泡沫的封堵特性及液流改向作用研究

羅文利, 馮利娟, 何楚琦, 周新宇, 蔣志斌, 羅智憶, 王正波, 羅治形

(1.中國石油勘探開發(fā)研究院 提高石油采收率國家重點(diǎn)實驗室，北京100083； 2.新疆油田公司勘探開發(fā)研究院，新疆 克拉瑪依 834000;3.中國石油大學(xué)(北京) 提高采收率研究院，北京 102249； )

由于油藏自身非均質(zhì)性的作用，在注水開發(fā)后期，水會自發(fā)地沿水井和油井之間的高滲透區(qū)域或裂縫驅(qū)進(jìn)，中滲透區(qū)域和大量低滲透區(qū)域中的原油很難被采出，導(dǎo)致水驅(qū)效果并不理想，最低甚至僅有15%左右[1-2]。注水井內(nèi)非均質(zhì)性構(gòu)成的多油層之間先天存在不同的啟動壓力和吸水性能。在合理的壓力下，以適合的注入速度向油層注入化學(xué)調(diào)剖劑后，調(diào)剖劑會優(yōu)先進(jìn)入高滲透層中，封堵水通道，使其吸水性降低。此后再次注入水，中低滲透層的吸水量自然得以提高，從而達(dá)到提高采收率和原油產(chǎn)量的目的[3-4]。

泡沫是熱力學(xué)不穩(wěn)定的體系，由氣液兩相組成，具有遇水起泡、遇油消泡的優(yōu)良性能，同時具備堵大不堵小的特點(diǎn)[5-7]。泡沫在進(jìn)入地層后，首先進(jìn)入滲透率高的區(qū)域，對高滲透區(qū)域形成一定封堵，使后續(xù)注入水進(jìn)入低滲透區(qū)[8-9]。在現(xiàn)場應(yīng)用中，泡沫可以就地獲取氣源，因而成本較低，可以大規(guī)模推廣。泡沫體系具備的封堵特性和液流改向作用，使它們可以作用于高含水和非均質(zhì)性強(qiáng)的油藏，對我國油田的原油開采具有很大價值[10-12]。

泡沫容易受到油藏條件的影響，首先需根據(jù)不同油藏特點(diǎn)選擇合適的調(diào)驅(qū)體系，并充分考察注入條件對封堵特性、液流改向作用和提高采收率效果的影響。為此，通過測定泡沫體系的阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)，研究泡沫體系的封堵特性；通過并聯(lián)雙管巖心物模實驗，研究了泡沫體系的液流改向作用和提高采收率效果。

1　實驗部分

1.1　試劑及材料

起泡劑FP286和聚合物WP212均由中國石油天然氣股份有限公司勘探開發(fā)研究院提供。實驗用水是按油藏采出水分析結(jié)果配置的模擬水，其礦化度為10 930 mg/L。實驗用油為新疆一中區(qū)9-8脫水原油，原油黏度(23 ℃)為30.1 mPa·s。實驗氣體為瓶裝液氮。實驗所用巖心為人工膠結(jié)礫巖巖心，長度為30 cm，直徑為3.8 cm。

1.2　泡沫體系的制備

先稱取一定量的起泡劑FP286，攪拌下溶于配制水中。將燒杯放在攪拌器下，調(diào)節(jié)攪拌棒位置使攪拌棒底部距離燒杯底1 cm左右。開動恒速攪拌器在400 r/min下沿旋渦壁30 s內(nèi)慢慢加入稱好的聚合物WP212，然后在攪拌速率為400 r/min下攪拌2 h至聚合物顆粒完全溶解。室溫下放置24 h，得到含一定量的聚合物及起泡劑的溶液。實驗所配置的泡沫基液中起泡劑FP286質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%，聚合物WP212質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%。

1.3　方法及流程

將巖心在110 ℃的烘箱中干燥12 h，烘干其中的水分。干燥后的巖心抽真空6 h(真空度-100 kPa)，然后飽和模擬水12 h。將巖心裝入巖心夾持器，并在23 ℃恒溫箱中恒溫6 h。調(diào)整回壓、注入泵速等條件，水驅(qū)至注入壓力保持穩(wěn)定。注入一定量的泡沫體系后，轉(zhuǎn)注水，直至注入壓力穩(wěn)定。

非均質(zhì)巖心的模擬是采用雙管并聯(lián)實驗裝置，將高滲透與低滲透巖心并聯(lián)使用，進(jìn)而模擬油藏的非均質(zhì)性。

考察泡沫在非均質(zhì)巖心中的提高采收率效果時，巖心飽和水后需飽和原油至飽和度達(dá)到70%以上。

2　結(jié)果與分析

2.1　泡沫體系的封堵特性

2.1.1回壓對泡沫體系封堵特性的影響固定巖心氣測滲透率為0.2 μm2，泡沫注入速度為0.5 mL/min，氣液體積比為3∶1。并使其他條件保持不變，考察回壓對泡沫體系封堵特性的影響，結(jié)果如圖1所示。

圖1　不同回壓下泡沫體系阻力系數(shù)與注入孔隙體積關(guān)系Fig.1　Foam system resistance coefficient to injection volume under different back pressure

由圖1可知，注水階段，不同巖心的平衡壓力較為接近，均在5 kPa左右。泡沫體系注入后，回壓10.12 MPa和5.00 MPa下的巖心兩端的壓差都經(jīng)歷了從緩慢增加到迅速上升的過程，其阻力系數(shù)相對較為穩(wěn)定，其中5.00 MPa回壓體系中的泡沫阻力系數(shù)增速更快，平衡后兩組實驗的阻力系數(shù)也較為接近，均為45左右。而回壓為2.50 MPa的體系里泡沫的阻力系數(shù)從泡沫注入開始后就迅速增加，但波動極大，達(dá)到70左右之后才近似于穩(wěn)定。轉(zhuǎn)注水后，3組實驗中的泡沫阻力系數(shù)都迅速降低，最終殘余阻力系數(shù)均穩(wěn)定在5～10。吳忠正等[13]研究表明,空氣泡沫驅(qū)的殘余阻力系數(shù)小于4。因此，本文研究的氮?dú)馀菽w系具有良好的封堵特性。

回壓大小對泡沫體系的封堵特性具有顯著的影響。在較高的回壓下，阻力系數(shù)的增長速度較慢，泡沫隨壓力的增大而減小，使液膜厚度增大、強(qiáng)度增加，因而泡沫封堵能力和穩(wěn)定性大大提高[13]。而在低回壓時，阻力系數(shù)曲線波動劇烈，但阻力系數(shù)在較高回壓時顯著增大。殘余阻力系數(shù)呈現(xiàn)出隨回壓增大而增大的性質(zhì)，但增加幅度較低，可以認(rèn)為回壓對殘余阻力系數(shù)的影響不大。

2.1.2氣液體積比對泡沫體系封堵特性的影響固定巖心氣測滲透率為0.2 μm2，泡沫注入速度為0.5 mL/min，回壓為10.12 MPa，并使其他條件保持不變，考察氣液體積比對泡沫體系封堵特性的影響，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，水驅(qū)階段，不同巖心的注入壓力相近。注入泡沫后，不同氣液體積比的泡沫的阻力系數(shù)都在波動中迅速上升，其中氣液體積比為3∶1和5∶1的兩組實驗阻力系數(shù)穩(wěn)定在20左右，而氣液體積比為8∶1的一組阻力系數(shù)激增至59才達(dá)到平穩(wěn)。實驗中，在氣液體積比8∶1組巖心夾持器出口端發(fā)現(xiàn)很多氣泡，可能與該組實驗中氣液體積比過高發(fā)生氣竄現(xiàn)象有關(guān)，導(dǎo)致壓力居高不下。轉(zhuǎn)注水后，各組的阻力系數(shù)都能在一定時間內(nèi)維持較高水平，之后迅速下降至10以下。

由實驗結(jié)果可知，氣液體積比對泡沫的封堵特性具有較大的影響。在巖心滲透率相近、其他條件相同的情況下，阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)均隨氣液體積比的增大而增大，其中阻力系數(shù)表現(xiàn)較為明顯，殘余阻力系數(shù)并不十分顯著。但過高的氣液體積比可能導(dǎo)致泡沫體系的穩(wěn)定性過于低下，以至于出現(xiàn)氣竄現(xiàn)象。綜合考慮，氣液體積比為3∶1和5∶1時，泡沫體系具有最優(yōu)良的封堵特性。

2.1.3巖心滲透率對泡沫體系封堵特性的影響固定回壓為10.12 MPa，氣液體積比為3∶1，泡沫注入速度為0.5 mL/min，并使其他條件保持不變，分別采用氣測滲透率為1.54、0.18 μm2的巖心開展實驗，考察巖心滲透率對泡沫體系封堵特性的影響，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，巖心開始水驅(qū)時，阻力系數(shù)波動較小，基本保持相對平穩(wěn)，約為1。開始注泡沫后，兩組巖心兩端的壓差都迅速上升，且波動較大，阻力系數(shù)快速增加，高滲透組和低滲透組的阻力系數(shù)分別達(dá)到18.2和14.0后趨于穩(wěn)定。開始轉(zhuǎn)注水，阻力系數(shù)都迅速降低，后續(xù)水驅(qū)殘余阻力系數(shù)最終分別穩(wěn)定在1.6和3.4左右。

圖3　不同滲透率下泡沫阻力系數(shù)與注入孔隙體積關(guān)系Fig.3　Foam system resistance coefficient to injection volume under different permeability

巖心滲透率對泡沫的封堵特性具有一定的影響。巖心滲透率越高，泡沫體系的封堵效果也越好。即，在其他條件相同的前提下，泡沫在高滲透巖心中的相對封堵強(qiáng)度要大于在低滲透巖心中的封堵強(qiáng)度。分析原因，首先是因為泡沫具備剪切變稀性，巖心滲透率越高，孔隙尺寸越大，泡沫在孔隙中的真實流速越小，黏度也越高；此外，滲透率越大，泡沫尺寸越大，從而泡沫在通過多孔介質(zhì)的孔喉過程中，克服泡沫變形產(chǎn)生的阻力也越大。

2.1.4注入速度對泡沫體系封堵特性的影響固定回壓為10.12 MPa，氣液體積比為3∶1，巖心氣測滲透率為0.18 μm2，并使其他條件保持不變，考察注入速度對泡沫體系封堵特性的影響，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，開始水驅(qū)時，各組的阻力系數(shù)波動較小，基本保持相對平穩(wěn)，約為1。開始注泡沫后，3組巖心兩端壓差都開始迅速上升，且壓力波動較大，阻力系數(shù)快速增加，注入速度為0.8、0.5、0.2 mL/min的泡沫體系的阻力系數(shù)分別穩(wěn)定于30、30、40左右。轉(zhuǎn)注水，巖心兩端壓差都迅速降低，殘余阻力系數(shù)分別穩(wěn)定在2、10、17左右。

上述實驗結(jié)果表明，泡沫體系的注入速度越低，泡沫體系的封堵特性越強(qiáng)。這可能由于泡沫體系的穩(wěn)定性隨注入速度的升高而減弱，在注入速度較低的情況下，泡沫體系具備更高的穩(wěn)定性，可以形成更穩(wěn)定的封堵，且封堵壓力的保持時間更長。

圖4　不同注入速度下泡沫阻力系數(shù)與注入孔隙體積關(guān)系Fig.4　Foam system resistance coefficient to injection volume under different input rate

2.2　泡沫體系在非均質(zhì)巖心中的液流改向作用

將兩根不同滲透率巖心以平行雙管并聯(lián)，以此形式模擬非均質(zhì)油藏，考察泡沫體系在非均質(zhì)油藏中的液流改向作用。實驗中所使用的巖心為致密礫巖巖心，巖心氣測滲透率分別為高滲1.64 μm2、低滲0.12 μm2，回壓為10.12 MPa，氣液體積比為3∶1，注入速度為0.5 mL/min。平行雙管物模實驗壓力變化曲線和分水率曲線分別如圖5所示。

由圖5(a)可知，第1次水驅(qū)過程中，壓力波動較小，平衡壓力為56 kPa。開始注泡沫后，壓力緩慢增長，起伏較小。隨著泡沫的不斷注入，壓力增加速度逐漸提升。注入量達(dá)到0.5 PV時，壓力達(dá)到527 kPa。轉(zhuǎn)注水后，壓力緩慢降低，最終穩(wěn)定于120 kPa。

圖5　雙管并聯(lián)巖心壓力和分水率變化曲線Fig.5　Pressure curves and water rate ratio curves of dual-tube parallel

由圖5(b)可以看出，注水過程中，高滲部分與低滲部分的水流量比約為99∶1。注泡沫體系過程中，高滲管分水率逐漸降低，低滲管隨之增加。轉(zhuǎn)注水后，高滲管中水的流量明顯減小，而低滲管中水的流量開始增加。此時注入水開始向低滲部分轉(zhuǎn)移；水驅(qū)一定時間后，低滲管的分水率開始降低，而高滲管的分水率開始增加，即注入水開始轉(zhuǎn)向高滲管。

分析實驗結(jié)果，注入泡沫后，高滲管分水率下降，是由于泡沫體系開始針對高滲管形成了有效封堵。轉(zhuǎn)注水后，高滲管的分水率持續(xù)下降，說明泡沫對高滲區(qū)域的封堵依然奏效。而隨著注入水的增多，泡沫對高滲區(qū)域的封堵逐漸減弱，最終高滲管的分水率重新上升。這一實驗證實了泡沫體系的液流改向作用的存在。

2.3　泡沫體系在非均質(zhì)巖心中的采收率

采用兩根滲透率不同的礫巖巖心雙管并聯(lián)驅(qū)油的形式，考察泡沫體系在非均質(zhì)油藏中的液流改向作用和提高采收率效果。實驗所用巖心高滲氣測滲透率為1.00 μm2、低滲為0.18 μm2(滲透率級差為5.56)，回壓為10.12 MPa，氣液體積比為3∶1，注入速度為0.5 mL/min。高滲透巖心和低滲透巖心的采收率及含水率變化如圖6所示，總采收率、含水率和壓力的變化曲線如圖7所示。

圖6　采收率、含水率及壓力與注入孔隙體積關(guān)系Fig.6　Recovery efficiency，moisture content and pressure to injection volume

圖7　總采收率、含水率及壓力與注入孔隙體積關(guān)系Fig.7　Total recovery efficiency，moisture content and pressure to injection volume

由圖6(a)可知,水驅(qū)階段，高滲透巖心的采收率為43.9%，遠(yuǎn)高于低滲透巖心的8.9%。而在注入泡沫后，低滲透巖心的采收率提高迅速，最終采收率提升高達(dá)45.2%，取得了極好的效果；而高滲透巖心的采收率也有11.3%的提升。低滲透巖心采收率的增加量是高滲透巖心的4倍左右，可見泡沫體系能大幅度提升非均質(zhì)油藏低滲透區(qū)的采收率。

由圖6(a)可知，注水階段，巖心的采收率隨注水體積增加。注入泡沫后，高滲透巖心的含水率一直居高不下，采收率提升量不高。注入泡沫段塞及后續(xù)水驅(qū)后，壓力明顯增高，說明注入的段塞體系具有較高的滲流阻力，使后續(xù)水驅(qū)壓力升至1 000 kPa左右。

由圖6(b)可知，注水階段，低滲巖心的采收率隨注水體積增加，由于滲透率低，水驅(qū)階段采收率僅為8.9%。注入泡沫體系后，低滲巖心的含水率逐漸下降，最低時降至20%，繼續(xù)注水后含水率逐漸上升。注入泡沫段塞及后續(xù)注水中，壓力明顯增高，表明注入的段塞體系具有較高的滲流阻力，使后續(xù)水驅(qū)壓力升至1 100 kPa左右，并能在一定時間內(nèi)維持較高的壓力。

由圖7可知，泡沫體系對雙管并聯(lián)礫巖巖心的采收率提升高達(dá)28%，并充分降低了采出液的含水率，具備良好的驅(qū)油效果。

上述實驗結(jié)果表明，對于非均質(zhì)礫巖巖心，通過注入泡沫段塞可以起到很好的提高采收率作用。泡沫段塞對高滲透層的有效封堵導(dǎo)致了波及系數(shù)的提升，使低滲透層中的殘余油被大量驅(qū)出，繼而在宏觀上提升了油藏整體的采收率。但對于滲透率級差較大的非均質(zhì)油藏，泡沫調(diào)剖能力將降低，驅(qū)油效果變差[14]。

3　結(jié)論

(1) 氮?dú)馀菽w系具有較高的阻力系數(shù)、殘余阻力系數(shù)和良好的封堵特性，可以對巖心中的高滲透區(qū)域?qū)崿F(xiàn)封堵。

(2) 回壓、氣液體積比、巖心滲透率和注入速度對泡沫的封堵特性有影響。在選定的實驗條件范圍內(nèi)，回壓越高，泡沫體系的穩(wěn)定性越好，殘余阻力系數(shù)越大，泡沫的封堵越強(qiáng)。氣液體積比越大，泡沫的阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)越大，封堵越強(qiáng)；但過高的氣液體積比會導(dǎo)致泡沫的穩(wěn)定性差，容易發(fā)生氣竄。巖心滲透率越大，泡沫體系的封堵強(qiáng)度越高，產(chǎn)生的阻力也越大。泡沫的注入速度越低，泡沫體系的阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)越高，泡沫的封堵強(qiáng)度也越高。

(3) 泡沫體系對非均質(zhì)油藏有良好的液流改向作用，通過泡沫對高滲透區(qū)的封堵，可以使后續(xù)注入水大量進(jìn)入低滲透區(qū)驅(qū)出殘余油。滲透率級差為5.56的雙管并聯(lián)礫巖巖心泡沫驅(qū)油實驗表明，泡沫驅(qū)提高采收率幅度高達(dá)28%。

(4)氮?dú)馀菽w系對新疆一中區(qū)礫巖油藏具有良好的封堵和調(diào)驅(qū)效果，具備良好的應(yīng)用前景。