空氣泡沫在非均質(zhì)油藏中滲流能力的實(shí)驗(yàn)研究

黃春霞，郭茂雷，余華貴，張新春，張冠華，周海成

空氣泡沫在非均質(zhì)油藏中滲流能力的實(shí)驗(yàn)研究

黃春霞1，郭茂雷1，余華貴1，張新春2，張冠華2，周海成2

（1.陜西延長(zhǎng)石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司研究院，西安710075；2.延長(zhǎng)油田股份有限公司甘谷驛采油廠勘探開發(fā)研究所，陜西延安716005）

利用實(shí)驗(yàn)分析了空氣泡沫在不同滲透率、不同氣液比的單管均質(zhì)巖心模型中的滲流能力及其影響因素，并研究了不同滲透率級(jí)差雙管并聯(lián)模型中產(chǎn)出液分流量的變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：氣液比越大，泡沫滲流阻力越大；隨著巖心滲透率和泡沫注入量的增加，巖心中泡沫阻力系數(shù)增大，封堵能力增強(qiáng)；泡沫在非均質(zhì)地層中具有很好的液流轉(zhuǎn)向能力，但隨著滲透率級(jí)差的增大，液流轉(zhuǎn)向能力變?nèi)酢?/p>

空氣泡沫；阻力系數(shù)；選擇性封堵；液流轉(zhuǎn)向能力

0 引言

泡沫具有“堵大不堵小”和“堵水不堵油”的特點(diǎn)［1-3］，它能夠降低注入流體的流度，改善不利的流度比，封堵大孔道，改變液流方向，使驅(qū)替流體依次進(jìn)入中、低滲透層，從而提高波及體積［4-8］；同時(shí)泡沫還能在一定程度上降低油水界面張力，提高洗油效率［9-10］。由于其獨(dú)特的驅(qū)油機(jī)理，被認(rèn)為是一種具有發(fā)展前景的三次采油技術(shù)，在油田中得到了廣泛應(yīng)用［11-13］。

甘谷驛油田主要含油層為三疊系長(zhǎng)6油層組，油藏溫度為30℃，滲透率為0.2～20.0 mD，孔隙度為6%～12%，屬于典型的低孔、低滲以及低產(chǎn)能巖性油藏。油藏非均質(zhì)性強(qiáng)，局部發(fā)育微裂縫，依據(jù)示蹤劑監(jiān)測(cè)結(jié)果，裂縫等效滲透率為300～1 000 mD，而且裂縫滲透率變化較大［14-20］。因此，存在“注不進(jìn)、采不出”或注入水沿裂縫方向及儲(chǔ)層高滲帶竄流、水淹問(wèn)題。長(zhǎng)期以來(lái)，如何提高采油速度、采出程度以及最終采收率，有效補(bǔ)充地層能量，一直是油田開發(fā)面臨的主要難題。筆者模擬油藏非均質(zhì)條件，并利用單管均質(zhì)巖心研究了滲透率和氣液比對(duì)泡沫的影響，以及泡沫在雙管非均質(zhì)巖心中的封堵能力和滲流特性，為泡沫驅(qū)在油田現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提供了指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1實(shí)驗(yàn)材料

為了研究多孔介質(zhì)滲透率及氣液比對(duì)空氣泡沫滲流能力的影響，選用不同滲透率的巖心進(jìn)行體系注入性實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)巖心：模型尺寸為Φ25 mm×100 mm，高滲透率巖心的滲透率分別為300 mD，500 mD和1 000 mD，低滲透率巖心的滲透率為10 mD。

起泡體系配方：質(zhì)量濃度為0.12%的氟碳（2號(hào)）起泡劑+質(zhì)量濃度為0.08%的十二烷基羥丙基磷酸酯甜菜堿+質(zhì)量濃度為0.1%的BS甜菜堿+質(zhì)量濃度為0.15%的聚合物。其中聚合物為部分水解聚丙烯酰胺（HPAM），分子量為2 500萬(wàn)。

1.2實(shí)驗(yàn)條件

為了充分模擬現(xiàn)場(chǎng)施工條件，實(shí)驗(yàn)用氣為空氣；實(shí)驗(yàn)用水為油田地層水（礦化度為28 g/L）；實(shí)驗(yàn)用油為油田脫水脫氣原油；實(shí)驗(yàn)溫度為30℃。

1.3實(shí)驗(yàn)方法

對(duì)于單管均質(zhì)巖心實(shí)驗(yàn)，研究空氣泡沫的封堵效果，記錄水驅(qū)時(shí)的穩(wěn)定注入壓力ΔP1（MPa）、泡沫驅(qū)時(shí)的穩(wěn)定注入壓力ΔP2（MPa）以及后續(xù)水驅(qū)時(shí)的穩(wěn)定注入壓力Δ（MPa），利用公式=計(jì)算阻力系數(shù)，利用公式F=計(jì)算殘余阻力系數(shù)。RR

對(duì)于非均質(zhì)并聯(lián)雙管巖心實(shí)驗(yàn)，記錄水驅(qū)、泡沫驅(qū)、后續(xù)水驅(qū)等不同階段高、低滲透率巖心的產(chǎn)液體積，計(jì)算非均質(zhì)巖心的分流量比例。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1單管巖心中泡沫滲流實(shí)驗(yàn)

2.1.1 巖心滲透率對(duì)泡沫滲流能力的影響

由表1及圖1可知：同一氣液比條件下，高滲透率巖心中雖然注入壓差較低，但阻力系數(shù)較大，說(shuō)明滲透率越高，泡沫封堵效果越好，這是由于高滲透率巖心內(nèi)部孔隙較大，泡沫的形成能力較強(qiáng)，可形成較好的泡沫封堵；不同氣液比條件下，相同滲透率巖心中泡沫的殘余阻力系數(shù)相差不大，這主要是由于巖心經(jīng)過(guò)大量后續(xù)水驅(qū)，泡沫效應(yīng)基本消失，剩下的只是殘留聚合物溶液對(duì)巖心的封堵作用，另外，巖心滲透率越高，殘余阻力系數(shù)越小，說(shuō)明聚合物在高滲透率巖心中的滯留作用越弱。

表1 不同滲透率巖心中不同氣液比條件下的泡沫滲流實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 Results of percolation experiments of foam system with different gas-liquid ratios in cores with different permeability

圖1 泡沫滲流阻力系數(shù)與巖心滲透率和氣液比的關(guān)系曲線Fig.1 Relation curves of flow resistance factor and permeability with different gas-liquid ratio

2.1.2 氣液比對(duì)泡沫滲流能力的影響

由表1可知：同一滲透率條件下，氣液比對(duì)泡沫滲流能力有較大的影響。氣液比越大，泡沫滲流阻力越大，但是不同氣液比的影響程度不同。由圖1可以看出，氣液比越大，阻力系數(shù)越大，當(dāng)氣液比達(dá)到1∶1以后，曲線斜率變小，阻力系數(shù)增加幅度減小。分析認(rèn)為：在氣液比較低的情況下，隨著氣液比的升高，體系中產(chǎn)生的氣泡量增加，后續(xù)水驅(qū)過(guò)程中疊加的賈敏效應(yīng)趨于明顯；當(dāng)氣液比超過(guò)一定臨界值后，隨氣液比的升高，孔喉上游的氣壓增大，泡沫強(qiáng)度變小，容易破裂，同時(shí)由于起泡劑溶液供給量不足，難以形成穩(wěn)定的泡沫，甚至產(chǎn)生氣竄現(xiàn)象，泡沫體系的穩(wěn)定性下降；再增加氣液比，阻力系數(shù)趨于平緩［21］。

2.1.3 泡沫注入量對(duì)泡沫滲流能力的影響

為考察泡沫注入量對(duì)巖心封堵能力的影響，研究了在滲透率為300 mD，500 mD和1 000 mD的3組巖心中分別注入體積為0.1 PV，0.2 PV，0.3 PV和0.4 PV的泡沫時(shí)阻力系數(shù)的變化情況（表2）。

表2 不同滲透率巖心中阻力系數(shù)隨泡沫注入量的變化表Table 2 The resistance coefficient change with the amount of foam injected in different permeability cores

從表2可看出：對(duì)于同一滲透率巖心，以滲透率為300 mD的巖心為例，隨著泡沫注入量從0.1 PV增加到0.4 PV，阻力系數(shù)從3.71增大到13.68，阻力系數(shù)隨著泡沫注入量的增加明顯增大，這是因?yàn)殡S著巖心中泡沫量的增加，泡沫在巖心孔隙中疊加，封堵能力增強(qiáng)，阻力系數(shù)增大；同一注入量下，以0.4 PV為例，隨著巖心滲透率從300 mD增加到1 000 mD，阻力系數(shù)從13.68增大到26.42，這是因?yàn)殡S著滲透率的增大，多孔介質(zhì)的孔隙體積增加，剪切速率變小，泡沫黏度增大，使泡沫流動(dòng)阻力增加，從而泡沫阻力系數(shù)增大。

2.2雙管巖心泡沫滲流實(shí)驗(yàn)

為研究泡沫在非均質(zhì)地層中的滲流特點(diǎn)，將滲透率為300 mD，500 mD和1 000 mD的高滲透率巖心分別與滲透率為10 mD的低滲透率巖心并聯(lián)，模擬實(shí)際地層的非均質(zhì)性，組成級(jí)差分別為30∶1，50∶1，100∶1的3組非均質(zhì)模型，通過(guò)注入泡沫前后的分流量曲線來(lái)研究泡沫對(duì)后續(xù)注入流體的轉(zhuǎn)向能力。

2.2.1 滲透率級(jí)差為30∶1的非均質(zhì)實(shí)驗(yàn)

從圖2可看出：滲透率級(jí)差為30∶1的非均質(zhì)模型中，水驅(qū)壓力穩(wěn)定時(shí)高滲透率巖心產(chǎn)液量占總產(chǎn)液量的92%，低滲透率巖心產(chǎn)液量占總產(chǎn)液量的8%，水驅(qū)期間大部分流體進(jìn)入高滲透率巖心；注入泡沫段塞后，高滲透率巖心中產(chǎn)液量降低，低滲透率巖心中產(chǎn)液量增加；流量穩(wěn)定之后高滲透率巖心產(chǎn)液量占總產(chǎn)液量的60%，低滲透率巖心產(chǎn)液量占總產(chǎn)液量的40%，泡沫對(duì)滲透率為300 mD的巖心封堵作用較好，使后續(xù)注入流體轉(zhuǎn)向，進(jìn)入低滲透率油層；后續(xù)水驅(qū)期間泡沫的轉(zhuǎn)向作用逐漸消失，只有吸附在巖心孔隙中的殘留聚合物的作用存在，從而使后續(xù)水驅(qū)壓力穩(wěn)定時(shí)的高滲透率巖心產(chǎn)液量占總產(chǎn)液量的85%，低滲透率巖心產(chǎn)液量占總產(chǎn)液量的15%。

圖2 滲透率級(jí)差為30∶1的非均質(zhì)模型的分流量曲線Fig.2 Fractional flow curve in parallel cores with permeability ratio of 30∶1

圖3 滲透率級(jí)差為50∶1的非均質(zhì)模型的分流量曲線Fig.3 Fractional flow curve of parallel cores with permeability ratio of 50∶1

2.2.2 滲透率級(jí)差為50∶1的非均質(zhì)實(shí)驗(yàn)

從圖3可看出：滲透率級(jí)差為50∶1的非均質(zhì)模型中，水驅(qū)壓力穩(wěn)定時(shí)高滲透率巖心產(chǎn)液量占總產(chǎn)液量的96%，低滲透率巖心產(chǎn)液量占總產(chǎn)液量的4%，水驅(qū)期間大部分流體進(jìn)入高滲透率巖心；注入泡沫后，高滲透率巖心中產(chǎn)液量降低，低滲透率巖心中產(chǎn)液量增加；流量穩(wěn)定之后高滲透率巖心產(chǎn)液量占總產(chǎn)液量的67%，低滲透率巖心產(chǎn)液量占總產(chǎn)液量的33%；由于聚合物的選擇性滯留，后續(xù)水驅(qū)壓力穩(wěn)定時(shí)，高滲透率巖心產(chǎn)液量占總產(chǎn)液量的92%，低滲透率巖心產(chǎn)液量占總產(chǎn)液量的8%。

2.2.3 滲透率級(jí)差為100∶1的非均質(zhì)實(shí)驗(yàn)

從圖4可以看出：滲透率級(jí)差為100∶1的非均質(zhì)模型中，水驅(qū)壓力穩(wěn)定時(shí)高滲透率巖心產(chǎn)液量占總產(chǎn)液量的99%，低滲透率巖心產(chǎn)液量占總產(chǎn)液量的1%；注入泡沫后，高滲透率巖心中產(chǎn)液量降低，低滲透率巖心中產(chǎn)液量增加；流量穩(wěn)定后，高滲透率巖心產(chǎn)液量占總產(chǎn)液量的78%，低滲透率巖心產(chǎn)液量占總產(chǎn)液量的22%；后續(xù)水驅(qū)壓力穩(wěn)定時(shí)，高滲透率巖心產(chǎn)液量占總產(chǎn)液量的95%，低滲透率巖心產(chǎn)液量占總產(chǎn)液量的5%。

圖4 滲透率級(jí)差為100∶1的非均質(zhì)模型的分流量曲線Fig.4 Fractional flow curve of parallel cores with permeability ratio of 100∶1

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：對(duì)于同一滲透率級(jí)差的非均質(zhì)模型，由于流體通過(guò)高、低滲透率巖心的阻力不同，前期水驅(qū)時(shí)產(chǎn)出液主要通過(guò)高滲透率巖心流出。注入泡沫后，高、低滲透率巖心產(chǎn)液量之比明顯降低，分析認(rèn)為，大量的泡沫進(jìn)入高滲透率巖心后，由于賈敏效應(yīng)疊加，流體在高滲透率巖心中的流動(dòng)阻力增大，使更多的流體進(jìn)入低滲透率巖心，明顯降低了高滲透率巖心的產(chǎn)液量，提高了低滲透率巖心的產(chǎn)液量，從而使泡沫流體在不同滲透率巖心中的分流量得到調(diào)整。在后續(xù)水驅(qū)階段，隨著泡沫逐漸消泡，泡沫效應(yīng)逐漸減弱直至消失，從而使高、低滲率巖心產(chǎn)出液的分流量又逐漸恢復(fù)，但巖心中殘留聚合物溶液對(duì)巖心仍有一定的封堵作用，后續(xù)水驅(qū)平穩(wěn)階段的高、低滲透率巖心產(chǎn)出液之比仍低于前期水驅(qū)階段。對(duì)于不同滲透率級(jí)差的非均質(zhì)模型，隨著巖心滲透率級(jí)差的增加，水驅(qū)階段高、低滲透巖心中的產(chǎn)液量之比從92∶8增大到99∶1，說(shuō)明滲透率級(jí)差越大，注入流體越容易從高滲透率巖心中流出。注入泡沫后，隨著滲透率級(jí)差的增大，泡沫流體的液流轉(zhuǎn)向能力也逐漸降低，低滲透率與高滲透率巖心的產(chǎn)出液之比從40∶60下降到22∶78，而后續(xù)水驅(qū)時(shí)的低滲透率與高滲透率巖心的產(chǎn)出液之比也有一定程度的下降。表明在一定范圍內(nèi)，隨著滲透率級(jí)差的增加，流量分配差別增大，泡沫對(duì)高滲透率巖心的封堵能力減弱，液流轉(zhuǎn)向能力下降。

3 結(jié)論

（1）氣液比對(duì)泡沫滲流能力有較大的影響，在其他條件不變的情況下，氣液比越大，泡沫滲流阻力越大，當(dāng)氣液比達(dá)到1∶1時(shí)，能夠在巖心中形成穩(wěn)定的泡沫。

（2）泡沫在不同的滲透率巖心中都具有一定的封堵能力，且?guī)r心滲透率越高，泡沫注入量越大，泡沫阻力系數(shù)越大，封堵效果越好。

（3）注入泡沫后，非均質(zhì)模型中低滲透率巖心與高滲透率巖心的產(chǎn)出液之比明顯增加，說(shuō)明泡沫在非均質(zhì)地層中具有很好的液流轉(zhuǎn)向能力。但隨著滲透率級(jí)差的增加，泡沫對(duì)高滲透率巖心的封堵能力減弱，液流轉(zhuǎn)向能力下降。

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（本文編輯：楊琦）

圖版Ⅰ

（本文編輯：李在光）

Experimental study on flow properties of air foam in heterogeneous reservoir

HUANG Chunxia1，GUO Maolei1，YU Huagui1，ZHANG Xinchun2，ZHANG Guanhua2，ZHOU Haicheng2
（1.Institute of Shaanxi Yanchang Petroleum（Group）Co.Ltd.，Xi’an 710075，China；2.Institute of Exploration and Development，Ganguyi Oil Production Plant，Yanchang Oilfield Company Ltd.，Yan’an 716005，Shaanxi，China）

This paper analyzed the percolation capacityand influencingfactors ofair foamin single homogeneous cores with different permeabilities and different gas-liquid ratios,and studied the fractional flowrates of parallel cores with different permeabilityratios.The experimental results indicate that the larger the gas-liquid ratio is,the larger the flow resistance offoamsystemis;with the increase ofpermeabilityand volume offoamsysteminjected,the resistance factor gets larger,and the blockingabilityoffoamsystemincreases;the fluid diversion capacityis good while foamflowin heterogeneous reservoir,but with the increase ofpermeabilityratio,the abilityoffoamsystemtodivert liquid tends todecrease.

airfoam；resistancefactor；selectiveplugging；fluiddiversioncapacity

TE357.7

A

1673-8926（2014）02-0128-05

2013-09-09；

2013-11-09

陜西延長(zhǎng)石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司科研項(xiàng)目“延長(zhǎng)東部油區(qū)空氣泡沫驅(qū)配套技術(shù)研究及先導(dǎo)試驗(yàn)”（編號(hào)：ycsy2010-ky-A-12）資助

黃春霞（1964-），女，碩士，高級(jí)工程師，主要從事油田提高采收率技術(shù)的研究工作。地址：（710075）陜西省西安市科技二路75號(hào)延長(zhǎng)石油研究院。電話：(029)88899614。E-mail：hchx-1@126.com。