延長油田典型“三低”油藏空氣泡沫驅(qū)試驗(yàn)與認(rèn)識(shí)

尚慶華 楊永超 陳龍龍 童長兵 張新春 齊春民

1.陜西延長石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司研究院；2.延長油田股份有限公司

空氣泡沫驅(qū)作為提高油田采收率的一項(xiàng)重要三次采油技術(shù)，具有成本低、氣源廣和不受地域限制等優(yōu)點(diǎn)［1-3］。其相比水驅(qū)和氣驅(qū)，可以有效避免水淹和氣竄過早發(fā)生，提高波及效率和驅(qū)油效率［4-6］，另一方面還可以節(jié)約大量水資源?？諝馀菽?qū)提高采收率的一個(gè)重要機(jī)理是使空氣中的氧與原油在低溫條件下發(fā)生氧化，在氧化過程中產(chǎn)生的二氧化碳和氮?dú)獾热苡谠秃笫乖腕w積膨脹，通過驅(qū)替提高采收率［7-11］。然而，如果注入的空氣不能經(jīng)油層中的氧化反應(yīng)及時(shí)足量消耗掉氧氣，在到達(dá)采油井后就可能會(huì)和伴生氣及溶解氣（主要成分甲烷）混合形成具有爆炸風(fēng)險(xiǎn)的氣體，因此，空氣泡沫驅(qū)的安全性問題一直是備受關(guān)注的焦點(diǎn)，也一直是影響該技術(shù)推廣應(yīng)用的關(guān)鍵問題［12-15］。

目前，空氣泡沫驅(qū)油技術(shù)在國內(nèi)外得到了不同程度的研究和應(yīng)用［15-18］，百色油田等很多油田都進(jìn)行過礦場(chǎng)先導(dǎo)性試驗(yàn)，取得了比較好的效果［19-22］。延長油田地處陜北干旱、半干旱地區(qū)，區(qū)域構(gòu)造上位于鄂爾多斯盆地主體部分的陜北斜坡中部，具有滲透率低、壓力低、溫度低的典型“三低”特點(diǎn)。油層巖性致密，物性差，油井自然產(chǎn)能低。注水開發(fā)面臨兩個(gè)重要難題：一是由于油藏自身特性，儲(chǔ)層吸水能力弱，注水壓力高，注水壓力上升快；另外由于裂縫的存在，注水易水竄、水淹，造成“要么注不進(jìn)，要么一注就竄”的矛盾，開發(fā)效果不夠理想；二是陜北干旱、半干旱地區(qū)水資源嚴(yán)重匱乏，油田規(guī)模注水難度大。在此背景下，能否將空氣泡沫驅(qū)油技術(shù)成功應(yīng)用于延長油田并推廣到鄂爾多斯盆地同類油田是值得研究和探索的課題。雖然國內(nèi)外已有不少空氣泡沫驅(qū)的礦場(chǎng)應(yīng)用實(shí)例，但應(yīng)注意的是，這些油田的性質(zhì)和延長油田有很大的差別。最典型的特征是這些油田的埋藏都相對(duì)比較深，油藏溫度較高，有利于低溫氧化的發(fā)生。而延長油田油藏溫度多分布在25～70 ℃，是典型的低溫油藏。有研究表明：低溫、低壓對(duì)氧化作用都是不利的，如果油藏溫度在60 ℃以下，低溫氧化作用將非常緩慢［15，23-24］，油井產(chǎn)出氣的氧含量也將很難控制在安全值范圍內(nèi)。為了明確延長油田典型“三低”油藏是否適宜于空氣泡沫驅(qū)，探索鄂爾多斯盆地該類油藏安全高效開發(fā)方式，提高油田開發(fā)水平和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，開展其空氣泡沫驅(qū)試驗(yàn)研究將具有重要指導(dǎo)和借鑒意義。

1 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

對(duì)于空氣泡沫驅(qū)，核心問題是驅(qū)油效果和氣體突破后采油井氧含量能否在安全值范圍，即能否在安全的前提下取得理想的驅(qū)油效果。因此，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)主要從驅(qū)油效果和耗氧安全兩個(gè)方面開展研究。

1.1 驅(qū)油效果評(píng)價(jià)

室內(nèi)驅(qū)油實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)選取了延長油田西部代表性油區(qū)吳起油田旗35井區(qū)和東部代表性油區(qū)甘谷驛油田唐80井區(qū)，其中旗35井區(qū)一直依靠地層能量開采，唐80井區(qū)在衰竭式開采的基礎(chǔ)上進(jìn)行了水驅(qū)開發(fā)。實(shí)驗(yàn)原始油樣和地層水樣均分別取自上述2個(gè)井區(qū)。本組實(shí)驗(yàn)中采用由廣西百色科特石油科技有限公司提供的BK-6起泡劑和BK-51穩(wěn)泡劑復(fù)合的驅(qū)油體系，其中起泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為0.45%，穩(wěn)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為0.05%，空氣泡沫驅(qū)時(shí)氣液比均為3∶1，其他主要實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表1。實(shí)驗(yàn)具體步驟參考石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5345—2007《巖石中兩相流體相對(duì)滲透率測(cè)定方法》及文獻(xiàn)［25］中的相關(guān)部分。對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行處理計(jì)算，得到驅(qū)油效率變化曲線如圖1所示。

表1 空氣泡沫驅(qū)主要實(shí)驗(yàn)參數(shù)Table 1 Main experimental parameters of air foam flooding

圖1 唐80井區(qū)和旗35井區(qū)空氣泡沫驅(qū)驅(qū)油效率Fig. 1 Oil displacement efficiency of air foam flooding in Well blocks Tang 80 and Qi 35

由圖1可以看出，唐80井區(qū)水驅(qū)最終驅(qū)油效率為52.41%，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行空氣泡沫驅(qū)可將驅(qū)油效率進(jìn)一步提高到82.1%，驅(qū)油效率提高了29.69個(gè)百分點(diǎn)，提高了56.6%。由于旗35井區(qū)一直依靠地層能量開采，未進(jìn)行過注水，因此室內(nèi)驅(qū)油實(shí)驗(yàn)也直接進(jìn)行空氣泡沫驅(qū)，以評(píng)價(jià)該區(qū)塊不注水直接注空氣泡沫的驅(qū)油效果和潛力。從圖中可以看出，旗35井區(qū)直接空氣泡沫驅(qū)最終驅(qū)油效率達(dá)到80.06%，基本接近唐80井區(qū)先水驅(qū)再空氣泡沫驅(qū)的驅(qū)油效率。另外還可以看出，相比唐80井區(qū)驅(qū)油方式，旗35井區(qū)驅(qū)油效率曲線的中間平緩段明顯短得多，說明不注水直接進(jìn)行空氣泡沫驅(qū)的驅(qū)動(dòng)方式更有效，獲得相同較高的驅(qū)油效率需要注入的孔隙體積倍數(shù)更小，將可以有效節(jié)約注入用水。

1.2 耗氧安全分析

唐80井區(qū)采取類比借鑒法和室內(nèi)氧化實(shí)驗(yàn)進(jìn)行耗氧預(yù)測(cè)與分析。首先，通過對(duì)比唐80井區(qū)和已開展過室內(nèi)研究或礦場(chǎng)試驗(yàn)油田的地層溫度、原油物性及巖石礦物成分，并結(jié)合國內(nèi)外原油低溫氧化室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，分析計(jì)算唐80井區(qū)氧含量達(dá)到安全值所需要的氧化時(shí)間，結(jié)果見表2。由表2預(yù)測(cè)結(jié)果判斷，唐80井區(qū)低溫氧化后達(dá)到安全氧含量所需的時(shí)間約為90 d。

表2 唐80井區(qū)氧含量達(dá)到安全值需要時(shí)間預(yù)測(cè)Table 2 Prediction on the time needed for the oxygen content of Well Block Tang 80 to reach the safety value

為了掌握在達(dá)到耗氧安全時(shí)間后氧含量隨時(shí)間的變化情況，通過室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析和回歸，預(yù)測(cè)了唐80井區(qū)在90 d后氧含量的變化情況。結(jié)果表明，90 d后氧含量為6.96%，已經(jīng)完全降到了烷烴氣體對(duì)應(yīng)的氧含量爆炸極限10%～12%以下，而且隨著時(shí)間的推移，氧含量越來越低［26］。

為了更直接、更加符合延長油田礦場(chǎng)實(shí)際，旗35井區(qū)進(jìn)行了高壓長氧化管動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)研究，其中產(chǎn)出氣氧含量隨氣體突破時(shí)間的變化規(guī)律如圖2所示，可以看出，在溫度70 ℃條件下（近似地層溫度），產(chǎn)出氣中含氧量隨著時(shí)間的增加而減?。划?dāng)氣體突破時(shí)間超過10.84 h后，含氧量降到爆炸極限10%以下。

圖2 產(chǎn)出氣氧含量隨氣體突破時(shí)間的變化Fig. 2 Variation of oxygen content of produced gas with the gas breakthrough time

從唐80井區(qū)和旗35井區(qū)的耗氧研究和分析結(jié)果來看，礦場(chǎng)試驗(yàn)中只要通過優(yōu)化氣液比和注入速度等參數(shù)，有效延緩氣體突破時(shí)間，就可以將產(chǎn)出氣的氧含量降到安全值以下。加之再配套產(chǎn)出氣氧含量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)和地面安全相關(guān)防范措施，安全是可以保障的。

2 礦場(chǎng)試驗(yàn)

根據(jù)前期室內(nèi)起泡體系優(yōu)選、驅(qū)替實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)及油藏?cái)?shù)值模擬等研究結(jié)果，優(yōu)選礦場(chǎng)試驗(yàn)注入?yún)?shù)分別為：氣液比3∶1，旗35井區(qū)泡沫液注入速度15 m3/d，唐80井區(qū)泡沫液注入速度10 m3/d，泡沫液最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.4%～0.5%，總注入量0.6 PV，段塞為泡沫液0.017 PV+空氣0.05 PV。現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)注入壓力變化情況適當(dāng)調(diào)整注入?yún)?shù)。

2.1 旗35井區(qū)礦場(chǎng)試驗(yàn)

旗35井區(qū)位于陜北延安市吳起縣境內(nèi)，含油層系主要位于三疊系延長組和侏羅系延安組。其中長4+5、長6油層組為本次空氣泡沫驅(qū)試驗(yàn)的目的層，試驗(yàn)井組為Q35-6井組。試驗(yàn)井區(qū)孔隙度范圍7%～11%，滲透率0.5～3.5 mD。油藏埋深1920～2250 m，原始地層壓力13.15 MPa，地層溫度72 ℃。注空氣泡沫前，該井區(qū)沒有外來能量補(bǔ)充，加上邊、底水不活躍，油井產(chǎn)量遞減非?？?。相比投產(chǎn)初期，井組自然遞減已達(dá)到40.2%。在前期研究的基礎(chǔ)上，Q35-6井正式開始注空氣泡沫，日注空氣10 800 m3（折合地下體積54 m3），累計(jì)注空氣3 659 040 m3（折合地下體積14 749 m3），有效節(jié)約了大量水資源。

經(jīng)近兩年的注空氣泡沫，Q35-6井組自然遞減得到了明顯控制，對(duì)應(yīng)油井尤其是一線油井如旗35-1井、物性較好方向的二線油井如35-11井等增產(chǎn)效果非常明顯，增油幅度最高達(dá)近40%。應(yīng)用雙曲遞減規(guī)律，回歸遞減曲線，對(duì)比依靠天然能量開采的各井累計(jì)產(chǎn)量和采取空氣泡沫驅(qū)后的實(shí)際產(chǎn)量，結(jié)果如圖3所示，由計(jì)算可知，注氣受效后井組平均日產(chǎn)油相比注氣前遞增5.4%，試驗(yàn)期間井組階段累計(jì)增油4 158 t，階段投入產(chǎn)出比達(dá)到了1∶4.7以上。

圖3 旗35-6試驗(yàn)井組單井產(chǎn)油量對(duì)比Fig. 3 Single-well oil production comparison of the experiment well groups in Well group Qi 35-6

礦場(chǎng)試驗(yàn)期間，Q35-6井組采用美國進(jìn)口便攜式檢測(cè)儀，24 h人工連續(xù)監(jiān)測(cè)產(chǎn)出井套管氣的氧含量，平均在0.1%～0.2%，一直比較穩(wěn)定，說明氧氣在儲(chǔ)層中進(jìn)行了充分的氧化反應(yīng)。

2.2 唐80井區(qū)礦場(chǎng)試驗(yàn)

唐80井區(qū)位于陜北延安市甘谷驛鎮(zhèn)境內(nèi)，主要含油層位為三疊系延長組長6油層組，油藏平均埋深為441 m，平均孔隙度7.9%，平均滲透率0.82 mD，原始地層壓力系數(shù)0.95，油層溫度26～30 ℃，屬于典型的超低滲、低壓、低溫油藏。該油田從2002年起開展注水開發(fā)試驗(yàn)，隨著注水開發(fā)的不斷推進(jìn)，油井含水出現(xiàn)明顯上升的現(xiàn)象和趨勢(shì)，油田采油速度慢，采出程度低。

在前期綜合研究的基礎(chǔ)上，優(yōu)選叢54井組和叢55井組開展了空氣泡沫驅(qū)礦場(chǎng)先導(dǎo)試驗(yàn)，累計(jì)注入泡沫液1 091.8 m3，累計(jì)注氣138 830 Nm3（折合地下體積3 397 m3），大大降低了注水量。通過試驗(yàn)井組生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析，2個(gè)井組注空氣泡沫見效后，階段分別累計(jì)增油183.75 t和320.15 t，綜合含水分別下降了12.99個(gè)百分點(diǎn)和18.1個(gè)百分點(diǎn)，整體表現(xiàn)出產(chǎn)液上升、產(chǎn)油上升、含水明顯下降的良好態(tài)勢(shì)。其中典型受效油井叢54-8井含水由見效前的50%下降到10%以下；產(chǎn)油由注空氣泡沫前的7.9 t/月上升到17 t/月，降水增油效果非常明顯。

在礦場(chǎng)先導(dǎo)試驗(yàn)取得理想效果的基礎(chǔ)上，唐80區(qū)塊空氣泡沫驅(qū)的規(guī)模不斷擴(kuò)大，目前空氣泡沫注入井已達(dá)61口，受益油井236口，受效總面積達(dá)到5.4 km2，總控制儲(chǔ)量270×104t。根據(jù)與注水區(qū)及非注水區(qū)的效果對(duì)比，注空氣泡沫區(qū)平均單井日產(chǎn)油較注水區(qū)高0.19 t，較非注水區(qū)高0.25 t；綜合含水率由初期的51%下降到目前的35%左右；自然遞減率較注水區(qū)低13.66個(gè)百分點(diǎn)；累積節(jié)水10余萬m3，取得了非常良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

礦場(chǎng)試驗(yàn)中套管氣含氧量監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，大部分井氧含量低于5%，最低0.4%，且隨時(shí)間的延長，氧含量均越來越低。注空氣200 d后氧含量均低于3.1%，在安全值范圍內(nèi)。

3 結(jié)論

（1）空氣泡沫驅(qū)可以有效提高延長油田“三低”油藏的驅(qū)油效率。無論是先水驅(qū)再空氣泡沫驅(qū)，還是直接進(jìn)行空氣泡沫驅(qū)，最終驅(qū)油效率均可以達(dá)到80%以上。相比先水驅(qū)再空氣泡沫驅(qū)，直接空氣泡沫驅(qū)的驅(qū)動(dòng)方式更加有效，獲得相同較高的驅(qū)油效率需要注入的孔隙體積倍數(shù)更小，可以有效節(jié)約注入用水。

（2）唐80和旗35井區(qū)礦場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果均表明，空氣泡沫驅(qū)可以有效減緩此類“三低”油藏的自然遞減率，起到明顯的降水增油效果。

（3）室內(nèi)耗氧研究和礦場(chǎng)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，空氣在油層中充分的滯留時(shí)間是保證耗氧安全的重要因素，延長油田“三低”油藏實(shí)施空氣泡沫驅(qū)具有安全可行性。建議礦場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)采取封堵裂縫大孔道、控制注氣速度及關(guān)閉曾暴性水淹油井等措施，有效延長空氣在油層中的滯留時(shí)間，降低風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生幾率。

（4）建議繼續(xù)加強(qiáng)注空氣泡沫配套安全技術(shù)和防范措施的研究，礦場(chǎng)實(shí)施中加強(qiáng)油藏動(dòng)態(tài)和產(chǎn)出氣的監(jiān)測(cè)與分析，及時(shí)制定合理的調(diào)整和預(yù)防方案。