魯克沁超深層特稠油空氣泡沫驅(qū)起泡體系實(shí)驗(yàn)研究

唐曉東，張洋勇，李晶晶，李斌，崔英懷，趙健

(1.西南石油大學(xué) 油氣地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610500;2.西南石油大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，四川 成都 610500;3.新疆石油勘察設(shè)計(jì)研究院(有限公司)，新疆 克拉瑪依 834000;4.中國(guó)石油吐哈油田公司，新疆 哈密 839009)

魯克沁油田位于新疆維吾爾族自治區(qū)鄯善縣境內(nèi)，構(gòu)造上屬于吐哈盆地吐魯番坳陷臺(tái)南凹陷魯克沁構(gòu)造帶。該油田目前主要采用常規(guī)水驅(qū)開采，但其稠油在地層條件下粘度較高(280 ～526 mPa·s)，油水粘度比大，加上平面、層間非均質(zhì)性嚴(yán)重，造成注入水單向突進(jìn)嚴(yán)重，儲(chǔ)層動(dòng)用程度低［1-2］。采用天然氣吞吐開采后，油井增效明顯［3-4］，但存在天然氣用量大、開采成本高以及氣源短缺等問題。

我國(guó)稠油油藏主要采用蒸汽吞吐或蒸汽驅(qū)方式開采［5］，但魯克沁油藏埋深2 200 ～4 800 m，常規(guī)注蒸汽熱采熱損失大，無(wú)法實(shí)現(xiàn)魯克沁稠油油藏的經(jīng)濟(jì)、高效開發(fā)。此外，魯克沁油藏溫度在80 ℃以上，地層水礦化度高達(dá)17 ×104mg/L，對(duì)常規(guī)的聚合物驅(qū)和聚合物調(diào)驅(qū)存在不利影響［6］。注空氣采油技術(shù)具有成本低、來(lái)源廣泛且不受地域限制等優(yōu)勢(shì)，但油藏直接注空氣開采容易發(fā)生氣竄、重力超覆及指進(jìn)，驅(qū)油效果差［7］?？諝馀菽?qū)集合了空氣驅(qū)與泡沫驅(qū)的優(yōu)點(diǎn)，具有泡沫的調(diào)剖和空氣的驅(qū)油作用，是改善高含水、非均質(zhì)油藏開發(fā)效果，提高采收率的有效技術(shù)［8-10］。本文針對(duì)魯克沁稠油油藏的特點(diǎn)，評(píng)選出了適合于該油藏空氣泡沫驅(qū)開采用的起泡劑體系，為實(shí)現(xiàn)魯克沁超深層特稠油的有效開發(fā)提供技術(shù)支撐。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

起泡劑TY-1、TY-2，有效濃度30%、起泡劑BS-12、OA-12、CHSB，有效濃度30% ～35%，均為工業(yè)級(jí);起泡劑ZFC，有效濃度35%、穩(wěn)泡劑ZSX 均為自制;穩(wěn)泡劑羧甲基纖維素(CMC)、聚丙烯酰胺(HPAM)均為分析純。

魯克沁油藏地層水為CaCl2型，總礦化度177 792 mg/L，離 子 質(zhì) 量 濃 度 Na++ K+為63 672 mg/L，Ca2+為 4 512 mg/L，Mg2+為713 mg/L，Cl－為 106 258 mg/L，為2 584 mg/L，為55 mg/L。實(shí)驗(yàn)油樣為吐哈油田魯克沁稠油，地面原油粘度(50 ℃)11 012 mPa · s，20 ℃ 密 度 為0.958 5 g/cm3，API 重度為13.9，瀝青質(zhì)含量 為0.69%，膠質(zhì)含量為14.43%，蠟含量為5.05%。

Waring Blender 攪拌器;WDF-0.5L 型高溫高壓反應(yīng)釜;稠油熱采多功能物模試驗(yàn)裝置，自制。

2 結(jié)果與討論

2.1 起泡劑與地層水配伍性

魯克沁油藏地層水為CaCl2型，其中Ca2+、Mg2+質(zhì)量濃度達(dá)5 225 mg/L，可能會(huì)與起泡劑反應(yīng)生成沉淀，這不僅影響起泡劑的性能，同時(shí)還會(huì)引起儲(chǔ)層堵塞，對(duì)泡沫驅(qū)和采油過程造成不利影響，因此必須考察起泡劑與地層水的配伍性。將起泡劑和模擬地層水配制成濃度為50%溶液，攪拌均勻后靜置，觀察溶液的變化，結(jié)果見表1。

表1 起泡劑與地層水配伍性實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 Experimental results of the compatibility foaming agent and formation water

由表1 可知，起泡劑TY-1 和TY-2 與模擬地層水混合后發(fā)生了沉淀反應(yīng)，使得溶液變渾濁，而另外4 種起泡劑與模擬地層水混合后則無(wú)明顯變化，表明起泡劑TY-1 和TY-2 與魯克沁地層水不配伍。

2.2 泡沫體系評(píng)選

2.2.1 起泡劑評(píng)選 將與魯克沁油藏地層水配伍的4 種起泡劑配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1% ～1.0%的起泡劑溶液，加100 mL 溶液至Waring Blender 攪拌器中，在一定轉(zhuǎn)速下攪拌60 s 后，讀取泡沫體積并記錄泡沫的析液半衰期t1/2，結(jié)果見圖1 和圖2。

圖1 不同起泡劑的發(fā)泡性能Fig.1 Foaming capability of different foaming agents

圖2 不同起泡劑的析液半衰期Fig.2 The liquid dropout half-time of different foaming agents

由圖1 和圖2 可知，隨起泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，起泡劑溶液發(fā)泡性能逐漸增強(qiáng)，其中ZFC 在低濃度時(shí)的泡沫體積最大，表明其發(fā)泡能力最好;4 種起泡劑泡沫的析液半衰期均較短，其中ZFC 的析液半衰期最長(zhǎng)，表明起泡劑ZFC 的性能最優(yōu)。當(dāng)ZFC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%時(shí)，泡沫體積為650 mL，析液半衰期為263 s，再增大ZFC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)，泡沫體積和析液半衰期的變化不大，所以選擇起泡劑ZFC 的最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%，但泡沫的穩(wěn)定性不夠，須添加穩(wěn)泡劑。

2.2.2 穩(wěn)泡劑評(píng)選 向起泡劑溶液中加入增粘型穩(wěn)泡劑以提高泡沫溶液粘度，減緩排液速度、延長(zhǎng)泡沫的半衰期。將穩(wěn)泡劑配制成濃度為500 ～2 500 mg/L的溶液，再加入一定量的起泡劑配制成起泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%的起泡劑溶液，測(cè)定其泡沫體積和析液半衰期，結(jié)果見圖3。

圖3 穩(wěn)泡劑評(píng)選實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.3 The evaluate result of foaming stabilizer

由圖3 可知，增粘型穩(wěn)泡劑加入后，泡沫的析液半衰期t1/2大幅度增加，但泡沫體積有一定程度的減小，且穩(wěn)泡劑加量越大，泡沫驅(qū)的成本越高。當(dāng)穩(wěn)泡劑ZSX 濃度為1 500 mg/L 時(shí)，泡沫體積為480 mL，析液半衰期達(dá)到88 min，表明該起泡體系具有較好的起泡性能和泡沫穩(wěn)定性。

2.3 泡沫體系穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

起泡劑的穩(wěn)定性主要受溫度、礦化度及含油飽和度等因素的影響［11］。

2.3.1 泡沫體系的耐溫性 溫度對(duì)泡沫的穩(wěn)定性有著重要影響，隨溫度升高，泡沫的穩(wěn)定性會(huì)逐漸下降。用礦化度為17 ×104mg/L 的模擬地層水配制0.6%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的ZFC +1 500 mg/L 的ZSX 起泡溶液，在不同溫度下測(cè)定其起泡性能，結(jié)果見表2。

表2 溫度對(duì)泡沫體系影響Table 2 The influence of temperature on foaming system

由表2 可知，隨著溫度的升高，起泡劑的發(fā)泡體積先增大后減小，但泡沫的析液半衰期隨溫度的升高而減小。當(dāng)溫度為80 ℃時(shí)，起泡體系的泡沫體積為530 mL，泡沫析液半衰期達(dá)24 min，表明該起泡體系在魯克沁油藏溫度下仍具有較好的發(fā)泡性能和泡沫穩(wěn)定性。

2.3.2 泡沫體系的耐鹽性 用不同礦化度的模擬地層水配制0.6%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的ZFC +1 500 mg/L 的ZSX 起泡劑溶液，在80 ℃下測(cè)定起泡溶液的起泡性能和泡沫穩(wěn)定性，結(jié)果見表3。

表3 礦化度對(duì)泡沫體系影響Table 3 The influence of mineralization on foaming system

由表3 可知，隨礦化度升高，起泡體系的泡沫體積逐漸減小，而泡沫的析液半衰期增大，這表明地層水中的無(wú)機(jī)鹽具有增稠作用，使起泡劑溶液的界面張力增大、粘度升高。礦化度為20 ×104mg/L 時(shí)，起泡體系的泡沫體積為420 mL，析液半衰期為25 min，表明該起泡體系具有較好的耐鹽性。

2.3.3 泡沫體系的抗油性 用礦化度為17 ×104mg/L的模擬地層水配制0.6% 質(zhì)量分?jǐn)?shù)ZFC+1 500 mg/L 的ZSX 起泡劑溶液，加入不同含量稠油，在80 ℃下測(cè)定泡沫體系的泡沫體積和析液半衰期，結(jié)果見表4。

表4 原油含量對(duì)泡沫體系影響Table 4 The influence of crude oil content on foaming system

由表4 可知，隨稠油含量增加，起泡體系的泡沫體積逐漸減小，泡沫的析液半衰期先增大后減小。稠油中的膠質(zhì)和瀝青質(zhì)大分子具有穩(wěn)泡作用，因此，在稠油含量較低時(shí)，起泡劑的泡沫體積降低而泡沫析液半衰期增大。當(dāng)稠油含量為20%時(shí)，泡沫體積為410 mL，析液半衰期為28 min，表明起泡體系在稠油含量20%范圍內(nèi)仍具有較好的起泡性能。

2.3.4 泡沫體系的抗老化性 將礦化度為17 ×104mg/L 的模擬地層水配制的0.6%質(zhì)量分?jǐn)?shù)ZFC+1 500 mg/L 的ZSX 起泡劑溶液加入高溫高壓反應(yīng)釜中，老化一定時(shí)間后，測(cè)定起泡溶液的泡沫體積和泡沫析液半衰期，結(jié)果見表5。

由表5 可知，老化時(shí)間對(duì)起泡體系的發(fā)泡體積和泡沫的析液半衰期的影響較小，在油藏溫度下老化16 d 后，起泡體系的發(fā)泡體積為510 mL，泡沫的析液半衰期達(dá)20 min，表明該起泡體系在魯克沁油藏溫度下可以保持長(zhǎng)期的有效性。

表5 老化時(shí)間對(duì)泡沫體系的影響Table 5 The influence of aging time on foaming system

2.4 泡沫體系的動(dòng)態(tài)封堵性能

物模實(shí)驗(yàn)裝置主要包括注入系統(tǒng)和填砂模型管兩個(gè)部分(圖4)，其中模型管長(zhǎng)50 cm，管內(nèi)徑為2.5 cm，體積為245 mL。實(shí)驗(yàn)前開始先用80 ～120 目石英砂填充模型管至所需油藏物性參數(shù)后，接入物模系統(tǒng)，在恒溫80 ℃下測(cè)定起泡體系的封堵能力及驅(qū)油效果。

圖4 泡沫驅(qū)動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)及驅(qū)替實(shí)驗(yàn)流程示意圖Fig.4 Schematic diagram of foaming flood dynamic evaluation and displacement test

2.4.1 氣液比 氣液比是影響泡沫性能的重要參數(shù)，采用填砂模型管裝置考察了氣液比對(duì)起泡體系封堵能力的影響，結(jié)果見表6。

表6 不同氣液比下的阻力因子Table 6 Resistance factor of different G/L ratio

填砂模型管的孔隙度為32.83%，滲透率為548 mD，起泡體系為ZFC(0.6%)+ZSX(1 500 mg/L)，實(shí)驗(yàn)溫度為80 ℃。由表6 可知，隨氣液比增大，起泡體系的阻力因子先增大后減小，當(dāng)氣液比為1∶1時(shí)，起泡體系的阻力因子達(dá)到108.4，故最佳氣液比為1∶1。

2.4.2 選擇性封堵能力 泡沫驅(qū)提高采收率的主要機(jī)理是泡沫具有選擇性封堵作用，優(yōu)先進(jìn)入高滲透層或高度水淹層，泡沫的增粘作用和賈敏效應(yīng)產(chǎn)生封堵作用，從而擴(kuò)大波及系數(shù)。通過泡沫在高滲、中滲和低滲填砂模型管中的封堵效果考察起泡體系的選擇性封堵能力，結(jié)果見表7。

表7 泡沫體系的選擇性封堵能力Table 7 The selective sealing ability of foaming system

起泡體系為ZFC(0.6%)+ZSX(1 500 mg/L)，氣液比1∶1，實(shí)驗(yàn)溫度為80 ℃。由表7 可知，隨滲透率增大，泡沫驅(qū)的阻力因子增大，表明泡沫體系對(duì)高滲透層具有較好的封堵效果，證實(shí)泡沫驅(qū)具有選擇性封堵的作用機(jī)理。

2.4.3 泡沫驅(qū)油實(shí)驗(yàn) 通過雙管驅(qū)替實(shí)驗(yàn)研究了泡沫體系提高非均質(zhì)油層原油采收率的作用，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表8。

表8 雙管泡沫驅(qū)油實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 8 Experimental results of dual tubing oil recovery by foaming flood

由表8 可知，對(duì)于極差為5.3 的高低滲透管，一次水驅(qū)階段高滲管采出程度為53.64%，而低滲管采出程度為10.94%，表明一次水驅(qū)階段，注入水沿高滲管突進(jìn)，導(dǎo)致低滲管動(dòng)用程度較低;在空氣泡沫驅(qū)階段，泡沫優(yōu)先進(jìn)入高滲透層封堵，使高滲透層流體流動(dòng)阻力增大，從而注入流體轉(zhuǎn)向低滲透層，提高了低滲管的動(dòng)用程度，泡沫驅(qū)結(jié)束時(shí)高滲管采出程度提高了8.63%，低滲管采出程度提高了16.37%;此外，在空氣泡沫驅(qū)階段，由于泡沫的封堵調(diào)剖作用，使采出液綜合含水率由98.23% 降低至66.89%。

3 結(jié)論

(1)篩選出了適用于魯克沁超深層特稠油油藏空氣泡沫驅(qū)的起泡體系，優(yōu)選出的最佳配比為0.6%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的起泡劑ZFC + 1 500 mg/L 的穩(wěn)泡劑ZSX。起泡體系性能評(píng)價(jià)結(jié)果表明，該起泡體系在油層溫度和礦化度條件下具有較好的抗溫、耐鹽、耐油及抗老化性能。

(2)動(dòng)態(tài)封堵實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，起泡體系的最佳氣液比為1∶1，泡沫的阻力因子達(dá)到108.4;泡沫體系對(duì)高滲透層具有較好的封堵效果，證明了在非均質(zhì)油藏中泡沫驅(qū)具有選擇性封堵作用。

(3)雙管驅(qū)油實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，泡沫驅(qū)可以顯著提高低滲層的動(dòng)用程度，降低高滲層采出液的含水率，泡沫驅(qū)使高滲管的采出程度提高了8.63%，低滲管采出程度提高了16.37%。該起泡體系在魯克沁超深層特稠油空氣泡沫驅(qū)開采中具有較好的應(yīng)用前景。

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