熱力泡沫改善稠油油藏蒸汽驅(qū)開(kāi)發(fā)效果

李德儒，龐占喜

(1.中國(guó)石化河南油田分公司，河南 南陽(yáng) 473400；2. 長(zhǎng)江大學(xué)，湖北 荊州 434023；3.石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249；4.中國(guó)石油大學(xué)(北京)，北京 102249)

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熱力泡沫改善稠油油藏蒸汽驅(qū)開(kāi)發(fā)效果

李德儒1，2，龐占喜3，4

(1.中國(guó)石化河南油田分公司，河南 南陽(yáng) 473400；2. 長(zhǎng)江大學(xué)，湖北 荊州 434023；3.石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249；4.中國(guó)石油大學(xué)(北京)，北京 102249)

稠油油藏蒸汽驅(qū)開(kāi)發(fā)過(guò)程中存在蒸汽竄流及蒸汽超覆等現(xiàn)象，大幅降低了蒸汽的利用率，影響了蒸汽驅(qū)開(kāi)發(fā)效果。利用二維可視化物理模擬裝置，分析稠油油藏注蒸汽開(kāi)發(fā)過(guò)程中的汽竄現(xiàn)象、泡沫封堵性能與改善微觀波及體積的效果。研究表明：稠油油藏注蒸汽過(guò)程中，注采井間容易形成竄流通道；蒸汽在油層中產(chǎn)生明顯的黏性指進(jìn)現(xiàn)象，降低有效波及系數(shù)，竄流通道兩側(cè)滯留大量的剩余油；注入的泡沫流體進(jìn)入并存在于竄流通道內(nèi)，由于疊加的賈敏效應(yīng)對(duì)竄流通道具有較好的封堵作用，使注入蒸汽及冷凝水進(jìn)入含油飽和度較高的未波及區(qū)域，進(jìn)一步驅(qū)替油藏內(nèi)的剩余油。蒸汽驅(qū)開(kāi)發(fā)的最終采收率為48.48%，熱力泡沫輔助蒸汽驅(qū)的最終采收率可達(dá)到59.95%，最終采收率明顯提高。該研究為稠油油藏蒸汽驅(qū)開(kāi)發(fā)提供了借鑒。

稠油油藏；蒸汽驅(qū)；熱力泡沫；可視化實(shí)驗(yàn)；機(jī)理分析

0 引 言

世界上稠油資源豐富，蒸汽驅(qū)是開(kāi)發(fā)稠油的有效方式之一[1]。但在蒸汽驅(qū)過(guò)程中，由于油水黏度的差異，指進(jìn)現(xiàn)象嚴(yán)重，使得蒸汽的波及體積有限[2]；油層中孔隙度、滲透率分布的非均質(zhì)特性，使得油層中極易形成竄流通道，導(dǎo)致蒸汽驅(qū)后期原油產(chǎn)量大幅下降[3]；蒸汽與油水間存在較大的密度差異，蒸汽容易在油藏頂部超覆流動(dòng)，油藏中底部原油得不到有效動(dòng)用[4]。為了改善蒸汽驅(qū)開(kāi)發(fā)效果，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了廣泛的研究[5-11]。

目前，注蒸汽開(kāi)發(fā)稠油油藏主要應(yīng)用非凝析氣、高溫泡沫等助劑來(lái)改善效果[9]。泡沫獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，可增加氣相的表觀黏度，降低蒸汽或水的流度，有效抑制蒸汽的黏性指進(jìn)、重力超覆和井間竄流，使驅(qū)替介質(zhì)進(jìn)入油層底部以及滲流阻力大的低滲地層，從而有效提高了驅(qū)替介質(zhì)的波及體積，提高油藏的最終采收率[7，9]。通過(guò)自制的二維可視化模型，從宏觀和微觀兩方面，研究了稠油油藏蒸汽驅(qū)開(kāi)發(fā)及熱力泡沫輔助蒸汽驅(qū)開(kāi)發(fā)稠油油藏的機(jī)理，對(duì)實(shí)際稠油油藏采用熱力泡沫提高采收率具有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與流程

1.1 實(shí)驗(yàn)流體

所用發(fā)泡劑采用耐溫發(fā)泡劑ZWF-1(乳白色，弱酸性)，所用原油為河南油田L(fēng)Z27塊的地面脫氣原油，原油密度為0.969 8 g/cm3，地面脫氣原油黏度為7 896 mPa·s，地層水類型屬于重碳酸氫鈉型。

1.2 泡沫封堵能力實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示，實(shí)驗(yàn)裝置由4部分組成：填砂管模型、注入系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、產(chǎn)出系統(tǒng)。填砂管模型長(zhǎng)度為60.0 cm，內(nèi)徑為3.8 cm。實(shí)驗(yàn)步驟：①向填砂管內(nèi)填裝一定粒徑的玻璃微砂，然后連接實(shí)驗(yàn)裝置并試壓30 min；②將實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)定為實(shí)驗(yàn)溫度，然后以2 mL/min向填砂管內(nèi)注入地層水，計(jì)算填砂管的孔隙度與絕對(duì)滲透率；③以恒定流量向填砂管內(nèi)注入熱水(2 mL/min)和標(biāo)準(zhǔn)狀況下的N2(100 mL/min)，穩(wěn)定后的壓差即為基礎(chǔ)壓差；④以恒定流量向填砂管內(nèi)注入發(fā)泡劑溶液(2 mL/min)和標(biāo)準(zhǔn)狀況下的N2(100 mL/min)，穩(wěn)定后的壓差即為封堵壓差；⑤用該溫度條件下測(cè)得的封堵壓差除以基礎(chǔ)壓差即可計(jì)算出該溫度條件下的泡沫阻力因子；⑥向填砂管內(nèi)以4 mL/min注入地層水，實(shí)時(shí)采集填砂管兩端壓差隨時(shí)間的變化關(guān)系，最終穩(wěn)定后的壓差為殘余封堵壓差，殘余封堵壓差與基礎(chǔ)壓差的比值為殘余阻力因子。

圖1 泡沫封堵性能實(shí)驗(yàn)流程

1.3 平面可視化實(shí)驗(yàn)

二維可視化實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要包括：高清照相機(jī)、微距鏡頭、二維可視化模型、ISCO恒速平流泵、蒸汽發(fā)生器、秒表、壓力計(jì)、量筒。其中，二維可視化物理模型是實(shí)驗(yàn)中最重要的部分，主要由2塊石英玻璃板組成。在耐溫石英玻璃的可視區(qū)域內(nèi)用雙面膠將1層40目玻璃微珠固定于玻璃板內(nèi)側(cè)，而后將2塊石英玻璃用耐溫玻璃膠粘合。將制作好的模型用夾持裝置進(jìn)行固定?？梢暷Ｐ椭谱魍瓿芍鬁y(cè)得孔隙度為0.38，滲透率為2.01 μm2。

實(shí)驗(yàn)流程如下：①向?qū)嶒?yàn)系統(tǒng)內(nèi)注入3 MPa的高壓N2，關(guān)閉注入端和出口端閥門(mén)，測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的密閉性；②將實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)恒溫至油藏溫度(50 ℃)；③利用ISCO恒速恒壓泵注入地層水，流量為0.2 mL/min，至出口端見(jiàn)水穩(wěn)定；④利用ISCO恒速恒壓泵注入稠油，流量為0.2 mL/min，至出口端含油率達(dá)到100%；⑤將蒸汽發(fā)生器溫度設(shè)定為200 ℃，利用ISCO恒速恒壓泵以0.2 mL/min的流量向可視化模型中注入蒸汽；⑥至出口端含水率達(dá)到95%時(shí)停止注蒸汽，而后同時(shí)注入發(fā)泡劑溶液與N2，其中發(fā)泡劑溶液流量為0.2 mL/min，N2流量為10.0 mL/min；⑦待可視化模型中觀察到大量氣泡形成后，利用ISCO恒壓恒速泵以0.2 mL/min的流量注入蒸汽，至出口端采出液的含水率達(dá)到95%停止。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 泡沫封堵性能

分別在50、150、200、250、300 ℃條件下測(cè)定ZWF-1發(fā)泡劑溶液的泡沫阻力因子(表1)。由表1可知：基礎(chǔ)壓差(N2和地層水同注)隨溫度的增加逐漸增加，溫度越高，增加幅度越大；在注N2泡沫條件下，封堵壓差(N2和發(fā)泡劑溶液同注)及阻力因子隨溫度的增加而大幅度降低，在300 ℃下的阻力因子降至10.79；50 ℃下后續(xù)水驅(qū)測(cè)定的殘余阻力因子為2.93，至300 ℃時(shí)殘余阻力因子僅為1.61。說(shuō)明溫度對(duì)泡沫穩(wěn)定性及封堵性影響較大。

表1 泡沫封堵能力測(cè)定結(jié)果

2.2 可視化實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 動(dòng)態(tài)變化特征

圖2為稠油底水油藏水平井生產(chǎn)過(guò)程中生產(chǎn)動(dòng)態(tài)變化曲線。由圖2可知，從初始時(shí)刻至注泡沫階段前(0～140 min)，連續(xù)生產(chǎn)階段的生產(chǎn)壓差基本穩(wěn)定在0.35 MPa左右，生產(chǎn)過(guò)程中明顯存在無(wú)水期，約為15 min，此時(shí)對(duì)應(yīng)最高瞬時(shí)產(chǎn)油量為0.20 mL/min，而后瞬時(shí)產(chǎn)油量大幅度降低，含水率大幅度增加，無(wú)水期采收率為12.75%，140 min時(shí)含水率達(dá)到90%，瞬時(shí)產(chǎn)油量為0.02 mL/min，對(duì)應(yīng)采出程度為48.48%。從140 min開(kāi)始，注入0.2倍孔隙體積的N2泡沫，生產(chǎn)壓差增至約0.40 MPa，穩(wěn)定于0.39 MPa，含水率由90%降至約80%，瞬時(shí)產(chǎn)油量增至0.05 mL/min，直至175 min含水率才明顯增加，至模擬結(jié)束(245 min)時(shí)，含水率為92.31%，瞬時(shí)產(chǎn)油量為0.02 mL/min，最終采出程度為59.95%，比蒸汽驅(qū)開(kāi)發(fā)提高了11.47個(gè)百分點(diǎn)。

圖2 生產(chǎn)動(dòng)態(tài)變化曲線

2.2.2 平面驅(qū)油特征

注蒸汽結(jié)束后，可視化模型的對(duì)角注采井間沿主流線形成了明顯波及范圍(圖3)。圖3中，黑色區(qū)域?yàn)槲床霸停S色或橙色區(qū)域?yàn)樽⑷虢橘|(zhì)，平面波及系數(shù)達(dá)到48.74%，對(duì)應(yīng)的蒸汽驅(qū)采出程度為48.48%，波及范圍內(nèi)仍有部分原油被注入蒸汽繞流而滯留于油藏內(nèi)，主流線兩側(cè)有大量的剩余油；后續(xù)注入蒸汽、N2和發(fā)泡劑混合流體后，平面波及系數(shù)明顯增加，達(dá)到70.35%，比蒸汽驅(qū)增加了21.61個(gè)百分點(diǎn)，且波及范圍內(nèi)的洗油效率明顯增加，最終對(duì)應(yīng)的采收率達(dá)到59.95%。其原因?yàn)椋喊l(fā)泡劑本身為表面活性物質(zhì)，可有效降低蒸汽波及區(qū)域內(nèi)的殘余油；另外，N2與發(fā)泡劑生成的泡沫具有“堵大不堵小、堵水不堵油”的特點(diǎn)，注N2的同時(shí)添加適量發(fā)泡劑可進(jìn)一步改善蒸汽的開(kāi)發(fā)效果[5，7]。

圖3 蒸汽驅(qū)與熱力泡沫輔助蒸汽驅(qū)后平面波及狀況對(duì)比

圖4選取了泡沫注入過(guò)程中的局部微觀圖像(圖中粉紅色為氣泡)。由圖4可知，注入的泡沫經(jīng)過(guò)玻璃珠與平板玻璃構(gòu)成的孔隙介質(zhì)后被截?cái)酁闅馀荻稳菽稳麅?yōu)先進(jìn)入含油飽和度較低的A區(qū)域。而隨著泡沫量的增加，A區(qū)域形成的氣泡段塞對(duì)蒸汽或熱水的流動(dòng)具有一定的暫堵能力。在N2氣泡段塞封堵作用下，底水蒸汽或熱水的流動(dòng)逐漸由A區(qū)域轉(zhuǎn)向B區(qū)域，B區(qū)域先前較窄的流動(dòng)通道逐漸擴(kuò)大，波及系數(shù)與洗油效率逐漸提高，有利于增加原油采出程度。這也正是熱力泡沫改善稠油油藏注蒸汽開(kāi)發(fā)效果的機(jī)理所在。

圖4 泡沫封堵機(jī)理及改善波及效率機(jī)理分析

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果并結(jié)合泡沫的封堵機(jī)理，對(duì)熱力泡沫改善蒸汽驅(qū)的效果進(jìn)行綜合分析：①表面活性劑有效降低油水界面張力，提高洗油效率。隨蒸汽注入油層的表面活性劑一部分與氣體接觸，以泡沫液膜的形式存在；而另一部分以表面活性劑溶液的形式隨蒸汽冷凝液流動(dòng)，能夠大幅度降低油水界面張力，改善地層的潤(rùn)濕特性，對(duì)蒸汽驅(qū)的殘余油具有一定的啟動(dòng)作用。②竄流通道內(nèi)的熱力泡沫增大氣相表觀黏度，降低氣相流度。泡沫的存在極大降低了氣相的流動(dòng)能力，控制氣相流度，從而有效抑制汽竄。③對(duì)蒸汽吸汽剖面的改善作用。熱力泡沫的作用主要體現(xiàn)在調(diào)剖和流動(dòng)控制2方面：一方面，泡沫有效抑制蒸汽超覆，調(diào)整吸汽剖面，使蒸汽沿垂向均勻分配；另一方面，泡沫在平面上使驅(qū)替前緣以大致相同的速度均勻推進(jìn)，擴(kuò)大平面波及系數(shù)。④提高注入熱能的利用率。由于泡沫與非凝析氣體的存在，降低油藏的熱損失，注入蒸汽滯留在油藏中，提高了注入蒸汽的利用率。

3 結(jié) 論

(1) 蒸汽驅(qū)過(guò)程中指進(jìn)現(xiàn)象非常明顯，注入蒸汽沿主滲流通道方向突進(jìn)，滯留大量剩余油。泡沫注入地層后，由于賈敏效應(yīng)對(duì)水相和氣相的流動(dòng)起到抑制作用，可進(jìn)一步擴(kuò)大波及系數(shù)和驅(qū)油效率；注熱力泡沫調(diào)驅(qū)后最終采出程度達(dá)到59.95%，比蒸汽驅(qū)提高了11.47個(gè)百分點(diǎn)。

(2) 宏觀層面上，由于泡沫的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，有效抑制蒸汽超覆流動(dòng)，降低蒸汽與冷凝水的竄流，可有效增大驅(qū)替流體的波及體積，提高最終采收率；微觀層面上，由于氣泡的膨脹效應(yīng)，運(yùn)移氣泡可以驅(qū)動(dòng)孔隙邊緣及盲端內(nèi)的殘余油，提高微觀波及系數(shù)和驅(qū)油效率。

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編輯 劉 巍

10.3969/j.issn.1006-6535.2016.05.021

20160323；改回日期：20160520

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“蒸汽+非凝析氣熱力泡沫在多孔介質(zhì)中的運(yùn)移及滯留機(jī)理”(51104165)

李德儒(1974-)，男，高級(jí)工程師，1997年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院石油地質(zhì)專業(yè)，現(xiàn)從事油田開(kāi)發(fā)技術(shù)管理工作。

TE357

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1006-6535(2016)05-0089-04