低滲透非均質(zhì)油藏空氣泡沫驅(qū)替注入?yún)?shù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

黃 煒，溫 柔，龐 進(jìn)，孫亞君，楊文軍

(1.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司，陜西 西安 710200；2.重慶科技學(xué)院，重慶 401331)

0 引 言

低滲透油藏經(jīng)過(guò)多年注水開(kāi)發(fā)，高滲區(qū)驅(qū)替效率高，剩余油飽和度低，而低滲區(qū)和低滲薄互層內(nèi)剩余油富集[1]?？諝馀菽?qū)作為一種高效的驅(qū)替方式，已在百色、長(zhǎng)慶、延長(zhǎng)、吉林、中原等地開(kāi)展過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)[2-7]，取得了較好的效果?？諝馀菽?qū)注入?yún)?shù)的優(yōu)化主要通過(guò)室內(nèi)驅(qū)替實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬完成[8]。前人分別對(duì)長(zhǎng)慶、延長(zhǎng)、吉林地區(qū)的低滲透油藏進(jìn)行了空氣泡沫驅(qū)注入?yún)?shù)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)[9-14]，主要以填砂管和人工膠結(jié)巖心作為驅(qū)替巖心進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，而人工巖心與天然巖心在礦物組成、黏土含量、膠結(jié)程度方面差異較大，難以反映低滲透儲(chǔ)層的實(shí)際情況，實(shí)驗(yàn)所得的注入?yún)?shù)難以反映實(shí)際驅(qū)替效果。此外，實(shí)驗(yàn)只針對(duì)某一特定滲透率的巖心進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，而缺乏針對(duì)滲透率差異較大的非均質(zhì)性儲(chǔ)層進(jìn)行分類優(yōu)化[15]，優(yōu)化結(jié)果對(duì)于非均質(zhì)性強(qiáng)的儲(chǔ)層過(guò)于籠統(tǒng)，不利于空氣泡沫分區(qū)、分層精細(xì)化注入。

安塞油田王窯中西部地區(qū)長(zhǎng)6段儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)，各井組采用同一套注入?yún)?shù)導(dǎo)致各井區(qū)間驅(qū)替效果存在較大差異。針對(duì)上述問(wèn)題，開(kāi)展該地區(qū)不同滲透率儲(chǔ)層的注入?yún)?shù)優(yōu)化，明確不同儲(chǔ)層注入?yún)?shù)的變化規(guī)律，有效指導(dǎo)空氣泡沫驅(qū)的實(shí)施。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及流程

采用高溫高壓一維巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行空氣泡沫驅(qū)提高采收率注入?yún)?shù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)裝置主要由長(zhǎng)度可變(100～500 mm)的一維高壓巖心夾持器、恒速恒壓驅(qū)替泵、中間容器(分別裝有原油、地層水、泡沫液、空氣)、巖心夾持器、入口壓力監(jiān)測(cè)表、出口壓力監(jiān)測(cè)表、圍壓監(jiān)測(cè)表、回壓閥、回壓表、回壓泵、恒溫箱和油氣水三相分離器組成。實(shí)驗(yàn)流程分為注入系統(tǒng)、巖心流動(dòng)系統(tǒng)、采出流體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和溫度控制系統(tǒng)。

2 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料包括：驅(qū)替實(shí)驗(yàn)所使用巖心由若干塊Φ25 mm×70 cm的井下巖心柱拼接而成，根據(jù)滲透率不同分為3組，調(diào)和平均滲透率分別為0.05、1.52、8.97 mD，具體參數(shù)見(jiàn)表1；現(xiàn)場(chǎng)用注入泡沫、脫氣原油、地層水各500 mL，均取自長(zhǎng)6段王39-10井；注入氣體為20 MPa高壓干燥空氣。

表1 實(shí)驗(yàn)巖心參數(shù)Table 1 The experimental core parameters

3 實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)步驟如下：①連接各實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置，恒溫箱加熱至地層溫度80 ℃；②將預(yù)先鉆切好的巖心按照設(shè)計(jì)順序裝入橡膠筒，各巖心之間用濾紙隔開(kāi)，裝入巖心夾持器中，置于恒溫箱內(nèi)；③向驅(qū)替系統(tǒng)中通入約20 MPa的高壓空氣，并檢查氣密性是否良好；④使用真空泵對(duì)巖心流動(dòng)系統(tǒng)抽真空30 min，直到真空泵壓力接近0 MPa時(shí)停抽；⑤從實(shí)驗(yàn)裝置前端對(duì)夾持器進(jìn)行吸水，待吸水量不變時(shí)，利用平流泵在一定流量下向巖心注水，直到巖心飽和水，記錄巖心中的總飽和水體積；⑥利用平流泵向巖心驅(qū)替原油，驅(qū)替過(guò)程中維持地層壓力為20 MPa，直至采出端不再出水而全是油為止，計(jì)算巖心的含油飽和度和原始含水飽和度；⑦使用平流泵以設(shè)定的壓力向巖心注水驅(qū)替巖心中的油，并隨時(shí)記錄巖心兩端的壓力變化及采出端產(chǎn)油、產(chǎn)水體積，待達(dá)到注泡沫前的含水飽和度時(shí)，停止水驅(qū)；⑧按照實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行空氣泡沫驅(qū)油，并隨時(shí)記錄夾持器兩端的壓差、產(chǎn)油量、產(chǎn)水量；⑨空氣泡沫驅(qū)結(jié)束后，再進(jìn)行一段時(shí)間的水驅(qū)，至含水率達(dá)到98%或者累計(jì)驅(qū)替20倍孔隙體積時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

實(shí)驗(yàn)對(duì)照組多，完全按照上述流程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)所需的周期過(guò)長(zhǎng)。因此，在不改變注入?yún)?shù)優(yōu)化結(jié)果的前提下，在進(jìn)行注空氣泡沫的氣液比、空氣泡沫體積、注入壓力、注入速度4項(xiàng)測(cè)試時(shí)省去了步驟⑦，僅在注入時(shí)機(jī)優(yōu)化時(shí)保留了該過(guò)程。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 氣液比

利用第1組巖心開(kāi)展不同氣液比下的巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，氣液比分別為0.5∶1.0、1.0∶1.0、2.0∶1.0、3.0∶1.0和4.0∶1.0。在20 MPa恒定驅(qū)替壓力下注入0.20倍泡沫孔隙體積，再注入地層水，根據(jù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程記錄不同注入體積下的流量、出入口端壓力，計(jì)算階段采出程度。

開(kāi)始注入泡沫階段(注入0.00～0.20倍孔隙體積)采出程度增加較慢，此時(shí)泡沫剛進(jìn)入巖心，驅(qū)替前緣的含油飽和度較高，泡沫液中的表面活性劑濃度低，表面張力低，空氣泡沫驅(qū)替前緣部位只能形成小范圍泡沫帶且非常不穩(wěn)定，該階段泡沫開(kāi)始對(duì)大孔隙進(jìn)行封堵，采出程度曲線上升較慢。隨著泡沫液不斷注入，注入液持續(xù)推動(dòng)泡沫使得泡沫液中的表面活性劑濃度不再下降，形成的泡沫可以穩(wěn)定存在，泡沫對(duì)大孔道的封堵逐步完成，此階段采出程度開(kāi)始逐步提高，是空氣泡沫驅(qū)替低滲透區(qū)原油的主要階段。隨著注入液繼續(xù)注入，空氣泡沫驅(qū)替進(jìn)入后期，巖心中主要?dú)埩羲涂諝?，部分空氣泡沫被?qū)替出來(lái)，部分泡沫衰竭破裂，驅(qū)替模式以水驅(qū)為主，在注入液達(dá)到0.70倍孔隙體積后采出程度上升較慢，最終采出程度為22%～28%(圖1)。由于初期未進(jìn)行水驅(qū)，而是直接注入空氣泡沫封堵了大孔道，該采出程度主要代表低滲透孔隙中的原油采出程度。

圖1 不同氣液比的泡沫驅(qū)油采出程度Fig.1 The recovery percent in foam flooding with different gas-liquid ratios

由圖1可知，隨著氣液比增加，最終采出程度先增加后減少，當(dāng)氣液比達(dá)到3.0∶1.0時(shí)，最終采出程度最高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，1～3組巖心最佳的氣液比分別為3.0∶1.0、2.0∶1.0、1.0∶1.0。

4.2 泡沫段塞體積

利用第1組巖心開(kāi)展泡沫段塞體積優(yōu)化研究，氣液比為3.0∶1.0，注入壓力為20 MPa，注入量分別為0.25、0.30、0.35、0.40、0.45倍孔隙體積，注入段塞后進(jìn)行水驅(qū)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著注入量的增大，采出程度不斷增加，當(dāng)注入量增至0.35倍孔隙體積時(shí)，采出程度增幅明顯減小，之后增加注入量對(duì)提高采出程度的效果有限?？紤]注入成本等因素，確定該組巖心最佳注入量為0.35倍孔隙體積。同樣的方法得到第2、3組巖心最佳泡沫段塞注入量分別為0.30、0.25倍孔隙體積(圖2)。

圖2 不同注入量的泡沫驅(qū)油采出程度Fig.2 The recovery percent in foam flooding with different injection amounts

4.3 注入壓力優(yōu)化

利用第1組巖心開(kāi)展注入壓力優(yōu)化研究，氣液比為3.0∶1.0，泡沫段塞注入量為0.35倍孔隙體積，注入壓力分別為10、15、20、25、30、35 MPa。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著注入壓力的增加，采出程度不斷增加，當(dāng)注入壓力增至25 MPa時(shí)，采出程度增幅明顯減緩(圖3)，因此，最佳注入體積為25 MPa。同樣的方法得到第2、3組巖心最佳的注入壓力分別為20、15 MPa。

圖3 不同注入壓力的泡沫驅(qū)油采出程度

4.4 注入速率優(yōu)化

利用第1組巖心開(kāi)展不同注入速率優(yōu)化研究，氣液比為3.0∶1.0，泡沫段塞注入量為0.35倍孔隙體積，注入速率分別為0.15、0.20、0.25、0.30、0.35 mL/min。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著注入速率的增加，采出程度不斷增加，當(dāng)注入速率增至0.30 mL/min時(shí)，采出程度增幅明顯減緩(圖4)，考慮注入壓力的限制，確定最佳注入速度為0.30 mL/min。同樣的方法得到第2、3組巖心最佳的注入速率為0.25、0.20 mL/min。

圖4 不同注入速度的泡沫驅(qū)油采出程度Fig.4 The recovery percent in foam flooding at different injection rates

4.5 注入時(shí)機(jī)優(yōu)化

注入時(shí)機(jī)通常采用油藏水驅(qū)轉(zhuǎn)空氣泡沫驅(qū)時(shí)所對(duì)應(yīng)的含水率[16-21]進(jìn)行表征，利用第1組巖心開(kāi)展注入時(shí)機(jī)優(yōu)化研究，氣液比為3.0∶1.0，泡沫段塞注入量為0.35倍孔隙體積，注入壓力25 MPa。首先對(duì)飽和原油的巖心進(jìn)行水驅(qū)，待含水率分別達(dá)到43%、72%、83%、95%后進(jìn)行空氣泡沫驅(qū)，泡沫注入完成后再進(jìn)行水驅(qū)，驅(qū)替液總注入量達(dá)到2.00倍孔隙體積時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)束。結(jié)果表明：不同含水率下水驅(qū)轉(zhuǎn)泡沫驅(qū)時(shí)的采出程度分別為8.3%、12.0%、12.5%、14.0%，最終采出程度分別為39.4%、33.0%、28.1%、25.4%，泡沫段塞注入越早，采出程度增幅越大(圖5)。

圖5 不同注入時(shí)機(jī)的泡沫驅(qū)油采出程度變化Fig.5 The changes in recovery percent in foam flooding at different injection times

由含水率變化曲線(圖6)可知：注入泡沫段塞后，含水率明顯降低，降幅分別為19.0%、26.0%、27.8%、31.7%，注入越晚含水率降低幅度越大。這是因?yàn)榕菽稳麑?duì)大孔隙進(jìn)行了有效封堵，降低了大孔隙中的水竄程度和流速，封堵越晚，含水率降低越明顯。后續(xù)水驅(qū)過(guò)程中，含水率出現(xiàn)再次上升，泡沫段塞注入越早，后續(xù)水驅(qū)階段含水率上升越慢，一方面是泡沫開(kāi)始逐漸破裂和衰竭，封堵效果逐漸變差，另一方面是泡沫被不斷驅(qū)替出巖心，小孔隙中也開(kāi)始逐漸形成了水驅(qū)通道。由于實(shí)驗(yàn)巖心較短，原因以后者為主。隨著后續(xù)水驅(qū)時(shí)間延長(zhǎng)，含水率幾乎不再發(fā)生變化。

圖6 不同注入時(shí)機(jī)下泡沫驅(qū)油含水率變化Fig.6 The changes in water cut in foam flooding at different injection times

第2、3組巖心最佳注入時(shí)機(jī)結(jié)論與第1組巖心一致，即更低含水率時(shí)轉(zhuǎn)空氣泡沫驅(qū)能夠得到最高采出程度，但在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施中，還應(yīng)考慮注入成本等因素。

5 最優(yōu)注入?yún)?shù)評(píng)價(jià)

將3組巖心的最優(yōu)注入?yún)?shù)進(jìn)行回歸分析，發(fā)現(xiàn)滲透率與最優(yōu)注入?yún)?shù)均具有較好的指數(shù)遞減關(guān)系，其中，最優(yōu)氣液比為：

GLR=2.11947eK/2.74727+0.91875

(1)

最優(yōu)泡沫段塞體積為：

PV=0.10597eK/2.74727+0.24594

(2)

最優(yōu)注入壓力為：

pinj=10.59737eK/2.74727+14.59376

(3)

最優(yōu)注入速度為：

νinj=0.10597eK/2.74727+0.19594

(4)

式中：GLR為氣液比，mL/mL；PV為注入段塞體積倍數(shù)；pinj為注入壓力，MPa；νinj為注入速度，mL/min；K為滲透率，mD。

由式(1)～(4)可知，不同滲透率儲(chǔ)層均對(duì)應(yīng)一組最優(yōu)注入?yún)?shù)組合，根據(jù)這一規(guī)律，結(jié)合低含水期盡早注入原則，可以確定非均質(zhì)油藏最佳注入?yún)?shù)。

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過(guò)程中，可根據(jù)滲透率與最優(yōu)注入?yún)?shù)之間的擬合關(guān)系確定不同儲(chǔ)層的最佳注入?yún)?shù)，以注采井組為滲透率的劃分單元，來(lái)確定最佳的氣液比、注入泡沫段塞體積、注入壓力和注入速率。以王窯中西部地區(qū)王14-81、王14-092、王14-101井組為例(表2)，3個(gè)相鄰井組滲透率為0.82～3.18 mD，氣液比、注入壓力、日注氣量3個(gè)最優(yōu)注入?yún)?shù)相差較大，而注入泡沫段塞體積基本相同。3個(gè)井組注入?yún)?shù)優(yōu)化1a后效果顯著，自然遞減率由11.6%降至0.8%，7口生產(chǎn)井見(jiàn)效且含水率均有所下降，見(jiàn)效率達(dá)到41.2%，與相鄰老區(qū)注水井組相比優(yōu)勢(shì)明顯。

表2 王窯中西部地區(qū)注入?yún)?shù)優(yōu)化Table 2 The optimization of injection parameters in the the central-western Wangyao area

6 結(jié) 論

(1) 同一滲透率巖心的采出程度隨著氣液比、泡沫段塞體積、注入壓力和注入速率的增加而不斷增加，但注入?yún)?shù)達(dá)到一定程度后，采出程度增幅減小或降低，注入?yún)?shù)均存在最優(yōu)值。滲透率較低的巖心，注入?yún)?shù)對(duì)采出程度的影響更加敏感。

(2) 巖心滲透率與最優(yōu)注入?yún)?shù)均具有較好的指數(shù)遞減的關(guān)系，可利用該關(guān)系預(yù)測(cè)非均質(zhì)儲(chǔ)層的最佳注入?yún)?shù)。

(3) 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施表明，王窯中西部地區(qū)王14-81、王14-092、王14-101井組自然遞減率由11.6%降至0.8%，7口生產(chǎn)井見(jiàn)效且含水率均有所下降，見(jiàn)效率達(dá)到41.2%。