河南油田氮氣泡沫調(diào)驅(qū)技術(shù)研究與應(yīng)用

張艷輝 ，戴彩麗 ，徐星光 ，王思宇 ，閆立朋 ，辛翠平

（1.中國石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東 青島 266580；2.中國石化河南油田分公司第一采油廠，河南 南陽 474780；3.延長石油（集團）有限責任公司研究院，陜西 西安 710075）

0 引言

河南油田泌238斷塊位于下二門油田Ⅲ斷塊［1］，構(gòu)造基本形態(tài)為南傾的斷鼻或斷背斜，構(gòu)造幅度較大。儲集層為侯莊三角洲前緣相沉積，油層厚度小，儲層物性中等。自2001年投入開發(fā)以來，區(qū)塊已進入特高含水期。隨著調(diào)剖輪次的增多，調(diào)剖效果越來越不明顯，但遠井地帶采出程度仍然較低。泡沫對油層具有良好的保護作用，選擇性好［2-4］，并且隨著注入深度的增加，能夠不斷產(chǎn)生新的泡沫，更好地解決傳統(tǒng)調(diào)剖劑不能解決的遠井注水剖面改善問題，提高特高含水油田最終采收率［5-7］。

本文評價了適用于下二門油田油藏條件的起泡劑質(zhì)量濃度、氣液比及注氣速度對發(fā)泡效果的影響，并根據(jù)室內(nèi)優(yōu)化的施工條件進行了礦場試驗。

1 實驗部分

1.1 儀器與藥品

儀器：LB-30型平流泵、DY-Ⅲ型多功能物理模擬裝置、Ross發(fā)泡儀、泡沫發(fā)生器、2種不同長度填砂管（44，100 cm）、中間容器、精密壓力表、BS423S 千分之一天平、量筒。

藥品：GF-37、GCF-1、十二烷基硫酸鈉（SDS）等。

1.2 實驗方法

1）傳統(tǒng)的Ross-Miles法不能控制泡沫體系的氣液比及溫度，而本文利用改進的Ross-Miles法，在Ross發(fā)泡儀的下側(cè)，連接氣體流量計，通過控制氣體的流量，考察在一定氣液比條件下不同起泡劑在油藏溫度下的起泡和穩(wěn)泡能力。泡沫體系的綜合性能由起泡能力和穩(wěn)泡能力共同決定，因此將一定氣液比條件下，泡沫體系的起泡體積與半衰期的乘積定義為泡沫綜合值，從而綜合評價起泡劑的性能，計算公式為

式中：F 為泡沫綜合值，mL·s；V 為泡沫體積，mL；t為半衰期，s。

2）模擬油藏條件下泡沫的注入和后續(xù)水驅(qū)過程，通過阻力系數(shù)的變化，評價不同因素對泡沫封堵性能的影響，實驗裝置見圖1。

圖1 泡沫阻力系數(shù)測定裝置

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 起泡劑質(zhì)量濃度對發(fā)泡效果的影響

起泡劑均為不同類型的表面活性劑溶液，實驗用水為現(xiàn)場清水。泡沫體系氣液比1.5∶1.0，測定不同質(zhì)量濃度的起泡劑在油藏溫度條件下（58℃）的起泡體積和半衰期，實驗結(jié)果見圖2。

從圖2可以看出，泡沫的起泡體積和半衰期隨著起泡劑質(zhì)量濃度的增加，有一個先增大后減小的趨勢，因此可得到起泡劑最優(yōu)的質(zhì)量濃度，即臨界膠束質(zhì)量濃度（CMC）。以陰離子表面活性劑SDS為例，CMC為0.3 g/L左右［8-9］。SDS質(zhì)量濃度低于CMC時，隨著質(zhì)量濃度增大，吸附在膜表面的表面活性劑分子增多，降低泡沫體系的表面張力及表面自由能，使泡沫體系更加穩(wěn)定；質(zhì)量濃度高于CMC時，溶液中存在的高表面活性雜質(zhì)增加，表面張力上升，泡沫體系穩(wěn)定性下降［10］。綜合來看，GCF-1的起泡性能最好，質(zhì)量濃度為0.2 g/L時，泡沫綜合值最大?？紤]巖心吸附作用，后續(xù)實驗將起泡劑GCF-1質(zhì)量濃度定為0.3 g/L。

圖2 起泡劑質(zhì)量濃度對泡沫性能的影響

2.2 氣液比對泡沫封堵性能的影響

泡沫流體是以氣體為分散相、液體為連續(xù)相的分散體系［11］。不同氣液比條件下形成不同泡沫綜合值的泡沫體系，其性質(zhì)存在較大的差異。采用阻力系數(shù)測定裝置，測定不同氣液比條件下，泡沫體系阻力系數(shù)的變化，評價氣液比對泡沫封堵性能的影響，巖心滲透率1 μm2，注氣速度 1 mL/min，起泡劑質(zhì)量濃度 0.3 g/L，溫度58℃，用水為現(xiàn)場清水（見圖3）。

從圖3可以看出，氣液比過高或過低，對泡沫的封堵能力都會產(chǎn)生一定的負面影響，因此泡沫調(diào)驅(qū)存在一個最佳的注入氣液比。低氣液比時（1.0∶1.0），主要形成稀泡沫，氣體均勻分散在起泡液中，液膜較厚，未能充分發(fā)揮起泡劑的起泡能力，泡沫數(shù)量不足，不能對孔隙形成有效封堵，表現(xiàn)為在注入過程中壓力較小，壓力上升緩慢；高氣液比時（2.0∶1.0），形成濃泡沫，氣體以平行六面體的形式存在，液膜較薄，在外力作用下，極易被破壞，嚴重時還會形成氣竄，造成封堵失敗，表現(xiàn)為注入過程壓力上升緩慢，殘余阻力系數(shù)較低。氣液比為1.5∶1.0時，后續(xù)水驅(qū)多個孔隙體積倍數(shù)后，形成的泡沫較多且穩(wěn)定，仍具有較高的殘余阻力系數(shù)，對地層有較好的封堵效果。

2.3 注氣速度對泡沫封堵性能的影響

注氣速度會影響生成泡沫體積及泡沫運移規(guī)律，從而對泡沫的封堵性能產(chǎn)生影響。采用阻力系數(shù)測定裝置，在不同注氣速度條件下，測定泡沫體系阻力系數(shù)的變化情況，評價注氣速度對泡沫封堵性能的影響，巖心滲透率1 μm2，起泡劑質(zhì)量濃度0.3 g/L，氣液比1.5∶1.0，溫度58℃，用水為現(xiàn)場清水，實驗結(jié)果見圖4。

圖3 不同氣液比條件下泡沫阻力系數(shù)的變化

圖4 注氣速度對封堵性能的影響

由圖4可知，泡沫調(diào)驅(qū)存在一個最佳的注氣速度。注氣速度過低，產(chǎn)生的氣泡過小，對地層的封堵能力有限［12］；注氣速度過高，產(chǎn)生的氣泡過大，在外力作用下易被破壞，造成泡沫穩(wěn)定性下降，封堵能力降低。注氣速度0.9 mL/min時，阻力系數(shù)最大，后續(xù)水驅(qū)多個孔隙體積倍數(shù)后，仍具有較高的殘余阻力系數(shù)，形成大小合適的穩(wěn)定泡沫，對地層有較好的封堵效果。

2.4 泡沫調(diào)驅(qū)的適應(yīng)性評價

借助阻力系數(shù)測定裝置，分析不同滲透率地層條件下泡沫體系阻力系數(shù)的變化規(guī)律，評價泡沫調(diào)驅(qū)體系針對不同滲透率地層的適應(yīng)性。起泡劑質(zhì)量濃度0.3 g/L，注氣速度 0.9 mL/min，氣液比 1.5∶1.0，溫度 58℃，用水為現(xiàn)場清水，結(jié)果見圖5。

圖5 不同滲透率條件下泡沫阻力系數(shù)的變化

由圖5可知，隨著滲透率的增大，泡沫阻力系數(shù)增大。在高滲地層中，后續(xù)水驅(qū)階段泡沫仍具有較高的殘余阻力系數(shù)，對地層產(chǎn)生較好的封堵作用。實驗結(jié)果表明，氮氣泡沫在大孔道高滲透區(qū)的發(fā)泡能力高于小孔道低滲透區(qū)，這正是利用氮氣泡沫“堵高不堵低”的特點，實現(xiàn)選擇性封堵的重要依據(jù)。

2.5 穩(wěn)泡劑對發(fā)泡效果的影響

目前常用的穩(wěn)泡劑主要為聚合物［13］。采用Ross發(fā)泡儀研究聚合物對泡沫穩(wěn)定性能的影響，起泡劑質(zhì)量濃度0.3 g/L，氣液比1.5∶1.0，溫度58℃，用水為現(xiàn)場清水，結(jié)果見表1。

表1 聚合物對泡沫起泡性能的影響

由表1可知，聚合物能夠有效增強泡沫穩(wěn)定性，大幅提升泡沫綜合性能。這是由于聚合物能夠提高基液的黏度，降低泡沫流動性，從而具有一定的穩(wěn)泡能力。

2.6 現(xiàn)場試驗

2011年1月在下二門油田進行聚合物強化泡沫深部調(diào)驅(qū)先導(dǎo)試驗，試驗區(qū)基本情況：含油面積0.7 km2，地質(zhì)儲量 63×104t，平均油層埋深 1 225 m，油層溫度58.1℃，原始地層壓力11.96 MPa，孔隙度17%～18%，平均滲透率0.21 μm2，地面原油密度0.900 2～0.915 4 g/cm3，蠟質(zhì)量分數(shù) 17.33%～19.05%，70℃時原油黏度 115～130 mPa·s， 總礦化度 1 940～2 380 mg/L，氯離子質(zhì)量濃度 144～221 mg/L，水型NaHCO3。

使用聚合物強化泡沫進行深部調(diào)驅(qū)施工［14-16］，段塞設(shè)計如下：1）聚合物預(yù)處理段塞控制大孔道，防止氣竄；2）聚合物強化泡沫主體段塞；3）聚合物保護段塞。最后，使用相同質(zhì)量濃度的聚合物溶液將井筒中的工作液頂替進入地層。

施工后，試驗區(qū)含水下降，產(chǎn)油增加，5個月累計增油 922.1 t（見表 2）。

表2 下二門油田調(diào)剖效果

3 結(jié)論

1）泡沫體系存在最優(yōu)的質(zhì)量濃度，即表面活性劑的臨界膠束質(zhì)量濃度，該質(zhì)量濃度條件下可獲得最佳的泡沫性能。

2）氮氣泡沫體系的最佳氣液比為1.5∶1.0，最佳注氣速度為0.9 mL/min。氮氣泡沫體系對不同滲透率的地層具有良好的選擇性。

3）聚合物對氮氣泡沫有較好的穩(wěn)定作用，聚合物強化泡沫在下二門油田試驗區(qū)取得了較好的調(diào)驅(qū)效果，增油效果顯著。

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