QHD32-6油田氮气泡沫驱高温高压可视化实验研究—郑继龙

QHD32-6油田氮气泡沫驱高温高压可视化实验研究
陈平，宋志学，郑继龙，张相春，赵军,吴晓燕
（中海油能源发展股份有限公司钻采工程研究院，天津塘沽 300452）
摘要：利用高温高压可视化填砂管，研究了静态和动态条件下N2泡沫驱油过程中原油与泡沫的流动规律及其驱油机理，并对QHD32-6油田N2泡沫驱泡沫体系进行优化。

实验结果表明：压力的增大有利于更多N2溶入原油中，使原油黏度下降，有利于原油的采出；随温度升高，N2泡沫在填沙管模型中的封堵作用逐渐减弱。

在90℃下，N2泡沫体系仍具有较高的阻力系数，说明该体系具有良好的耐高温性能。

随注入速度的增加，泡沫产生的阻力因子增大；但压力过大容易形成气窜影响采收率，因此，应将注入速度控制在合理范围以内（1～2mL/min）。

关键词：高温高压；可视化物理模型；氮气泡沫；驱油实验
Visualization studies on nitrogen-foam flooding experiment under high temperature and high pressure of QHD32-6 oilfield
Chen ping, Song zhixue, Zheng jilong, Zhang xiangchun, Zhao jun, Wu xiaoyan
(CNOOC Energy Technology & Oilfield Engineering Research Institute, Tanggu Tianjin, 300452)
Abstract: The high temperature and high pressure visualized sand pack was applied to study the flowing laws and microscopic mechanism of oil displacement for crude oil and foam under static and dynamic situations during the process of N2 foam flooding. The experiment results showed that increasing of pressure could be beneficial to dissolve more nitrogen in crude oil, which due to reducing of viscosity of crude oil and being good for oil recovery. With the increasing of temperature, the plugging effect became worse, however, high resistance coefficient for N2 foam system at 90℃, which indicated that the N2 foam system had a high-temperature resistance. With the increasing of injection rate, the resistance factor also increased. However, high injection rate would cause gas channeling, therefore, the injection rate should be controlled within a reasonable range, such as 1-2mL/min.
Keywords: high temperature and high pressure; visualized physical model; nitrogen-foam flooding; oil displacement experiment
前言
海上油田开发难度大、投资风险高，渤海油田采油工艺技术难度达到标定采收率指标，需尽快采用新技术，以提高油田采收率。

近几年来，N2泡沫驱提高采收率技术发展迅速。

一方面，泡沫有较高的视粘度，且具有“遇油消泡、遇水稳定”的特性[1]；另一方面，泡沫具有“堵大不堵小、堵水不堵油”的特性[2]。

QHD32-6油田低幅度构造，边底水合采，油田含水上升快，产量递减大。

为进一步挖掘剩余油潜力，解决储层非均质性强、注入水突进现象，为此在QHD32-6油田条件下进行了N2泡沫驱试验研究。

1 N2泡沫驱增油机理
一般认为，N2泡沫驱油增油的主要机理有以下4个方面[3]：（1）泡沫体系中表面活性剂降低油水界面张力，提高驱油效率。

（2）泡沫液视粘度较大，可有效降低油水流度比、扩大波及体积。

（3）泡沫具有“遇油消泡、遇水稳定”、“堵大不堵小、堵水不堵油”的特性，可有效封堵含油饱和度较低的高渗孔道，从而提高中、低渗透层的驱油效率。

（4）泡沫破裂后，N2上升到油层顶部，聚集到一定程度，形成N2驱。

本文利用高温高压可视化填砂管，分别在静态和动态条件下观察原油与泡沫的流动现象，分析N2泡沫的驱油机理，并对QHD32-6油田N2泡沫调驱泡沫体系进行优化。

2 实验部分
2.1实验材料
实验用水：室内配置QHD32-6油田地层水和注入水，地层水平均矿化度约4500mg/L左右，注入水矿化度为2497mg/L，经0.45um微孔滤膜过滤。

起泡剂QP-1：由东营市胜都石油技术有限公司生产，是一种阴离子型起泡剂，有效含量为90%，质量浓度0.5%。

氮气：永腾气体（天津）销售有限公司生产，纯度99.9%。

实验用油：QHD32-6油田原油，油藏温度条件下（63℃）粘度为70mPa.s。

2.2 实验仪器设备
高温高压可视化微观驱替装置：由江苏海安发达石油仪器科技有限公司生产，可视窗口大小为10mm ×50mm，填砂管模型（Φ25mm×70mm），如图1所示；
泡沫发生器：由扬州华宝石油仪器有限公司生产
图1 高温高压可视化填砂管模型示意图
Figure 1 high-temperature and high-pressure Sand filling tube model schematic
2.3 实验步骤
驱替试验流程见图2。

其特点是在填砂管模型上设计可视窗孔，且耐高温高压，在驱替过程中通过视窗孔观察泡沫流体在岩心中的流动规律、在岩心孔隙中的分布规律以及观察剩余油的分布情况。

图2 高温高压可视化驱替实验流程图
Figure 2 high-temperature and high-pressure visualization flooding experiment flowchart 其实验步骤如下：
（1）连接流程，用Qiuzix泵将原油驱替进入填砂模型，直到模型完全被油饱和为止，给填砂模型拍照。

（2）分别将N2和起泡剂体系装入中间容器，调节回压，将压力升到实验压力，关模型进出口阀门，开中间容器阀门，保持N2和起泡剂体系压力稳定。

（3）打开泡沫发生器，用Qiuzix泵将N2和起泡剂体系驱替进入泡沫发生器，开模型进出口阀门，待泡沫进入模型后，关闭模型出口阀门。

在压力稳定后，观察油与泡沫界面变化，给填砂模型拍照。

（4）缓慢开启出口阀门，让泡沫发生流动。

在流动过程中观察泡沫的状态和油气界面以及原油颜色的变化，随时给填砂模型拍照。

按上述步骤完成N2泡沫体系不同浓度、注入速度条件下的封堵性实验。

3 实验结果及分析
3.1静态实验
观察原油与N2间的接触情况，通过界面形状、过渡带大小、原油颜色变化等，分析泡沫与原油的作用情况。

图3表示不同压力条件下静态实验过程中原油与泡沫间的接触情况。

在5.0MPa下，透过可视窗能够清晰观察到两相流存在，原油颜色比较深，原油与泡沫间有明显的界面；而在15MPa下，原油的颜色由暗黑色变为赤黄色，其中模糊的区域是N2泡沫与原油形成的过渡带，且随着压力的增大，过渡带的颜色变浅。

这是因为随压力的增大，泡沫体系中气泡逐渐发生聚并、破裂，最后形成一段气柱，此时越来越多的N2溶入原油中，使原油变稀，颜色变浅，原油黏度下降，有利于原油的采出。

并且，由于纵向上的重力分异作用，N2泡沫优先驱替模型上部的原油并逐渐封堵上部渗流通道，随后分流转向进入模型下部，驱替下部
原油。

5.0MPa 15.0MPa
图3 不同压力条件下静态实验过程中原油与泡沫
Fig.3 Nitrogen foam and oil(static) observed at different pressure
3.2动态实验
动态实验是观察原油与N2间的接触情况，分析N2泡沫的生成、运移、破灭及再生过程。

图4是在动态条件下，观察得到的不同压力下原油与N2泡沫间的驱替情况。

驱动压力5.0MPa时，在N2泡沫的驱替作用下，泡沫与原油过渡带逐渐向模型出口推移。

原油颜色比较深，原油与泡沫间有明显的界面，泡沫与原油接触立即破灭。

这是因为：①泡沫是热力学不稳定分散体系[4]，会自动破裂。

首先受重力影响，液膜中液相下流，使液膜变薄，此外，泡沫体系中小气泡内的压力相对高于大气泡内的压力，小气泡内的气体透过液膜自动渗进入大气泡而引起破裂。

②在原油较多的驱替前缘，形成的液膜壁大部分都很薄，非常不稳定，也容易破裂。

这主要是由于表面活性剂具有亲油性，因此大量表面活性剂由气水表面迁移到油水界面，从而使得原油泡沫（膜）失去活性剂的保护作用而破裂。

在驱替结束时，多孔介质中的油相变少，液相中的发泡剂浓度相对较高，使得泡沫的表面张力较小，泡沫较稳定。

当压力达到20.0MPa后，在N2泡沫驱替作用下，泡沫与原油过渡带逐渐向出口推移过程中颜色由深逐渐变为浅棕黄色，泡沫破裂的速度更快。

且随着压力的增高，这种现象越来越明显，过渡带越来越模糊。

同时，更多的N2溶解于原油中，使得原油黏度大幅下降，原油的颜色变浅，从而易被N2气流携带走。

因此，在较高的压力条件下（20.0MPa），N2泡沫驱可以通过降低原油粘度来增加原油的流动能力，提高原油的采收率。

5.0MPa 20.0MPa
图4 不同压力条件下动态实验过程中原油与泡沫
Fig.4 Nitrogen foam and oil(dvnamic) observed at different pressure
泡沫封堵能力的影响
3.3 温度对N
2
泡沫流体在地层中流动，油藏中不同区域的温度不同，在表1中所示的条件下，分别选取实验温度为30℃、65℃和 90℃进行了三组N2泡沫封堵实验。

表1 氮气泡沫封堵能力实验条件
Table1 Experimental condition of the nitrogen foam blank off ability 序号起泡剂温度/℃压力/MPa 气液比渗透率/µ㎡阻力系数
1 QP-1 30 10 1:1 2.423 202.1297
2 QP-1 65 10 1:1 2.467 110.2326
3 QP-1 90 10 1:1 2.386 80.6232
从数据表中观察到，温度对N2泡沫驱的阻力系数影响较大。

在相同压力、相似渗透率条件下，随N2泡沫注入孔隙体积倍数的增加阻力系数呈上升趋势[5]；随温度升高，阻力系数呈递减趋势但减小幅度逐渐变缓。

这说明N2泡沫在填沙管模型中具有一定封堵作用，且随温度升高封堵能力逐渐减弱[6]。

同时可看出，在90℃下，泡沫体系仍具有较高阻力系数，说明该体系具有良好的耐高温性能。

泡沫封堵能力的影响
3.4 注入速度对N
2
实验温度为油藏温度65℃，泡沫剂体系为 QP-1，气液比为1：1。

泡沫注入速度分别为:0.1mL/min、0.2mL/min、0.3mL/min、0.5mL/min、0.7mL/min、1.0mL/min、1.5mL/min、2.0mL/min、2.5mL/min、3.0mL/min、4.0mL/min。

图5 注入速度对泡沫的岩心两端压差的影响
Figure 5 injection velocity pressure at both ends of the foam core
图6 注入速度对泡沫的阻力因子的影响
Fig. 6 injection speed resistance factor on the bubble effect
由图4可知，由于注入速度过低，渗流速度慢，基础压差测不出来；从不同注入速度来看，在低注入速度下（＜2mL/min），随注入速度的增加，泡沫产生的阻力因子增大；当注入速度大于2mL/min 后，增大注入速度，岩心两端的压差增大，但阻力因子变化不大；这是因为，随着压力的增加，气体流动速度增加，增加了N2与原油的接触机会，有利于N2向原油中或原油向N2中的传质过程，降低原油粘度，同时有利于气体进入油层深部形成更深的过渡带，从而利于原油采出；但是，压力过大会极容易使得大量N2发生窜流流变成连续相而形成气窜，影响驱替效果。

因此，在注气工艺上，必须控制N2的注入速度在合理的范围内，才能最大限度提高其波及体积而获得高的采收率。

4 结论
利用高温高压可视化填砂管，研究了静态和动态条件下N2泡沫驱油过程中原油与泡沫的流动规律。

结果表明：
（1）压力的增大有利于泡沫体系中的气泡发生聚并、破裂，并形成一段气柱，随着越来越多的N2溶解进入原油中，原油黏度下降，有利于原油的采出。

（2）在90℃下，N2泡沫体系仍具有较高的阻力系数，说明该体系具有良好的耐高温性能。

（3）在较低注入速度下（＜2 mL/min），随注入速度的增加，泡沫产生的阻力因子增大；当注入速度大于2mL/min 后，增大注入速度，阻力因子变化不大，容易形成气窜，因此，应将注入速度控制在合理范围以内（1～2 mL/min）。

参考文献
[1] 曹正权、马辉、姜娜、陈辉.氮气泡沫调剖技术在孤岛油田热采井中的应用，油气地质与采收率，2006年9月第13卷第5期.
[2] 李兆敏.泡沫流体在油气开采中的应用.北京：石油工业出版社,2010.
[3] 杜建芬,刘建仪,郭平,等.马36区块氮气泡沫水交替驱室内评价研究.西南石油学院学报,2004年6月第26卷第3期.
[4] 郭万奎，廖广志，邵振波，等.注气提高采收率技术.北京：石油工业出版社，2003.
[5] 李士伦，张正卿，冉新权.注气提高采收率技术.成都：四川科学技术出版社，2001.
[6] 张建丽.空气泡沫驱微观驱油机理实验研究[D].东营：2011.
第一作者简介：陈平，男，汉族，本科，工程师，主要从事油田三次采油、提高采收率技术研究与应用工作，中海石油能源发展-钻采工程研究院提高采收率研究所气驱研究室。