塔中402CⅢ高溫高鹽油藏泡沫驅(qū)實(shí)驗(yàn)研究

方吉超，戴彩麗，由 慶，趙健慧，趙明偉，丁琴芳，趙 冀

（1.中國石油大學(xué)（華東）重質(zhì)油國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島266580；2.中國地質(zhì)大學(xué)（北京）能源學(xué)院，北京100083；3.中國石油塔里木油田分公司勘探開發(fā)研究院，新疆庫爾勒841000）

塔中402CⅢ油藏是典型的邊底水開發(fā)的高溫高鹽油藏，油藏溫度為110℃，地層水礦化度高達(dá)11.52×104mg/L，其中鈣鎂離子的質(zhì)量濃度為7 654 mg/L，油藏壓力為38.5 MPa，剩余油較分散，常規(guī)的增產(chǎn)措施很難達(dá)到增產(chǎn)要求。如聚合物和凍膠類調(diào)驅(qū)劑的使用溫度一般在90℃左右，在高溫高鹽條件下易發(fā)生熱降解［1］，達(dá)不到提高波及體積的目的。堿驅(qū)的發(fā)展還不夠成熟，并且堿易與鈣鎂離子反應(yīng)生成沉淀，對(duì)地層造成傷害。表面活性劑雖然可以在高溫高鹽條件下提高洗油效率，但是表面活性劑驅(qū)的水油流度比偏高，指進(jìn)現(xiàn)象嚴(yán)重，也不能有效提高采收率。而泡沫在地層中兼具提高波及體積和提高洗油效率的優(yōu)點(diǎn)［2］，因此泡沫驅(qū)是提高高溫高鹽油藏采收率的主要研究方向。

泡沫是一種特殊的分散體，當(dāng)氣液充分接觸后會(huì)產(chǎn)生大量氣泡，氣泡通過多孔介質(zhì)喉道時(shí)會(huì)產(chǎn)生賈敏效應(yīng)，利用多個(gè)氣泡疊加的賈敏效應(yīng)能夠增大流體的流動(dòng)阻力，從而達(dá)到封堵優(yōu)勢(shì)通道的目的。另外泡沫具有很好的油水選擇性，遇油不穩(wěn)定，并且能在一定程度上降低油水界面張力，可以很好地驅(qū)替分散在孔隙中的原油，遇水穩(wěn)定，能夠有效地封堵高滲透條帶，擴(kuò)大波及體積。另外，泡沫中的氣泡可以根據(jù)孔道形狀而變形，能有效波及到盲端等孔隙中的原油，從而提高洗油效率［3］。塔里木油田地層水中的鈣鎂離子質(zhì)量濃度較高，一般的起泡劑很容易與鈣鎂離子結(jié)合失去活性，起不到應(yīng)有的作用，甚至結(jié)垢堵塞地層，不利于油藏的進(jìn)一步開采。因此，選擇合適的起泡劑對(duì)進(jìn)一步提高塔中402CⅢ油藏的采收率意義重大。筆者針對(duì)塔中402CⅢ油藏高溫、高鹽和高硬度的特點(diǎn)，優(yōu)選了驅(qū)油用起泡劑，優(yōu)化了起泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)、泡沫驅(qū)的注入方式、注入氣液比和注入速度，并在模擬油藏高溫高壓條件下進(jìn)行了泡沫驅(qū)油潛力評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)器材

實(shí)驗(yàn)所用試劑主要包括：NaCl，CaCl2，MgCl2，Na2SO4和NaHCO3，均為分析純。實(shí)驗(yàn)用起泡劑包括：氧化胺LH-1、羥磺基甜菜堿CS-2和ST50、酰胺丙基甜菜堿CS-1、聚氧乙烯醚羧酸鹽XT-1和JS-1、氟碳類起泡劑FL10，均為工業(yè)品。實(shí)驗(yàn)用水為塔中402CⅢ油藏地層模擬水，其Na+和K+，Ca2+，Mg2+，Cl-，SO42-和HCO3-的質(zhì)量濃度分別為36 660，7 040，614，70 560，245.3和103 mg/L，礦化度為11.52×104mg/L。實(shí)驗(yàn)用氣為塔中402CⅢ油藏天然氣，其中CH4，C2H6，C3H8，C4H10，C5H12，C6H14，N2和 CO2體積分?jǐn)?shù)分別為71.83%，5.13%，2.184%，0.669%，0.128%，0.039%，18.8%和1.22%。實(shí)驗(yàn)用油為在塔中油藏條件（壓力為38.5 MPa、溫度為110℃）下按氣油體積比為131.59∶1配制的、粘度為0.368 mPa·s的模擬原油。實(shí)驗(yàn)巖心為塔里木油田TZ4-8-H8井天然巖心，氣測(cè)滲透率為387.5×10-3～412.3×10-3μm2。

實(shí)驗(yàn)儀器主要包括：Ross-Miles發(fā)泡儀、LB-30型平流泵、多功能物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置（圖1）、氣體流量計(jì)、Memmer恒溫干燥箱、萬分之一電子天平和超級(jí)恒溫水浴等。

圖1 多功能物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

泡沫性能評(píng)價(jià) 配制不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的起泡劑溶液，在110℃下恒溫24 h，取20 mL起泡劑溶液倒入改進(jìn)的Ross-Miles發(fā)泡儀［4］中，以20 mL/min的速度向其中通入塔中402CⅢ油藏天然氣，注入時(shí)間為2 min，記錄起泡體積和泡沫半衰期，計(jì)算泡沫綜合值。

泡沫物理模擬實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià) 利用多功能物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置，按照不同的注入速度及注入氣液比，將通過泡沫發(fā)生器產(chǎn)生的氣泡注入巖心，利用阻力系數(shù)法，對(duì)比不同施工參數(shù)下泡沫的封堵能力，從而優(yōu)化泡沫驅(qū)注入?yún)?shù)。

泡沫驅(qū)油性能評(píng)價(jià) 泡沫驅(qū)油性能評(píng)價(jià)方法主要分為模擬原油配制和在油藏條件下進(jìn)行物理模擬實(shí)驗(yàn)2部分。配制模擬原油主要分為4個(gè)步驟：①將混樣筒抽真空后，注入一定量的塔中脫水、脫氣原油；②按氣油體積比為131.59∶1向混樣筒中充入塔中402CⅢ油藏天然氣；③給混樣筒升溫加壓，使其在110℃和38.5 MPa下?lián)u擺24 h，充分混合；④在高溫、高壓下，將油樣轉(zhuǎn)到多功能物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置中。驅(qū)替實(shí)驗(yàn)采用多功能物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置完成，具體操作步驟包括：①巖心干燥后稱干重，抽真空飽和模擬水，稱濕重，計(jì)算孔隙體積；②在110℃和38.5 MPa模擬油藏條件下飽和模擬原油，并恒溫恒壓老化48 h；③巖心水驅(qū)至含水率為98%，計(jì)算水驅(qū)采收率；④注入一定體積泡沫后，后續(xù)水驅(qū)至含水率為98%，計(jì)算采收率增值和最終采收率。

圖2 起泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)單一起泡劑泡沫性能的影響

2 起泡劑配方優(yōu)化

2.1 起泡劑配伍性初選

為了能夠直接利用泡沫驅(qū)提高高溫高鹽油藏的采收率，搜集了106種抗溫耐鹽型的起泡劑工業(yè)產(chǎn)品，在溫度為110℃、地層水礦化度為11.52×104mg/L的條件下對(duì)所有樣品進(jìn)行配伍性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，氧化胺LH-1、羥磺基甜菜堿CS-2和ST50、酰胺丙基甜菜堿CS-1、聚氧乙烯醚羧酸鹽XT-1和JS-1、氟碳類起泡劑FL10等7種表面活性劑與地層模擬水的配伍性較好，老化30 d后均無沉淀、渾濁和絮凝，能夠達(dá)到油田注入要求，因此選擇這7種表面活性劑進(jìn)行進(jìn)一步研究。

2.2 單一起泡劑優(yōu)選

分析7種表面活性劑的起泡體積（圖2）可以看出：當(dāng)起泡劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%～0.15%時(shí)，氧化胺LH-1、羥磺基甜菜堿CS-2、酰胺丙基甜菜堿CS-1和聚氧乙烯醚羧酸鹽JS-1這4種起泡劑的起泡體積均隨其質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加呈上升趨勢(shì)；當(dāng)起泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%～0.4%時(shí)，起泡體積不再增加，甚至略有下降；在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%～0.4%時(shí)，其他3種起泡劑的起泡體積均緩慢上升，但整體效果較差。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，氧化胺LH-1、羥磺基甜菜堿CS-2、酰胺丙基甜菜堿CS-1和聚氧乙烯醚羧酸鹽JS-1的起泡性較好。這是因?yàn)椋寒?dāng)起泡劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于臨界膠束濃度時(shí)，隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，注入一定量的天然氣后，起泡劑分子在天然氣與水界面上的吸附量增大，界面張力降低，泡沫體系表面能降低，起泡劑起泡性能增強(qiáng)，能夠產(chǎn)生更多的氣泡，使泡沫體積增加，在臨界膠束濃度時(shí)達(dá)到最高值；在起泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到臨界膠束濃度后，表面張力不再減小，體系的表面能趨于不變，另外形成的膠束在一定程度會(huì)增加液相的粘度，使起泡體積受到一定影響。

分析7種表面活性劑的半衰期和泡沫綜合值可知：CS-1的半衰期和泡沫綜合值均明顯高于其他起泡劑，且在質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.2%后趨于平穩(wěn)；其次是LH-1和JS-1，隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，半衰期和泡沫綜合值呈先上升后趨于平穩(wěn)的趨勢(shì)；其他起泡劑的半衰期和泡沫綜合值明顯較低，泡沫穩(wěn)定性也較差。因此，將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%～0.3%的CS-1作為泡沫驅(qū)的起泡劑。

2.3 復(fù)配起泡劑優(yōu)選

刁素等研究發(fā)現(xiàn)，不同類型或同種類型不同碳鏈長度的起泡劑之間存在協(xié)同效應(yīng)，復(fù)配起泡劑的起泡效果和穩(wěn)定性可能優(yōu)于單一起泡劑［5］。因此對(duì)單一起泡性能較好的3種起泡劑進(jìn)行了復(fù)配研究。在固定起泡劑CS-1的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%的基礎(chǔ)上，加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的LH-1，JS-1和CS-2起泡劑進(jìn)行復(fù)配，評(píng)價(jià)復(fù)配起泡劑的起泡性和穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果（圖3）表明：當(dāng)加入的起泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.2%時(shí)，復(fù)配起泡劑的起泡能力變化不大；當(dāng)加入的起泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)一步增大時(shí)，復(fù)配起泡劑的起泡體積略有下降。其主要原因與單一起泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過臨界膠束濃度后泡沫體積略有下降的原因相同。由復(fù)配起泡劑的半衰期和泡沫綜合值可以看出：當(dāng)LH-1和CS-2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.05%時(shí)，LH-1和CS-2與CS-1表現(xiàn)出了良好的協(xié)同效應(yīng)，但當(dāng)LH-1和CS-2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過0.05%時(shí)，泡沫的半衰期和泡沫綜合值均迅速下降；而JS-1與CS-1的復(fù)配起泡劑性能較差，當(dāng)JS-1的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.1%時(shí)，半衰期和泡沫綜合值先略上升后迅速下降，當(dāng)JS-1的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.1%后，半衰期和泡沫綜合值維持在較低水平，泡沫性能較差。這是由于LH-1和CS-2與CS-1為不同類型的陰陽兩性起泡劑，彼此間的碳?xì)滏湸嬖谝欢ǖ氖杷嗷プ饔?，使得起泡劑在氣液界面吸附更加緊密，表面張力減小，泡沫半衰期變長，當(dāng)LH-1和CS-2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過一定值時(shí)，會(huì)打破原有的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，造成泡沫體系不穩(wěn)定而破滅，導(dǎo)致半衰期急劇下降；JS-1與CS-1可能由于發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致復(fù)配起泡劑的穩(wěn)定性較差。故將由質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%的CS-1與0.05%的LH-1及0.2%CS-1與0.05%CS-2作為復(fù)配起泡劑進(jìn)行進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究。

圖3 起泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)復(fù)配起泡劑泡沫性能的影響

由于地層條件下要求起泡劑熱穩(wěn)定性好，有效時(shí)間長，因此對(duì)3種起泡劑的熱穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。由3種起泡劑在110℃下老化30 d后的泡沫性能評(píng)價(jià)結(jié)果（圖4）可見：隨著老化時(shí)間的延長，3種起泡劑的起泡體積基本不受影響，老化30 d后仍具有很好的起泡能力；但2個(gè)復(fù)配起泡劑的泡沫穩(wěn)定性在老化后均急劇下降，在5 d后復(fù)配起泡劑的半衰期基本達(dá)到穩(wěn)定，說明其泡沫性能不僅略次于單一起泡劑CS-1，且復(fù)配起泡劑在老化過程中產(chǎn)生了少量黃色沉淀。這是由于LH-1，CS-1和CS-2均為陰陽兩性起泡劑，起泡劑分子間容易靠分子間的靜電引力相互結(jié)合，形成連接部位偏中性的V形結(jié)構(gòu)，造成分子極性頭部截面積減小，溶解度下降，易形成絮團(tuán)或沉淀［6］。因此，將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%～0.3%的單一起泡劑CS-1作為高溫高鹽油藏用起泡劑。

圖4 老化時(shí)間對(duì)3種起泡劑泡沫性能的影響

3 泡沫驅(qū)注入?yún)?shù)優(yōu)化

3.1 注入方式優(yōu)化

泡沫的注入方式一般分為氣液混注和氣液交替段塞［7］2種，利用物理模擬實(shí)驗(yàn)分別評(píng)價(jià)了2種方式下的泡沫性能。由評(píng)價(jià)結(jié)果（圖5）可以看出：在注氣速度為1 mL/min、氣液比為1.5∶1、注入量為5倍孔隙體積的條件下，氣液混注的阻力系數(shù)最高，且后續(xù)水驅(qū)過程中阻力系數(shù)較為穩(wěn)定；四段塞氣液交替注入方式其次，兩段塞氣液交替注入方式的阻力系數(shù)最低。這主要是因?yàn)椋簹庖夯熳⒆⑷敕绞侥軌蛴欣跉庖撼浞纸佑|，產(chǎn)生足夠多的氣泡，且氣泡產(chǎn)生較均勻，不容易發(fā)生氣竄；而氣液交替段塞注入方式由于是在地下起泡，氣液接觸面積有限，很容易發(fā)生氣竄，生成泡沫量較少，封堵能力差，但是增加段塞的個(gè)數(shù)有利于氣液接觸，能生成較多氣泡，阻力系數(shù)接近地面起泡的注入方式，因此，注入方式優(yōu)選為氣液混注。

圖5 注入方式對(duì)阻力系數(shù)的影響

3.2 注入氣液比優(yōu)化

利用物理模擬實(shí)驗(yàn)，分別進(jìn)行不同氣液比的泡沫注入實(shí)驗(yàn)，觀察不同氣液比對(duì)泡沫阻力系數(shù)的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果（圖6）顯示：隨著泡沫注入量和氣液比的增加，阻力系數(shù)增加，但當(dāng)氣液比過大時(shí)，氣體容易發(fā)生氣竄，導(dǎo)致阻力系數(shù)隨注入量先上升后下降，而當(dāng)氣液比過小時(shí)，泡沫注入阻力系數(shù)先上升后趨于穩(wěn)定；在后續(xù)水驅(qū)過程中，氣液比為1.5∶1時(shí)的后續(xù)水驅(qū)阻力系數(shù)最大，封堵效果最好，氣液比過高或過低封堵效果均較差。這主要是因?yàn)椋鹤⑷霘庖罕缺碚鳉庖旱南鄬?duì)含量，直接影響泡沫特征值［8］，進(jìn)而影響泡沫在多孔介質(zhì)中的流動(dòng)阻力，若氣液比過小，產(chǎn)生的氣泡就較少，泡沫一般為不連續(xù)的球形氣泡，泡沫直徑較小，流動(dòng)阻力小，當(dāng)氣液比過大時(shí)，形成的泡沫直徑較大，泡沫之間的液膜較薄，易發(fā)生泡沫聚并或液膜破裂氣竄，阻力系數(shù)變?。?］。因此，泡沫注入氣液比優(yōu)選為1.5∶1。

圖6 氣液比對(duì)阻力系數(shù)的影響

3.3 注氣速度優(yōu)化

分析注氣速度（Vg）對(duì)泡沫性能的影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果（圖7）可知：在氣液比為1.5∶1的條件下，注氣速度為1 mL/min時(shí)的阻力系數(shù)較小，易注入，且后續(xù)水驅(qū)阻力系數(shù)較大，封堵效果較好。這是因?yàn)榕菽菬崃W(xué)不穩(wěn)定體系，起泡劑起泡需要能量，注氣速度表征提供能量的大小，注氣速度越大，起泡劑越容易起泡。當(dāng)注氣速度過低時(shí)，產(chǎn)生的能量較小，不足以產(chǎn)生大量泡沫，易產(chǎn)生氣液分離，阻力系數(shù)?。划?dāng)注氣速度過高時(shí)，能夠產(chǎn)生足夠多的泡沫，注入阻力較大，但泡沫在注入過程中產(chǎn)生的剪切作用也較大，泡沫的剪切稀釋性會(huì)導(dǎo)致阻力系數(shù)減小。因此，泡沫的注氣速度并不是越大越好，其最佳注氣速度為1 mL/min。

圖7 注氣速度對(duì)阻力系數(shù)的影響

4 驅(qū)油潛力評(píng)價(jià)

利用地層模擬水配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%的CS-1起泡劑，在溫度為110℃、壓力為38.5 MPa、氣液比為1.5∶1的條件下，進(jìn)行驅(qū)油潛力評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)。定義單位體積采收率增值為采收率增值與注入巖心體積量的比值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果（表1）表明：在水驅(qū)階段，水驅(qū)采收率在56%左右，與實(shí)際油藏水驅(qū)采收率基本一致；當(dāng)泡沫注入量由0.1倍孔隙體積增至0.5倍孔隙體積時(shí)，采收率增值明顯增大，當(dāng)泡沫注入量繼續(xù)增大時(shí)，采收率增值變化不大；單位體積采收率增值在注入量為0.5倍孔隙體積時(shí)達(dá)到最大，可見增大或降低泡沫注入量都是不經(jīng)濟(jì)、不合理的。因此，泡沫驅(qū)現(xiàn)場施工注入量為0.5倍孔隙體積。

表1 泡沫驅(qū)起泡劑注入量對(duì)驅(qū)油潛力的影響

分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，塔中402CⅢ油藏泡沫驅(qū)在最佳條件下采收率增值也僅為4.12%，最終采收率為60.75%。一般的泡沫驅(qū)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)大多在水驅(qū)采收率（30%～40%）的基礎(chǔ)上提高20%～30%［10］，相比較而言，塔中402CⅢ油藏泡沫驅(qū)實(shí)驗(yàn)效果不明顯。主要是由于油藏本身的水驅(qū)采收率很高，剩余油飽和度較低，提高采收率的潛力較小。另外油藏剩余油比較分散，當(dāng)泡沫遇到分散在孔隙中的油滴時(shí)，封堵效果變差，加上巖心滲透率偏低，泡沫在運(yùn)移過程中剪切嚴(yán)重，視粘度降低［11］，不能有效改善流度比和增大波及體積，驅(qū)油潛力效果較差。根據(jù)毛管束理論，增加驅(qū)替液注入速度、增加驅(qū)替液粘度或降低界面張力均可提高毛管數(shù)，一般水驅(qū)條件下毛管數(shù)為10-6，理論上當(dāng)毛管數(shù)提高到10-2時(shí)剩余油將被全部采出。在油藏條件下，實(shí)驗(yàn)室測(cè)得0.2%CS-1與原油的界面張力為0.225 mN/m，泡沫視粘度較低，提高毛管數(shù)有限，遠(yuǎn)達(dá)不到10-2數(shù)量級(jí)，故塔中402CⅢ油藏泡沫驅(qū)效果不明顯。

5 結(jié)論

在模擬塔中402CⅢ油藏條件下，優(yōu)選了性能較好的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%～0.3%酰胺丙基甜菜堿CS-1作為泡沫驅(qū)的起泡劑。通過室內(nèi)物理模擬實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，泡沫體系在氣液比為1.5∶1、注氣速度為1 mL/min的條件下，封堵性能最佳。油藏條件下采收率增值結(jié)果表明，當(dāng)泡沫注入量為0.5倍孔隙體積時(shí)，采收率增值最大，比水驅(qū)采收率提高了4.12%，顯示了泡沫驅(qū)具有較好的驅(qū)油效果。

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