儲層非均質(zhì)性影響空氣泡沫驅(qū)注入效果研究
——以鄂爾多斯盆地甘谷驛油田長6油層組為例

張洪，王慶，夏星，勾煒，宋青

1)油氣資源與探測國家重點實驗室(中國石油大學(xué)(北京))，北京，102249；2)中國石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院，北京，102249；3)中國石油天然氣股份有限公司長慶油田分公司 ，西安，710018；4)中國石油天然氣股份有限公司青海油田分公司，青海海西，816499

內(nèi)容提要: 空氣泡沫驅(qū)是重要三采技術(shù)，為了了解該技術(shù)適用儲層類型，筆者等通過文獻調(diào)研、機理分析、室內(nèi)實驗及油藏生產(chǎn)動態(tài)數(shù)據(jù)分析研究其注入效果與儲層非均質(zhì)性關(guān)系，結(jié)果表明：該技術(shù)通過泡沫體系產(chǎn)生阻力提高波及系數(shù)，泡沫中包含的表面活性劑降低界面張力提高驅(qū)油效率，泡沫特性“遇油消泡，遇水不變”可有效調(diào)剖堵水并改善流度比，非均質(zhì)性強的儲層具有大小不一的孔喉、較大的孔喉比和較強的賈敏效應(yīng)，使上述增加波及系數(shù)、驅(qū)油及堵水效果更強，從而在水驅(qū)基礎(chǔ)上可以進一步大幅提高采收率。實驗和生產(chǎn)動態(tài)資料都說明，儲層非均質(zhì)性越強，表現(xiàn)為滲透率級差較大，增產(chǎn)和堵水效果越好，因此空氣泡沫驅(qū)適用于儲層非均質(zhì)性較強的儲層。該研究成果為空氣泡沫驅(qū)的推廣提供借鑒。

空氣泡沫驅(qū)技術(shù)增產(chǎn)機理是通過泡沫增加的流動阻力提高波及系數(shù)，依靠泡沫中表活劑降低界面張力剝離油膜提高驅(qū)油效率，利用泡沫堵水溶油特性改善流度比并有效堵水，上述特性決定了該技術(shù)具有良好的提采及調(diào)剖功能，并有效控制氣竄和水竄(趙玲莉等，1994；Tore et al., 2002；劉加林等，2007；林偉民等，2009；Hua shuai et al., 2015)。作為重要的三采技術(shù)，空氣泡沫驅(qū)被國內(nèi)外大量油田所采用，增油和堵水效果良好(翁高富等，1998；張思富等，2001；黃煒等，2021)。學(xué)者們對該技術(shù)進行了系統(tǒng)研究，研究內(nèi)容包括合理注采參數(shù)及影響注采效果因素，認為油藏溫度、油藏壓力、油藏傾角、油藏含水狀況等因素控制注入效果，高溫高壓、高注低采、水驅(qū)至含水率96%左右時轉(zhuǎn)泡沫驅(qū)以及反七點井網(wǎng)等方式，有利于空氣泡沫驅(qū)油，儲層河道和流動單元體系共同控制注入效果(于洪敏等，2012；東曉虎等，2013；張洪等，2018，2019)；另有大量文獻研究空氣泡沫驅(qū)驅(qū)油和調(diào)剖堵水機理，認為注入?yún)^(qū)域包括泡沫區(qū)域、水驅(qū)區(qū)域及氣體突破區(qū)域，泡沫大量產(chǎn)生可以有效減少氣體突破區(qū)域面積并延緩?fù)黄茣r間，作為混相驅(qū)，泡沫驅(qū)兼有空氣驅(qū)和泡沫驅(qū)的優(yōu)點，提高波及系數(shù)和采收率，適于高含水和非均質(zhì)性儲層，泡沫驅(qū)可以改善流度比，降低界面張力，大幅提高驅(qū)油效率的同時延緩水驅(qū)前緣指進現(xiàn)象(于洪敏等，2009；吳信榮等，2010；吳永彬等，2014；Yang jun et al., 2016；Xu Xiaomeng et al., 2017；趙習(xí)森等，2017；Chen Mingyan et al., 2018；Zhang Chengli et al., 2019)，上述研究成果深化了空氣泡沫驅(qū)提高采收率機理，但對技術(shù)應(yīng)用儲層的適用性研究，相關(guān)文獻成果很少，而該技術(shù)對不同非均質(zhì)性儲層適用性則更為關(guān)鍵，中國陸相儲層非均質(zhì)性嚴重，如何對不同儲層采用不同技術(shù)進行提高采收率是目前必須解決的核心問題。必須了解不同非均質(zhì)性儲層對該技術(shù)的適用性。

為此，筆者等綜合前人泡沫驅(qū)研究成果，采用綜合分析與實驗、生產(chǎn)實際成果檢驗相結(jié)合的手段，以泡沫驅(qū)應(yīng)用現(xiàn)場試驗結(jié)果較好的甘谷驛油田作為研究對象，闡述了不同均質(zhì)性儲層在應(yīng)用空氣泡沫驅(qū)驅(qū)油和調(diào)剖堵水方面機理上差異，不同程度非均質(zhì)性儲層(表現(xiàn)為不同滲透率級差)應(yīng)用該技術(shù)的效果差異，為油田廣泛利用該技術(shù)提供了思路。

1 地質(zhì)背景

甘谷驛油田位于陜西省延安市甘谷驛鎮(zhèn)境內(nèi)，構(gòu)造位置屬鄂爾多斯其陜北斜坡。主要含油目的層是三疊系延長組長6油層組，細分為長61，長62，長63，長644個砂層組。油氣主要賦存在長61，長62三角洲砂體之中，長62為三角洲前緣沉積相，其內(nèi)部的前緣水下分流河道、河口壩為主要含油儲層；長61則為三角洲平原沉積相，其內(nèi)部分流河道厚層砂體為主要含油儲層，該油藏是低孔特低滲儲層，其中長61儲層孔隙度平均為9.02%，滲透率平均0.96×10-3μm2，長62儲層孔隙度平均8.24%，滲透率平均0.97×10-3μm2，含油飽和度平均為61%，原油粘度為3.33 mPa·s，油藏含油目的層平均溫度為27℃，地層壓力為3 MPa，地層水為CaCl2型，平均礦化度值57.13 mg/L。在水下分流河道和分流河道中心主流線位置及部分河口壩存在局部高滲區(qū)，成為開發(fā)中的甜點區(qū)。該區(qū)一次開發(fā)以彈性能和溶解氣驅(qū)為主的衰竭式開采，隨能量產(chǎn)量降低，采用水驅(qū)補充能量，其間采用水力壓裂增產(chǎn)，三次開發(fā)包括空氣泡沫驅(qū)、氣水交替等。

2 儲層非均質(zhì)性影響泡沫驅(qū)效果機理

儲層非均質(zhì)性包括平面、層間、層內(nèi)及微觀非均質(zhì)性，空氣泡沫驅(qū)與平面非均質(zhì)和微觀非均質(zhì)性最為密切，而層間和層內(nèi)非均質(zhì)性對其影響十分復(fù)雜，因篇幅所限，筆者等僅討論平面非均質(zhì)性和微觀非均質(zhì)性與空氣泡沫驅(qū)關(guān)系。

2.1 平面非均質(zhì)性

平面非均質(zhì)性是指一個儲集層砂體的幾何形態(tài)、規(guī)模、連續(xù)性、連通性以及砂體內(nèi)孔隙度、滲透率的平面變化所引起的非均質(zhì)性，這導(dǎo)致儲層內(nèi)流體在不同相帶和條帶內(nèi)滲流存在差異性，從而影響空氣泡沫驅(qū)注入效果(左兆喜等，2017；耿師江等，2020)。

平面非均質(zhì)性較強的儲層通常擁有高滲條帶，例如河流沉積微相中河道主流線，河道滯留沉積和邊灘及心灘構(gòu)成典型高滲通道，具有較低滲流阻力和較高滲流速度，在二采注水過程中容易形成“舌進”和水竄，在河道兩翼滯留較多剩余油，降低采收率；空氣泡沫驅(qū)則可較好解決這一矛盾，最初形成的泡沫首先進入大孔道和裂縫，泡沫具有較大的表觀粘度使其阻力增大轉(zhuǎn)向進入較小喉道，均勻掃過每一級別喉道，不斷增加波及系數(shù)，提高采收率；同時泡沫具有“遇油消泡，遇水穩(wěn)定”特性，增大了油的流度，減少了水的流度，改善了流度比，有效堵水；泡沫中的表活劑降低了界面張力，有效剝離油膜；空氣和水不斷增加了儲層能量。以上泡沫驅(qū)驅(qū)油調(diào)剖特征在平面非均質(zhì)性較強的儲層中會更加明顯，可以極大提高采收率。

2.2 微觀非均質(zhì)性

微觀非均質(zhì)性是指微觀孔道類型與大小的不均一性所造成的流體流動的特征差異，其地質(zhì)影響因素主要包括孔隙和喉道的大小、連通程度、配置關(guān)系、分選程度以及顆粒和填隙物分布的非均質(zhì)性，主要包括孔隙非均質(zhì)、顆粒非均質(zhì)、填隙物非均質(zhì)。它控制著油水滲流特征及微觀驅(qū)油效率(于興河，2015；胡才志等，2017；董利飛等，2018；陳朝兵等，2021)。微觀非均質(zhì)性較強的儲層具有大小不一的孔隙和喉道，較大孔隙與較小喉道之間容易形成較高的孔喉比，較大孔喉比引起泡沫流體極強的賈敏效應(yīng)，從而迫使泡沫溶液改道，泡沫流體可以進入更多孔喉，增大波及系數(shù)和驅(qū)油效率。

3 儲層非均質(zhì)性影響泡沫驅(qū)效果實驗研究

筆者等通過實驗再現(xiàn)泡沫在不同儲層非均質(zhì)性儲層驅(qū)油過程和驅(qū)油效率，不同儲層非均質(zhì)性儲層通過構(gòu)建不同滲透率級差來實現(xiàn)。

3.1 實驗設(shè)備、樣品與流程

3.1.1實驗設(shè)備

本次研究空氣—泡沫巖芯驅(qū)替實驗所用設(shè)備包括雙缸控制泵、空氣壓縮機、巖芯夾持器、中間容器及質(zhì)量流量計等?？刂票煤涂諝鈮嚎s機用于注入水和高壓氣流體，巖芯夾持器和中間容器固定不同滲透率級差巖芯，質(zhì)量流量計和計量管計量驅(qū)出的油量和液量。

3.1.2實驗樣品

為了在保證實驗可行性的基礎(chǔ)上盡可能地接近實際儲層條件，甘谷驛油田唐309井(唐80研究區(qū)無探井取芯，選取距研究區(qū)西北區(qū)域39 km處、同屬甘谷驛采油廠且具有相似地質(zhì)條件唐309探井，該井在長6目的層系統(tǒng)取芯)取巖芯，深度約636.9 m(長622油層)，選取其中巖芯實驗室測試孔滲結(jié)果見表1。根據(jù)實際巖芯的基礎(chǔ)物性測試實驗結(jié)果，制作人造低滲巖芯10塊，具體表征其非均質(zhì)性參數(shù)見表2；實驗用油由煤油與實際原油配制而成，使其盡可能在物性及組分上接近甘谷驛唐80油藏，模擬油密度為0.81 g/cm3。泡沫液體系采用實驗優(yōu)選出的上海贏正101312起泡劑，起泡劑濃度為0.81%，穩(wěn)泡劑濃度為0.13%；實驗用水為唐80研究區(qū)提供的實際地層水。

表1 鄂爾多斯盆地甘谷驛油田實測儲層參數(shù)

表2 人造巖芯基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表

3.1.3實驗流程和步驟

按圖1所示連接不同的實驗設(shè)備，通過高壓泵將油水注入按實際巖芯數(shù)據(jù)設(shè)計的實驗巖芯，飽和；再分別注入起泡劑流體、水和空氣，產(chǎn)生泡沫，分別換不同滲透率級差的巖芯樣品重復(fù)各自驅(qū)替實驗。

圖1 驅(qū)替實驗裝置圖

實驗步驟如下：

(1)取巖芯樣品10個，測量巖芯的滲透率等基本參數(shù)；

(2)巖芯抽真空，飽和水；

(3)按照圖1連接實驗裝置；

(4)加圍壓12 MPa，以1.5 mL/min的速度飽和油；

(5)分別將10塊巖芯配對，模擬不同級差儲層，然后再以0.6 mL /min的速度進行水驅(qū)至巖芯出口端含水率98%，模擬高含水階段；

(6)分別注入氣、水及表面活性劑，模擬注泡沫階段。

3.2 結(jié)果和討論

滲透率級差和突進系數(shù)、變異系數(shù)，共同來描述儲層的非均質(zhì)程度，是量化表征平面、層間及層內(nèi)非均質(zhì)性常用技術(shù)手段，刻畫平面非均質(zhì)性時，計算公式為平面不同條帶滲透率最大值與最小值的比值，值大于10為強非均質(zhì)性，在6和10之間為非均質(zhì)性，小于6為弱非均質(zhì)性，值為1則接近均質(zhì)儲層。設(shè)計雙管巖芯驅(qū)替實驗，分別放置五組(巖芯編號為1～10)滲透率存在差異的兩塊巖芯同時驅(qū)替，計算級差分別為1.03、5.63、10.3、17.9及43.7，模擬均質(zhì)性、弱非均質(zhì)性及強非均質(zhì)性儲層驅(qū)替狀況。驅(qū)替過程類似單管，以恒定速度進行水驅(qū)，水驅(qū)階段出口端含水率達到98%時，接著進行空氣泡沫驅(qū)，不同段塞注入泡沫液和空氣，記錄不同注入量(pv)下的驅(qū)油效率(表3)。依據(jù)上述不同級差巖芯實驗數(shù)據(jù)，繪制出水驅(qū)和空氣泡沫驅(qū)兩個階段驅(qū)油效率與注入流體孔隙倍數(shù)的關(guān)系曲線(圖2)。

表3 不同滲透率級差下的驅(qū)替實驗結(jié)果

圖2 不同級差巖芯水驅(qū)和空氣泡沫驅(qū)驅(qū)油效率

3.2.1不同均質(zhì)性儲層水驅(qū)技術(shù)適用性

實驗結(jié)果表明，滲透率級差較大的巖芯組合(3～4和9～10)，水驅(qū)采收率偏低，滲透率級差最大，非均質(zhì)性最強(第五組數(shù)據(jù)，級差為43.7)的儲層水驅(qū)采收率最低，僅為20.3，相對均質(zhì)儲層，即滲透率級差為1.03的均質(zhì)儲層采收率最高，可達40.8，是強非均質(zhì)性儲層的兩倍。即隨著滲透率級差變大，由1.03、5.63、10.3、17.9及43.7依次增加，非均質(zhì)性增強，水驅(qū)階段驅(qū)油效率由40.6、30.2、26.6、22.5及20.4依次降低。

前已述及，平面非均質(zhì)性較強儲層具有較多高滲條帶，流體流動受到高滲通道的影響。多名學(xué)者通過微觀可視化實驗、油藏工程動態(tài)資料研究等手段證明，注入的水會優(yōu)先進入滲透率高的儲層，并迅速突破，造成明顯的指進現(xiàn)象和水竄，且隨著注水過程持續(xù)，這種現(xiàn)象更加明顯(范妹等，2007；董利飛等，2018)，含水率升高的同時產(chǎn)油降低；相反，平面均質(zhì)性較強儲層，注水均勻推進，水驅(qū)階段波及系數(shù)和驅(qū)油效率高。以上實驗結(jié)果和分析得出一個重要結(jié)論，即均質(zhì)性儲層水驅(qū)效果好。

3.2.2均質(zhì)性不同儲層泡沫驅(qū)技術(shù)適用性

從表3和圖2還可以看出，級差為1.03時(均質(zhì)儲層)驅(qū)油效率提高20%，級差為5.63時，驅(qū)油效率提高值增大到22.2，級差為10.3時(非均質(zhì)儲層)空氣泡沫驅(qū)可以進一步提高24%驅(qū)油效率，而級差為43.7時(強非均質(zhì)儲層)，空氣泡沫驅(qū)提高的幅度最大，可達28%。隨著滲透率級差變大，非均質(zhì)性增強，泡沫驅(qū)階段驅(qū)油效率和采收率增加，非均質(zhì)儲層提高采收率效果更好。

眾多學(xué)者對儲層非均質(zhì)性與空氣(氮氣)泡沫驅(qū)關(guān)系做了大量論述，Chaturvedi等認為針對非均質(zhì)性強的儲層，泡沫驅(qū)產(chǎn)生的泡沫，因為存在賈敏效應(yīng)，在高滲條帶或是區(qū)域產(chǎn)生更大的流動阻力，從而轉(zhuǎn)向進入低滲區(qū)域，最終提高微觀采收率，同時二氧化碳或是空氣可以降低不同粒徑孔隙，尤其是基質(zhì)微小孔隙中剩余油粘度，增加其流動性，從而增加采收率(Chaturvedi et al., 2021)。王其偉認為由于泡沫的視黏度具有剪切變小的性質(zhì)，對儲層非均質(zhì)性較強的儲層，在高滲條帶的黏度大于低滲條帶，且由于油藏的低滲區(qū)殘余油飽和度較高，泡沫易破滅，封堵能力低，泡沫在油藏中能較為均勻的向前推進，最終導(dǎo)致泡沫波及效率擴大(王其偉等,2013)。結(jié)合實驗結(jié)果和學(xué)者們研究成果，可得出重要結(jié)論，即空氣泡沫驅(qū)對非均質(zhì)較強的儲層有較好的適應(yīng)性。

4 不同儲層非均質(zhì)性儲層生產(chǎn)效果驗證

為了驗證上述實驗和理論分析成果正確性，選取甘谷驛油田兩個不同非均質(zhì)性儲層井組叢55和叢54井組，觀察注水和注泡沫兩個不同階段產(chǎn)量變化情況。

叢55和叢54井組位于甘谷驛油田唐80研究區(qū)東南部，不規(guī)則反九點注入，叢55井和叢54井為注水和注氣井，2002年注水，2003年開始生產(chǎn)，2007年注泡沫(圖3)。

圖3 甘谷驛油田叢55和叢54井組長6-2段沉積相及砂體分布平面圖

兩個井組儲層位置、主力層有效儲層構(gòu)成、井距井型等影響注入流體效果參數(shù)值接近，影響流體注入效果主要因素是所處沉積相位置不同，造成其非均質(zhì)性差異比較大。從沉積相圖上看，長62期，儲層整體處于三角洲前緣環(huán)境，含油砂體為三角洲前緣水下分流河道及河道邊緣天然堤和決口扇中，叢55井組叢55-8、叢55-3及叢55-4生產(chǎn)井位于河道主流線位置，表現(xiàn)為儲層厚度大，產(chǎn)量高，物性好，其余生產(chǎn)井則位于河道邊緣，形成儲層非均質(zhì)較強環(huán)境。而叢54井組則整體位于河道邊緣環(huán)境，表現(xiàn)為砂泥互層，儲層厚度小，產(chǎn)量相對較低，但儲層位于同一微相內(nèi)，相對均質(zhì)。從兩個井組選取6口井滲透率來看，叢55井主力層長6-22層滲透率級差為7.66，大于6，為強非均質(zhì)性。而叢54井組長6-13滲透長6-22滲透率級差僅為1.83，屬于均質(zhì)范疇，因此叢55井組是非均質(zhì)區(qū)域，而叢54井組為均質(zhì)區(qū)域(圖3，表4)。

表4 鄂爾多斯盆地甘谷驛油田叢55與叢54井組長6-2滲透率值(據(jù)甲方測井解釋成果)

選取2007到2011年注泡沫明顯見效期，依據(jù)兩個井組產(chǎn)油產(chǎn)水及產(chǎn)液生產(chǎn)數(shù)據(jù)做出了其注水和注泡沫后產(chǎn)量變化情況。非均質(zhì)性較強的叢55井組注水階段產(chǎn)量一直處于遞減，而含水率由10%上升到25%，說明注水未見效且水驅(qū)前緣推進較快；泡沫之后，產(chǎn)量由日產(chǎn)不到1 t，增加到1.2～1.5 t，產(chǎn)水率則由最高的60%(高含水)降到20%左右達到穩(wěn)定。而均質(zhì)性較強叢54井組，水驅(qū)階段，產(chǎn)油量由最初的0.4 t升到0.6 t，含水率變化不大，說明注水產(chǎn)生效果且含水穩(wěn)定；轉(zhuǎn)泡沫驅(qū)后，產(chǎn)量基本沒變，產(chǎn)水率則由高點40%降到25%左右(圖4，表5，圖5)。

圖4 甘谷驛油田叢55井組注水和注泡沫階段產(chǎn)量

圖5 鄂爾多斯盆地甘谷驛油田叢54井組注水和注泡沫階段產(chǎn)量

表5 鄂爾多斯盆地甘谷驛油田叢55和54井組不同注入階段動態(tài)數(shù)據(jù)

上述結(jié)果顯示出空氣泡沫驅(qū)可以在水驅(qū)基礎(chǔ)上進一步提高低滲油田產(chǎn)量，并可有效降低含水率，且儲層非均質(zhì)性較強的儲層水驅(qū)效果較差，但泡沫驅(qū)階段產(chǎn)量和采收率大幅增加，儲層非均質(zhì)性較弱的儲層水驅(qū)效果較好，但泡沫驅(qū)效果差，說明均質(zhì)性儲層適于水驅(qū)，而非均質(zhì)性儲層適于泡沫驅(qū)，進一步驗證了實驗結(jié)論。

5 結(jié)論

(1)實驗結(jié)果、油藏生產(chǎn)及理論分析結(jié)果均顯示空氣泡沫驅(qū)更加適合于儲層非均質(zhì)性較強的儲層。儲層非均質(zhì)性較強儲層具有大小不一的孔喉粒徑和更高的孔喉比，具有的高的滲流阻力和賈敏效應(yīng)，從而具有更高的波及系數(shù)和最終采收率，并可實現(xiàn)有效堵水。

(2)水驅(qū)過程中，隨著滲透率級差變大，非均質(zhì)性增強，驅(qū)油效率和采收率會下降，均質(zhì)儲層適于水驅(qū)；非均質(zhì)較強儲層水驅(qū)采收率較低，但后期空氣泡沫驅(qū)可以大幅提高采收率，非均質(zhì)性儲層適于泡沫驅(qū)。

(3)可以選擇相對均質(zhì)儲層進行水驅(qū)，而選擇非均質(zhì)性較強的油田，或是油田中非均質(zhì)性較強的區(qū)塊或?qū)游磺捌谒?qū)，等到其含水達到50%之上轉(zhuǎn)泡沫驅(qū)，有效堵水，大幅提高采收率。該成果需要在油田大規(guī)模使用驗證其正確性。