泡沫驅(qū)微觀驅(qū)油機(jī)理及驅(qū)油效果

邢曉璇

（中國石化勝利油田分公司勘探開發(fā)研究院，山東東營 257015）

泡沫體系是氣體（氮?dú)?、空氣、天然氣或煙道氣等）分散在液體中，以氣體為分散相，液體為分散介質(zhì)的熱力學(xué)不穩(wěn)定分散體系［1-3］。泡沫體系的黏度主要由液相的內(nèi)摩擦作用和氣泡的擠壓、碰撞作用決定，其視黏度較高，一般認(rèn)為是賓漢流體，具有剪切變稀的特性。較高的視黏度決定了泡沫體系具有流度調(diào)整和封堵作用，通過調(diào)剖和液流轉(zhuǎn)向作用，擴(kuò)大波及系數(shù)，提高驅(qū)油效率。同時，泡沫體系中的起泡劑溶液具有表面活性劑降低界面張力、乳化和改變潤濕性等作用機(jī)理，可提高洗油效率和驅(qū)油效率，故泡沫體系具有調(diào)剖和驅(qū)油雙重作用［4-6］。

中外關(guān)于泡沫的穩(wěn)定性研究，取得了“堵大不堵小”、“堵水不堵油”等機(jī)理共識［7-10］。泡沫調(diào)剖和驅(qū)油作用室內(nèi)研究［11-15］中尚未見到采用非均質(zhì)條帶微觀模型進(jìn)行泡沫微觀驅(qū)油特征的研究。為此，筆者首次采用自行設(shè)計的滲透率級差為1∶3的非均質(zhì)微觀模型對泡沫驅(qū)油全過程的滲流特征、驅(qū)油機(jī)理和驅(qū)油效果進(jìn)行仿真可視化研究，然后采用相同滲透率級差的并聯(lián)填砂管模型，進(jìn)一步驗(yàn)證泡沫驅(qū)的滲流特征和驅(qū)油機(jī)理，并對驅(qū)油效果進(jìn)行定量分析。

1 實(shí)驗(yàn)器材與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)用油為孤東中二區(qū)2-29 斜535 地面脫氣原油，50 ℃下黏度為1 638 mPa·s，密度為0.941 3 g/cm3。實(shí)驗(yàn)用水為模擬地層水，其礦化度為5 750 mg/L。實(shí)驗(yàn)用氣為氮?dú)?，純度?9.9%。泡沫劑為自行研制的烷基苯磺酸鹽型耐高溫泡沫劑，150 ℃老化72 h 后，起泡體積為865 mL，析液半衰期為314 s。

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ桶ǚ蔷|(zhì)微觀模型和并聯(lián)填砂管模型。非均質(zhì)微觀模型以滲透率分別為512 和1 517 mD 的巖心制成的鑄體薄片為模板，采用氫氟酸刻蝕的方法制成。并聯(lián)填砂管模型為采用石英砂手工填制而成的滲透率分別為1 610 和4 916 mD的填砂管。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及步驟

非均質(zhì)微觀模型驅(qū)替實(shí)驗(yàn) 高溫微觀驅(qū)替物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置由注入系統(tǒng)、數(shù)字?jǐn)z像系統(tǒng)、微觀模型夾持器系統(tǒng)（包括高溫高壓可視釜及內(nèi)部的加熱控溫裝置）等組成（圖1）。實(shí)驗(yàn)步驟為：①將非均質(zhì)微觀模型抽真空。②飽和模擬地層水。③飽和油。④水驅(qū)油至模型不出油為止。⑤注入泡沫。⑥后續(xù)水驅(qū)至含水率為98%以上，后續(xù)水驅(qū)用水經(jīng)過亞甲基藍(lán)染為藍(lán)色。實(shí)驗(yàn)條件為回壓設(shè)置為3 MPa，氣液比為1∶2，泡沫劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%，實(shí)驗(yàn)溫度為150 ℃。

圖1 高溫微觀驅(qū)替物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental apparatus of physical simulation on high temperature microscopic displacement

并聯(lián)填砂管模型泡沫驅(qū)實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)裝置由模型系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、回壓控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)6個模塊組成（圖2）。為了進(jìn)行對比研究，并聯(lián)填砂管模型泡沫驅(qū)實(shí)驗(yàn)步驟和實(shí)驗(yàn)條件與非均質(zhì)微觀模型驅(qū)替實(shí)驗(yàn)保持一致。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 微觀滲流特征及驅(qū)油機(jī)理

通過非均質(zhì)微觀模型驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，將泡沫驅(qū)分為混氣水驅(qū)油、表面活性劑驅(qū)油和泡沫驅(qū)油3 個顯著滲流區(qū)（圖3）。不同滲流區(qū)形成的原因不同且驅(qū)油機(jī)理也不同。

混氣水驅(qū)油滲流區(qū) 該區(qū)形成的主要原因?yàn)椋核?qū)后注入的泡沫優(yōu)先進(jìn)入水驅(qū)時形成的水流優(yōu)勢通道，遇水后泡沫劑溶液被稀釋，接觸到殘余油的泡沫會由于液膜上部分表面活性劑進(jìn)入油相而導(dǎo)致泡沫液膜破裂。同時，在泡沫運(yùn)移過程中，泡沫劑在多孔介質(zhì)表面的吸附加劇了泡沫的破裂。泡沫破裂后，由于氣體的密度和黏度小，滲流速度快，在模型中主要沿著水驅(qū)時優(yōu)勢通道竄流，在泡沫驅(qū)替前沿形成了混氣水驅(qū)油滲流區(qū)?；鞖馑?qū)油滲流區(qū)的驅(qū)油機(jī)理為：由于該區(qū)不存在完整的氣泡，氣體聚集成大的氣柱或氣團(tuán)居于大孔隙的中央，氣柱或氣團(tuán)沿著水驅(qū)時形成的水流優(yōu)勢通道運(yùn)移，被氣體擠向孔隙邊緣或驅(qū)出，最終氣體很快突破到模型出口。

表面活性劑驅(qū)油滲流區(qū) 該區(qū)主要形成原因?yàn)椋簹馀葸M(jìn)入模型發(fā)生破裂，氮?dú)馀c泡沫劑溶液分離，由于泡沫劑溶液滲流速度滯后于氣體，從而形成了表面活性劑驅(qū)油滲流區(qū)。表面活性劑驅(qū)油滲流區(qū)的驅(qū)油機(jī)理為：泡沫劑溶液通過降低界面張力和乳化剝離，形成了大量的水包油乳狀液；水為外相，降低了油相的滲流阻力，乳化攜帶和乳化捕集作用能夠提高洗油效率并增大波及區(qū)域。

泡沫驅(qū)油滲流區(qū) 該區(qū)主要形成原因?yàn)椋航?jīng)過混氣水驅(qū)油和表面活性劑驅(qū)油后，剩余油大幅減少，后續(xù)泡沫能夠穩(wěn)定存在，形成了泡沫驅(qū)油滲流區(qū)。泡沫驅(qū)油滲流區(qū)的驅(qū)油機(jī)理為：該區(qū)泡沫優(yōu)先進(jìn)入到大孔道中，尤其在大孔隙的中央駐留封堵，小氣泡能夠進(jìn)入到大氣泡無法進(jìn)入的小孔隙，起到與大氣泡等效的封堵作用。同時，由于實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀H水，可觀察到水位于孔隙表面，油吸附在泡沫和多孔介質(zhì)表面水膜的中間，具有所謂的“界面夾帶”作用，進(jìn)一步提高了洗油效率。

圖2 并聯(lián)填砂管模型泡沫驅(qū)實(shí)驗(yàn)裝置Fig.2 Experimental apparatus of parallel sand-packed pipe model for foam flooding

圖3 泡沫驅(qū)滲流區(qū)劃分Fig.3 Division of percolation zones of foam flooding

2.2 非均質(zhì)微觀模型泡沫驅(qū)油效果

滲透率級差為1∶3 的非均質(zhì)微觀模型，不論高滲透條帶還是低滲透條帶，水驅(qū)后進(jìn)行泡沫驅(qū)和后續(xù)水驅(qū)均先后形成了不同的滲流區(qū)。

水驅(qū) 水驅(qū)階段的驅(qū)油效果（圖4）顯示，高滲透條帶和低滲透條帶由于滲透率級差產(chǎn)生差異化滲流，水進(jìn)入高滲透條帶形成水流優(yōu)勢通道，直至水突破高滲透條帶，低滲透條帶完全未被動用，驅(qū)替不均衡。

圖4 水驅(qū)階段驅(qū)油效果Fig.4 Displacement effect on water flooding

圖5 泡沫驅(qū)初期的驅(qū)油現(xiàn)象和結(jié)束時的驅(qū)油效果Fig.5 Flooding phenomenon at early stage of foam flooding and flooding effect at end of foam flooding

泡沫驅(qū) 分析圖5 可見，泡沫進(jìn)入到非均質(zhì)微觀模型后，高滲透條帶出現(xiàn)明顯的混氣水驅(qū)油滲流區(qū)、表面活性劑驅(qū)油滲流區(qū)和泡沫驅(qū)油滲流區(qū)，而低滲透條帶只出現(xiàn)了混氣水驅(qū)油滲流區(qū)和一小段表面活性劑驅(qū)油滲流區(qū)。這是因?yàn)椋邼B透條帶在混氣水驅(qū)油和表面活性劑驅(qū)油階段封堵作用有限，只有當(dāng)泡沫進(jìn)入高滲透條帶保持穩(wěn)定且占據(jù)孔隙后，才能大幅度降低氣相（泡沫）的滲透率，增加了氣相的滲流阻力，擴(kuò)大了波及區(qū)域。由于孔隙的不規(guī)則性，氣泡兩側(cè)曲率不同，產(chǎn)生了賈敏效應(yīng)。隨著進(jìn)入到高滲透條帶泡沫量的增加，賈敏效應(yīng)疊加，泡沫的流動阻力大幅增加，當(dāng)增加到超過低滲透條帶的流動阻力后，泡沫便進(jìn)入到低滲透條帶，低滲透條帶剩余油多，泡沫進(jìn)入后遇油消泡，從而形成了混氣水驅(qū)油滲流區(qū)和表面活性劑驅(qū)油滲流區(qū)（圖5a）。由于泡沫的封堵作用，液流發(fā)生轉(zhuǎn)向，泡沫驅(qū)后高滲透條帶和低滲透條帶的波及區(qū)域顯著增大（圖5b）。

后續(xù)水驅(qū) 后續(xù)水驅(qū)的驅(qū)油效果（圖6）表明，高滲透條帶泡沫被驅(qū)出，后續(xù)水驅(qū)形成新的水流優(yōu)勢通道，波及面積（染色區(qū)域）低于泡沫驅(qū)時的波及面積，泡沫驅(qū)和后續(xù)水驅(qū)波及區(qū)域未重疊部分的剩余油始終難以動用。后續(xù)水驅(qū)未突破高滲透條帶之前，隨著注入壓力上升，染色水進(jìn)入低滲透條帶，待染色水突破高滲透條帶后，低滲透條帶流體不再運(yùn)移。這是由于高滲透條帶被染色水突破后，該條帶的泡沫失去高、低滲透條帶間的液流轉(zhuǎn)向作用，加之低滲透條帶殘余泡沫的封堵作用，使得低滲透條帶殘余油很難被動用。

圖6 后續(xù)水驅(qū)的驅(qū)油效果Fig.6 Displacement effect on subsequent water flooding

采用圖像分析法定量分析不同驅(qū)替階段的波及系數(shù)［16］。結(jié)果（圖7）表明：高滲透條帶的水驅(qū)波及系數(shù)為52.4%，泡沫驅(qū)增至100%，后續(xù)水驅(qū)降至74.3%；而低滲透條帶的波及系數(shù)一直增大，水驅(qū)階段為0，泡沫驅(qū)增至44.7%，后續(xù)水驅(qū)增至65.6%。由此可見，泡沫驅(qū)抑制了非均質(zhì)性的影響，改善了驅(qū)替的均衡程度，起到了調(diào)驅(qū)的作用。

圖7 不同驅(qū)替階段波及系數(shù)變化Fig.7 Variation of sweep efficiency at different displacement stages

2.3 并聯(lián)填砂管模型泡沫驅(qū)油效果

圖8 不同驅(qū)替階段分流率和驅(qū)油效率的變化Fig.8 Variation of fluid diversion rates and displacement efficiency at different displacement stages

由圖8a 可以看出：水驅(qū)階段，低滲透管未動用，驅(qū)替不均衡。泡沫驅(qū)階段，泡沫首先進(jìn)入高滲透管，由于泡沫驅(qū)存在3 個區(qū)，泡沫驅(qū)初期，高滲透管的分流率并未立刻減小，而是有一定的滯后性。隨著泡沫驅(qū)的進(jìn)行，驅(qū)替壓力增加，低滲透管被驅(qū)替，分流率增加，最高達(dá)75%，而高滲透管分流率降至25%。當(dāng)泡沫驅(qū)的注入壓力增加到一定程度時，泡沫進(jìn)入低滲透管，驅(qū)替壓力增幅大于高滲透管后，高滲透管的分流率增加，低滲透管的分流率降低。后續(xù)水驅(qū)階段，高滲透管分流率迅速增至100%，低滲透管分流率則降為0。

不同驅(qū)替階段高、低滲透管的驅(qū)油效率（圖8b）表明：水驅(qū)平衡時，高滲透管驅(qū)油效率最高為31.32%，低滲透管驅(qū)油效率為0；泡沫驅(qū)階段，高滲透管驅(qū)油效率提高至47.97%，比水驅(qū)提高了16.65%，同時低滲透管的驅(qū)油效率由0 提高至43.56%；后續(xù)水驅(qū)階段，高滲透管的驅(qū)油效率進(jìn)一步增大，提高了4.18%，達(dá)52.15%，而低滲透管的驅(qū)油效率為44.31%，僅提高了0.75%。從驅(qū)油效率上看，泡沫驅(qū)大大改善了高、低滲透管的驅(qū)替平衡。

3 問題與對策

3.1 低滲透條帶見效滯后效應(yīng)與對策

非均質(zhì)微觀模型驅(qū)替實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，泡沫驅(qū)分為混氣水驅(qū)油、表面活性劑驅(qū)油和泡沫驅(qū)油3 個連續(xù)的滲流區(qū)，每個滲流區(qū)的形成原因和驅(qū)油機(jī)理不同。其中，混氣水驅(qū)油和表面活性劑驅(qū)油的機(jī)理主要是提高洗油效率，而泡沫驅(qū)油機(jī)理主要是靠封堵作用擴(kuò)大波及區(qū)域，同時兼具洗油作用?；鞖馑?qū)油和表面活性劑驅(qū)油時，注入泡沫未起到有效封堵作用，導(dǎo)致低滲透條帶注泡沫初期見效滯后。為了強(qiáng)化泡沫的封堵作用，可考慮水驅(qū)后先注入驅(qū)油劑溶液段塞，進(jìn)一步降低殘余油飽和度，驅(qū)油劑在多孔介質(zhì)表面優(yōu)先被吸附，同時起到犧牲劑作用，可以降低泡沫劑在多孔介質(zhì)表面的吸附。先注入驅(qū)油劑溶液驅(qū)油再注入泡沫驅(qū)油的驅(qū)替方式，可以增強(qiáng)泡沫注入初期高滲透條帶的泡沫穩(wěn)定性，縮短低滲透條帶的見效時間，可以大幅度地改善泡沫的調(diào)驅(qū)作用，使得低滲透條帶快速見效，提高驅(qū)油效率。

3.2 泡沫驅(qū)存在封堵有效期與對策

非均質(zhì)微觀模型注入泡沫后，泡沫能夠抑制非均質(zhì)性導(dǎo)致的高滲透條帶和低滲透條帶的差異滲流，改善驅(qū)替均衡程度。非均質(zhì)微觀模型泡沫驅(qū)替現(xiàn)象及實(shí)驗(yàn)結(jié)果亦顯示，高滲透條帶的波及系數(shù)由泡沫驅(qū)前的52.4%提高至100%，低滲透條帶波及系數(shù)由0 增至44.7%。但是，泡沫驅(qū)后進(jìn)行后續(xù)水驅(qū)時，高滲透條帶的波及系數(shù)又降至74.3%，低滲透條帶波及系數(shù)小幅增至65.6%后，殘余油不再被動用。并聯(lián)填砂管模型泡沫驅(qū)油實(shí)驗(yàn)的分流率和驅(qū)油效率也呈現(xiàn)相同的規(guī)律，說明泡沫驅(qū)時的封堵作用在后續(xù)水驅(qū)時存在封堵有效期。為了節(jié)約用氣成本，進(jìn)一步改善非均質(zhì)儲層的驅(qū)替均衡程度，建議泡沫段塞和水驅(qū)間歇進(jìn)行，才能逐次遞進(jìn)式改善驅(qū)替的均衡程度，克服非均質(zhì)性對驅(qū)油效果的影響。

3.3 實(shí)驗(yàn)研究的局限性及下一步研究方向

實(shí)驗(yàn)采用滲透率級差為1∶3 的非均質(zhì)微觀模型，一方面由于滲透率級差的影響，另一方面由于稠油黏度大的影響，水驅(qū)階段高滲透條帶突破后，低滲透條帶仍未被波及。注入泡沫后，泡沫封堵高滲透條帶，起到調(diào)驅(qū)作用，低滲透條帶被動用。后續(xù)水驅(qū)，注入水優(yōu)先沿高滲透條帶的大孔道運(yùn)移，由于多孔介質(zhì)中泡沫的封堵，注入壓力升高，染色水可以進(jìn)入低滲透條帶驅(qū)油。待后續(xù)水驅(qū)再次突破高滲透條帶形成新的優(yōu)勢通道后，低滲透條帶流體再一次停滯，注入水一直沿著高滲透條帶滲流不再出油。下一步應(yīng)開展不同滲透率級差的非均質(zhì)微觀模型泡沫驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，研究滲透率級差和油相黏度對驅(qū)替均衡程度的影響，同時進(jìn)行泡沫封堵有效期研究，后續(xù)水驅(qū)至不再出油后采用間歇注入泡沫的方式考察對驅(qū)油效率和剩余油飽和度分布的影響。

4 結(jié)論

首次采用非均質(zhì)微觀模型進(jìn)行泡沫驅(qū)可視化驅(qū)油實(shí)驗(yàn)，揭示泡沫驅(qū)過程沿注入方向形成混氣水驅(qū)油、表面活性劑驅(qū)油和泡沫驅(qū)油3 個顯著滲流區(qū)的形成原因及驅(qū)油機(jī)理?？梢暬卣宫F(xiàn)了泡沫抑制差異滲流，改善驅(qū)替均衡程度的過程。在水驅(qū)、泡沫驅(qū)和后續(xù)水驅(qū)的驅(qū)油過程中，高滲透條帶的波及系數(shù)由水驅(qū)油時的52.4%增至泡沫驅(qū)油時的100%，后續(xù)水驅(qū)油時波及系數(shù)又降至74.3%。低滲透條帶的波及系數(shù)由水驅(qū)油時的0大幅增至泡沫驅(qū)油時的44.7%，后續(xù)水驅(qū)油時增至65.6%。

滲透率級差為1∶3的并聯(lián)填砂管模型泡沫驅(qū)油實(shí)驗(yàn)的分流率及驅(qū)油效率隨驅(qū)替過程的變化規(guī)律驗(yàn)證了非均質(zhì)微觀模型中泡沫驅(qū)的驅(qū)油特征和驅(qū)油效果。