稠油油藏尿素泡沫輔助蒸汽驅(qū)三維物理模擬實驗

李文會，劉鵬程*，沈德煌，錢宏圖

（1.中國地質(zhì)大學(xué)（北京）能源學(xué)院，北京100083；2.中國石油勘探開發(fā)研究院提高采收率國家重點實驗室，北京100083）

稠油油藏尿素泡沫輔助蒸汽驅(qū)三維物理模擬實驗

李文會1，劉鵬程1*，沈德煌2，錢宏圖1

（1.中國地質(zhì)大學(xué)（北京）能源學(xué)院，北京100083；2.中國石油勘探開發(fā)研究院提高采收率國家重點實驗室，北京100083）

稠油油藏蒸汽驅(qū)過程中，經(jīng)常出現(xiàn)蒸汽超覆和竄流等現(xiàn)象，導(dǎo)致蒸汽波及系數(shù)小，原油采收率低。為此，利用三維驅(qū)替實驗系統(tǒng)，分別進(jìn)行純蒸汽驅(qū)、蒸汽驅(qū)轉(zhuǎn)尿素輔助蒸汽驅(qū)和蒸汽驅(qū)轉(zhuǎn)尿素泡沫輔助蒸汽驅(qū)3組實驗。結(jié)果表明：純蒸汽驅(qū)驅(qū)替效果不理想，而蒸汽驅(qū)轉(zhuǎn)尿素輔助蒸汽驅(qū)和蒸汽驅(qū)轉(zhuǎn)尿素泡沫輔助蒸汽驅(qū)的驅(qū)替效果要好于純蒸汽驅(qū)。蒸汽驅(qū)轉(zhuǎn)尿素輔助蒸汽驅(qū)和蒸汽驅(qū)轉(zhuǎn)尿素泡沫輔助蒸汽驅(qū)實驗在轉(zhuǎn)驅(qū)點后，瞬時油汽比分別提高0.24 和0.27，采出程度分別提高9.56%和16.29%，進(jìn)出口壓差最大提高0.18和0.33MPa，瞬時含水率分別降低15.77%和36.80%；從三維溫度場變化可知，尿素輔助蒸汽驅(qū)可擴(kuò)大蒸汽波及區(qū)域，但效果不明顯，而尿素泡沫輔助蒸汽驅(qū)可以有效抑制蒸汽超覆和竄流，提高蒸汽波及系數(shù)和原油動用程度。綜合對比指標(biāo)可知，尿素泡沫輔助蒸汽驅(qū)的驅(qū)替效果最好。

蒸汽驅(qū) 驅(qū)油機(jī)理 物理模擬 尿素 泡沫 稠油油藏

蒸汽驅(qū)是中國稠油油藏開發(fā)的主要技術(shù)之一，但是由于原油和蒸汽驅(qū)之間的粘度與密度差異性而導(dǎo)致的粘性指進(jìn)、重力超覆及蒸汽竄流等現(xiàn)象制約了蒸汽驅(qū)的開發(fā)效果，從而造成油層平面及縱向波及系數(shù)低、油汽比低、采收率低和含水率高等問題［1］。蒸汽泡沫驅(qū)協(xié)同其他化學(xué)劑注入地層能在一定程度上提高蒸汽波及系數(shù)和洗油效率，改善蒸汽驅(qū)開發(fā)效果［2］。Lau在蒸汽泡沫驅(qū)中加入Na2CO3溶液，能起到堿驅(qū)效果［3］；Li等在蒸汽泡沫驅(qū)原有的泡沫劑中加入單寧酸，使泡沫劑的穩(wěn)定性、抗高溫能力以及封堵能力都有所增加［4］；Tiamiyu等通過4組室內(nèi)對比實驗，研究了破乳劑作為蒸汽泡沫驅(qū)添加劑的適應(yīng)性，實驗結(jié)果表明，破乳劑協(xié)同蒸汽泡沫驅(qū)對提高原油采收率具有較大潛力［5］。

前人實驗研究所用的Na2CO3、單寧酸和破乳劑等化學(xué)劑較昂貴，且驅(qū)替機(jī)理單一，而尿素容易制備，在150℃的高溫下與水反應(yīng)分解為CO2和NH3，可充當(dāng)泡沫劑的氣源，NH3溶于水呈堿性，易形成堿驅(qū)，是改善蒸汽驅(qū)開發(fā)效果的一項可行性技術(shù)。該項技術(shù)曾在中國的河南油田［6-9］進(jìn)行現(xiàn)場試驗，取得了較好的開發(fā)效果，但是前人對于尿素泡沫輔助蒸汽驅(qū)機(jī)理的研究較少。錢宏圖等曾在室內(nèi)進(jìn)行尿素泡沫輔助蒸汽驅(qū)和熱水驅(qū)的一維巖心驅(qū)替實驗，研究了尿素和泡沫在蒸汽驅(qū)過程中的作用機(jī)理，但一維模型并不能直觀反映泡沫提高蒸汽驅(qū)波及系數(shù)以及堿驅(qū)與蒸汽泡沫驅(qū)協(xié)同作用的過程，因此，得出的結(jié)論不適用于實際油藏［10］。為此，筆者利用三維驅(qū)替實驗系統(tǒng)，開展稠油油藏尿素泡沫輔助蒸汽驅(qū)的三維物理模擬實驗，模擬對比純蒸汽驅(qū)、蒸汽驅(qū)轉(zhuǎn)尿素輔助蒸汽驅(qū)、蒸汽驅(qū)轉(zhuǎn)尿素泡沫輔助蒸汽驅(qū)的開發(fā)指標(biāo)，分析尿素和泡沫劑等添加劑的驅(qū)油機(jī)理，明確蒸汽在平面及縱向的波及狀況，實驗結(jié)果表明，尿素泡沫輔助蒸汽驅(qū)有望成為改善稠油油藏蒸汽驅(qū)效果的一項可行性技術(shù)。

1 實驗器材及方法

1.1 實驗裝置

實驗裝置（圖1）主要包括：①模型本體。其長度和寬度均為30 cm，高度為20 cm，最高耐溫為300℃，最高耐壓為20MPa，進(jìn)出口均有測壓點；模型內(nèi)部分為上、中、下共3層，各層之間的連通性可以通過中間隔板控制，每層均勻分布有8×8個熱電偶測溫點，可以較好地反映模型內(nèi)部溫度場的變化；模型內(nèi)壁經(jīng)過特殊的磨砂處理，可以防止蒸汽沿內(nèi)壁發(fā)生汽竄。②數(shù)據(jù)采集裝置。主要包括壓力監(jiān)測裝置和溫度采集裝置。壓力監(jiān)測裝置用來監(jiān)測進(jìn)口端和出口端壓力，實時反映模型壓力的變化；溫度采集裝置通過各層熱電偶測溫點準(zhǔn)確反映模型內(nèi)的溫度變化，在顯示器上的顯示效果分為平面、立體和分層顯示等，還可以生成視頻連續(xù)記錄實驗過程中模型內(nèi)的溫度變化。③蒸汽發(fā)生器。用于提供高溫蒸汽，最高耐溫為300℃，最高耐壓為20MPa，最大蒸汽排量為9 kg/h。④高壓泵。用于將流體泵入模型中，并提供驅(qū)替壓力，最大承壓為51MPa。⑤中間容器。主要用于盛裝原油、泡沫劑溶液和尿素溶液等，最高耐溫為120℃，最高耐壓為32MPa。⑥恒溫箱。其加熱溫度為5～300℃，用于加熱盤管。⑦量液瓶。用于計量油和水的產(chǎn)量。

圖1 尿素泡沫輔助蒸汽驅(qū)三維驅(qū)替實驗裝置Fig.1 Three-dimension experimental device of ureafoam assisted steam flooding

1.2 實驗材料

實驗用砂為純凈的石英砂，其物性參數(shù)見表1。實驗用油為PL區(qū)塊稠油，脫氣原油粘度在溫度為45℃、壓力為0.1 MPa和溫度為200℃、壓力為0.1MPa條件下分別為14 550和24.4mPa·s。實驗用水為蒸餾水。注入蒸汽溫度為250℃，蒸汽干度為0.8。實驗用泡沫劑為磺酸鹽高溫泡沫劑（GFPJ），是由較長碳鏈的重烷苯和α-烯烴等做原料，通過磺化、中和、水解等過程而制成，其溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%。實驗用尿素純度為99%，其溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%。

表1 三維模型的物性參數(shù)Table1 Physical property parameters of each layer in 3D model

1.3 實驗方法

實驗分3組進(jìn)行：①實驗1為純蒸汽驅(qū)，實驗?zāi)康氖菫榱伺c其他添加劑輔助蒸汽驅(qū)的實驗結(jié)果進(jìn)行對比。②實驗2為蒸汽驅(qū)轉(zhuǎn)尿素輔助蒸汽驅(qū)。實驗?zāi)康氖菫榱搜芯磕蛩貙τ谡羝?qū)的輔助作用，當(dāng)蒸汽驅(qū)的瞬時油汽比低于0.15時轉(zhuǎn)為尿素輔助蒸汽驅(qū)。③實驗3為蒸汽驅(qū)轉(zhuǎn)尿素泡沫輔助蒸汽驅(qū)。實驗?zāi)康氖菫榱搜芯磕蛩嘏c泡沫在蒸汽驅(qū)過程中的協(xié)同作用，當(dāng)蒸汽驅(qū)的瞬時油汽比低于0.15時轉(zhuǎn)為尿素泡沫輔助蒸汽驅(qū)。通過對比3組實驗的瞬時油汽比、瞬時含水率、采出程度、進(jìn)出口壓差和三維溫度場等主要指標(biāo)，研究尿素、尿素與泡沫在蒸汽驅(qū)過程中的作用機(jī)理。

1.4 實驗步驟

三維物理模擬實驗采用的是四分之一五點井網(wǎng)。將三維模型的一端作為注入井，其對角線的另一端作為生產(chǎn)井；在進(jìn)行填砂、測量砂層的孔隙度和滲透率以及飽和實驗用油時，保持各層互不連通，注入井和生產(chǎn)井全部射開；在注蒸汽時保持注入井射開下半段，生產(chǎn)井全部射開。

實驗步驟為：①連接好實驗裝置并對三維模型抽真空后，用蒸餾水飽和模型，計算模型各層的孔隙度，并通過恒定的注入速度測量、計算各層的滲透率；②向三維模型中注入實驗用油至出口端不再有水產(chǎn)出，計算各層的含油飽和度及束縛水飽和度。對三維模型的溫度和壓力進(jìn)行調(diào)試，使其穩(wěn)定在所模擬的地層溫度（45℃）與壓力（4MPa），靜置12 h；③向三維模型中注入蒸汽進(jìn)行蒸汽驅(qū)實驗，注入速度為150mL/min；定時記錄進(jìn)、出口的壓力及各層溫度場的變化，計量產(chǎn)油量、產(chǎn)水量以及注入量；④進(jìn)行蒸汽驅(qū)轉(zhuǎn)尿素輔助蒸汽驅(qū)和蒸汽驅(qū)轉(zhuǎn)尿素泡沫輔助蒸汽驅(qū)實驗，當(dāng)蒸汽驅(qū)的瞬時油汽比低于0.15時分別進(jìn)行尿素、尿素泡沫輔助蒸汽驅(qū)實驗。蒸汽注入速度為150mL/min，尿素溶液和泡沫劑溶液的注入速度均為30mL/min；⑤清洗實驗裝置。分別計算3組實驗的采出程度、瞬時含水率以及進(jìn)、出口壓差等主要指標(biāo)。

2 實驗結(jié)果分析

2.1 三維溫度場

圖2 3組實驗三維溫度場隨注入體積的變化Fig.2 Variation of3D temperature field with injected pore volume of steam in the three experiments

由3組實驗溫度場隨注入體積的變化（圖2）可以看出，實驗1的蒸汽超覆和竄流現(xiàn)象嚴(yán)重，蒸汽只加熱了三維模型的上層，且在上層沿直線竄流到出口端，中層和下層的溫度較低，蒸汽波及系數(shù)也較低，剩余油飽和度較高（圖2a）。實驗2轉(zhuǎn)入尿素輔助蒸汽驅(qū)后，加入尿素的蒸汽超覆和竄流現(xiàn)象比實驗1稍好，且實驗中驅(qū)出的原油有乳化現(xiàn)象［11］，其原因是尿素分解出的NH3溶于水形成堿性溶液，該堿性溶液與原油中的酸性物質(zhì)反應(yīng)生成的表面活性劑對原油有乳化作用，該表面活性劑的存在能有效增加蒸汽的重力，推遲蒸汽竄流和超覆的時間，可以提高蒸汽在縱向和平面上的波及系數(shù)［12-13］（圖2b）。實驗3轉(zhuǎn)入尿素泡沫輔助蒸汽驅(qū)后，尿素分解的氣體與泡沫劑在三維模型中形成泡沫，對高滲透層有封堵作用，蒸汽通過高滲透層需要較大的壓力梯度，使得蒸汽轉(zhuǎn)而流向低滲透層，蒸汽的超覆也得到有效控制［14］，三維模型上層的汽竄得到改善，蒸汽腔充分?jǐn)U展，三維模型中層和下層的波及系數(shù)增大，原油的動用程度提高（圖2c），因此尿素與泡沫共同作用在控制蒸汽超覆和汽竄的效果較好。

2.2 進(jìn)、出口壓差

3組實驗進(jìn)、出口壓差隨注入體積的變化（圖3）可以看出，實驗1的進(jìn)、出口壓差持續(xù)下降；實驗2在轉(zhuǎn)驅(qū)點后注入尿素溶液，而尿素在高溫下分解為CO2和NH3，氣體在高溫下膨脹，進(jìn)、出口壓差從0.17MPa提高到0.35MPa，補(bǔ)充了地層能量；實驗3在轉(zhuǎn)驅(qū)點后同時注入尿素和泡沫溶液，進(jìn)、出口壓差從0.18MPa提高到0.51MPa，實驗結(jié)果表明，尿素與水在高溫下產(chǎn)生CO2和NH3，氣體在高溫下膨脹，從而提高進(jìn)、出口壓差，補(bǔ)充地層能量［15］，實驗3進(jìn)、出口壓差甚至達(dá)到0.51MPa是由于泡沫封堵高滲透層，增大了驅(qū)替壓差［14］，而壓差提高速度較慢則是由于原油的消泡作用。

圖3 3組實驗進(jìn)、出口壓差隨注入體積的變化Fig.3 Variation of pressure difference with injected pore volume of steam in the three experiments

2.3 瞬時油汽比和瞬時含水率

對3組實驗的瞬時油汽比和瞬時含水率進(jìn)行對比（圖4，圖5）可以看出，實驗2和實驗3中轉(zhuǎn)驅(qū)點對應(yīng)的蒸汽注入體積分別為0.95和1倍孔隙體積。實驗1的瞬時油汽比持續(xù)降低，瞬時含水率持續(xù)升高；實驗2和實驗3在轉(zhuǎn)驅(qū)點前，隨注入體積的增加，油汽比呈下降趨勢，瞬時含水率不斷上升，在轉(zhuǎn)驅(qū)點后，實驗2和實驗3的瞬時油汽比大幅度升高，實驗2的瞬時油汽比從0.12升至0.36，實驗3的瞬時油汽比從0.12升至0.39；而瞬時含水率大幅度下降，實驗2的瞬時含水率從95.17%降至79.40%，實驗3的瞬時含水率從94.83%降至58.03%。實驗結(jié)果表明，尿素分解產(chǎn)生的CO2等氣體溶于稠油中，使稠油體積膨脹，粘度降低，從而提高原油流度，并且泡沫劑和氣體產(chǎn)生的泡沫能夠降低蒸汽流度［16］，因此尿素與泡沫共同作用的驅(qū)替效果好于尿素單獨作用的驅(qū)替效果。

圖4 3組實驗瞬時油汽比隨注入體積的變化Fig.4 Variation of instantaneous oil-steam ratio with pore volume of steam in the three experiments

圖5 3組實驗瞬時含水率隨注入體積的變化Fig.5 Variation of instantaneous water cut with injected pore volume of steam in the three experiments

2.4 采出程度

3組實驗采出程度隨注入體積的變化（圖6）可以看出，實驗3在轉(zhuǎn)驅(qū)點后的采出程度隨蒸汽注入體積的增加，上升速度加快，采出程度最高達(dá)65.41%；實驗2在轉(zhuǎn)驅(qū)點后采出程度增加幅度不如實驗3，最終的采出程度為58.68%；實驗1最終的采出程度為49.12%。實驗結(jié)果表明，尿素輔助蒸汽驅(qū)主要提高蒸汽波及區(qū)域內(nèi)的洗油效率，可以提高一定的采出程度；尿素泡沫輔助蒸汽驅(qū)實驗時，尿素可以擴(kuò)大蒸汽的波及區(qū)域，提高原油采出程度的效果最為明顯。

圖6 3組實驗采出程度隨注入體積的變化Fig.6 Variation of recovery degree with injected pore volume of steam in the three experiments

3 結(jié)論

稠油油藏尿素泡沫輔助蒸汽驅(qū)的三維物理模擬實驗表明，相比純蒸汽驅(qū)及尿素輔助蒸汽驅(qū)，尿素泡沫輔助蒸汽驅(qū)在尿素、泡沫和蒸汽三者的協(xié)同作用下，能夠有效提高瞬時油汽比和驅(qū)替壓差，降低瞬時含水率，抑制蒸汽超覆和竄流，達(dá)到提高蒸汽波及系數(shù)和洗油效率的作用，最終能夠大幅提高原油采收率?？紤]到經(jīng)濟(jì)因素，尿素成本低，制備工藝簡單，尿素泡沫輔助蒸汽驅(qū)技術(shù)具有較高的應(yīng)用價值，有望成為改善稠油油藏蒸汽驅(qū)效果的可行性技術(shù)。

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編輯 王 星

Three-dimension physical simulation experiment of urea-foam assisted steam flooding in heavy oil reservoir

Li Wenhui1，Liu Pengcheng1，Shen Dehuang2，Qian Hongtu1

（1.School of Energy Resources，China University of Geosciences（Beijing），Beijing City，100083，China；2.State Key Laboratory of Enhanced Oil Recovery，Petro China Research Institute of Petroleum Exploration&Development，Beijing City，100083，China）

In the processes of steam flooding in heavy oil reservoirs，the steam overlay and channeling often occur，which leads to small sweep efficiency of steam and low recovery efficiency of oil.Aiming at these problems，three experiments were conducted with a three-dimension displacement system，which included steam flooding，steam flooding converting to urea assisted steam flooding and steam flooding converting to urea-foam assisted steam flooding.The results show that the effect of the conventional steam flooding is not satisfactory；however，that of steam flooding converting to urea assisted or to urea-foam assisted steam flooding is better.After the conversion points of these two experiments，the instantaneous oil steam ratio was increased by 0.24 and 0.27 respectively；the recovery efficiency was improved by 9.56%and 16.29%respectively；the pressure difference between inlet and outlet increased by 0.18 and 0.33 MPa respectively and the instantaneous water cut decreased by 15.77%and 36.80%respectively.Variation of three-dimension temperature fields shows that the urea assisted steam flooding can expand the steam swept area but the effect is not obvious，and the urea-foam assisted steam flooding can control the steam overlay and channeling effectively and improve the sweep efficiency of the steam and produced degree of the oil.Comprehensive comparison of the above indexes indicates that the effect of urea-foam assisted steam flooding is the best.

steam flooding；oil dis placement mechanism；physical simulation；urea；foam；heavy oil reservoirs

TE357.41

A

1009-9603（2015）04-0118-05

2015-05-11。

李文會（1991—），男，內(nèi)蒙古呼和浩特人，在讀碩士研究生，從事稠油油藏開發(fā)物理模擬實驗研究。聯(lián)系電話：13718773235，E-mail：liwenhuicugb@163.com。

*通訊作者：劉鵬程（1969—），男，山東成武人，副教授。聯(lián)系電話：13522168398，E-mail：lpc@cugb.edu.cn。

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項資金“稠油與超稠油油藏流變特性與井網(wǎng)布置方式研究”（2652013094），國家科技重大專項“稠油/超稠油開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)”（2011ZX05012）。