氮氣泡沫驅(qū)提高采收率機(jī)理及影響因素研究進(jìn)展

廖輝 孔超杰 鄧猛

摘 ?????要：氮氣泡沫因其獨特的流變性和對非均質(zhì)嚴(yán)重地層的良好封堵性能，受到各大油田的關(guān)注，并成功應(yīng)用。文章綜述了氮氣泡沫驅(qū)提高采收率的機(jī)理及影響因素，并對影響因素進(jìn)行了詳細(xì)分析，同時指出了目前存在的問題并對油田開發(fā)生產(chǎn)提出了相關(guān)建議，為氮氣泡沫驅(qū)技術(shù)更好的發(fā)展并服務(wù)于油田生產(chǎn)。

關(guān) ?鍵 ?詞：氮氣泡沫;流變性;非均質(zhì);封堵性;機(jī)理;影響因素

中圖分類號：TE 357 ??????文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ??????文章編號： 1671-0460（2019）01-0122-05

Abstract： Owing to the peculiar rheology behavior， excellent adaptability and sealing characteristics to severe heterogeneity formation， the nitrogen foam flooding technique gains more and more focus and has been successfully applied in many oilfields. In this paper， the mechanism and influence factors of nitrogen foam flooding in EOR process were summarized， meanwhile， existing problems were analyzed， and some suggestions were put forward， in order to make the nitrogen foam flooding technique better meet the demand of oilfield development.

Key words： Nitrogen foam; Rheology behavior; Heterogeneity; Sealing characteristics; Mechanism; Influence factors

我國大部分油田為陸相沉積，非均質(zhì)性嚴(yán)重，這些油田大部分處于注水開發(fā)的中后期[1]，注入水突破快，含水較高。聚合物具有較為獨特的流變性能，能在高含水期進(jìn)一步擴(kuò)大波及，提高采收率，并取得了不錯的開發(fā)效果，如大慶油田。但是地下殘留聚合物嚴(yán)重，不可及孔隙減小了波及，地層存在大量剩余油，聚合物對非均質(zhì)嚴(yán)重的地層調(diào)剖效果欠佳，聚驅(qū)后轉(zhuǎn)水驅(qū)指進(jìn)現(xiàn)象進(jìn)一步加重等聚合物驅(qū)技術(shù)的問題也逐漸暴露出來[2]。因此急需找到一種合適的接替采油技術(shù)。泡沫流體以其良好的選擇性封堵能力和洗油能力逐漸受到各大油田關(guān)注。其中氮氣來源廣，價格低廉，安全性高，對設(shè)備無腐蝕，且制氮工藝較以往更先進(jìn)，氮氣泡沫驅(qū)工藝更容易實現(xiàn)，故此，氮氣常作為礦場氮氣泡沫驅(qū)常用氣源，在大慶，勝利等各大油田已成功應(yīng)用[3]。

本文綜述了氮氣泡沫驅(qū)提高采收率機(jī)理及其影響因素，并分析了原因，同時提出了氮氣泡沫驅(qū)目前存在的問題及今后的發(fā)展方向。

1 ?氮氣泡沫驅(qū)機(jī)理

氮氣泡沫是一種分散體系，體系中表面活性劑溶液作連續(xù)相，起起泡作用，氮氣作產(chǎn)生氣泡的分散相[4]。氮氣泡沫驅(qū)兼具單一氮氣驅(qū)和表面活性劑驅(qū)的雙重特性，具有獨特的流變性，性能更優(yōu)異。近年來，對氮氣泡沫驅(qū)油理論的研究較多，主要可歸納為以下幾點[1，4]：

（1）改善水油流度比，調(diào)整地層吸水剖面，擴(kuò)大波及體積[5]。泡沫流體獨特的微觀結(jié)構(gòu)可以降低驅(qū)替體系的流度，能夠很好地控制流度。因高低滲孔道滲流阻力不同，同等注入條件下，泡沫流體優(yōu)先進(jìn)入滲流阻力較小的高滲透大孔道，隨著泡沫流體不斷注入，該層滲流阻力變大，形成封堵，泡沫“被迫”進(jìn)入滲流阻力較小的中低滲透層，隨著泡沫流體持續(xù)注入中低滲透層，因該層殘余油飽和度較高，泡沫難以穩(wěn)定存在，封堵能力低，水驅(qū)無法波及或者波及程度不高的中低滲透層得到動用，改善了吸水剖面，同時也擴(kuò)大了波及[6，7]。

（2）降低界面張力，改善巖石潤濕性，提高洗油效果。氮氣泡沫體系中的表面活性劑，具有顯著降低油水界面張力的作用，能改善巖石潤濕性，對吸附在巖壁上的油膜進(jìn)行剝離乳化，降低殘余油飽和度，提高洗油效率[7]。

（3）獨特的選擇封堵性能。由于泡沫遇油消泡，遇水則會很穩(wěn)定。在非均質(zhì)地層中，水驅(qū)階段，由于不同滲透率層水驅(qū)波及程度不同，高滲透層波及程度高，含油飽和度低，中低滲透層波及程度低，含油飽和度高，隨著泡沫流體進(jìn)入高滲油層，形成穩(wěn)定的泡沫，增大了流動阻力，泡沫流體被迫進(jìn)入滲透率相對較低的層，該層剩余油飽和度高，遇油泡沫破裂，減小了流動阻力，提高了滲透率相對較低層的動用程度，擴(kuò)大了波及。

（4）增加地層彈性能量，補(bǔ)充能量[8]。在氮氣泡沫驅(qū)過程中，大量的N2進(jìn)入地層，一方面也增加了彈性能量，補(bǔ)充了地層能量。

（5）氮氣驅(qū)。氮氣泡沫在地層中破裂后，溢出的氮氣或隨氮氣泡沫流體注入的氮氣會上浮至油層上部中低滲透層[8]，因正韻律儲層頂部存在大量剩余油，氮氣能夠?qū)敳渴Ｓ嘤瓦M(jìn)行驅(qū)替，提高儲量動用，擴(kuò)大波及，提高采收率。

2 ?氮氣泡沫驅(qū)影響因素

氮氣泡沫兼具單一N2驅(qū)和表面活性劑驅(qū)的雙重特性，具有獨特的流變性能和封堵性能，影響氮氣泡沫驅(qū)提高采收率的主要因素就是氮氣泡沫體系的穩(wěn)定性及封堵性能[1，4]。

2.1 ?油藏條件

2.1.1 ?地層韻律

由于沉積時的環(huán)境及水動力學(xué)條件不同，導(dǎo)致地層出現(xiàn)不同的韻律模式，韻律模式的這種差異，導(dǎo)致剩余油分布也不同。李賓飛對正反韻律模式地層氮氣泡沫驅(qū)效果研究發(fā)現(xiàn)，地層在經(jīng)過一段時間的水驅(qū)開發(fā)后，轉(zhuǎn)為氮氣泡沫驅(qū)，提高采收率幅度反韻律模型明顯低于正韻律模型[1]（如圖1）。導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因主要是，受重力影響，對不同地層韻律模式，滲透率不同小層水洗程度不同，因而剩余油分布規(guī)律也不同;在正韻律地層中，下部高滲層水驅(qū)波及程度高，剩余油主要分布在上部中低滲透層，實施氮氣泡沫驅(qū)時，對高滲層進(jìn)行了封堵，提高中低滲透層剩余油動用[1]。相反，在反韻律模式地層中，下部中低滲層動用程度較正韻律模型高，上部高滲層波及程度較正韻律模型低，殘余油飽和度高[1]，泡沫“遇油消泡”的特性，難以形成較穩(wěn)定的形態(tài)，不能對該高滲透通道進(jìn)行較好的封堵，因而提高采收率程度較正韻律模型低?？梢?，氮氣泡沫驅(qū)更適合正韻律油藏，增油效果更好。

2.1.2 ?非均質(zhì)性的影響

地層非均質(zhì)性對氮氣泡沫驅(qū)效果有重要影響，非均質(zhì)性越強(qiáng)，注入水越不容易活塞式均勻推進(jìn)，各層波及效果差別也越大，將氮氣泡沫驅(qū)應(yīng)用到這類油藏，可以弱化儲層非均質(zhì)性，取得較好的開發(fā)效果。氮氣泡沫驅(qū)可以減弱儲層的非均質(zhì)程度，對高滲通道實施封堵，降低注入水沿高滲通道突進(jìn)程度，調(diào)剖效果較明顯[9]。

郭民發(fā)現(xiàn)隨著變異系數(shù)增大，氮氣泡沫驅(qū)油效果有所下降，但是在一定范圍內(nèi)，氮氣泡沫驅(qū)提高采收率幅度基本恒定[10] （如圖2）。這也說明氮氣泡沫對非均質(zhì)儲層具有很好的適應(yīng)性，對流度的控制能力非常強(qiáng)，對高滲通道封堵能力較強(qiáng)，具有一定的選擇封堵性能。

2.1.3 ?滲透率

由于地層非均質(zhì)性的存在，驅(qū)替過程中，注入水不會呈活塞式均勻推進(jìn)，因為水的粘度恒定，但是地層非均質(zhì)性對流度有影響，非均質(zhì)性越強(qiáng)，注

入水非活塞推進(jìn)現(xiàn)象愈嚴(yán)重，故隨著滲透率增大，水的流度增大，高滲層水驅(qū)越充分，低滲層水驅(qū)動用越差，高滲層竄流嚴(yán)重[10]。欒春芳研究了驅(qū)油效率和滲透率的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)驅(qū)油效率隨著滲透率增大而增大[11]。張紅崗研究了不同滲透率下泡沫的封堵能力，發(fā)現(xiàn)剛開始注入時，泡沫的阻力因子增加幅度較小，等泡沫積累到一定量后，泡沫的封堵能力與滲透率呈正相關(guān)性，但當(dāng)滲透率增大到一定值時，阻力因子又逐漸趨于平穩(wěn)，可能是因為剛開始注入時，形成的泡沫量不夠，未能形成有效封堵，此外，泡沫在不同滲透率巖心中受到的剪切也不同，滲透率越高剪切越小，泡沫流體表觀粘度越大，而在高滲通道中的泡沫尺寸相對較大，穩(wěn)定性有所下降，封堵能力逐漸趨于平緩[12] （如圖3）。

2.1.4 ?原油粘度

地層原油與注入水粘度差異越大，其流度差異越大，不均勻驅(qū)油越明顯，注水突進(jìn)現(xiàn)象嚴(yán)重，驅(qū)油效果相對越差。劉仁靜針對勝利油田地層條件，研究了不同原油黏度對氮氣泡沫驅(qū)效果的影響，發(fā)現(xiàn)原油粘度對泡沫驅(qū)效果影響較大，且隨著原油粘度增大，油水粘度差異變大，泡沫驅(qū)油效果會變差，且地層滲透率越低，粘度的影響越明顯[13] （圖4）。

2.2 ?生產(chǎn)因素

2.2.1 ?注入量

通常情況下，累積注入的氮氣泡沫量越大，波及體積越大，對提高采收率影響也越大，但是考慮到工程經(jīng)濟(jì)問題，會選擇一個最佳注入量[2]。張宇[14]研究不同注入量對黃沙坨油田氮氣泡沫驅(qū)油效率的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)注入量由0.1 PV增大到0.4 PV時，驅(qū)油效率是不斷增大的，但是當(dāng)注入量超過0.2 PV時，增加幅度趨于平緩，考慮經(jīng)濟(jì)因素后，建議最大注入量為0.2 PV。

2.2.2 ?注入速度

馮天研究了氮氣泡沫注入速度對泡沫封堵能力的影響，發(fā)現(xiàn)在注入速度過低，小于0.2 mL/min時，形成的泡沫體系質(zhì)量較差，難以對大孔道進(jìn)行有效封堵，且隨著注入速度不斷增大，泡沫封堵能力也增強(qiáng)，但當(dāng)其超過1 mL/min后，泡沫穩(wěn)定性會減弱，泡沫封堵能力變?nèi)酰赡苁前l(fā)生了氣竄，影響了泡沫性能[15] （如圖5）。

2.2.3 ?注入方式

由于泡沫具有半衰期，所以其封堵作用也并不是永久的，需要不斷注入泡沫流體[16]。通常有N2與泡沫液更替注入和氮氣與泡沫液共同混注兩種注入方式。前者N2和起泡液，分開周期性注入，通過在地層中運移產(chǎn)生氣泡，后者是在地面充分混合產(chǎn)生泡沫后注入地下。劉勇，唐善法[17]等通過對雙河油田Ⅱ4-5區(qū)塊低界面張力氮氣泡沫驅(qū)體系研究發(fā)現(xiàn)，氮氣與泡沫液共混注入方式泡沫驅(qū)產(chǎn)生的阻力系數(shù)及殘余阻力系數(shù)均高于交替注入方式，主要是交替注入時，二者在地層未能充分接觸，生成的泡沫質(zhì)量相對較差，而氮氣與起泡劑共同注入時，兩者充分接觸，生成的泡沫質(zhì)量較好，封堵能力強(qiáng)。

2.2.4 ?段塞組合

李賓飛研究發(fā)現(xiàn)，注入總量一定時，不同的段塞組合對氮氣泡沫驅(qū)效果影響并不明顯[2]，所以現(xiàn)場實施氮氣泡沫驅(qū)，當(dāng)井口注入壓力過高時，可以先暫停氮氣泡沫注入，以水段塞注入代替，降低注入壓力，且對最后的采收率影響幅度不大?？赡苁且驗樽⑷氲牡獨馀菽w系量一定時，其波及體積和洗油效率變化基本不變，所以，即便以不同的段塞注入氮氣泡沫體系，最后的采收率影響幅度并不大。2.3 ?氣液比

氮氣泡沫是以氮氣為分散相，以添加表面活性劑的活性水為連續(xù)相的分散體系[4]。體系中氮氣的含量直接影響著氮氣泡沫質(zhì)量，以及氮氣泡沫驅(qū)效果[18]。殷方好[19]等通過對遼河油田千12塊蓮花油層進(jìn)行氮氣泡沫驅(qū)參數(shù)優(yōu)化研究發(fā)現(xiàn)，隨著氣液比逐漸增大到3∶1，注入壓力也是在不斷增大的，因為體系的阻力因子在增大，封堵能力也增強(qiáng)，但是在1∶1至1.5∶1左右時，封堵能力最好，因此將其定為最優(yōu)氣液比。張艷輝[20]研究了適用于對河南下二門油田油藏條件的氮氣泡沫驅(qū)起泡體系，發(fā)現(xiàn)最佳氣液比為1.5∶1，氣液比過高或過低都會對氮氣泡沫封堵能力產(chǎn)生一定影響（圖6）。主要是因為，當(dāng)體系氣液比過低時，氮氣是均勻分散在表面活性劑溶液中，形成泡沫緩慢且體積較小，液膜厚，封堵能力有限，不能在地層形成有效封堵，且施工過程中出現(xiàn)注入壓力低，井口壓力上升緩慢的現(xiàn)象;反之，當(dāng)體系氣液比例偏高時，形成的泡沫稀疏且體積大，液膜薄，氣泡不穩(wěn)定易破裂，因而阻力系數(shù)減小，封堵能力變?nèi)酰瑖?yán)重時還會形成氣竄，造成封堵失敗[20]。此外，氣液比過高，增大了藥劑用量，增大了作業(yè)費用。合適的氣液比形成的泡沫豐富且穩(wěn)定，能對流度進(jìn)行較好的控制，并在地層形成有效封堵。因此，在現(xiàn)場施工過程中，要合理的控制氣液比。

2.4 ?含油飽和度與注入時機(jī)

因泡沫不耐油遇油即消的性質(zhì)，所以地層含油飽和度是影響氮氣泡沫驅(qū)效果的關(guān)鍵因素。王景芹[21]通過對薩北油田氮氣泡沫驅(qū)油體系進(jìn)行篩選發(fā)現(xiàn)，含油飽和度低于20%時，泡沫穩(wěn)定性較好，綜合指數(shù)較高，阻力因子較大，封堵能力較強(qiáng)。也有研究表明，表面活性劑的起泡性能在含水85%到90%范圍時最強(qiáng)，形成的泡沫封堵能力更強(qiáng)（如圖7）。因為泡沫遇油則消，對于殘余油飽和度較高的層，泡沫不能穩(wěn)定存在，其未能對地層進(jìn)行有效封堵并調(diào)控流度，反之，殘余油飽和度較低的層，泡沫可以穩(wěn)定存在，并形成有效封堵，因此，通常選擇含油飽和度低于20%時進(jìn)行泡沫驅(qū)，以含水85%～90%為最佳注入時機(jī)。

2.5 ?驅(qū)替方式

因氮氣泡沫對非均質(zhì)油藏具有較好的封堵能力，因此其也會產(chǎn)生較大的滲流阻力，同時考慮到表面活性劑成本較高，所以在進(jìn)行氮氣泡沫驅(qū)時，并不是一直連續(xù)的注入整段的氮氣泡沫，而是注一段泡沫后注一段水，氣體或其它液體作為頂替段塞，以使氮氣泡沫體系進(jìn)入地層深部封堵高滲通道。

劉印華[22]研究了注入泡沫段塞后以氣和水作為頂替段塞對氮氣泡沫封堵能力的影響，發(fā)現(xiàn)以空氣作為頂替段塞，驅(qū)替過程中，由于氣體突破，氣竄造成封堵失效，阻力系數(shù)先升后降，以水作為驅(qū)替段塞，阻力系數(shù)一直升高，但是當(dāng)注入水體積達(dá)到2 PV左右時，阻力系數(shù)也開始下降（圖8）。

3 ?結(jié) 論

氮氣泡沫兼具氣驅(qū)和表面活性劑驅(qū)的雙重特性，該體系具有獨特的流變性，性能優(yōu)異，其對非均質(zhì)地層具有獨特的適應(yīng)性[1，4]。但是氮氣泡沫驅(qū)受多種因素影響，氮氣泡沫更適宜于正韻律地層，在初期中低含水期氮氣泡沫驅(qū)效果相對較差，特別是對稠油油藏，常規(guī)氮氣泡沫驅(qū)效果可能會較差，因此對于稠油油藏不建議常規(guī)氮氣泡沫驅(qū)。此外，地層滲透率、高礦化度、地層高溫等因素及生產(chǎn)因素（注入方式，注入量，驅(qū)替方式等）也會對氮氣泡沫驅(qū)效果有影響，認(rèn)清這些因素對氮氣泡沫驅(qū)效果的影響規(guī)律可以指導(dǎo)相關(guān)參數(shù)的優(yōu)化，制定合理的工作制度，同時還可以針對地層需求研制出更耐高溫，更耐礦化度的高性能表面活性劑，充分發(fā)揮其對提高采收率的作用。雖然氮氣泡沫驅(qū)效果受到多種因素的影響，但是其對非均質(zhì)地層的的獨特適應(yīng)性是其它流體無法比擬的，其仍將會是油田高含水期提

高采收率的一項重要技術(shù)。

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