裂縫儲層空氣泡沫驅(qū)注入?yún)?shù)優(yōu)化實驗

陳小東，郭紅霞，陳 霖，王 進，曲春霞，曹立坤，陸建峰

(1.中國石油長慶油田分公司，陜西 西安 710018；2.西安錦江能源科技有限公司，陜西 西安 710065)

0 引 言

空氣泡沫驅(qū)作為低滲透油藏中后期提高采收率的一種有效開采方式，已經(jīng)在長慶、延長、中原等油田推廣應用，并取得了較好的開發(fā)效果[1-7]?？諝馀菽?qū)注入?yún)?shù)的優(yōu)化是決定其開發(fā)效果的關鍵因素。目前，注入?yún)?shù)的優(yōu)化主要通過室內(nèi)實驗和數(shù)值模擬2種方式完成[8-9]。室內(nèi)實驗主要是利用真實巖心、填砂管模型和人造巖心開展[10-13]，但受取心、實驗周期等因素影響，很難模擬實際地層的流動過程。尤其是當儲層中微裂縫發(fā)育時，填砂管模型無法模擬地層裂縫的存在，真實巖心和人造巖心通常用切割、破碎等方式來構(gòu)建裂縫，巖心中裂縫的分布與天然應力作用下的裂縫相差較大[14-21]，在此基礎上獲得的各種實驗結(jié)果不能很好代表實際驅(qū)替效果?；谏鲜鲈颍酝醺G中西部地區(qū)長6段儲層為研究對象，該區(qū)塊儲層埋深為1 200～1 400 m，水下分流河道沉積較發(fā)育，油層連通情況較好，平均油層厚度為5～22 m，平均孔隙度為13.7%，平均滲透率為2.29 m，屬特低滲透油藏，油層內(nèi)發(fā)育部分天然裂縫和高滲帶。油井普遍經(jīng)過水力壓裂，油藏開發(fā)近30 a，注水開發(fā)壓力水平長期保持在120%以上，由于油藏本身的天然裂縫，加上水力壓裂以及開發(fā)過程中的長期高壓注水使得長6段儲層裂縫發(fā)育極其復雜。文中利用三軸向巖石力學性質(zhì)測試儀對巖心定向壓裂，模擬水力壓裂過程中不規(guī)則裂縫的形成，制備更符合裂縫展布規(guī)律的巖心，開展裂縫儲層空氣泡沫驅(qū)注入?yún)?shù)優(yōu)化實驗，為裂縫儲層空氣泡沫驅(qū)高效開發(fā)提供技術支持。

1 空氣泡沫驅(qū)實驗

1.1 實驗設備流程

空氣泡沫驅(qū)注入?yún)?shù)優(yōu)化實驗在高溫高壓一維巖心驅(qū)替實驗裝置內(nèi)進行。實驗流程由注入系統(tǒng)、巖心流動系統(tǒng)、采出流體監(jiān)測系統(tǒng)和溫度控制系統(tǒng)4部分組成(圖1)。該實驗裝置主要由一維高壓巖心夾持器、驅(qū)替泵、中間容器、壓力表、回壓閥、回壓泵、恒溫箱和分離器組成。

圖1 實驗流程圖

1.2 實驗材料

長6段儲層部分發(fā)育微裂縫，實際在鉆取和制備巖心過程中難以獲得不同發(fā)育程度的裂縫實驗巖心，為了滿足裂縫儲層空氣泡沫驅(qū)實驗的需要，巖心裂縫通過人工壓裂造縫來實現(xiàn)，構(gòu)造不同滲透率級別的微裂縫巖心，并從巖石力學、裂縫描述和裂縫滲流特征對裂縫系統(tǒng)進行表征，為裂縫系統(tǒng)驅(qū)替實驗提供了多信息巖石實驗樣本。裂縫巖心在三軸向巖石力學測試系統(tǒng)中完成，通過對塑封巖心進行定向加壓、定向壓裂，嚴格控制造縫壓裂參數(shù)。得到壓裂后的裂縫巖心，通過對壓裂裂縫的掃描分析發(fā)現(xiàn)，各巖樣中裂縫以單一主裂縫為主，其余的微裂縫局部發(fā)育，裂縫寬度為50～300 μm，巖心的滲透率為12.50～201.73 mD。由于單塊巖樣的長度較短，為達到較好的實驗驅(qū)替效果，將巖樣按滲透率大小分為3組，每一組由2塊巖心拼接而成，實驗巖樣的調(diào)和平均滲透率分別為17.55、89.18、182.56 mD(表1)。

實驗用原油、地層水均取自王窯中西部地區(qū)長6段油藏儲層，地層原油黏度為1.97 mPa·s，原油密度為0.75 g/cm3，地層水礦化度為43.38 g/L，以CaCl2型為主；泡沫液取自井場配制好的注入泡沫原樣，泡沫體系為：發(fā)泡劑為YFG 802，質(zhì)量分數(shù)為0.3%；穩(wěn)泡劑為FP 3330 S，質(zhì)量分數(shù)為0.05%。

表1 實驗巖心參數(shù)

1.3 實驗過程

空氣泡沫驅(qū)注入?yún)?shù)優(yōu)化實驗過程如下：①連接各實驗系統(tǒng)裝置，恒溫箱加溫至地層溫度；②將預先鉆切好的巖心按照設計的順序裝入橡膠筒，各巖心之間用濾紙隔開，然后裝入巖心夾持器中，置于恒溫箱內(nèi)；③向流動系統(tǒng)中通入壓力為20 MPa的高壓空氣，檢查氣密性；④裝置氣密性檢測完成后，使用真空泵對巖心流動系統(tǒng)抽真空約30 min，直至真空泵壓力接近0 MPa；⑤從實驗裝置前端對夾持器進行吸水操作，待吸水量不變時，使用平流泵對夾持器注水，直至飽和水結(jié)束，記錄巖心中總飽和水體積；⑥利用平流泵驅(qū)替原油進入巖心進行飽和油操作，驅(qū)替過程中維持地層壓力20 MPa，至采出端流體不含水為止，計算夾持器中巖心的含油飽和度和原始含水飽和度；⑦使用平流泵以設定的壓力向巖心中注入水驅(qū)替巖心中的油，并實時記錄巖心兩端的壓力變化以及采出端產(chǎn)油量、產(chǎn)水量，待達到注泡沫前的含水飽和度(46%)時，停止水驅(qū)；⑧按實驗設計參數(shù)進行空氣泡沫驅(qū)油，并實時記錄夾持器兩端的壓差、產(chǎn)油量及產(chǎn)水量；⑨在空氣泡沫驅(qū)結(jié)束后，再進行一段時間的水驅(qū)，待含水率達到98%或者累計注入量達到20倍孔隙體積倍數(shù)時，實驗結(jié)束。

由于實驗的組數(shù)多，全部按照上述流程所需的周期過長。因此，在不改變注入?yún)?shù)優(yōu)化結(jié)果的前提下，在氣液比、空氣泡沫體積、注入壓力、注入速率優(yōu)化時省去了第⑦步的水驅(qū)過程，僅在注入時機優(yōu)化時保留了該過程。

2 實驗結(jié)果分析

2.1 氣液體積比優(yōu)化

第1組裂縫巖心(滲透率為17.55 mD)飽和原油后，20 MPa恒壓注入0.2倍孔隙體積的不同氣液體積比的空氣泡沫，然后注地層水至含水率達98%，得到不同時刻采出程度與注入總體積之間的關系曲線(圖2)。由圖2可知：裂縫巖心的采出程度與注入總體積呈“Γ”形遞增趨勢，空氣泡沫注入體積為0.4倍孔隙體積前，采出程度隨注入體積增加呈線性迅速提高；注入體積達到0.4倍孔隙體積后，采出程度增加速度大幅減緩；基質(zhì)巖心(滲透率為8.97 mD)的采出程度與注入總體積呈“S”形遞增趨勢，即注入體積小于0.3倍孔隙體積時采出程度上升較慢，注入量為0.3～0.4倍孔隙體積時采出程度迅速提升，注入量大于0.4倍孔隙體積后采出程度仍有大幅提升。說明在裂縫系統(tǒng)中，空氣泡沫注入巖心后，能夠迅速封堵裂縫大孔道，但封堵時間較短，整體采出程度提升并不明顯。

圖2 不同氣液體積比下裂縫與基質(zhì)空氣泡沫驅(qū)采出程度曲線

3組實驗巖心在不同氣液體積比下的驅(qū)替實驗結(jié)果(圖3，K為滲透率)表明：氣液體積比存在一個最優(yōu)值，當氣液體積比小于該值時，采出程度隨氣液體積比的增加而增加；當氣液體積比大于該值時，采出程度隨氣液體積比的增加而減小；最優(yōu)值隨巖心滲透率的增加而減小，滲透率為17.55、89.18、182.56 mD對應的最優(yōu)注入氣液體積比分別為1.00∶1.00、1.00∶1.00、0.75∶1.00。

圖3 不同氣液體積比下空氣泡沫驅(qū)采出程度曲線

2.2 泡沫段塞體積優(yōu)化

各組實驗巖心在注入壓力為20 MPa、最優(yōu)氣液體積比下注入不同體積的泡沫段塞，直至含水率達到98%，實驗結(jié)果見圖4。由圖4可知：隨著注入泡沫段塞體積的增加，最終采出程度不斷增加；當注入段塞增加到一定值后采出程度增幅明顯減緩，在考慮成本情況下，該臨界值作為最優(yōu)的泡沫段塞注入體積，最優(yōu)的泡沫段塞注入體積隨裂縫巖心滲透率的增加而減小；滲透率為17.55、89.18、182.56 mD對應的最優(yōu)注入段塞體積分別為0.25、0.20、0.15倍孔隙體積。

圖4 不同泡沫段塞體積下空氣泡沫驅(qū)采出程度曲線

2.3 注入壓力優(yōu)化

在最優(yōu)氣液體積比、最優(yōu)泡沫段塞體積條件下，開展不同空氣泡沫驅(qū)注入壓力對比實驗，結(jié)果見圖5。由圖5可知：隨著注入壓力增加，最終采出程度不斷增加；當注入壓力增加至某一臨界壓力后，最終采出程度增幅明顯減緩，說明持續(xù)增壓對提高采出程度的效果有限，考慮到成本和安全等因素，該臨界壓力作為最優(yōu)注入壓力；滲透率為17.55、89.18、182.56 mD對應的最優(yōu)注入壓力分別為10、12、15 MPa。

圖5 不同注入壓力下空氣泡沫驅(qū)采出程度曲線

2.4 注入速率優(yōu)化

在最優(yōu)氣液體積比、最優(yōu)泡沫段塞體積條件下進行空氣泡沫驅(qū)注入速率對比實驗，結(jié)果見圖6。由圖6可知：隨著注入速率增加，最終采出程度不斷增加，當注入速率增加到某一臨界速率后，采出程度增幅明顯減緩，考慮到成本和安全等因素，該注入速率為最優(yōu)注入速率；滲透率為17.55、89.18、182.56 mD對應的最優(yōu)注入速率分別為0.10、0.12、0.15 mL/min。

圖6 不同注入速率下空氣泡沫驅(qū)采出程度曲線

2.5 注入時機優(yōu)化

注入時機優(yōu)化實驗中，首先對飽和原油的巖心進行水驅(qū)，待達到預設的含水率后，在最優(yōu)氣液比、段塞體積、注入壓力下進行空氣泡沫驅(qū)，實驗結(jié)果見圖7。由圖7可知：空氣泡沫一旦注入，含水率明顯下降，后續(xù)水驅(qū)過程中含水率又逐步恢復上升；空氣泡沫注入越早，巖心中的含水率降低越快、降幅越小，后續(xù)水驅(qū)含水率上升越慢，相對較低含水階段的采出時間越長，最終采出程度越高。

圖7 不同注入時機下空氣泡沫驅(qū)含水率變化曲線

2.6 滲透率對最優(yōu)注入?yún)?shù)影響

表2為3種不同滲透率巖心的最佳注入?yún)?shù)。由表2可知：不同裂縫滲透率巖心的最優(yōu)氣液體積比、段塞體積、注入壓力和注入速率，均隨滲透率的增大，表現(xiàn)為不同程度減小；不同滲透率基質(zhì)巖心的最優(yōu)注入?yún)?shù)，與前者變化規(guī)律相同，但更為敏感，現(xiàn)場可根據(jù)儲層類型和滲透率對不同井區(qū)開展精細化的注入?yún)?shù)管理。

3 結(jié) 論

(1) 泡沫注入巖心后，對裂縫通道的封堵時間較短，封堵效果相對較差，巖心中采出程度的提高主要由于裂縫的短期封堵以及空氣泡沫和后續(xù)注水的驅(qū)替作用。

表2 不同滲透率巖心最佳注入?yún)?shù)

(2) 不同滲透率的巖心，隨著滲透率的增大，最優(yōu)的氣液體積比、段塞體積、注入壓力和注入速率不同程度減小。

(3) 裂縫巖心中，由于裂縫滲透率較大，滲透率變化對最佳注入?yún)?shù)的敏感性不及基質(zhì)巖心，整個裂縫系統(tǒng)中最優(yōu)注入?yún)?shù)的變化范圍較小。

(4) 裂縫較發(fā)育的儲層中，宜較早注入空氣泡沫，能大幅提高最終采收率。