多相泡沫體系調(diào)驅(qū)試驗

李賓飛,李兆敏,劉祖鵬,趙 磊,李松巖,林日億,王冠華

(1.中國石油大學石油工程學院,山東青島 266555;2.中國石油大學儲運與建筑工程學院,山東青島 266555)

多相泡沫體系調(diào)驅(qū)試驗

李賓飛1,李兆敏1,劉祖鵬1,趙 磊1,李松巖1,林日億2,王冠華1

(1.中國石油大學石油工程學院,山東青島 266555;2.中國石油大學儲運與建筑工程學院,山東青島 266555)

通過復配泡沫和聚合物凍膠微球形成多相泡沫體系,進行多相泡沫體系在多孔介質(zhì)中的流動試驗。顯微圖像顯示,聚合物攜帶的聚合物凍膠微球具有良好的圓球度和分散性,分布在多相泡沫的液膜和 plateau邊界處。試驗結(jié)果表明:聚合物凍膠微球能在巖心中不斷封堵和運移,使注入壓力和阻力系數(shù)增加,后續(xù)水驅(qū)仍有較高的殘余阻力系數(shù);多相泡沫體系封堵巖心時,壓差曲線出現(xiàn)明顯的上下波動,多相泡沫封堵受聚合物凍膠微球運移的影響;并聯(lián)雙管試驗中泡沫和多相泡沫體系在巖心管中的分布狀態(tài)不同,多相泡沫體系具有更好的調(diào)剖效果。

聚合物;凍膠微球;泡沫;多相泡沫體系;封堵能力;調(diào)剖

泡沫流體為一種可壓縮的非牛頓流體,具有低漏失、低密度、對油層傷害小、攜砂能力強的特性,在地層中滲流具有選擇性,既能封堵高滲層、提高低滲層波及系數(shù),又能有效地封堵水層,選擇油層進行流動[1-3],因此泡沫驅(qū)是一種很有應用前途的三次采油方法[4]。聚合物微球是一種微米級別的球狀黏彈性固體,它可以在巖心孔喉中不斷封堵、運移,再封堵、再運移,是一種油藏深部調(diào)剖堵劑[5-7]。關于聚合物微球的封堵能力已經(jīng)有大量的試驗研究。筆者結(jié)合泡沫和聚合物微球兩種不同調(diào)驅(qū)技術(shù),通過形成的多相泡沫體系來研究其對嚴重非均質(zhì)地層的調(diào)驅(qū)效果。

1 多相泡沫體系特征

1.1 多相泡沫體系的組成

多相泡沫體系由氣、液、固 3相組成。其中,氣相為氮氣,液相一般由起泡劑、穩(wěn)泡劑和水組成,固相為聚合物凍膠微球。

(1)氮氣。氮氣壓縮系數(shù)大、彈性能量大、黏度低、滲透能力強,有利于保持油層壓力、補充地層能量,發(fā)揮氣體膨脹和降黏驅(qū)油的作用,最終達到提高采收率的目的[8]。

(2)起泡劑。要求起泡性能好,泡沫穩(wěn)定性強,與聚合物凍膠微球配伍性好,并且泡沫攜帶能力強。

(3)穩(wěn)泡劑(聚合物)。通過聚合物增加泡沫的黏度,減緩泡沫的排液速率,提高泡沫的穩(wěn)定性。液膜強度是決定泡沫穩(wěn)定性的主要因素,表面活性劑溶液形成的泡沫液膜厚度越大,泡沫強度越高,排液期越長,越能抵抗外部影響造成的形變,泡沫的穩(wěn)定性越好[9]。

(4)聚合物凍膠微球。聚合物凍膠微球是一種新型油層深部堵劑,具有吸水膨脹特性,初始粒徑在微米級,能與油藏亞微米孔喉尺度匹配,能注進油層,同時聚合物凍膠微球具有固定的形狀,是黏彈性固體,膨脹后體積變大,因而堵得住大孔道,微球在彈性變形作用下可以通過喉道在油層中移動[10]。

1.2 多相泡沫體系分布形態(tài)

用光學顯微鏡觀察攪拌均勻的聚合物與聚合物凍膠微球組成的溶液。圖 1為凍膠微球復合溶液在顯微鏡下放大 50倍時的顯微照片。從圖 1可看出,微球具有很好的圓球度,粒度相對均勻,在聚合物溶液中分散均勻,懸浮性能強。

圖 1 凍膠微球復配溶液的顯微照片F(xiàn)ig.1 M icrograph of polymer gelled m icrosphere compounded solution

用高速攪拌器以 7000 r/min的速度攪拌多相泡沫基液 3 min,生成泡沫后在光學顯微鏡下觀察多相泡沫形態(tài)。圖 2為光學顯微鏡放大 100倍的顯微照片。

從圖 2可看出,凍膠微球主要分布在泡沫液膜和 plateau邊界處,而且加有聚合物的強化泡沫的液膜明顯增厚,泡沫的穩(wěn)定性增加。

圖 2 多相泡沫體系顯微照片F(xiàn)ig.2 M icrograph of multiphase foam system

2 試 驗

2.1 試驗裝置

試驗裝置包括驅(qū)替液體和氣體的雙柱塞計量泵、壓力變送器、天平、填砂模型管 (Φ25 mm×300 mm和Φ25 mm×600 mm,其中長管具有 4個測壓點,分別位于入口、距入口20和 40 cm處、出口)、回壓泵和壓力容器。試驗模型如圖 3所示。

圖 3 巖心驅(qū)替試驗模型Fig.3 Core displacement experi mentalmodel

2.2 試驗藥品

試驗藥品包括起泡劑、聚合物 (相對分子質(zhì)量2100萬,水解度 25%)、聚合物凍膠微球、氮氣 (純度 99.99%)、蒸餾水和地層水等。

2.3 試驗方法

(1)聚合物凍膠微球阻力系數(shù)試驗。用石英砂充填Φ25 mm×300 mm的填砂管;將填砂管抽真空,飽和地層水,測巖心孔隙體積 (Vp);將填砂管接入單巖心驅(qū)替試驗裝置,以 10 mL/min的速度水驅(qū)測量巖心滲透率;恒溫 60℃以 5 mL/min的速度進行地層水驅(qū)替,當壓力基本不變后,向巖心管中注入5 g/L的一定孔隙體積倍數(shù)的凍膠微球復配溶液。試驗中記錄不同時刻巖心的入口壓力,計算壓差和阻力系數(shù)。

(2)多相泡沫體系封堵能力試驗。采用相同規(guī)格的填砂管,常溫常壓條件下以 10 mL/min進行地層水驅(qū)替,當壓力穩(wěn)定后以3 mL/min的速度注入起泡劑溶液和氮氣,氣液體積比為1∶1,以混合注入方式注入多相泡沫;注入一定孔隙體積的多相泡沫后停氣,以相同流量注入起泡劑溶液。試驗中記錄不同時刻巖心的出、入口壓力,計算壓差。

(3)巖心驅(qū)替試驗。將人工制備的兩組滲透率級差相當?shù)?4個Φ25 mm×600 mm巖心分別抽真空,飽和水,測滲透率,并聯(lián)接入圖 3,合注分采;以 3 mL/min的速度向并聯(lián)巖心中注入一定孔隙體積的泡沫或多相泡沫體系段塞后轉(zhuǎn)為水驅(qū)。分別計量不同滲透率巖心的產(chǎn)液量,記錄不同時刻各測點的瞬時壓力。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 聚合物凍膠微球阻力系數(shù)試驗

圖 4為聚合物攜帶微球和單純的相同濃度的聚合物溶液作為封堵溶液,注入滲透率為1.22μm2巖心管時注入壓力和阻力系數(shù)的變化曲線。從圖 4 (a)可以看出,在開始注入微球溶液時,巖心管的注入壓力上下波動呈現(xiàn)波浪式升高趨勢,這是因為多個微球封堵喉道時壓力迅速上升,壓力升高使微球變形,以“變形蟲”的形式突破喉道,進入油層深部,壓力又立刻下降[5]。隨著微球注入量的不斷增加,微球?qū)r心的封堵有疊加效果,注入壓力和阻力系數(shù)持續(xù)上升。注入壓力最大可以從水驅(qū)時的 0.05 MPa增加到 0.5MPa,阻力因子最大可以到 11左右,而且還有上升的趨勢。停注微球后,后續(xù)水驅(qū)的注入壓力是水驅(qū)時的 5倍左右,保持了較高的注入壓力,阻力因子在6左右,表明后續(xù)水驅(qū)階段微球仍然對巖心管有封堵作用,微球在油層中的穩(wěn)定性較強。

從圖 4(b)可以看出,注入單純聚合物溶液后,注入壓力緩慢連續(xù)增加,最大約為 0.12 MPa,明顯小于聚合物攜帶微球的封堵溶液,表明聚合物微球復配溶液封堵效果較單一聚合物溶液的明顯。

圖 4 微球和聚合物溶液注入過程中壓力和阻力因子變化Fig.4 Changing of pressure and residual resistance coefficient during the m icrosphere and polymer solution injection

3.2 多相泡沫體系封堵能力試驗

在常規(guī)氣液兩相泡沫中加入聚合物凍膠微球組成多相泡沫體系,觀察其對滲透率為 0.85μm2巖心的封堵效果。圖 5為水驅(qū)后連續(xù)注入多相泡沫體系過程中的注采壓差曲線。

從圖 5可看出,開始水驅(qū),待壓力穩(wěn)定后,注入多相泡沫體系,巖心管出口和入口兩端的壓差迅速增加,并出現(xiàn)明顯的波動,說明喉道處產(chǎn)生封堵。喉道處泡沫產(chǎn)生的賈敏效應以及微球的機械封堵使得泡沫的封堵效果變好。多相泡沫驅(qū)替過程中,壓差不斷波動,表明泡沫攜帶聚合物微球在巖心管中不斷地封堵和運移。壓差從開始的 0.12 MPa增加到1.7 MPa左右,停氣后仍然保持很高的壓差,可見多相泡沫體系具有良好的封堵效果。

圖 5 注入多相泡沫體系過程中壓差變化Fig.5 Changing of pressure drop during multiphase foam system injection

3.3 泡沫和多相泡沫的壓力分布試驗

泡沫體系在孔隙介質(zhì)中如何分布,是否會在近井附近形成端面堵塞,在油藏深部是否具有有效的封堵調(diào)剖作用,是長期以來人們關心的問題,長細管試驗重點解決泡沫在孔隙介質(zhì)中的分布及運移問題[8]。本文中試驗重點解決多相泡沫在孔隙介質(zhì)的分布及運移問題,并與常規(guī)泡沫的分布進行對比。

圖 6為常規(guī)泡沫注入滲透率不同的填砂管時各測壓點的壓力。兩個巖心管壓力變化趨勢基本相同,開始注入泡沫時,各測點壓力迅速上升。隨著泡沫的不斷注入,泡沫的注入能力逐漸下降,封堵能力逐漸加強,注入壓力連續(xù)增加。這說明泡沫封堵具有疊加性,疊加的賈敏效應作用顯著。后續(xù)只用起泡劑溶液驅(qū)替時,各測點壓力下降迅速,表明泡沫在巖心中封堵作用減弱,穩(wěn)定性較差。對比高滲管和低滲管可以發(fā)現(xiàn),在 2Vp以前,高滲管測點 1(入口)和測點 2之間壓差基本為零,測點 2與測點 3壓差最大,說明泡沫主要封堵巖心的中后部,以中部為主,隨著泡沫的不斷注入,相鄰測點的壓差逐漸增加,測點 2和測點 3的壓差始終最大。從圖 6(a)可看出,在 3Vp之前,測點 3與測點 4(出口)的壓差很小,說明泡沫并沒有在巖心深部封堵。測點 1～3相鄰壓差基本相當,可見泡沫分布比較均勻。在 3Vp之后,巖心深部出現(xiàn)壓差,但小于高滲管壓差。其他相鄰點的壓差,中部的稍大于注入端近部,表明低滲管中泡沫主要在中前部分布。

圖 7為多相泡沫體系注入滲透率不同的填砂管時各測壓點的壓力曲線。從圖 7可以看出,兩填砂管測點壓力都有明顯波動的形態(tài),而且每個波動的最高壓力是逐漸增加的。這表明多相泡沫體系與常規(guī)泡沫驅(qū)替的壓力變化有著本質(zhì)的不同,由于液膜處聚合物凍膠微球在多孔介質(zhì)中的封堵和運移,加強了泡沫的生成與破滅,同時由于是固體,強度增加很多,改變了常規(guī)泡沫的封堵機制。對比高低滲管相鄰測點的壓差,可看出兩管的壓差大體相同,測點3,4的壓差最大,其他的兩個壓差相當,可見多相泡沫在填砂管中分布均勻,填砂管深部壓差最大,表明多相泡沫具有一定深部調(diào)剖能力。

3.4 多相泡沫在非均質(zhì)并聯(lián)模型中的選擇性封堵試驗

泡沫具有選擇性封堵的特性,泡沫會優(yōu)先進入高滲透層,高滲透層的巖石對泡沫的剪切作用較弱,高滲透地層泡沫的表觀黏度相對高于低滲透層中泡沫的表觀黏度,這有利于低滲透層中的泡沫向前推進,而高滲透層中的泡沫則趨于黏附和堵塞地層孔隙[1-3]。但是,當油層的非均質(zhì)性特別嚴重時,泡沫的封堵調(diào)剖能力會減弱,本次試驗的重點在于探索多相泡沫體系在嚴重非均質(zhì)情況下的封堵調(diào)剖效果。通過記錄泡沫和多相泡沫雙管并聯(lián)時兩管的出液量,分析多相泡沫體系在調(diào)驅(qū)方面的優(yōu)勢。

圖 8和圖 9分別為泡沫、多相泡沫體系驅(qū)替滲透率級差約為 12的并聯(lián)巖心時,高低滲管的出液量和分流率的變化曲線。從圖 8可看出,常規(guī)泡沫在剛開始注入時,調(diào)剖效果明顯,高滲管的產(chǎn)液率逐漸下降,當注入 2Vp時,高低滲管的產(chǎn)液率相同,之后隨著泡沫的注入,高滲管的調(diào)剖效果減弱,產(chǎn)液率開始上升,低滲管產(chǎn)液率下降。從圖 9可看出,注入多相泡沫體系后,高滲管流量迅速下降,低滲管得到了動用,并且隨著多相泡沫的注入,高低滲管的分流率變化不大,能夠維持較好的水平。

4 結(jié) 論

(1)泡沫可以充分懸浮聚合物凍膠微球,微球分散性好,存在于泡沫的液膜和 plateau邊界處。

(2)多相泡沫體系對于級差為 12的嚴重非均質(zhì)油藏仍具有良好的調(diào)剖效果。

(3)泡沫在高滲管中以封堵巖心中部為主,多相泡沫體系在填砂管中分布均勻,深部壓差最大,具有一定深部調(diào)剖能力。

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(編輯 李志芬)

Experi ment on profile control and flooding by multiphase foam system

L IBin-fei1,L I Zhao-min1,L IU Zu-peng1,ZHAO Lei1,L I Song-yan1,L IN Ri-yi2,WANG Guan-hua1
(1.College of Petroleum Engineering in China University of Petroleum,Q ingdao266555,China; 2.College of Storage&Transportation and A rchitectural Engineering in China University of Petroleum,Q ingdao266555,China)

A multiphase foam system waspreparedwith gas-liquid foam and polymer gelledmicrosphere,and the experiments of this system flowing in porous medium were curried out.Micrographs show that the ploymer gelled microsphere has good psephicity and dispersed property,and the ploymermicrosphere distributes over the liquid film and plateau boundary ofmultiphase foam.The experimental results show that the polymer gelledmicrosphere canmove and plug in the core,whichmakes the injection pressure and resistance coefficient increase,and the succeedingwater flooding still has a high residual resistance coefficient.The pressure drop fluctuates obviouslywhen the multiphase foam plugs the core,which shows that the polymer gelled microsphere movement has an influence on multiphase foam system plugging ability.The distribution station of foam and multiphase foam in parallel core experiment is different,and themultiphase foam system has a betterprofile control ability than foam.

polymers;gelled microsphere;foam;multiphase foam system;plugging ability;profile control

TE 357.46

A

10.3969/j.issn.1673-5005.2010.04.018

1673-5005(2010)04-0093-06

2010-01-05

國家科技重大專項大型油氣田及煤層氣開發(fā)專題(2008ZX05009-004)

李賓飛(1978-),男(漢族),河北唐縣人,講師,博士,從事泡沫流體提高油氣開采效率理論與技術(shù)研究。