致密儲集層空氣泡沫驅(qū)模擬實驗與應用

徐大融，李相方，李元生，于鵬亮，夏　俊，蔣明潔

（中國石油大學石油工程教育部重點實驗室，北京102249）

致密儲集層空氣泡沫驅(qū)模擬實驗與應用

徐大融，李相方，李元生，于鵬亮，夏俊，蔣明潔

（中國石油大學石油工程教育部重點實驗室，北京102249）

致密油藏的開發(fā)主要利用儲集層原始天然彈性能量，最終采收率一般低于10%.應用空氣泡沫驅(qū)開發(fā)致密油藏，可以補充地層能量以達到提高最終采收率的目的。通過單管巖心和雙管巖心實驗，研究了空氣泡沫驅(qū)在致密油藏中的流動特性和驅(qū)替效果，考慮了不同影響因素對空氣泡沫驅(qū)效果的影響。得出最優(yōu)氣液比為3∶1，最優(yōu)泡沫液段塞為0.05 PV.實例驗證表明，空氣泡沫驅(qū)增油效果明顯，15口典型生產(chǎn)井注入前平均月產(chǎn)油198.1 t，注入后為240.0 t，增油幅度達21%；空氣泡沫驅(qū)控水效果明顯，注入前典型生產(chǎn)井平均含水率28.8%，注入后為28.9%，含水率僅增高0.1%.關鍵詞：致密油藏；空氣泡沫驅(qū)；水驅(qū)；驅(qū)油效率；提高采收率；單管巖心；雙管巖心

致密油作為一種重要的非常規(guī)油氣資源，自2008年在美國威靈斯頓盆地首次成功實現(xiàn)開發(fā)以來，其勘探開發(fā)取得了巨大進展。美國是目前全球致密油勘探開發(fā)最成功的國家，2010年美國產(chǎn)量突破2.5×107t，使美國持續(xù)24年的石油產(chǎn)量下降趨勢首次得以扭轉[1-5]。

致密油藏表現(xiàn)出儲集層厚且連續(xù)、超低孔滲、高含水飽和度等特征。以美國巴肯（Bakken）油藏為例，其儲集層具有以下特征：①油層分布廣泛，威靈斯頓盆地橫跨美國和加拿大，富含致密油的巴肯儲集層在全盆地均有分布，在美國境內(nèi)的覆蓋范圍包含了蒙大拿州局部和達科他州北部；②優(yōu)質(zhì)的烴源巖條件，巴肯組上段和下段都是很好的烴源巖，富含有機質(zhì)，總有機碳含量大于10%，有機質(zhì)成熟度處在生油窗范圍內(nèi)，鏡質(zhì)體反射率為0.6%～1.0%；③有利的儲集層，巴肯組中段孔滲性相對于上段和下段具有一定的優(yōu)勢，能夠作為優(yōu)質(zhì)儲集層，最大厚度為26 m；④屬于脆性地層，儲集層脆性礦物含量40%左右，比較適合運用水力壓裂進行增產(chǎn)改造；⑤巴肯組中段天然裂縫發(fā)育，80%的井都鉆遇了天然裂縫[6-11]。

美國對致密油藏的開發(fā)主要綜合利用長水平段水平井和多級封網(wǎng)壓裂技術，并合理利用儲集層的彈性能。隨著技術水平的進步，逐漸形成了以提高鉆完井效率為主要目標的“工廠化”開發(fā)方式，取得了良好的效果。中國致密油藏的早期開發(fā)借鑒了美國的經(jīng)驗，采用井工廠，立足于天然能量進行開發(fā)，在松遼盆地青山口組、準噶爾盆地蘆草溝組和鄂爾多斯盆地延長組等，多數(shù)采用天然能量開發(fā)方法，并逐漸沿用類似的“工廠化”開發(fā)方式。但是開發(fā)實踐表明，利用此種開發(fā)方式，均存在早期產(chǎn)量高，隨后遞減很快，經(jīng)濟效益不顯著的問題。究其原因，國外油藏條件（如油層厚度、孔隙度、地層壓力、氣油比、原油黏度等）普遍要比中國油藏好，中國油藏并不具備完全沿用或照搬美國開發(fā)經(jīng)驗的基礎[12-16]。實際上，國外也大量研究了注氣、注水、注泡沫等方法提高致密油采收率，并得出一些重要認識[17-20]。

空氣泡沫驅(qū)提高采收率方式在常規(guī)中高滲油藏中已經(jīng)得到成功應用，只是在低滲致密油藏中的應用還不廣泛?？諝馀菽?qū)在提高油藏驅(qū)替效率、降低含水率等方面有其獨特的成效。本文就致密油藏采用空氣泡沫驅(qū)方式開展室內(nèi)實驗研究，以期評價其對致密油藏開發(fā)的適應性。

1　實驗條件與步驟

（1）實驗設備HX-2驅(qū)替實驗裝置；CBS-A程控全自動部分收集器；HXHY-1環(huán)壓跟蹤控制儀；100DX雙缸控制泵（syringe pump）；GCS10空氣壓縮機；ZR-Ⅲ中間容器，壓力小于70 MPa，1 000 mL；ZR-Ⅲ中間容器，壓力小于50MPa，1000mL；WH-30L電子天枰。

（2）實驗條件①實驗溫度為30℃；②實驗用水為研究區(qū)（鄂爾多斯盆地延長油田長6致密油層）水樣，礦化度42 896.5 mg/L，干燥空氣；③實驗用油為研究區(qū)脫水脫氣原油油樣，黏度2.5 mPa·s；④泡沫液為0.6%氟碳表面活性劑+0.2%十二烷基羥丙基磷酸酯甜菜堿（無色）+清水；⑤實驗用巖心為人造巖心，巖心直徑36 mm，巖心長度1 800 mm.

（3）實驗步驟①將巖心負壓飽和地層水24 h后，置入巖心夾持器中加壓充注飽和4 h；②加壓飽和脫水脫氣原油，至巖心中飽和流體不再流出為止；③將飽和流體的巖心接入單管巖心驅(qū)油實驗裝置；④恒流量注入實驗用水，記錄含油飽和度隨時間的變化規(guī)律；⑤達到實驗要求含油飽和度后，恒流量交替注入泡沫液和干燥空氣，記錄含油飽和度變化規(guī)律；⑥重復步驟①和②，然后將飽和流體的巖心接入雙管巖心驅(qū)油實驗裝置；⑦重復步驟④和⑤；⑧記錄試驗數(shù)據(jù)，實驗結束。

2　實驗數(shù)據(jù)與結果分析

2.1單管巖心空氣泡沫驅(qū)實驗

（1）水驅(qū)至含水率為98%后泡沫驅(qū)效果評價在30℃的條件下，將不同滲透率的巖心（1塊取自致密儲集層，2塊取自常規(guī)儲集層）以0.4 mL/min的注水速度進行水驅(qū)，至巖心產(chǎn)出流體含水率達到98%時改空氣泡沫驅(qū)。采用注一段泡沫液再注一段空氣的注采方式，氣液比為3∶1.實時記錄含油飽和度的變化（表1），并計算對應的驅(qū)油效率（圖1）。

表1　單管巖心不同滲透率空氣泡沫驅(qū)實驗結果

由圖1可知，水驅(qū)至含水率為98%時含油飽和度達到穩(wěn)定，轉注泡沫之后進一步提高了驅(qū)替效率；滲透率高的巖心，驅(qū)替效果更好。

圖1　單管巖心水驅(qū)至含水率為98%后空氣泡沫驅(qū)實驗

水驅(qū)和空氣泡沫驅(qū)的最終驅(qū)油效率都隨著滲透率的增大而增大；相同滲透率條件下，水驅(qū)比空氣泡沫驅(qū)的驅(qū)油效率低，實驗中致密儲集層空氣泡沫驅(qū)效果比較明顯，最終提高驅(qū)油效率達19.6%.

（2）水驅(qū)至固定含油飽和度后泡沫驅(qū)效果評價

為了獲得空氣泡沫驅(qū)油效率與含油飽和度的關系，在30℃的條件下，將巖心以0.4 mL/min的注水速度水驅(qū)至實驗要求的含油飽和度然后交替注入泡沫液和干燥空氣，巖心滲透率均低于1 mD，氣液比為3∶1，隨時間記錄驅(qū)油效率（表2，圖2）。

表2　單管巖心不同含油飽和度空氣泡沫驅(qū)實驗結果

從圖2的變化關系可以看出，空氣泡沫驅(qū)的驅(qū)油效率隨著含油飽和度的增加而呈降低的趨勢。分析原因認為，干燥空氣與泡沫液在儲集層中生成泡沫是在水相區(qū)域，油相區(qū)域泡沫含量減少，因此在水相區(qū)域封堵喉道，達到堵水不堵油的效果；隨著含油飽和度的增加，泡沫在油相區(qū)域中的生泡效果變差，封堵能力降低，因此提高驅(qū)油效率的幅度隨之降低。

圖2　單管巖心水驅(qū)至固定含油飽和度后空氣泡沫驅(qū)實驗

2.2雙管巖心空氣泡沫驅(qū)實驗

（1）儲集層非均質(zhì)條件下水驅(qū)至實驗要求的含油飽和度后泡沫驅(qū)效果評價在30℃的溫度下，以恒定速度注入實驗用水，至含水率達到98%，然后交替注入泡沫液和干燥空氣，氣液比為3∶1，實時記錄驅(qū)油效率（圖3，表3）。

圖3　雙管巖心水驅(qū)至實驗要求的含油飽和度后空氣泡沫驅(qū)實驗

從表3可以看出，層間非均質(zhì)油藏巖心水驅(qū)驅(qū)油效率比單管巖心實驗的普遍要低，說明油藏巖心中的較大孔喉對兩相流動的影響較大。注入的水會首先進入大孔喉，并迅速突破出口端，因此巖心的水相相對滲透率升高，一方面導致開始產(chǎn)水，另一方面水相突破導致油相相對滲透率降低，產(chǎn)油困難。

表3　雙管巖心不同滲透率級差空氣泡沫驅(qū)實驗結果

在層間非均質(zhì)性的基礎上，進一步考慮雙管巖心的變異系數(shù)，對致密油藏層內(nèi)非均質(zhì)性進行研究。通過對不同驅(qū)替方式下驅(qū)油效率的提高，觀察變異系數(shù)對驅(qū)油效率的影響。

從圖4可以看出，隨著變異系數(shù)的增大，即儲集層非均質(zhì)越來越大，水驅(qū)驅(qū)油效率降低，分析原因認為，水驅(qū)過程中，水首先進入高滲透巖心，突破后形成高滲層優(yōu)勢通道，低滲透巖心中的原油幾乎未被驅(qū)替出來，驅(qū)替效率主要取決于高滲透巖心的驅(qū)油效率，造成水驅(qū)驅(qū)油效率比單管實驗時小很多，變異系數(shù)小，驅(qū)油效率也相對較高。

（2）儲集層非均質(zhì)條件下水驅(qū)至固定含油飽和度后泡沫驅(qū)效果評價為了獲得雙管巖心空氣泡沫驅(qū)油效率與含油飽和度的關系，在30℃的條件下，將巖心以0.4 mL/min的注入速度水驅(qū)，至雙管巖心分別達到實驗要求的含油飽和度然后進交替注入泡沫液和干燥空氣，氣液比為3∶1，記錄驅(qū)油效率隨時間的變化（表4，圖5）。

從圖5可以看出，含油飽和度對巖心驅(qū)油效率有一定的影響，含油飽和度越大，提高驅(qū)油效率幅度越小。

圖4　雙管巖心驅(qū)油效率與變異系數(shù)的關系

驅(qū)油效率隨含油飽和度的增加而減小，說明泡沫較好地封堵了高滲孔隙，使低滲孔隙的波及系數(shù)增加，總體上可提高驅(qū)油效率，證明了泡沫是一種堵水而不堵油的選擇性堵劑。

2.3單管巖心與雙管巖心實驗結果對比分析

單管巖心實驗中發(fā)現(xiàn)，致密巖心中應用空氣泡沫驅(qū)的驅(qū)油效率受到巖心滲透率的影響較大，在雙管巖心實驗中，滲透率級差對驅(qū)油效率的影響較大。因此推論，在實際現(xiàn)場應用中，滲透率的分布情況對空氣泡沫驅(qū)的使用效果影響最大。在同時存在高滲和低滲通道的情況下，空氣泡沫驅(qū)會優(yōu)先進入高滲通道，因此水驅(qū)轉空氣泡沫驅(qū)的時機應在注入水完全形成水竄通道之前。

表4　雙管巖心不同含油飽和度空氣泡沫驅(qū)實驗結果

圖5　雙管巖心水驅(qū)至固定含油飽和度后空氣泡沫驅(qū)實驗

同時，在單管巖心和雙管巖心實驗中都發(fā)現(xiàn)，水驅(qū)后轉空氣泡沫驅(qū)的驅(qū)油效率受到剩余油飽和度影響較小，因此水驅(qū)轉空氣泡沫驅(qū)的時機應在水驅(qū)達到預期效果之后，以便充分發(fā)揮不同注驅(qū)方式的作用。

3　致密油空氣泡沫驅(qū)機理討論

3.1致密儲集層相對常規(guī)儲集層毛細管壓力作用顯著

（1）致密儲集層孔喉半徑分布廣泛采集現(xiàn)場實際巖心，進行壓汞測試，實驗設備為Micromeritics公司9320壓汞儀，實驗最高壓力204 MPa，測量喉道半徑為0.006～360 μm.實驗方法和數(shù)據(jù)處理方法參照SY/T 5346—2005《巖石毛管壓力曲線的測定》。

在同一口井同一深度，垂直90°橫向取心，巖心基礎孔滲參數(shù)如下。

1號巖心基礎參數(shù)：巖心長度6.378 cm，巖心直徑2.512 cm，氣測滲透率0.369 mD，孔隙度7.035%．

2號巖心基礎參數(shù)：巖心長度5.054 cm，巖心直徑2.51 cm，氣測滲透率0.162 5 mD，孔隙度5.961%.

根據(jù)壓汞實驗結果可知，致密巖心的實際孔喉半徑分布不均勻。在同一口井同一深度所取巖心，基礎孔滲參數(shù)存在明顯差別；壓汞曲線中，進汞飽和度和退汞飽和度雖然相近，但是所得的喉道半徑分布存在明顯差別（圖6—圖9）。

圖6　1號巖心壓汞實驗毛細管壓力曲線

圖7　1號巖心壓汞實驗喉道半徑分布曲線

廣泛分布的孔喉半徑，導致了致密巖心中的毛細管壓力分布同樣不均勻，同時由于致密油藏的狹小喉道，導致致密油藏的毛細管壓力與常規(guī)油藏中存在量級差異，因此毛細管壓力是致密油藏開發(fā)中不可忽略的重要影響因素。

（2）致密儲集層廣泛分布的孔喉尺度引起差異較大的毛細管壓力由于致密油藏儲集層微觀非均質(zhì)性導致的不同毛細管壓力作用，因此在水驅(qū)過程中，儲集層中的大孔隙的油首先被動用，小孔隙中的油由于毛細管壓力作用，在小壓差下難以動用；大孔隙中的油被水驅(qū)出之后，形成水相流動通道，嚴重時造成水竄，導致含水率上升。

圖8　2號巖心壓汞實驗毛細管壓力曲線

圖9　2號巖心壓汞實驗喉道半徑分布曲線

研究區(qū)主要采用不規(guī)則反九點井網(wǎng)，注水區(qū)采出程度達到6.9%，綜合含水率高達82.4%，油藏動用程度很低，還有較大開發(fā)潛力，但是單一注水已經(jīng)明顯無法滿足開發(fā)需求，主要原因就是現(xiàn)場條件下注水壓差已經(jīng)無法再動用儲集層中較小孔隙內(nèi)的原油。

（3）致密儲集層差異較大的毛細管壓力影響空氣泡沫驅(qū)效果致密油藏應用空氣泡沫驅(qū)，泡沫在水相區(qū)域內(nèi)不斷聚集成泡，不斷增加水竄通道中的兩相毛細管壓力，隨著水竄通道不斷被氣相毛細管壓力封堵，迫使水相進入更為細小的孔隙中，流動阻力增大，注驅(qū)壓力上升，從而動用小孔隙中的原油，最終提高采收率。由于空氣泡沫驅(qū)的主要目的是封堵較大孔喉的水竄通道，主要驅(qū)油流體仍然是空氣，因此并不需要注入大量的泡沫液，只需要注入足夠的段塞就能夠滿足開發(fā)需求。

3.2致密儲集層空氣泡沫驅(qū)效果對氣液比很敏感

在致密儲集層中使用空氣泡沫驅(qū)，氣液比是關鍵的影響因素。在本實驗中，由于注入量較小，巖心尺度有限，因此未發(fā)生壓力過高，甚至達到實驗設備上限的狀況。但是在實際開發(fā)過程中，過于頻繁地交替注入空氣與泡沫液，將在近井地帶重復形成封堵，不僅不能提高油藏的采收率，反而會提高注入壓力，嚴重時影響生產(chǎn)安全。因此空氣泡沫驅(qū)在使用時，應根據(jù)現(xiàn)場情況選取最優(yōu)的氣液比。

3.3致密儲集層空氣泡沫驅(qū)需要提供較高的注入壓力

空氣泡沫驅(qū)的主要提高采收率機理就是封堵已形成水竄通道的大孔隙，而后驅(qū)替小孔隙中的剩余油。因此，不管如何調(diào)節(jié)氣液比，更高的注入壓力都是提高采收率的必要條件。所以致密儲集層中應用空氣泡沫驅(qū)需要提供更高的注入壓力，以滿足其提高采收率的需要。

4　現(xiàn)場實例驗證

研究區(qū)主要含油層位為三疊系延長組長6油層組。長6儲集層平均孔隙度7.9%，平均滲透率0.82 mD，為特低滲儲集層?？紫额愋椭饕獮榱ｉg孔和溶蝕孔，局部發(fā)育微裂縫。整個油藏孔隙度變異系數(shù)0.343 5，突進系數(shù)1.70，級差2.16，滲透率變異系數(shù)0.44，非均質(zhì)系數(shù)1.47，突進系數(shù)6.39，級差3.86，具有較強的非均質(zhì)性。

研究區(qū)2002年大規(guī)模上產(chǎn)，采用不規(guī)則反九點井網(wǎng)同步注水開發(fā)。2007年9月引進空氣泡沫驅(qū)油技術，目前有注水站1座，配水間13座，注水井107口（含16口注空氣、泡沫液井），水驅(qū)控制面積17.84 km2，水驅(qū)動用儲量874.36×104t（其中空氣泡沫驅(qū)面積1.4 km2，儲量68.62×104t），動用程度53.64%.

截至2015年6月，研究區(qū)累計注入空氣71394.65m3（折算到地下體積），注入泡沫液13 599.45 m3，注水123 923 m3，年采油速度為0.70%，采出程度為10.47%．

由此可見，空氣泡沫驅(qū)增油效果明顯。15口典型生產(chǎn)井注入前平均月產(chǎn)油198.1 t，注入后平均月產(chǎn)油240.0 t，增油幅度21%；空氣泡沫驅(qū)控水效果明顯。注入前典型生產(chǎn)井平均含水率28.8%，注入后平均含水率28.9%，截至目前含水率僅增高0.1%.

5　結論

（1）泡沫液和空氣段塞交替的注入方式驅(qū)油效果優(yōu)于直接泡沫驅(qū)。在驅(qū)替實驗中，氣液比為1∶1時和氣液比為3∶1時的最終驅(qū)油效率較為接近，但從經(jīng)濟上考慮，推薦氣液比為3∶1，因為交替段塞過小，形成泡沫過多，重復封堵水相通道，造成浪費。

（2）泡沫液段塞為0.05 PV的泡沫液和空氣交替段塞驅(qū)油效果最好，現(xiàn)場施工宜采用小段塞模式，或是大段塞驅(qū)替后再進行小段塞驅(qū)替，也能進一步提高采收率。

（3）致密油藏中采用提高采收率措施的主要目標在于提高致密儲集層中大孔喉的毛細管壓力，迫使后續(xù)的注入流體進入更細小的孔喉中，驅(qū)替更多的原油，達到提高采收率的目的。

（4）通過室內(nèi)實驗證明，泡沫驅(qū)能夠有效提高致密巖心的驅(qū)替效率，尤其是在水驅(qū)之后的提高驅(qū)油效率顯著，在實際開發(fā)中可以作為一種后續(xù)開發(fā)方式。本次未進行裂縫性巖心的實驗，泡沫驅(qū)在天然裂縫和人工裂縫油藏中的適用條件還有待進一步研究。

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［20］CLARA C，DURANDEAU M，QUENAULT G，et al.Laboratory studies for light oil air injection projects：potential application in Handil field［DB/QL］.SPE 54377?MS，1999-04-20.

（編輯葉良）

Air Foam Flooding in Tight Reservoirs:Simulation Experiment and Application

XU Darong,LI Xiangfang,LI Yuansheng,YU Pengliang,XIA Jun,JIANG Mingjie
(MOE Key Laboratory of Petroleum Engineering,China University of Petroleum,Beijing 102249,China)

The original natural elastic energy of reservoirs are main energies for tight reservoir development and the ultimate recovery fac?tor is generally less than 10%.Air foam flooding can replenish energy for tight reservoir development to improve the ultimate recovery fac?tor.Based on experiments with single?barreled cores and double?barreled cores,the paper studies flow characteristics and displacement ef?fect in tight reservoirs by air foam flooding,discusses the influences of different factors on the air foam flooding effect and concludes that the optimal gas?liquid ratio is 3:1 and the optimal size of foam liquid slug is 0.05 PV.The results show that the air foam flooding can obvi?ously improve oil production and good water control effect can be gained.Taking 15 typical producers as examples,the average oil produc?tion per month is 198.1 t and 240.0 t before and after injection,respectively,and the oil production is increased by 21%;the average water cut is 28.8%and 28.9%before and after injection,respectively,and the water cut only increases by 0.1%.

tight reservoir;air foam flooding;waterflooding;oil displacement efficiency;EOR;single?barreled core;double?barreled core

TE357.435

A

1001-3873（2016）06-0697-06

10.7657/XJPG20160612

2016-01-13

2016-05-09

陜西省科技廳重大專項（2011KTZB-04）

徐大融（1988-），男，山東聊城人，博士研究生，油氣開發(fā)，（Tel）010-89732793（E-mail）darong8899@126.com