa，选用四种气液比0.5∶1、1∶1、2∶1、3∶1，研究空气泡沫驱在不同气液比下的封堵能力，实验结果见图4。

实验结果表明，气液比存在最佳值，过高或者过低的气液比，空气泡沫驱的封堵能力都有所下降。

取一个具有代表性的注入孔隙体积倍数值(1.65 PV)，作阻力因子
随着气液比变化的曲线，见图5。

图4 不同气液比下阻力因子随注入孔隙体积倍数的变化Fig.4 Resistance factor versus injected pore volume times at different gas liquid ratios
图5 注入1.65 PV时阻力因子随气液比的变化Fig.5 Resistance coefficient versus injected 1.65 PV at different gas liquid ratios
如图5所示，在低气液比时，泡沫的封堵能力随着气液比的增大而逐渐增强，这
是因为随着气液比的增大，注入孔隙中的空气的量逐渐增加，形成泡沫的量逐渐增加，泡沫体系的封堵能力逐渐增强。

当气液比在1∶1～2∶1之间时，阻力系数达到最大值。

气液比过大，形成泡沫的液膜逐渐变薄，泡沫体系稳定性变差，封堵能力降低。

因此，室内驱替实验和现场试验时，合适的气液比范围应是1∶1～2∶1
之间。

2.2 空气泡沫段塞驱替流度控制实验
2.2.1 泡沫段塞在不同驱替方式下的封堵能力
分别研究了泡沫段塞后气驱和泡沫段塞后水驱两种驱替方式下，系统阻力系数随注入孔隙体积倍数的变化，实验结果见图6。

泡沫段塞后气驱，体系的阻力因子随着注入量的增加，逐渐升高，至达到一个峰值，而后持续下降，直至降低到一个较小的值;泡沫段塞后水驱，体系的阻力因子随着
注入量的增加而逐渐增大，并升高到一个较高的值。

分析原因是因为，泡沫段塞后气驱，注入的空气推动泡沫段塞向前移动，并且注入的空气能和已经消灭的泡沫液重新生成新的泡沫，实现了泡沫的持续再生，当注入的空气与发泡剂达到最佳气液比时，系统的阻力因子达到峰值。

在后续注入空气过程中，空气突破泡沫液，注入的空气对泡沫段塞的驱替作用将减小，系统的阻力因子逐渐降低;泡沫段塞后水驱，由于泡沫与水有比较好的亲和性，泡沫能与水共存
而不发生消泡，而且泡沫会作为分散介质分散在水中，这样就相当于增大了泡沫段
塞的长度，最终阻力系数逐渐增大。

随着注入水量的不断增大，泡沫将充满整个填砂管，此时泡沫段塞的长度与黏度的乘积达到最大值，泡沫阻力因子也达到最大值。

图6 泡沫段塞在不同注入方式下阻力系数随注入孔隙体积倍数的变化Fig.6 Resistance factor versus injected PV times at different displacement mode 2.2.2 泡沫段塞在不同驱替方式下的封堵能力
分别研究了泡沫段塞后气驱和泡沫段塞后水驱在不同驱替速率下系统阻力因子随注入孔隙体积倍数的变化，实验结果见图7。

图7 泡沫段塞在不同驱替方式和不同驱替速率下系统阻力系数随注入孔隙体积倍
数的变化Fig.7 Resistance factor versus injected PV times at different displacement mode and rate
实验结果表明，无论泡沫段塞后气驱还是泡沫段塞后水驱，体系的阻力因子随着驱替速率的增加而不断增大。

并且，泡沫段塞后气驱，注入速度越大，体系阻力因子达到峰值的时间越早，这是因为注气速度越大，气体突破越早。

3 结论
(1)温度对空气泡沫稳定性有不利影响，温度升高，空气泡沫体系的封堵能力变差。

这是因为温度的变化对表面膜的性质影响很大，随着温度的升高，吸附量减少，分子独占面积增大，表面粘度降低，排液速度增加，表面弹性降低，导致泡沫稳定性降低。

(2)在实验压力范围内，高压可以提高空气泡沫的稳定性，使其封堵能力得到增强，当表面活性剂浓度一定时，压力越大，形成泡沫半径越小，不易破裂。

同时，压力越大，液膜变得越薄，排液速度越低，也增强了泡沫稳定性。

(3)当气液比过小时，形成泡沫的量较小，封堵能力有限，气液比过大时，形成泡
沫的液膜逐渐变薄，空气泡沫体系稳定性变差，当气液比在1∶1～2∶1之间时，阻力系数达到最大值，因此，在进行空气泡沫驱室内驱替实验和现场试验时，合适
的气液比范围应是1∶1 ～2∶1之间。

(4)泡沫段塞后气驱和泡沫段塞后水驱，泡沫段塞呈现出不同的封堵能力。

泡沫段塞后气驱，体系阻力因子先增加至一个峰值，然后缓慢降低。

泡沫段塞后水驱，在一段时间内体系的阻力因子持续增大。

(5)以不同的驱替速率驱替泡沫段塞时，无论是泡沫段塞后气驱还是泡沫段塞后水驱，体系的阻力因子都随着注入速率的增加而增大。

泡沫段塞后气驱，注入速率越大，体系阻力因子峰值出现的时间越早。

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