新型水-氣分散體系提高低滲透油藏采收率的實驗研究

葛 羅

(大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠第六作業(yè)區(qū)，黑龍江 大慶 163114)

我國各大油田擁有豐富的低滲透率儲層分布[1]。但由于其儲層滲透率低、非均質(zhì)性嚴(yán)重、自然產(chǎn)能不足、含油飽和度低、儲層敏感性嚴(yán)重，導(dǎo)致低滲透油藏的平均采收率較低。為解決低滲透油藏注水開發(fā)與注氣開發(fā)各自存在的問題[2-3]，將水驅(qū)和氣驅(qū)兩者相結(jié)合，充分發(fā)揮各自的特點和優(yōu)勢的驅(qū)替技術(shù)應(yīng)運而生。以水氣兩相體系為基礎(chǔ)的非均相驅(qū)替劑已經(jīng)積累了一些研究和應(yīng)用成果，目前已形成如水氣交替注入(WAG)、水氣同注(SWAG)、活性水與氣交替注入(SAG)等技術(shù)，逐步成為提高采收率的有效途徑[4]。王杰祥等[5]通過室內(nèi)實驗論證了水驅(qū)后轉(zhuǎn)空氣泡沫提高采收率在特低滲油藏的應(yīng)用可行性，但泡沫驅(qū)在低滲透油藏的實際應(yīng)用鮮有報道。氣水交替雖然應(yīng)用廣泛，可是仍然存在一些弊端，如在氣水交替注入的過程中，容易在切換的過程中出現(xiàn)注入困難的現(xiàn)象，以及對注入氣流度控制能力不足等[6]。水氣同注出現(xiàn)較晚，研究也相對較少，雖然該技術(shù)可以一定程度上克服氣水交替注入的缺點[7]，但也同時存在注入困難的問題，且無法適應(yīng)超低滲油藏。

針對現(xiàn)存水氣非均相驅(qū)油技術(shù)和方法存在的缺點，基于兼顧注入性和流度控制能力的思路，本工作對一種能擴(kuò)大低滲透油藏波及體積，從而提高采收率的水-氣分散體系展開研究，探索了該體系的制備方法，并進(jìn)行了滲流阻力的動態(tài)測試和提高采收率能力實驗。

1 實 驗

1.1 主要材料和儀器

輕質(zhì)原油，密度0.86 g/mL，黏度(45 ℃)24.1 mPa·s，大慶油田；地層水，礦化度6 777 mg/L，大慶油田；巖心，長6.5 cm，直徑2.5 cm，巖心孔隙度范圍在10%～20%，滲透率(0.1～10)×10-3μm2，自制。表1給出了實驗用巖心參數(shù)，其中巖心R01～R04用于滲流阻力測試，巖心D01～D03用于驅(qū)油實驗。

表1 實驗巖心參數(shù)

CS200A氣體流量控制器，北京七星華創(chuàng)電子股份有限公司；HAS-100HSB恒壓恒速泵，江蘇海安科研儀器公司；HT-102G恒溫箱，江蘇海安石油設(shè)備有限公司；KL10壓力采集系統(tǒng)，昆侖海岸公司。

1.2 水-氣分散體系的制取

水-氣分散體系是液相水以小液滴形態(tài)作為分散質(zhì)，氣體作為分散劑形成的分散體系。水-氣分散體系的生成方法有凝集法、流化床法、機(jī)械分散法等[8]。本實驗應(yīng)用自主設(shè)計制作的蒸發(fā)冷凝式水-氣分散體系發(fā)生器(圖1)，依據(jù)霧化法[9]產(chǎn)生水-氣分散體系。

圖1 水-氣分散體系發(fā)生器示意

蒸發(fā)冷凝式水-氣分散體系發(fā)生器分散劑為高純氮氣，分散質(zhì)為去離子水。氮氣和去離子水分別通過管線，經(jīng)過電加熱器進(jìn)行充分加熱，在達(dá)到預(yù)設(shè)的一定溫度后，其中的去離子水在高溫下變成水蒸氣，得到的水蒸氣再和氮氣混合，進(jìn)入到后滿的混合腔進(jìn)行加入，經(jīng)由加熱套保持溫度，由活塞式一體配氣混合器充分進(jìn)行動態(tài)配氣(槳葉和混合腔內(nèi)壁涂有疏水材料)，混合流體經(jīng)過冷凝管線(溫度、管徑、長度可調(diào))從出口流出。

1.3 室內(nèi)實驗流程

滲流阻力測試在45 ℃條件下，對干燥巖心施加圍壓，以一定氣體流速進(jìn)行氮氣驅(qū)，至驅(qū)替壓差ΔP1穩(wěn)定不變，之后以一定的水氣比注入水-氣分散體系段塞1.0 PV，之后仍然以氣體流速進(jìn)行后續(xù)氣驅(qū)直至驅(qū)替壓差ΔP2穩(wěn)定。ΔP2與ΔP1的比值即滲流阻力因子。分別改變巖心滲透率、水-氣分散體系水氣比以及分散體系發(fā)生器的設(shè)定溫度，測量不同變量下的滲流阻力因子。

優(yōu)化水氣比和溫度下的驅(qū)油實驗。在45 ℃條件下，對巖心夾持器中的干燥巖心施加圍壓，抽真空后飽和地層水，測量孔隙體積和孔隙度；飽和原油并老化72 h；開始驅(qū)油，先以一定速度進(jìn)行氮氣驅(qū)，至出口測量氣體流量和入口設(shè)定氣體流量相近，且出口端不再出油為止；再以設(shè)計水氣比注入水-氣分散體系段塞1.0 PV，而后進(jìn)行后續(xù)氣驅(qū)至出口測量氣體流量和入口設(shè)定氣體流量相近，且出口端不再出油為止。記錄實時壓力、溫度、入口氣體流量、產(chǎn)出液體積、出口氣體流量。

滲流阻力測試和驅(qū)油實驗的流程近似，可以用相同的流程圖(圖2)描述。

圖2 滲流阻力測試和驅(qū)油實驗流程

2 結(jié)果與分析

2.1 水-氣分散體系的性質(zhì)

由于制取的水-氣分散體系不穩(wěn)定，需要隨時生成隨時注入。對于生成的水-氣分散體系的性質(zhì)，可以利用化學(xué)熱力學(xué)原理加以研究和理解。式(1)為Clausius-Clapeyron方程的定積分式[10]，式(2)為液體蒸發(fā)焓與溫度的關(guān)系式，式(3)為真實氣體狀態(tài)方程。

(1)

(2)

(3)

在已知當(dāng)前溫度、壓力的條件下，利用上述公式可以計算水-氣分散體系中水分別以液體狀態(tài)和蒸汽狀態(tài)存在的物質(zhì)的量，并且為研究水-氣分散體系性質(zhì)和狀態(tài)的動態(tài)變化規(guī)律提供依據(jù)。

文獻(xiàn)[11]利用電子探針技術(shù)觀察了初始冷凝液滴的粒徑分布和核化生長規(guī)律，初始冷凝液滴的尺寸大小分布在3～7 nm，而后氣態(tài)水分子在初始冷凝液滴上發(fā)生團(tuán)聚，逐漸長大至微米級。本實驗采用蒸發(fā)冷凝方法制備水-氣分散體系，方法與文獻(xiàn)描述相似，其冷凝液滴的初始尺寸和團(tuán)聚規(guī)律相同。因此實驗制取的水-氣分散體系，其分散質(zhì)即液滴態(tài)的水的初始粒徑為納米級，隨著冷凝的進(jìn)行，團(tuán)聚發(fā)生，液滴逐漸長大到微米級。

2.2 滲流阻力

實驗表明，水-氣分散體系發(fā)生器需要滿足的設(shè)定溫度范圍是高于當(dāng)前壓力下水的沸點15～20 ℃。當(dāng)加熱溫度小于等于沸點時，注入水無法蒸發(fā)而分散到氣相中，或者少部分蒸發(fā)后凝結(jié)的小液滴迅速回流回到發(fā)生器的加熱腔中；當(dāng)加熱溫度稍高于沸點，氣體狀態(tài)的水分子在從發(fā)生器到巖心夾持器的通道中發(fā)生迅速的冷凝和團(tuán)聚，無法維持分散狀態(tài)，形成水段塞，壓力曲線出現(xiàn)陡增，呈現(xiàn)出水氣同注的特點；當(dāng)加熱溫度高于沸點15～20 ℃時，小液滴可以較好地分散在氣流中，形成分散體系。由于在注入水-氣分散體系段塞的過程中，壓力處在不斷變化之中，所以需要依據(jù)實際的壓力情況調(diào)整加熱溫度，維持分散態(tài)。

分散體系的水氣比、滲透率與阻力因子的值存在一定的關(guān)系，各滲透率下不同水氣比與水-氣分散體系阻力因子關(guān)系如圖3所示。

圖3 不同滲透率下水/氣(體積比)與阻力因子的關(guān)系

為了保證分散的效果和注入性，水-氣分散體系的水氣比不超過0.2。由于水滴會在巖心孔道中不斷堆積，因而壓力也會隨著液滴的累積而不斷升高，所以測試滲流阻力的注入段塞尺寸以1 PV為限。隨著水氣比的提高，水-氣分散體系的阻力因子逐漸升高；隨著滲透率的升高，水-氣分散體系的阻力因子逐漸升高。說明該水-氣分散體系對于氣體流度的控制能力隨著巖心滲透能力的增強(qiáng)而增強(qiáng)，并且針對低滲透、超低滲透率儲層也有明顯的封堵效果，可以起到降低流度的作用。

圖4為氣驅(qū)后注入分散體系或注水的壓力曲線。由圖4可見，巖心滲透率為0.1×10-3μm2，在注氣壓力平穩(wěn)之后注入水-氣分散體系段塞，出口氣體流量明顯下降，注入流體壓力上升，且后續(xù)氣驅(qū)過程中壓力維持狀況良好，并且在后續(xù)氣驅(qū)過程中沒有發(fā)生氣竄?？梢娫撍?氣分散體系具備良好的封竄效果，能夠有效控制氣體竄逸從而維系注氣壓力。為降低實驗不確定度，回收上述巖心，干燥72 h后，在相同實驗條件下進(jìn)行氣驅(qū)，后轉(zhuǎn)注水，注水壓力陡然升高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于注水-氣分散體系的壓力，注入困難。以上現(xiàn)象說明水-氣分散體系的注入性好于水氣交替，在保證注入性的同時還可以有效提高滲流阻力，封堵氣竄。

圖4 氣驅(qū)后注入分散體系或注水的壓力曲線

2.3 提高采收率效果評價

在注入水-氣分散體系的水氣比為0.15，段塞尺寸1.0 PV條件下。評價了該水-氣分散體系提高采收率的能力，結(jié)果見圖5。

由圖5可見，隨著滲透率的增大，氣驅(qū)采出程度逐漸降低，說明因天然巖心存在微觀非均質(zhì)性，對滲透率越高的巖心，注入氣體越容易通過半徑較大的孔隙喉道竄逸，這是低滲透非均質(zhì)巖心氣驅(qū)波及效率低下的表現(xiàn)。當(dāng)注入水-氣分散體系后，提高采出程度隨著滲透率的增大而升高：滲透率為0.1×10-3μm2的巖心，分散體系提高采出程度3.70%，滲透率1.2×10-3μm2的巖心，分散體系提高采出程度5.48%，而當(dāng)滲透率增大到4.5 ×10-3μm2時，采出程度則提高了8.42%。以上結(jié)果同時也印證了滲流阻力測試實驗所得出的規(guī)律，即該水-氣分散體系能夠有效阻止氣竄，且對于氣體流度的控制能力隨著巖心滲透能力的增強(qiáng)而增強(qiáng)。

圖5 不同滲透率下采出程度

2.4 提高采收率機(jī)理分析

通過室內(nèi)實驗制得的水氣為分散體系可以在宏觀尺度上對氣竄進(jìn)行封堵，改善試驗中的注入相黏度，控制注入氣體的流度，從而起到擴(kuò)大波及體積、提高采收率的效果。

根據(jù)前文所述，分散在氣體之中的初始冷凝液滴尺寸多分布在3～7 nm之間。根據(jù)露頭巖心壓汞曲線得到的巖心孔隙半徑、低滲透率以及超低滲透率的巖心的孔隙度如表2所示。由表2可見，孔隙半徑普遍在40～600 nm，這要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于初始液滴的尺寸，因此液滴可以進(jìn)入到目標(biāo)巖心的微小孔隙之中。

表2 低滲透巖心孔隙尺寸

水-氣分散體系注入巖心之后，主要以小液滴和水蒸氣的形式存在，在微小孔喉中運移的過程會導(dǎo)致水滴碰撞，發(fā)生聚并，另外也存在水蒸氣附著在液滴上，使其長大；長大后的小液滴可能會因為尺寸過大而留在孔隙內(nèi)，也可能會因為比重比氮氣高而吸附滯留在孔隙之中，也可能因為巖石表面的親水性而滯留在孔隙內(nèi)。若形成滯留，后續(xù)的氣流壓力就會升高，就可以阻斷優(yōu)勢通道，達(dá)到深部氣流轉(zhuǎn)向，擴(kuò)大波及體積的作用。

3 結(jié) 論

a.利用自制蒸發(fā)冷凝式水-氣分散體系發(fā)生器制取了水-氣分散體系，分散質(zhì)小液滴的初始半徑為3～12 nm。調(diào)整合適的溫度和水氣比，向低滲透巖心注入水-氣分散體系可以成功封堵氣竄，提高滲流阻力因子數(shù)倍至數(shù)十倍，該體系可以在保證良好的注入性的同時控制氣體流度，擴(kuò)大波及系數(shù)。對于外壓存在下分散質(zhì)的數(shù)密度和沉降速率有待于進(jìn)一步研究。

b.室內(nèi)驅(qū)油實驗結(jié)果表明，對滲透率在(0.1～4.5)×10-3μm2的儲層，水-氣分散體系可提高采出程度在3%～10%，并且?guī)r心的滲透率越高，其可以達(dá)到的擴(kuò)大波及體積效果越好，從而提高最終采收率。

c.水-氣分散體系的提高采收率機(jī)理為：氣流攜帶小液滴和水蒸氣進(jìn)入巖心孔隙中的優(yōu)勢通道，在優(yōu)勢通道中，小液滴和水蒸氣形成滯留，阻礙后續(xù)的氣流進(jìn)入，使得氣流轉(zhuǎn)向，從而起到擴(kuò)大波及體積，提高采收率的作用。