某區(qū)塊泡沫油形成原因及泡沫體積影響因素試驗研究

魏建光，林雪松

(東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163000)

某區(qū)塊泡沫油形成原因及泡沫體積影響因素試驗研究

魏建光，林雪松

(東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163000)

針對大慶油田某區(qū)塊形成泡沫油與鄰近未形成泡沫油的區(qū)塊開展了原油族組成、原油碳族成、地層水礦化度和油氣界面張力測定對比研究。通過泡沫油巖心流動試驗研究了不同溶解氣油比、含水率、巖心滲透率、驅(qū)替壓差對泡沫油體積的影響規(guī)律。結(jié)果表明：形成泡沫油與鄰近未形成泡沫油的區(qū)塊相比飽和烴含量高、輕質(zhì)碳同位素含量高、地層水礦化度低、油氣界面張力低。通過巖心后泡沫油體積隨著原油中溶解氣油比增大、含水率減小而增大。該研究條件(1.23～15.98mD)下巖心滲透率越小泡沫油穩(wěn)定存在的時間越長。驅(qū)替壓差越大，泡沫油穩(wěn)定存在時間越長，但影響程度較弱。該研究思路及成果對生產(chǎn)過程中出現(xiàn)泡沫油區(qū)塊的原因分析及高效開發(fā)具有借鑒意義和工程指導(dǎo)價值。

泡沫油;泡沫油形成原因;泡沫體積;泡沫體積影響因素

泡沫油流是溶解氣驅(qū)生產(chǎn)階段氣-油兩相非達(dá)西形態(tài)的油流，它不同于常規(guī)油氣兩相流，受控于原油和溶解氣的界面張力、原油物性等因素而形成的一種油相連續(xù)的油氣分散體系[1～3]。國內(nèi)外學(xué)者針對泡沫油的性質(zhì)、形成過程、生長過程及穩(wěn)定性因素進(jìn)行了大量的理論研究[4～14]，但對泡沫油形成機(jī)理尚未形成系統(tǒng)的認(rèn)識[15～18]，沒有從泡沫油流流體本身的特性出發(fā)，未能將泡沫油的形成與其內(nèi)在因素聯(lián)系在一起；沒有從泡沫油所處實際地層環(huán)境出發(fā)，未考慮到實際地層環(huán)境的變化對泡沫油形成的影響，所以具有一定的局限性。

筆者將從內(nèi)、外共8個因素對泡沫油的形成進(jìn)行系統(tǒng)研究，其中流體特性因素(即內(nèi)因)包括原油族組成、原油碳族成、地層水礦化度、油氣界面張力4個方面，通過對比試驗，研究形成泡沫油區(qū)塊及未形成泡沫油區(qū)塊內(nèi)因的不同，明確各因素對泡沫油形成的影響；地層環(huán)境因素(即外因)包括溶解氣油比、含水率、儲層滲透率、驅(qū)替壓差4個方面，通過巖心流動試驗?zāi)M不同外因條件下泡沫油的變化情況，明確各因素對泡沫油形成的影響。通過以上兩部分的分析，對影響泡沫油形成的因素有更為系統(tǒng)的認(rèn)識，進(jìn)一步豐富了泡沫油的形成機(jī)理。

1 形成泡沫油與鄰近未形成泡沫油區(qū)塊地層流體特性測定對比試驗

對于流體特性的分析，為了找到產(chǎn)生泡沫區(qū)塊及未產(chǎn)生泡沫區(qū)塊流體性質(zhì)的差異，采用對比試驗的方法設(shè)計流體特性測定試驗。試驗樣品分別采自實際生產(chǎn)過程中產(chǎn)生“泡沫油”現(xiàn)象的L區(qū)塊，及未發(fā)現(xiàn)“泡沫油”現(xiàn)象的W區(qū)塊、Q區(qū)塊及G區(qū)塊。通過對比試驗，研究形成泡沫油及未形成泡沫油區(qū)塊原油族組成、原油碳組成、地層水礦化度、油氣界面張力的差異，從而發(fā)現(xiàn)影響泡沫油形成的流體特性因素。

1.1試驗條件

1)試驗用油為取自L區(qū)塊、W區(qū)塊、Q區(qū)塊及G區(qū)塊現(xiàn)場的原油進(jìn)行脫水處理得到的油樣。

2)試驗用水為取自L區(qū)塊、W區(qū)塊、Q區(qū)塊及G區(qū)塊現(xiàn)場的地層水。

3)試驗用藥品有正己烷、二氯甲烷、濃硫酸、高錳酸鉀、碳酸鈉、乙醇、乙酸乙酯、甲醇、石油醚、過氧化氫。

4) 試驗用分液漏斗1個，GF254薄層板20個(規(guī)格為75mm×25mm，硅膠層厚度為0.20～0.25mm)，點(diǎn)樣毛細(xì)管4個，20mL量筒1個，直徑90mm的玻璃蒸發(fā)皿4個，1000mL抽氣瓶1個，可控溫烘箱1個，試驗用500mL燒杯10個，萬分之一精度天平1個。

5)上?？普芄旧a(chǎn)的KH-3000全能型薄層色譜掃描儀1臺，美國原生態(tài)有限公司生產(chǎn)的CM-CRDS碳同位素分析儀1臺，上海平軒科學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)的FA1004B電子分析天平1臺，北京東方德菲儀器有限公司生產(chǎn)的SVT20 旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀1臺。

1.2試驗方法

1)對各區(qū)塊油樣進(jìn)行薄層色譜分離、掃描、光密度檢測，通過光密度積分面積與質(zhì)量間的定量關(guān)系，計算出各區(qū)塊各組分的含量。

2)油樣汽化后隨載氣通過高分辨率毛細(xì)柱，使正庚烷以前輕烴、C8～C39正構(gòu)烷烴與異構(gòu)烷烴分離，用火焰離子化檢器檢測，以面積歸一化法計算各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

3)取各區(qū)塊單位體積地層水樣經(jīng)過濾去除漂浮物及沉降性固體物，放在稱至恒重的蒸發(fā)皿內(nèi)蒸干，然后在105～110℃下烘干至恒重，將稱得重量減去蒸發(fā)皿重量即為水中礦物鹽質(zhì)量，除以單位地層水體積就能得到各區(qū)塊地層水的礦化度。

4)啟動界面張力儀，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，記錄不同時間液滴的直徑和長度，按拉普拉斯楊方程[19]計算得到界面張力。

1.3試驗結(jié)果

1.3.1原油族組成測定分析試驗結(jié)果

1.3.2原油碳組成測定分析試驗結(jié)果

通過對比L區(qū)塊、W區(qū)塊、Q區(qū)塊、G區(qū)塊的原油碳同位素含量可知，輕質(zhì)碳同位素(C6～C19)含量由高到低的順序為：L區(qū)塊>W區(qū)塊>G區(qū)塊>Q區(qū)塊，L區(qū)塊輕質(zhì)碳同位素含量為61.1%，對比區(qū)塊輕質(zhì)碳同位素平均含量為57.9%，相比而言高出了3個多百分點(diǎn)；同時L區(qū)塊重質(zhì)碳同位素(C30以上)含量較對比區(qū)塊平均含量低了1.5個多百分點(diǎn)，表明原油碳組成中輕質(zhì)碳同位素含量越高越利于泡沫油的形成。

1.3.3地層水礦化度測定分析試驗結(jié)果

通過對比L區(qū)塊、W區(qū)塊、Q區(qū)塊、G區(qū)塊的地層水礦化度可知，礦化度由低到高的順序是：L區(qū)塊

1.3.4油氣界面張力測定分析試驗結(jié)果

通過對比L區(qū)塊、W區(qū)塊、Q區(qū)塊、G區(qū)塊的油氣界面張力可知，界面張力從低到高的順序是：L區(qū)塊

油氣界面張力是泡沫油形成的關(guān)鍵因素，這是因為界面張力的降低使得氣泡不容易發(fā)生聚并。隨著壓力的降低，氣體從原油中析出后，由于界面張力較低，氣體不會立即發(fā)生聚并，而是以分散相形式存在于原油中，形成油相連續(xù)、氣相分散的“泡沫油”狀態(tài)。而界面張力取決于分子間相互作用力的大小，分子極性越大，處在界面層的分子，受到來自油相以及來自氣相的作用力也就越不平衡，使得油氣間的界面張力也就越大。即極性越大，界面張力越大；極性越小，界面張力越小。

馬克思主義的最高理想是共產(chǎn)主義社會，徹底廢除生產(chǎn)資料私有制，實行普遍的生產(chǎn)資料公有制，實行社會化大生產(chǎn)，產(chǎn)品“一方面由社會直接占有，作為維持和擴(kuò)大生產(chǎn)的資料，另一方面由個人直接占有，作為生活和享樂的資料?！保?4］生產(chǎn)力高速發(fā)展，產(chǎn)品極大豐富了人民的物質(zhì)文化需求，階級也隨之消滅。工業(yè)與農(nóng)業(yè)、城市與農(nóng)村、腦力勞動與體力勞動的差別對立也歸于消滅。國家和國家機(jī)器也逐漸消亡。社會產(chǎn)品的分配實行“各盡所能，按需分配”，人們的物質(zhì)生活水平得到極大的提高，精神生活得到質(zhì)的飛躍。

通過對泡沫油流體特性分析可知：原油極性的大小與原油的族組成、碳組成、地層水的礦化度直接相關(guān)。族組分中飽和烴、芳香烴結(jié)構(gòu)對稱，分子極性較小，膠質(zhì)、瀝青質(zhì)的極性較大；碳組成中輕質(zhì)碳同位素極性較?。坏貙铀V化度越低，離子含量就越低，得電子能力越弱，極性越小。所以，L區(qū)塊飽和烴含量較高，輕質(zhì)碳同位素較高，地層水礦化度較低，使其極性低于其他區(qū)塊，所以油氣界面張力較其他區(qū)塊低，這都是利于泡沫油形成的因素。

2 泡沫油體積影響因素巖心流動試驗研究

在其他因素相同的條件下，分別測定溶解氣油比、含水率、儲層滲透率及驅(qū)替前后壓差對泡沫油體積及穩(wěn)定時間的影響，并給出不同影響因素下泡沫油體積隨時間的變化規(guī)律。

2.1試驗條件

1)巖心模型：氣測滲透率為1.23、2.56、4.86、8.91、15.98mD 的巖心5塊。

2)試驗用水：L區(qū)塊地層水(總礦化度5950mg/L)。

3)試驗用油：L區(qū)塊現(xiàn)場原油進(jìn)行脫水處理得到的油樣。

4)試驗用氣體：液化氣。

5)驅(qū)替前后壓差：1、2、3、4、5MPa。

6)試驗溫度：90℃(實際地層溫度)。

7)萬分之一精度天平1個、100mL量筒4個。

8)揚(yáng)州華寶石油儀器有限公司生產(chǎn)的大型砂巖儲層模擬驅(qū)油裝置1臺、浙江黃巖真空泵廠生產(chǎn)的2XZ-4旋片式真空泵1臺和手搖泵1臺、上海自動化儀表股份有限公司生產(chǎn)的量程為10MPa精密壓力表2塊。

2.2試驗方法

1)溶解氣油比室內(nèi)試驗研究方案(5組巖心試驗) 試驗溫度為90℃(油藏溫度)，注入壓力為4MPa，降壓方式為瞬間降壓(回壓從4MPa直接下降到大氣壓)，采用滲透率為15.98mD的巖心模型，含水率為30%。0時刻，試管接出流過巖心的原油50mL。分別測試了氣油比為57、47、37、27、17m3/m3條件下，試管內(nèi)液體體積隨時間的變化規(guī)律。

2)含水率室內(nèi)試驗研究方案(6組巖心試驗) 試驗溫度為90℃(油藏溫度) ，注入壓力為4MPa，降壓方式為瞬間降壓(回壓從4MPa直接下降到大氣壓) ，采用滲透率為15.98mD的巖心模型，溶解氣油比為37m3/m3。0時刻，試管接出流過巖心的原油50mL。分別測試了含水率為10%、20%、30%、40%、50%、80%條件下，試管內(nèi)液體體積隨時間的變化規(guī)律。

3)滲透率室內(nèi)試驗研究方案(5組巖心試驗) 試驗溫度為90℃(油藏溫度) ，注入壓力為4MPa，降壓方式為瞬間降壓(回壓從4MPa直接下降到大氣壓) ，含水率為20%，溶解氣油比為47m3/m3。0時刻，試管接出流過巖心的原油50mL。分別測試了滲透率為1.23、2.56、4.86、8.91、15.98mD的巖心模型條件下，試管內(nèi)液體體積隨時間的變化規(guī)律。

4)驅(qū)替前后壓差室內(nèi)試驗研究方案(5組巖心試驗) 試驗溫度為90℃(油藏溫度) ，含水率為20%，溶解氣油比為47m3/m3，滲透率為15.98mD的巖心模型。0時刻，試管接出流過巖心的原油50mL。分別測試了驅(qū)替前后壓差分別為1、2、3、4、5MPa(降壓方式為瞬間降壓，回壓從注入壓力直接下降到大氣壓)條件下，試管內(nèi)液體體積隨時間的變化規(guī)律。

2.3試驗結(jié)果

2.3.1泡沫體積隨溶解氣油比的變化規(guī)律

進(jìn)行了泡沫體積隨溶解氣油比變化的試驗研究，結(jié)果見圖1。由圖1可知，泡沫油通過巖心后壓力迅速降至大氣壓，但泡沫油內(nèi)氣泡并沒有立即聚集并釋放，而是隨著時間的變化氣泡逐漸變大，當(dāng)氣泡膨脹到最大后慢慢破裂并最終釋放出去。所以試管內(nèi)液體體積會隨時間的推移，呈現(xiàn)出先逐漸增大至最大體積而后慢慢降低至最小體積直至穩(wěn)定，此時試管內(nèi)不再含有氣泡。當(dāng)溶解氣油比為57m3/m3時，液體體積由0時刻的50mL，經(jīng)過50min最大膨脹至60.3mL，而后體積逐漸減小，經(jīng)過250min最終穩(wěn)定在12.8mL，泡沫體積占總體積的74.4%；當(dāng)溶解氣油比為17m3/m3時，液體體積由0時刻的50mL，經(jīng)過20min最大膨脹至51.7mL，經(jīng)過130min最終穩(wěn)定在42mL，泡沫體積僅占總體積的16%。說明隨原油中溶解氣油比的增大，泡沫油體積(折算成地面條件下泡沫體積)增大，即泡沫體積占總體積的比例增大，泡沫油存在的時間也相應(yīng)變長；當(dāng)L區(qū)塊溶解氣油比低于17m3/m3以后，將幾乎不再產(chǎn)生泡沫。

2.3.2泡沫體積隨含水率的變化規(guī)律

圖1 不同溶解氣油比條件下泡沫油體積隨時間變化

圖2 不同含水率條件下泡沫油體積隨時間變化

圖3 不同滲透率條件下泡沫油體積隨時間變化

圖4 不同驅(qū)替壓差條件下泡沫油體積隨時間變化

進(jìn)行了泡沫體積隨含水率變化的試驗研究，結(jié)果見圖2。由圖2可知，試管內(nèi)液體體積同樣呈現(xiàn)出先增大后減小，并最終穩(wěn)定的趨勢。當(dāng)含水率為10%時，液體體積由0時刻的50mL逐漸增大，經(jīng)過90min增至最大體積60.1mL，而后逐漸減小至11.2mL并穩(wěn)定，泡沫體積占總體積的77.6%；當(dāng)含水率為40%時，液體體積由0時刻的50mL逐漸增大，經(jīng)過20min增至最大體積54.6mL，而后逐漸減小至32.2mL并穩(wěn)定，泡沫體積占總體積的35.6%；當(dāng)含水率為80%時，液體體積由0時刻的50mL逐漸增大，經(jīng)過10min增至最大體積51.1mL，而后逐漸減小至41.1mL并穩(wěn)定，泡沫體積占總體積的17.8%。說明隨著原油中含水率增大，泡沫油體積(折算成地面條件下泡沫體積)減小，即泡沫體積占總體積的比例減小，泡沫油存在的時間也相應(yīng)變短；當(dāng)L區(qū)塊含水率在50%～80%時，泡沫體積明顯減少，含水率大于80%，將幾乎不再產(chǎn)生泡沫油。

2.3.3泡沫體積隨滲透率的變化規(guī)律

進(jìn)行了泡沫體積隨滲透率變化的試驗研究，結(jié)果見圖3。由圖3可知，試管內(nèi)液體體積雖然呈現(xiàn)出先增大后減小并最終穩(wěn)定的趨勢，但是不同滲透率條件下，試管內(nèi)液體最大體積及穩(wěn)定后試管內(nèi)的液體體積均相差不多，說明滲透率只影響泡沫油存在的時間，對泡沫體積沒有影響。當(dāng)滲透率為1.23mD時，試管內(nèi)液體體積從增至最大而后減小至最小并穩(wěn)定的時間為2250min；當(dāng)滲透率為2.56、4.86、8.91、15.98mD時，泡沫油存在時間分別為1750、1500、1000、500min。說明該研究條件(1.23～15.98mD)下巖心滲透率越小，泡沫油穩(wěn)定存在的時間越長。

2.3.4泡沫體積隨驅(qū)替前后壓差的變化規(guī)律

進(jìn)行了泡沫體積隨驅(qū)替前后壓差變化的試驗研究，結(jié)果見圖4。由圖4可知，不同驅(qū)替壓差條件下，試管內(nèi)液體最大體積不同，但穩(wěn)定后試管內(nèi)液體體積幾乎相同。當(dāng)驅(qū)替壓差為5MPa時，液體由最初50mL增大至60.4mL，經(jīng)過220min最終穩(wěn)定為18.4mL，泡沫體積占總體積的63.2%；當(dāng)驅(qū)替壓差為1MPa時，液體由最初的50mL增大至52.1mL，經(jīng)過190min最終穩(wěn)定為18.9mL，泡沫體積占總體積的62.2%。說明隨著驅(qū)替壓差增大，泡沫體積無明顯變化，而泡沫油存在的時間相應(yīng)變長，但影響程度較弱。

通過巖心流動試驗定量描述了溶解氣油比、含水率、儲層滲透率、驅(qū)替壓差對泡沫油體積影響規(guī)律。試驗結(jié)果表明，溶解氣油比、含水率均同時影響泡沫油體積及泡沫油穩(wěn)定時間；儲層滲透率、驅(qū)替壓差只影響泡沫油穩(wěn)定時間，但驅(qū)替壓差影響程度較弱。

3 結(jié)論與建議

1)形成泡沫油與鄰近未形成泡沫油的區(qū)塊相比原油中飽和烴含量高、原油輕質(zhì)碳同位素(C6～C19)含量高、地層水礦化度低、油氣界面張力低。形成泡沫油區(qū)塊原油中飽和烴含量(55.2%)比未形成泡沫油區(qū)塊飽和烴平均含量(50.8%)高近5個百分點(diǎn)；形成泡沫油區(qū)塊原油中輕質(zhì)碳同位素(C6～C19)含量(61.1%)比未形成泡沫油區(qū)塊輕質(zhì)碳同位素平均含量(57.9%)高3個百分點(diǎn)；形成泡沫油區(qū)塊地層水礦化度(5951.6mg/L)比未形成泡沫油區(qū)塊平均地層水礦化度(6978.4mg/L)低1026.8mg/L；形成泡沫油區(qū)塊油氣界面張力(21.15mN/m)比未形成泡沫油區(qū)塊平均油氣界面張力(34.57mN/m)低13.42mN/m。

2)通過巖心后泡沫油體積隨著原油中溶解氣油比增大而增大。溶解氣油比為17m3/m3時，泡沫油體積由初始50mL增至最大51.7mL并最終穩(wěn)定在42mL，泡沫體積占總體積的比例為16%；溶解氣油比為57m3/m3時，泡沫油體積由初始50mL增至最大60.3mL并最終穩(wěn)定在12.8mL，泡沫體積占總體積的比例為74.4%。相比而言，泡沫體積占總體積比例增加了近60個百分點(diǎn)。

3)通過巖心后泡沫油體積隨著原油中含水率減小而增大。含水率為80%時，泡沫油體積由初始50mL增至最大51.1mL并最終穩(wěn)定在41.1mL，泡沫體積占總體積的比例為17.8%；含水率為10%時，泡沫油體積由初始50mL增至最大60.1mL并最終穩(wěn)定在11.2mL，泡沫體積占總體積的比例為77.6%。相比而言，泡沫體積占總體積比例增加了59.8個百分點(diǎn)。

4)該研究條件(1.23～15.98mD)下巖心滲透率越小，泡沫油穩(wěn)定存在的時間越長。滲透率為15.98mD時，泡沫油穩(wěn)定存在的時間為500min；滲透率為1.23mD時，泡沫油穩(wěn)定存在的時間為2250min，穩(wěn)定時間增加了1750min。驅(qū)替壓差越大，泡沫穩(wěn)定存在的時間越長，但影響程度較弱，當(dāng)驅(qū)替壓差為1MPa時，泡沫油穩(wěn)定存在的時間為190min；當(dāng)驅(qū)替壓差為5MPa時，泡沫油穩(wěn)定存在的時間為220min，穩(wěn)定時間增加了30min。

5)該研究中以某區(qū)塊為代表，采用將形成泡沫油區(qū)塊與未形成泡沫油區(qū)塊進(jìn)行對比的思路進(jìn)行研究，從而得到影響泡沫油形成的原因及影響泡沫油體積的因素，這對生產(chǎn)過程中出現(xiàn)泡沫油區(qū)塊的原因分析及高效開發(fā)具有借鑒意義和工程指導(dǎo)價值。

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[編輯] 黃鸝

TE312

A

1673-1409(2017)19-0075-06

2017-03-20

國家自然科學(xué)基金項目(51474070)。

魏建光(1979-)，男，博士(后)，副教授，現(xiàn)主要從事完井優(yōu)化技術(shù)、井筒多相流動、提高采收率技術(shù)方面的研究，weijianguang@163.com。

[引著格式]魏建光，林雪松.某區(qū)塊泡沫油形成原因及泡沫體積影響因素試驗研究[J].長江大學(xué)學(xué)報(自科版), 2017,14(19):75～80.