微泡沫與普通泡沫注入性及調(diào)剖能力對比

史勝龍 王業(yè)飛 溫慶志

1.青島大地新能源技術研究院 2.中國石油大學(華東)石油工程學院 3.北京大學 4.北京大學工程科學與新興技術高精尖創(chuàng)新中心

由于泡沫調(diào)驅(qū)技術具有同時提高波及系數(shù)和洗油效率的特點，已成為油田開發(fā)中后期提高采收率的重要手段之一[1-2]。但由于泡沫存在注入性、穩(wěn)定性差，施工成本高，無法運移至地層深部等問題，導致現(xiàn)場泡沫調(diào)驅(qū)效果不理想[3]。國內(nèi)外研究人員以玻璃珠填制的填砂管[4]、T型微通道[5]、水力聚焦微流裝置[6]作為泡沫發(fā)生器，通過改變氣液流速、發(fā)泡器尺寸、溫度、壓力等因素制備出氣泡平均直徑為10～100 μm的微泡沫體系，認為微泡沫具有氣泡微細、良好的穩(wěn)定性和可變形性的特點，可對微觀非均質(zhì)模型形成一定的封堵、調(diào)剖作用，并推測微泡沫具有深部調(diào)驅(qū)的潛力。多數(shù)研究者用微觀模型研究泡沫形態(tài)、直徑影響因素及封堵、調(diào)剖能力[7-9]，但有關用填砂管、巖心等物模裝置研究微泡沫性能的報道較少。與普通泡沫相比，微泡沫是否具有良好的注入性、能否用于油藏深部調(diào)驅(qū)還值得研究探索。因此，在之前研究的基礎上[3,8]，分別以填砂管發(fā)泡器和普通泡沫發(fā)生器制備微泡沫和普通泡沫，通過多測壓點長填砂管和并聯(lián)填砂管對比研究了微泡沫和普通泡沫注入性和調(diào)剖能力的差異，并借助可視化非均質(zhì)模型對比研究了普通泡沫和微泡沫的封堵機制及改善微觀非均質(zhì)能力，對微泡沫體系調(diào)驅(qū)性能提供研究基礎，為油藏深部調(diào)驅(qū)探索新的途徑。

1 實驗部分

1.1 主要材料和儀器

(1) 主要材料：起泡劑為甜菜堿表面活性劑SL1，有效物質(zhì)量分數(shù)33%，成都華陽興華化工廠；礦化度為200 572 mg/L的模擬地層水，其中，Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-質(zhì)量濃度分別為66 000 mg/L、11 000 mg/L、550 mg/L、123 022 mg/L；氣體為N2，純度99.9%(φ)，青島天源氣體公司。實驗中起泡液均為2 000 mg/L的SL1溶液。

(2) 主要儀器：恒壓恒速泵；高壓氣體質(zhì)量流量計；填砂管(規(guī)格為Φ2.5 cm×30 cm，Φ2.5 cm×80 cm，長填砂管具有4個測壓點，分別位于入口、距離入口25 cm、50 cm處和出口處，并用p1、p2、p3、p4表示)；兩種泡沫發(fā)生器，分別為普通泡沫發(fā)生器及規(guī)格為Φ0.4 cm×15 cm填砂管發(fā)泡器，填砂管內(nèi)填直徑為0.125～0.150 mm玻璃珠；高溫高壓可視化微觀模型夾持器；帶有CCD的體式顯微鏡；兩種微觀模型如圖1所示，分別為“線型”微觀模型(白色區(qū)域為流動通道，寬度為2.5 mm)，非均質(zhì)微觀模型(高滲區(qū)域圓柱直徑為0.48 mm，圓柱間距0.09 mm，低滲區(qū)域圓柱直徑為0.16 mm，圓柱間距0.045 mm，白色區(qū)域為流動通道)。

1.2 實驗方法

1.2.1微泡沫微觀驅(qū)替

采用“線型”微觀模型觀察微泡沫與普通泡沫的微觀形態(tài)，非均質(zhì)微觀模型研究微泡沫和普通泡沫的封堵機制和微觀調(diào)剖能力，實驗溫度90 ℃，回壓6 MPa，氣液體積比1∶2，實驗步驟為：①將微觀模型置于高溫高壓可視化夾持器中；②以0.02 mL/min的流量向“線型”微觀模型中注入一定孔隙體積的微泡沫或普通泡沫；③在視野內(nèi)選取200個以上氣泡，用顯微鏡觀察微泡沫或普通泡沫靜置0.5 h過程中形態(tài)的變化；④重復步驟①～②，將“線型”微觀模型換為非均質(zhì)微觀模型，對比觀察微泡沫和普通泡沫在模型高滲、低滲區(qū)域的波及情況，分析兩種泡沫的封堵機制。

1.2.2微泡沫注入性

采用Φ2.5 cm×80 cm填砂管，實驗溫度90 ℃，回壓6 MPa。其步驟如下：①用石英砂填制填砂管，飽和模擬地層水，測量填砂管孔隙體積；②用起泡劑溶液飽和填砂管發(fā)泡器，將氣體、起泡劑溶液以1∶2的氣液體積比、1 mL/min的流量同時注入填砂管發(fā)泡器產(chǎn)生微泡沫；③當一定孔隙體積的微泡沫注入填砂管后，再以1 mL/min的流量轉(zhuǎn)后續(xù)水驅(qū)，記錄驅(qū)替過程中各測壓點的壓力；④重復步驟①～③，將②中填砂管發(fā)泡器改成普通泡沫發(fā)生器，產(chǎn)生普通泡沫，對比分析微泡沫與普通泡沫的注入性。

1.2.3微泡沫調(diào)剖能力

采用滲透率級差為5左右的2根Φ2.5 cm×30 cm并聯(lián)填砂管，合注分采，實驗溫度90 ℃，回壓6 MPa，氣液比1∶2。其步驟為：①以2 mL/min的流量向并聯(lián)填砂管中注入1 PV模擬地層水；②以相同的速度向并聯(lián)填砂管中持續(xù)注入微泡沫，記錄注微泡沫過程中巖心分流量分注入孔隙體積倍數(shù)的變化，當并聯(lián)巖心分流量趨于穩(wěn)定后，停止實驗；③重復步驟①～②，將②中注入的微泡沫改為普通泡沫，對比分析微泡沫與普通泡沫的調(diào)剖能力。

2 結果與討論

2.1 微泡沫微觀驅(qū)替

2.1.1微泡沫與普通泡沫微觀形態(tài)

圖2為微泡沫和普通泡沫靜置不同時間的微觀形態(tài)。微泡沫的平均氣泡直徑小于100 μm，有一定厚度的增黏水層，氣泡以獨立的球體、點接觸的方式存在，肉眼觀察，微泡沫呈白色乳狀液狀態(tài)。靜置0.5 h后，觀察視野內(nèi)的氣泡逐漸變大，個數(shù)減少，氣泡仍保持較規(guī)則的圓球狀，多數(shù)氣泡的直徑仍小于100 μm，體系仍呈乳狀液狀態(tài)，穩(wěn)定性較好。隨著靜置時間進一步延長，微泡沫平均氣泡直徑大于100 μm，氣泡由點接觸變成面接觸，微泡沫溶液由乳液狀逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榕菽瓲睿罱K轉(zhuǎn)變?yōu)槠胀ㄅ菽?。普通泡沫發(fā)生器制備出的普通泡沫，氣泡較大，液膜較薄，直徑大于100 μm，氣泡聚集在一起，以橢球形或多面體形存在。由于填砂管發(fā)泡器長度較大，直徑較小，氣體和起泡劑溶液在多孔介質(zhì)中混合的剪切作用較強，混合更加充分，形成泡沫的氣泡直徑較小。而普通泡沫發(fā)生器的長徑比較小，氣液只在發(fā)泡器的環(huán)形空間內(nèi)進行混合，剪切作用較弱，導致泡沫的氣泡直徑較大。

2.1.2微泡沫與普通泡沫微觀調(diào)剖

圖3為微泡沫驅(qū)替過程中微觀模型前部的微觀圖片。注微泡沫前期，微泡沫為不連續(xù)的球形氣泡，主要通過模型的高滲區(qū)域，流經(jīng)模型低滲區(qū)域的氣泡個數(shù)較少。這是由于微泡沫平均氣泡直徑小于高滲區(qū)域孔喉直徑，微泡沫受高滲孔喉的約束較小，對孔喉的封堵作用較弱。因此，前期微泡沫主要波及阻力較小的高滲區(qū)域(見圖3(a)、圖3(b))。隨著注入量的增加，多個氣泡通過疊加滯留作用，在高滲區(qū)域孔喉處堆積封堵，致使微泡沫在高滲區(qū)域的流動阻力增加，多數(shù)氣泡依靠“直接通過”或“彈性變形”的方式開始向模型低滲區(qū)域流動，少量氣泡以“氣泡陷入”方式封堵小孔喉，并呈“細紋理狀”分布(見圖3(c))。雖然依靠多個氣泡疊加作用產(chǎn)生封堵作用的強度有限，高滲區(qū)域物理堆積的氣泡易被沖散，但微泡沫在流動過程中會不斷重復暫堵、運移的過程，使后續(xù)微泡沫由高滲孔喉向低滲孔喉發(fā)生液流轉(zhuǎn)向，低滲區(qū)域的波及體積隨著微泡沫注入量的增加逐漸增大。當注入3 PV微泡沫后，微觀模型低滲區(qū)域的波及程度得到顯著改善(見圖3(d))。

普通泡沫驅(qū)替過程中模型前部的微觀圖片見圖4。與注微泡沫相比，普通泡沫在高、低滲區(qū)域的運移速率較為一致，在相同泡沫注入量條件下，普通泡沫封堵能力較強，微觀調(diào)剖效果較好。這是由于普通泡沫的平均氣泡直徑大于高滲區(qū)域孔喉直徑，氣泡變形通過孔喉時的流動阻力較大，具有更強抵抗后續(xù)流體沖刷的能力，在高滲區(qū)域產(chǎn)生的賈敏效應進一步增強，使后續(xù)進入低滲小孔喉的氣泡個數(shù)增多，波及效果更好。

2.2 微泡沫注入性

借助帶有多測壓點的長填砂管模型(填砂管的滲透率為0.2 μm2左右)，研究微泡沫在多孔介質(zhì)中的運移與分布，并與普通泡沫的注入性進行對比，結果如圖5所示。注微泡沫初期，入口端壓力p1迅速升高，微泡沫先在填砂管入口端形成封堵。當微泡沫注入量增加至0.3 PV、0.5 PV時，填砂管測壓點p2、p3開始起壓，微泡沫逐漸向地層深部運移(由于p4代表回壓，故始終保持6 MPa不變)。注微泡沫結束時，填砂管沿程3段的壓差分別為0.22 MPa、0.39 MPa、0.41 MPa，填砂管后部的壓差最大，表明微泡沫注入性較好，在填砂管沿程的分布較為均勻，并且可在地層深部產(chǎn)生較好的封堵作用。后續(xù)水驅(qū)時，各測壓點壓力先迅速降低，然后緩慢下降，注入2 PV模擬水后，填砂管各段仍保持一定的封堵壓差，表明微泡沫有較好的耐水沖洗能力。

注普通泡沫時，p1和p2的壓力上升明顯，且隨著泡沫注入量的增加，相鄰測壓點壓差逐漸增大。注普通泡沫結束時，填砂管沿程3段的壓差分別為1.45 MPa、0.57 MPa、0.17 MPa，填砂管后部壓差很小，說明普通泡沫沒有在填砂管深部產(chǎn)生封堵，主要在填砂管的中前部起較強封堵作用。后續(xù)水驅(qū)時，各測壓點壓力先上升，然后以波動狀降低，也表現(xiàn)出較好的殘余封堵能力。與普通泡沫相比，微泡沫的平均氣泡直徑較小，其注入性和地層深部封堵能力更好。

2.3 微泡沫調(diào)剖能力

為對比微泡沫和普通泡沫的調(diào)剖能力，將滲透率極差為5的2根填砂管并聯(lián)(其中高滲填砂管的滲透率為0.2 μm2左右)，模擬儲層非均質(zhì)性。記錄微泡沫和普通泡沫注入過程高、低滲填砂管分流率隨注入量的變化，結果如圖6所示。水驅(qū)時，注入水主要從流動阻力較低高滲填砂管產(chǎn)出，低滲填砂管的分流率始終保值較小值。轉(zhuǎn)注微泡沫后，由于細微氣泡通過孔喉時變形產(chǎn)生的阻力及氣泡間堆積產(chǎn)生的累加封堵，高滲、低滲巖心的分流量出現(xiàn)交點，表現(xiàn)出一定的調(diào)剖作用。注入普通泡沫，低滲填砂管的分流率迅速增大，當注入量為1 PV時，高、低滲填砂管的分流率曲線出現(xiàn)交點，繼續(xù)增大注入量會出現(xiàn)高、低滲分流率反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，說明普通泡沫優(yōu)先對高滲水流通道形成有效封堵，使后續(xù)流體轉(zhuǎn)向進入低滲通道，有效改善非均質(zhì)地層的吸水剖面。后續(xù)水驅(qū)初期，低滲填砂管的分流率高于高滲管，說明普通泡沫的耐水沖洗能力較強，可長時間保持同步分流的調(diào)剖效果，調(diào)剖能力優(yōu)于微泡沫。

3 結 論

(1) 微觀驅(qū)替實驗中，微泡沫平均氣泡直徑小于高滲區(qū)域孔喉直徑，氣泡受孔喉的約束較小，其主要通過多個氣泡疊加作用在高滲區(qū)域孔喉處形成堆積封堵，后續(xù)氣泡以“直接通過”或“彈性變形”的方式流入低滲區(qū)域，少量氣泡以“氣泡陷入”方式封堵小孔喉，但高滲區(qū)域物理堆積的微泡沫易被沖散，導致其封堵強度較弱，調(diào)剖作用有限。 與微泡沫相比，普通泡沫的平均氣泡直徑大于高滲孔喉直徑，氣泡通過孔喉時的流動阻力較大，封堵能力較強，氣泡主要通過“彈性變形”和“液膜分異”作用進入孔喉。在相同泡沫注入量條件下，普通泡沫微觀調(diào)剖效果更好。

(2) 微泡沫在填砂管沿程產(chǎn)生的壓差分布較為均勻，其注入性和深部封堵能力優(yōu)于普通泡沫。

(3) 普通泡沫的耐水沖洗能力較強，可長時間保持同步分流的調(diào)剖效果，調(diào)剖能力優(yōu)于微泡沫。

(4) 微泡沫具有提高高溫高鹽油藏采收率的潛力。

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