泡沫對基質
--裂縫雙重介質系統(tǒng)滲透性的影響

李沁芷，魏 兵 ，楊懷軍，趙金洲，卡杰特·瓦列里

1.油氣藏地質與開發(fā)工程國家重點實驗室·西南石油大學，四川 成都 610500；2.中國石油大港油田公司采油工藝研究院，天津 濱海新區(qū) 300280；3.古勃金國立石油與天然氣大學，俄羅斯 莫斯科 119991

引言

隨著世界油氣勘探開發(fā)的不斷深入，非常規(guī)資源成為石油開采的一個新方向。致密油在中國資源量豐富，分布范圍廣，已在鄂爾多斯、松遼、準噶爾（含三塘湖）和渤海灣4 個陸相盆地獲得重大發(fā)現(xiàn)[1-2]。據(jù)統(tǒng)計，中國致密油地質資源量大約為200×108t，技術可采資源量可達（20～25）×108t，是中國未來主要的接替能源[3]。目前，中國致密油理論研究大都集中在儲集層類型、儲源關系、甜點主控因素及致密油聚集類型等方面，主體開發(fā)方式還是沿用長水平井體積壓裂思路[4-5]。該方式雖然解決了儲層初期產(chǎn)量的問題，但地層能量快速衰竭，單井產(chǎn)量遞減較快，尤其在中國幾個典型的陸相致密油藏，矛盾尤為突出。因此，如何有效補充地層能量，擴大流體的波及體積，加快致密基質和裂縫間的“質”換速度，是當前中國致密油資源高效開發(fā)亟待解決的關鍵技術問題[6-11]。

在致密儲層中，裂縫是導流通道，可改善流體的流動能力，同時也是發(fā)生氣竄、水竄的主要通道，限制流體的波及效率和提高采收率效果。致密基質和裂縫間滲透性的巨大差異，使裂縫“治理和利用”這一矛盾問題極難協(xié)調[12-15]。泡沫是一種典型的非均相軟物質體系，具有密度低、重量小、可連續(xù)流動、遇水穩(wěn)定、遇油消泡等特點。實踐證明，泡沫可選擇性降低裂縫滲透率，擴大流體波及體積，在多孔介質中運移時，通過連續(xù)破滅和生成，實現(xiàn)泡沫深部調驅。國內外相繼實施泡沫防竄先導性實驗，例如哥倫比亞的Cupiagua 油田、長慶A 井區(qū)長73、玉門油田、延長甘谷驛油田等，均取得較好效果[14-18]。因此，泡沫在協(xié)調致密儲層裂縫“治理和利用”方面具有一定潛力。

研究發(fā)現(xiàn)，泡沫穩(wěn)定性是決定其裂縫調控效率的關鍵因素，尤其是在含油的環(huán)境中。從泡沫失穩(wěn)的機制出發(fā)，國內外已初步形成基于聚合物和納米顆粒的兩類強化泡沫體系[19-22]。但在致密油藏中，這兩類穩(wěn)定體系極易侵入基質內部，堵塞油流通道，降低裂縫導流能力，影響后續(xù)開發(fā)（圖1）。

圖1 基質-裂縫系統(tǒng)中納米顆粒和聚合物分布示意圖Fig.1 Schematic diagram of the distribution of nanoparticles and polymers in matrix-fracture systems

鑒于上述問題，研發(fā)了一類“高效率、低成本、環(huán)保型”高性能材料NCF（纖維素納米纖絲），通過表面修飾，可改善泡沫氣液界面性質。相對于表面活性劑泡沫，NCF 泡沫體系可以在裂縫中快速起泡，降低氣體流動能力和裂縫導流能力，有效控制裂縫竄流[23]。

泡沫在裂縫系統(tǒng)中的生成、運移和波及已有大量研究，但泡沫對基質-裂縫雙重介質系統(tǒng)滲透性影響規(guī)律鮮有報道。因此，建立評價泡沫對基質-裂縫系統(tǒng)滲透性影響的實驗方法；系統(tǒng)研究表面活性劑泡沫和NCF 泡沫在基質-裂縫系統(tǒng)中運移和分布規(guī)律，探討壓差、基質侵入深度、阻力系數(shù)與滲透率的關系，以期為泡沫防竄（裂縫）、泡沫壓裂等涉及儲層滲透性的過程提供參考和借鑒。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料

實驗所用模擬地層水為質量分數(shù)4.278% 的鹽水（3.440%NaCl，0.180%MgCl2，0.640%CaCl2，0.018%Na2SO4），起泡劑質量分數(shù)為35.000%的仲烷基硫酸鹽（SAS）和烯基磺酸鹽（AOS）配制的混合物，上述藥品由成都科龍化學品有限公司提供。纖維素納米纖絲（NCF）為自制，其中，木素質量分數(shù)為8.660%，羧基質量分數(shù)為1.290%，直徑為2～5 nm，長度為800～1 000 nm，該樣品以質量分數(shù)為5.0%NCF 水凝膠常溫儲存。表面活性劑泡沫起泡劑質量分數(shù)為0.400%的表面活性劑溶液，NCF 泡沫的起泡劑質量分數(shù)為0.400%的表面活性劑溶液和質量分數(shù)為0.100%的NCF。

實驗使用4 種滲透率梯度的天然露頭巖芯，巖芯來自北京東方智盛石油科技有限公司。將巖芯完全烘干稱量干重，并飽和鹽水稱量濕重，測量孔隙體積，根據(jù)達西公式[式（1）]測量巖芯滲透率，數(shù)據(jù)記錄如表1 所示。

表1 巖芯基本物性參數(shù)Tab.1 Basic physical parameters of cores

式中：

q--流量，cm3/min；

K--巖芯滲透率，mD；

A--巖芯橫截面積，cm2；

Δp--巖芯進出口壓差，MPa；

μ--流體黏度，mPa·s。

1.2 泡沫對基質-裂縫系統(tǒng)滲透率的影響

為評價泡沫對基質-裂縫系統(tǒng)滲透性的影響程度，搭建實驗裝置如圖2 所示。巖芯左端（注入端）與夾持器的微小空隙模擬裂縫，巖芯模擬基質。實驗開始前先將配制好的起泡液裝入中間容器，另一中間容器為2.0 MPa 的氮氣。用活塞泵將巖芯夾持器圍壓保持在5.0 MPa，出口端連接集液裝置，所有實驗在室溫（25±2）°C下進行。

圖2 基質-裂縫系統(tǒng)滲透性評價實驗裝置圖Fig.2 Experimental diagram of permeability assessment in matrix-fracture system

恒定壓力注入地層水，記錄30 min 內累計排液量與時間的關系，即初始累計排液量；停止水驅后，以0.5 cm3/min 的總流速將泡沫（氣液比1：1）注入巖芯，累計出液量達5 cm3時停止泡沫注入；再次進行水驅并保持前端相同壓力下記錄排液情況。為保證相同實驗條件，停止泡沫注入后再次恒壓水驅20 min，隨后記錄30 min 內排液量隨時間的變化。實驗采用4 個滲透率級別的巖芯進行實驗，每根巖芯設置3 個不同注入壓差對比分析結果。

1.3 基質侵入深度及滲透率恢復

為研究起泡液對基質的侵入深度，采用圖2 的實驗裝置進行測試，關閉氮氣單向閥。首先，測量基質的初始滲透率，保持注入速度為0.5 cm3/min；隨后，將起泡液注入基質，注入2.0 PV 后，測量基質滲透率；最后，根據(jù)式（2）和式（3）計算殘余阻力因子及基質影響程度。

式中：frr--殘余阻力因子，無因次；

Kb--注入起泡劑之前基質滲透率，mD；

Ka--注入后基質滲透率，mD；

KR--基質影響程度，%。

假設基質被侵入部分的滲透率等于注入2.0 PV起泡液后巖芯滲透率，未被侵入基質滲透率等于巖芯初始滲透率，考慮不同滲透率梯度巖芯阻力因子，將實驗數(shù)據(jù)代入式（4）和式（5）并計算出巖芯不同侵入深度下的等效基質平均滲透率，其物理意義為相應侵入深度下基質等效滲透率。

式中：Kavg--基質（加權）平均滲透率，mD；

Lp--影響部分巖芯長度，cm；

Lnd--未影響部分巖芯長度，cm。

根據(jù)NCF 的表面修飾特性和網(wǎng)狀結構特征，圖3 描述了在一定壓差下，起泡液與泡沫在基質-裂縫系統(tǒng)中可能存在基質端面堆積和侵入現(xiàn)象。

圖3 起泡液（含NCF）和泡沫在基質-裂縫系統(tǒng)運移和分布Fig.3 Transport and distribution of foaming fluid(with NCF)and foam in the matrix-fracture system

為進一步探究實際情況下泡沫體系對基質的侵入深度，對驅替后巖芯注入端進行切割，見圖4。

圖4 巖芯斷面切割示意圖Fig.4 Schematic diagram of cores cutting injection end faces

對切割后（切割量1～2 mm）的巖芯再次測量滲透率，代入式（3）計算滲透率恢復情況。若計算結果表明滲透率恢復效果較好，則認為侵入深度為巖芯切除厚度。

2 結果與討論

2.1 泡沫對基質-裂縫系統(tǒng)滲透率的影響規(guī)律

圖5 為500–14 號巖芯（114.59 mD）累計出液量與時間的關系曲線。實驗注入壓差分別設置為0.14，0.28 和0.41 MPa。根據(jù)達西公式可知，在巖芯兩端壓差相同的情況下，巖芯的液體流量與巖芯滲透率正相關。即通過對比注入泡沫前后累計出液量曲線可以判斷注入泡沫前后巖芯滲透率變化，進而判斷泡沫是否對系統(tǒng)滲透性產(chǎn)生影響，即兩條曲線（實驗前后）斜率相差越大，滲透性影響程度則越大。從圖5 可見，在0.14～0.41 MPa 內，注入泡沫前后累計出液量變化曲線幾乎重合，說明NCF 泡沫體系對此滲透率級別系統(tǒng)的滲透能力無影響。

圖5 500–14 號巖芯累計出液量和時間、注入壓差的關系Fig.5 The relationship between the cumulative liquid volumes and time under different injection pressures of the core 500–14

圖6 中為50–11 號巖芯（22.96 mD）累計出液量與時間、注入壓差的關系曲線。

圖6 50–11 號巖芯累計出液量和時間、注入壓差的關系Fig.6 The relationship between the cumulative liquid volumes and time under different injection pressures of the core 50–11

由于50–11 號巖芯滲透率較低，為準確計量出液量，注入壓差調整為0.14，0.34 和0.55 MPa。實驗發(fā)現(xiàn)，前兩組實驗即注入壓差為0.14 和0.34 MPa時，注入泡沫前后水驅累計出液量曲線重合。但當注入壓差為0.55 MPa 時，注入NCF 泡沫后水驅累計出液量略微下降，說明滯留在基質端面或基質內部的泡沫（物理吸附、機械捕集等作用）開始阻礙流體流動，降低了基質的滲透能力。

圖7 為5–12 號巖芯（3.13 mD）累計出液量與時間、注入壓差的關系曲線，注入壓差分別為0.14，0.34 和0.69 MPa。

由圖7 可見，基質侵入NCF 泡沫后累計出液量曲線斜率均下降，在注入壓差0.69 MPa 時尤為嚴重。說明滯留的泡沫嚴重影響基質-裂縫系統(tǒng)的滲透能力，但是此時NCF 泡沫的滯留位置和深度仍不能確定。

圖7 5–12 號巖芯累計出液量和時間、注入壓差的關系Fig.7 The relationship between the cumulative liquid volumes and time under different injection pressures of the core 5–12

利用致密巖芯（LA–010，0.15 mD）重復上述實驗，注入壓差分別為0.69，1.38 和2.07 MPa，結果如圖8 所示。實驗發(fā)現(xiàn)，NCF 泡沫對致密巖芯滲透能力影響較為明顯。同時，注入NCF 泡沫后二次注水前（5 min）的累計出液量與原始水驅階段有明顯差異。隨著注入壓力的升高，侵入NCF 泡沫后累計出液量差異明顯增大，說明基質的滲透性影響程度加深。

圖8 LA–010 號巖芯累計出液量和時間、注入壓差的關系Fig.8 The relationship between the cumulative liquid volumes and time under different injection pressures of the core LA–010

為判斷NCF 泡沫在基質中的滯留位置，增加實驗對照組，選取致密巖芯（LA–044 巖芯，0.13 mD），在相同實驗條件下，將表面活性劑泡沫（無NCF）注入巖芯基質，累計出液量與時間的關系曲線見圖9。實驗結果表明，同LA–010 號巖芯基質相似，表面活性劑泡沫的侵入也會大幅度降低致密基質的滲透性。

對比圖8 和圖9 的累計出液量曲線斜率下降幅度，可以發(fā)現(xiàn)二者斜率相似，NCF 泡沫和表面活性劑泡沫對致密巖芯基質的影響接近。

圖9 LA–044 號巖芯累計出液量和時間、注入壓差的關系Fig.9 The relationship between the cumulative liquid volumes and time under different injection pressures of the core LA–044

表2 詳細列出了兩種泡沫注入前后，在不同壓力下的累計出液量，NCF 泡沫侵入后出液量降低值略微大于表面活性劑泡沫。

表2 注入不同泡沫后致密巖芯出液量變化Tab.2 Variation of liquid volumes from tight cores after injecting different foams

在注入壓差為1.38 MPa 時，注表面活性劑泡沫后巖芯的出液量降低54.65%，注NCF 泡沫后巖芯出液量降低57.14%，說明NCF 的加入對滲透能力基本無影響。NCF 是一種網(wǎng)狀結構分子，在裂縫端面堆積后會降低基質的滲透率。因此，可初步判斷，對于致密巖芯NCF 主要分布在裂縫壁面，并未侵入致密基質內部。需要說明的是，本次實驗設置注入NCF 泡沫和表面活性劑泡沫的壓差明顯大于實際儲層中基質和裂縫的壓差，目的為突出泡沫在致密基質-裂縫系統(tǒng)中對基質滲透性的影響，同時明確NCF 的分布位置及侵入程度。

2.2 起泡液對基質-裂縫系統(tǒng)滲透率的影響規(guī)律

為明確起泡液的侵入深度對基質滲透能力的影響，以及證實NCF 的分布規(guī)律，實驗中同樣采用4個滲透率級別的巖芯研究注入2.0 PV 起泡液后對巖芯基質的影響程度。

表3 為計算得到的巖芯滲透率，基質影響程度及殘余阻力因子，對應的影響程度見圖10。

表3 巖芯基質滲透率變化Tab.3 Core matrix permeability variation

圖10 巖芯基質影響程度Fig.13 Core matrix influence degree

由圖10 可見，起泡液體系對巖芯基質的滲透率影響較為明顯。巖芯越致密，影響程度越大。其中，LA 號巖芯基質影響程度為88.3%，殘余阻力因子為8.52，表觀上影響程度最大。

圖11 是實驗后巖芯注入端面圖。其中，500 號巖芯端面平整干凈，未發(fā)現(xiàn)NCF 堆積。50 號、5 號和LA 號巖芯端面發(fā)現(xiàn)NCF，且5 號和LA 號NCF堆積情況較明顯。這說明含有NCF 的起泡液可以進入500 號巖芯基質。但是，對于低滲和致密基質，能明顯觀察到NCF 起泡液聚集在巖芯端面。這主要是因為NCF 是一種剛性纖絲狀高分子，經(jīng)表面修飾后，可與表面活性劑分子發(fā)生相互作用，減少濾失。同時，圖11 的端面堆積現(xiàn)象也證實了前面的假設。

圖11 實驗后巖芯注入端面Fig.11 Core injection end face after experiment

為進一步證實上述結論，根據(jù)測得的各巖芯殘余阻力因子，利用式（4）和式（5），建立基質侵入深度和平均滲透率及基質影響程度的關系，結果圖12所示。

圖12 基質侵入深度對巖芯平均滲透率和巖芯基質影響程度的關系Fig.12 Relationship between matrix invasion depth and equivalent average permeability and matrix influence degree

采用此方法，可以定量描述基質影響程度和侵入深度的關系。從圖12 可以看出，500 號巖芯的結果和圖10 的基質影響程度基本一致。但對于其他3個滲透率較低的巖芯，例如LA，當KR=88.3%時，起泡液的侵入深度需達到30 mm，和上述討論結果不符（堆積在巖芯端面）。按照圖4 所示的方法，實驗后，從注入端面切除1～2 mm 的薄片，再次計算巖芯基質影響程度，進而評價基質滲透率恢復速度。圖13 對比了4 組實驗結果，可以發(fā)現(xiàn)，500 號巖芯的基質影響程度由25.80%降至4.50%，說明NCF起泡液除了部分在端面聚集外還進去基質深部。相對較致密的5 號和LA 號巖芯滲透率基本全部恢復，可以認為起泡液全部滯留在裂縫壁面，未發(fā)生濾失，影響基質滲透性。

圖13 巖芯基質影響程度Fig.13 Influence degree of matrix

3 結論

（1）建立了評價泡沫對基質-裂縫雙重介質系統(tǒng)滲透性影響的實驗方法，系統(tǒng)研究表面活性劑泡沫和NCF 泡沫體系運移和分布規(guī)律。

（2）建立了壓差、基質侵入深度、殘余阻力因子與滲透率的關系。實驗發(fā)現(xiàn)，NCF 泡沫體系可以順利通過滲透率不低于23.00 mD 的巖芯，不影響基質-裂縫系統(tǒng)滲透率。但是對于低滲和致密儲層（低于3.13 mD），泡沫侵入后，基質滲透能力明顯下降，加入NCF 對泡沫的影響行為沒有改變。

（3）由于NCF 的結構特點，起泡液主要滯留在裂縫壁面，泡沫體系的濾失極少，去掉注入端表面堆積后，低滲和致密基質滲透率可以快速恢復。

（4）研究結果為研究泡沫在基質-裂縫系統(tǒng)尤其是低滲/致密基質中運移和分布規(guī)律，以及評價泡沫對系統(tǒng)滲透能力的影響提供了參考和借鑒。