泡沫助采在油田中的現(xiàn)狀與發(fā)展前景

汪 鵬，楊 珍，姚逸風(fēng)

( 1.中石油煤層氣有限責(zé)任公司陜西技術(shù)服務(wù)分公司，陜西 西安 710082；2.長江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100 )

1 研究背景及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

我國現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)的油田大部分屬于陸相沉積儲層，油藏非均質(zhì)性嚴重，原油含蠟高，黏度高。這種陸相沉積環(huán)境和生油條件，加大了油田開發(fā)難度，因而常規(guī)水驅(qū)效果往往很不理想。利用三次采油技術(shù)來穩(wěn)定和提高原油產(chǎn)量，開采剩余油，已成為我國石油工業(yè)急需解決的一項重要課題。

從20世紀60年代到現(xiàn)在，國內(nèi)外對泡沫在地層中的滲流規(guī)律做了大量的研究工作，對泡沫驅(qū)油機理的認識日益成熟，并且分別從不同的角度考慮建立了不同的泡沫驅(qū)數(shù)學(xué)模型。

1.1 國外研究發(fā)展現(xiàn)狀

1956年Fried[1]首次對泡沫提高原油采收率展開了研究。他和Jensen[2-5]的研究指出，泡沫能引起氣相相對滲透率的降低，進而延緩了氣體的指進。1958年，Bond等人發(fā)表了世界上第一份泡沫驅(qū)油的專利(US2866507)[6]。

1963~1965年，Bernard等[7-8]在實驗室研究了泡沫在氣驅(qū)時提高采收率的實驗。Marsden和Khan[9-11]通過研究表明，隨著孔隙介質(zhì)絕對滲透率的下降，流動性下降率也越低；隨著表面活性劑濃度的增大，泡沫的表觀黏度也增加。

Raza[10]對影響多孔介質(zhì)中泡沫的產(chǎn)生、運移、質(zhì)量和特性等變量因素作了詳細的研究。Owette[12]和Wang[13]研究過CO2泡沫的驅(qū)替效果，表明壓力增加，泡沫穩(wěn)定性增強，而溫度增加，泡沫穩(wěn)定性下降。

1983年，Mobil公司開始在室內(nèi)研究CO2泡沫驅(qū)油的工作。試驗結(jié)果表明，泡沫驅(qū)后生產(chǎn)井的產(chǎn)油量明顯增加，產(chǎn)氣量明顯減少，泡沫的作用效果十分明顯[14]。1990年美國在新墨西哥州Vacuum油田進行CO2泡沫驅(qū)，8口生產(chǎn)井中3口增油 。

1.2 國內(nèi)研究歷程

我國科技人員自20世紀70年代初已經(jīng)開始對泡沫驅(qū)油的穩(wěn)定性、泡沫驅(qū)油機理等問題進行研究，并在此基礎(chǔ)上開展了礦場探索性試驗。1965年，玉門油田最早進行泡沫驅(qū)油試驗。自1971年起，先后在克拉瑪依、大慶、新疆、吉林扶余、遼河、勝利等油田進行了現(xiàn)場試驗，實驗效果非常明顯。

對國內(nèi)外的大量文獻調(diào)研后發(fā)現(xiàn)，泡沫具有選擇性流動度降低特性(selective mobility reduction，SMR)。泡沫的SMR特性使其在油藏巖石的高、低滲區(qū)能夠保持驅(qū)替前緣較均勻地向前推進，有利于延緩氣體的突破和提高驅(qū)油效率。隨著我國提高采收率技術(shù)的迅速發(fā)展,可以預(yù)料泡沫驅(qū)油提高釆收率技術(shù)在我國將會有廣闊的發(fā)展前景。

2 泡沫驅(qū)驅(qū)油機理

泡沫一般是由不溶性或微溶性的氣體分散于液體中所形成的分散物系。這種獨特結(jié)構(gòu)決定了泡沫具有低摩阻、低濾失、低密度、高黏度、攜帶能力強、返排能力強、對儲層傷害小等優(yōu)點。泡沫體系用于油田開發(fā)已有50多年的歷史，泡沫驅(qū)既能顯著提高波及效率，又可提高洗油效率，同時還減小了化學(xué)驅(qū)導(dǎo)致的環(huán)境傷害。在一般情況下，泡沫驅(qū)可提高采收率10%~25%，是一種很有發(fā)展前途的提高原油采收率的技術(shù)。

2.1 泡沫在孔隙介質(zhì)中的分布與流動狀態(tài)

泡沫在多孔介質(zhì)內(nèi)滲流時并不是以連續(xù)相的形式通過介質(zhì)孔隙,而是不斷地破滅與再生。液體是連續(xù)相,氣體是非連續(xù)相。

2.1.1 泡沫在多孔介質(zhì)中的生成

泡沫的生成和形態(tài)是進一步研究泡沫在多孔介質(zhì)中滲流規(guī)律和驅(qū)油機理的基礎(chǔ)，是泡沫驅(qū)研究首先要面對和解決的問題[15]。Chambers and Mast等人通過微觀模型研究確定出泡沫在多孔介質(zhì)中生成的微觀機理— —液膜滯后、縮頸分離和液膜分叉[16]。

1）液膜滯后。如圖1所示，在低于臨界速度時，當氣體侵入事先被流體飽和的區(qū)域，它便滲入孔道，孔隙空間的液體就被兩個前緣擠成薄膜。這種情況下液體是非連續(xù)相，氣體是連續(xù)相。

圖1 液膜滯后機理Fig.1 The lag mechanism of liquid membrane

2）縮頸分離[17]。隨著氣體注入速度增加，氣泡穿過孔喉進入孔隙，泡沫流體在毛細管力的作用下流向孔喉，并充滿孔喉的環(huán)形空間，這時泡沫產(chǎn)生的另外一個機理發(fā)生，即縮頸分離，如圖2所示。

圖2 縮頸分離機理Fig.2 The separation principle of necking down

與滯后機理不同，縮頸分離機理是通過增加氣相的非連續(xù)性和產(chǎn)生薄膜來影響氣相的流動性，產(chǎn)生的氣泡可以在多孔介質(zhì)中的某一點停留，阻塞氣體通道。在較高的注入速度下，縮頸分離是起主導(dǎo)作用的機理。當氣體從低滲透區(qū)域流向高滲透區(qū)域時，在各種流速下都會發(fā)生縮頸分離，這就是泡沫可以選擇性封堵高滲透層、全面提高波及系數(shù)的原因。

3）液膜分叉。液膜分叉不同于前兩種機理，需要有能移動的液膜，即泡沫必須首先產(chǎn)生，進一步重新變形或第二次再生（圖3）。

圖3 液膜分叉示意圖Fig.3 The diagram of film bifurcation

上述的3個機理中，液膜分叉嚴格地說是泡沫的運移機理而不是泡沫的產(chǎn)生機理，泡沫產(chǎn)生的主要機理是縮頸分離和液膜滯后。

2.2 泡沫驅(qū)驅(qū)油機理

提高原油采收率的機理主要有提高驅(qū)油波及面積（波及系數(shù)）和提高驅(qū)油效率兩個方面。泡沫流體同時具有這兩種特性。泡沫驅(qū)油作用的主要機理是泡沫在多孔介質(zhì)內(nèi)的滲流特性[18]。泡沫首先進入流動阻力較小的高滲透大孔道，由于泡沫在大孔道中流動時有較高的視黏度，流動阻力隨泡沫注入量的增加而增大，當增大到超過小孔道中的流動阻力后，泡沫便越來越多地流入低滲透小孔道。此外，泡沫在小孔道中流動時視黏度低，小孔道中含油飽和度高，泡沫穩(wěn)定性差，因此泡沫能流入小孔道中。這兩種因素的作用結(jié)果最終導(dǎo)致泡沫在高、低滲透率油層內(nèi)均勻推進。泡沫還具有一定的洗油能力。所以，它既能大幅度降低油水界面張力，提高驅(qū)替效率，又能降低油水流度比，提高波及效率。

3 影響泡沫穩(wěn)定的因素

泡沫的穩(wěn)定性是泡沫研究和應(yīng)用的核心問題，是在泡沫驅(qū)應(yīng)用中必須考慮的重要問題，也是決定泡沫調(diào)驅(qū)效果的關(guān)鍵因素。

3.1 泡沫的穩(wěn)定性

目前普遍認為，泡沫的衰變機理是泡沫中液膜的排液和氣體透過液膜擴散[19]。

1）液膜的排液[20]：泡沫中液體的流失是氣泡相互擠壓和重力作用的結(jié)果。

2） 氣體透過液膜擴散：無論用什么方法產(chǎn)生泡沫，泡沫的大小總是不均勻的。由于小泡內(nèi)的氣體壓力總是高于大泡，因而氣體自高壓的小泡透過液膜，擴散到低壓的大泡中去，造成小泡變小，直至消失，大泡變大，最終導(dǎo)致氣泡破裂的現(xiàn)象[21]。

3.2 影響泡沫穩(wěn)定性因素

泡沫的穩(wěn)定性取決于泡沫的衰變過程和液膜的機械強度,所以凡是影響這兩個方面的因素都會影響泡沫的穩(wěn)定性。目前實驗研究認為影響泡沫穩(wěn)定因素主要有以下幾個方面：

①溶液的表面張力。從能量觀點考慮，當液膜具有一定的強度，并形成多面體泡沫時，低表面張力才對泡沫的穩(wěn)定有利。

②表面黏度。表面黏度越高，膜的強度越大，泡沫壽命越長。

③溶液黏度。增加液相黏度，既使泡沫內(nèi)液體不易流失，又使氣體在液膜中的溶解度降低，可以增加液膜的表面黏度和抑制表面膜變薄，使泡沫體系穩(wěn)定性增加[22]。

④Gibbs－Marangoni表面彈性效應(yīng)。由表面張力梯度而引起的體相液體傳播現(xiàn)象叫Gibbs－Marangoni效應(yīng)。該效應(yīng)越顯著，泡沫的自我修復(fù)能力越強，泡沫就越不易破裂。

⑤液膜表面電荷（分離壓力）。一般來講，電荷有防止液膜變薄，增加泡沫穩(wěn)定性的作用。離子型表面活性劑的液膜中，液膜兩側(cè)吸附電荷產(chǎn)生的斥力(分離壓力)阻止膜的變薄，有利于泡沫的穩(wěn)定性。

4 所面臨的問題及展望

近幾年國內(nèi)多個油田及研究院所相繼開展泡沫驅(qū)研究及現(xiàn)場試驗，對于泡沫選擇性封堵及大幅度提高水驅(qū)后剩余油采收率形成了較為統(tǒng)一的觀點，現(xiàn)場試驗也取得了較好的效果，普遍取得降低生產(chǎn)井含水、提高原油產(chǎn)量的效果，采收率也有較大幅度的提高。但從已知現(xiàn)場效果的油田的后續(xù)推廣來看，都不盡人意，推廣的力度較小，還沒有形成規(guī)模性推廣，其造成的原因有以下幾點。

1）目前泡沫驅(qū)油技術(shù)還未建成完善的油田應(yīng)用體系。泡沫驅(qū)的施工參數(shù)，如注入方式、注入速度、表面活性劑的濃度等并未與油田的地層物性、流體性質(zhì)、以及溫度壓力等因素進行有效的結(jié)合。泡沫驅(qū)油體系注入?yún)?shù)的優(yōu)化對驅(qū)油效果和驅(qū)油成本都有較大影響。

2）泡沫驅(qū)油技術(shù)應(yīng)用過程中，泡沫的穩(wěn)定性是影響其驅(qū)油效果的最關(guān)鍵因素。泡沫的穩(wěn)定性差，施工后有效期短，應(yīng)加強泡沫穩(wěn)定性的研究。

3）泡沫驅(qū)尤其是泡沫復(fù)合驅(qū)采出液的乳化問題，是泡沫驅(qū)面臨的問題之一。乳化問題直接導(dǎo)致油井產(chǎn)能的大幅度下降，并降低泵效。這一現(xiàn)象已在大慶油田現(xiàn)場實驗中造成不利影響，也是影響大慶油田泡沫復(fù)合驅(qū)推廣的關(guān)鍵因素之一。

4）泡沫驅(qū)的注入過程中，大量表面活性劑吸附在巖石表面，導(dǎo)致液相表面活性劑濃度下降，嚴重影響泡沫的生成，增加了泡沫驅(qū)的作業(yè)成本。

5）泡沫在注入過程中，容易造成管線和設(shè)備的腐蝕，且腐蝕物可能隨流體流入地層，對地層孔隙造成傷害，并且容易在井筒附近結(jié)垢。

盡管目前現(xiàn)場施工結(jié)果還有待提高，但實驗室及現(xiàn)場實驗已經(jīng)足以證明泡沫驅(qū)在非常規(guī)油藏中能夠很好地改善油藏的滲透性，能提高油藏采出程度，是一種繼聚合物驅(qū)之后很有前途的三次采油新技術(shù)。

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