多相泡沫体系调驱试验

李宾飞,李兆敏,刘祖鹏,赵 磊,李松岩,林日亿,王冠华

(1.中国石油大学石油工程学院,山东青岛 266555;2.中国石油大学储运与建筑工程学院,山东青岛 266555)

多相泡沫体系调驱试验

李宾飞1,李兆敏1,刘祖鹏1,赵 磊1,李松岩1,林日亿2,王冠华1

(1.中国石油大学石油工程学院,山东青岛 266555;2.中国石油大学储运与建筑工程学院,山东青岛 266555)

通过复配泡沫和聚合物冻胶微球形成多相泡沫体系,进行多相泡沫体系在多孔介质中的流动试验。显微图像显示,聚合物携带的聚合物冻胶微球具有良好的圆球度和分散性,分布在多相泡沫的液膜和 plateau边界处。试验结果表明:聚合物冻胶微球能在岩心中不断封堵和运移,使注入压力和阻力系数增加,后续水驱仍有较高的残余阻力系数;多相泡沫体系封堵岩心时,压差曲线出现明显的上下波动,多相泡沫封堵受聚合物冻胶微球运移的影响;并联双管试验中泡沫和多相泡沫体系在岩心管中的分布状态不同,多相泡沫体系具有更好的调剖效果。

聚合物;冻胶微球;泡沫;多相泡沫体系;封堵能力;调剖

泡沫流体为一种可压缩的非牛顿流体,具有低漏失、低密度、对油层伤害小、携砂能力强的特性,在地层中渗流具有选择性,既能封堵高渗层、提高低渗层波及系数,又能有效地封堵水层,选择油层进行流动[1-3],因此泡沫驱是一种很有应用前途的三次采油方法[4]。聚合物微球是一种微米级别的球状黏弹性固体,它可以在岩心孔喉中不断封堵、运移,再封堵、再运移,是一种油藏深部调剖堵剂[5-7]。关于聚合物微球的封堵能力已经有大量的试验研究。笔者结合泡沫和聚合物微球两种不同调驱技术,通过形成的多相泡沫体系来研究其对严重非均质地层的调驱效果。

1 多相泡沫体系特征

1.1 多相泡沫体系的组成

多相泡沫体系由气、液、固 3相组成。其中,气相为氮气,液相一般由起泡剂、稳泡剂和水组成,固相为聚合物冻胶微球。

(1)氮气。氮气压缩系数大、弹性能量大、黏度低、渗透能力强,有利于保持油层压力、补充地层能量,发挥气体膨胀和降黏驱油的作用,最终达到提高采收率的目的[8]。

(2)起泡剂。要求起泡性能好,泡沫稳定性强,与聚合物冻胶微球配伍性好,并且泡沫携带能力强。

(3)稳泡剂(聚合物)。通过聚合物增加泡沫的黏度,减缓泡沫的排液速率,提高泡沫的稳定性。液膜强度是决定泡沫稳定性的主要因素,表面活性剂溶液形成的泡沫液膜厚度越大,泡沫强度越高,排液期越长,越能抵抗外部影响造成的形变,泡沫的稳定性越好[9]。

(4)聚合物冻胶微球。聚合物冻胶微球是一种新型油层深部堵剂,具有吸水膨胀特性,初始粒径在微米级,能与油藏亚微米孔喉尺度匹配,能注进油层,同时聚合物冻胶微球具有固定的形状,是黏弹性固体,膨胀后体积变大,因而堵得住大孔道,微球在弹性变形作用下可以通过喉道在油层中移动[10]。

1.2 多相泡沫体系分布形态

用光学显微镜观察搅拌均匀的聚合物与聚合物冻胶微球组成的溶液。图 1为冻胶微球复合溶液在显微镜下放大 50倍时的显微照片。从图 1可看出,微球具有很好的圆球度,粒度相对均匀,在聚合物溶液中分散均匀,悬浮性能强。

图 1 冻胶微球复配溶液的显微照片Fig.1 M icrograph of polymer gelled m icrosphere compounded solution

用高速搅拌器以 7000 r/min的速度搅拌多相泡沫基液 3 min,生成泡沫后在光学显微镜下观察多相泡沫形态。图 2为光学显微镜放大 100倍的显微照片。

从图 2可看出,冻胶微球主要分布在泡沫液膜和 plateau边界处,而且加有聚合物的强化泡沫的液膜明显增厚,泡沫的稳定性增加。

图 2 多相泡沫体系显微照片Fig.2 M icrograph of multiphase foam system

2 试 验

2.1 试验装置

试验装置包括驱替液体和气体的双柱塞计量泵、压力变送器、天平、填砂模型管 (Φ25 mm×300 mm和Φ25 mm×600 mm,其中长管具有 4个测压点,分别位于入口、距入口20和 40 cm处、出口)、回压泵和压力容器。试验模型如图 3所示。

图 3 岩心驱替试验模型Fig.3 Core displacement experi mentalmodel

2.2 试验药品

试验药品包括起泡剂、聚合物 (相对分子质量2100万,水解度 25%)、聚合物冻胶微球、氮气 (纯度 99.99%)、蒸馏水和地层水等。

2.3 试验方法

(1)聚合物冻胶微球阻力系数试验。用石英砂充填Φ25 mm×300 mm的填砂管;将填砂管抽真空,饱和地层水,测岩心孔隙体积 (Vp);将填砂管接入单岩心驱替试验装置,以 10 mL/min的速度水驱测量岩心渗透率;恒温 60℃以 5 mL/min的速度进行地层水驱替,当压力基本不变后,向岩心管中注入5 g/L的一定孔隙体积倍数的冻胶微球复配溶液。试验中记录不同时刻岩心的入口压力,计算压差和阻力系数。

(2)多相泡沫体系封堵能力试验。采用相同规格的填砂管,常温常压条件下以 10 mL/min进行地层水驱替,当压力稳定后以3 mL/min的速度注入起泡剂溶液和氮气,气液体积比为1∶1,以混合注入方式注入多相泡沫;注入一定孔隙体积的多相泡沫后停气,以相同流量注入起泡剂溶液。试验中记录不同时刻岩心的出、入口压力,计算压差。

(3)岩心驱替试验。将人工制备的两组渗透率级差相当的 4个Φ25 mm×600 mm岩心分别抽真空,饱和水,测渗透率,并联接入图 3,合注分采;以 3 mL/min的速度向并联岩心中注入一定孔隙体积的泡沫或多相泡沫体系段塞后转为水驱。分别计量不同渗透率岩心的产液量,记录不同时刻各测点的瞬时压力。

3 试验结果分析

3.1 聚合物冻胶微球阻力系数试验

图 4为聚合物携带微球和单纯的相同浓度的聚合物溶液作为封堵溶液,注入渗透率为1.22μm2岩心管时注入压力和阻力系数的变化曲线。从图 4 (a)可以看出,在开始注入微球溶液时,岩心管的注入压力上下波动呈现波浪式升高趋势,这是因为多个微球封堵喉道时压力迅速上升,压力升高使微球变形,以“变形虫”的形式突破喉道,进入油层深部,压力又立刻下降[5]。随着微球注入量的不断增加,微球对岩心的封堵有叠加效果,注入压力和阻力系数持续上升。注入压力最大可以从水驱时的 0.05 MPa增加到 0.5MPa,阻力因子最大可以到 11左右,而且还有上升的趋势。停注微球后,后续水驱的注入压力是水驱时的 5倍左右,保持了较高的注入压力,阻力因子在6左右,表明后续水驱阶段微球仍然对岩心管有封堵作用,微球在油层中的稳定性较强。

从图 4(b)可以看出,注入单纯聚合物溶液后,注入压力缓慢连续增加,最大约为 0.12 MPa,明显小于聚合物携带微球的封堵溶液,表明聚合物微球复配溶液封堵效果较单一聚合物溶液的明显。

图 4 微球和聚合物溶液注入过程中压力和阻力因子变化Fig.4 Changing of pressure and residual resistance coefficient during the m icrosphere and polymer solution injection

3.2 多相泡沫体系封堵能力试验

在常规气液两相泡沫中加入聚合物冻胶微球组成多相泡沫体系,观察其对渗透率为 0.85μm2岩心的封堵效果。图 5为水驱后连续注入多相泡沫体系过程中的注采压差曲线。

从图 5可看出,开始水驱,待压力稳定后,注入多相泡沫体系,岩心管出口和入口两端的压差迅速增加,并出现明显的波动,说明喉道处产生封堵。喉道处泡沫产生的贾敏效应以及微球的机械封堵使得泡沫的封堵效果变好。多相泡沫驱替过程中,压差不断波动,表明泡沫携带聚合物微球在岩心管中不断地封堵和运移。压差从开始的 0.12 MPa增加到1.7 MPa左右,停气后仍然保持很高的压差,可见多相泡沫体系具有良好的封堵效果。

图 5 注入多相泡沫体系过程中压差变化Fig.5 Changing of pressure drop during multiphase foam system injection

3.3 泡沫和多相泡沫的压力分布试验

泡沫体系在孔隙介质中如何分布,是否会在近井附近形成端面堵塞,在油藏深部是否具有有效的封堵调剖作用,是长期以来人们关心的问题,长细管试验重点解决泡沫在孔隙介质中的分布及运移问题[8]。本文中试验重点解决多相泡沫在孔隙介质的分布及运移问题,并与常规泡沫的分布进行对比。

图 6为常规泡沫注入渗透率不同的填砂管时各测压点的压力。两个岩心管压力变化趋势基本相同,开始注入泡沫时,各测点压力迅速上升。随着泡沫的不断注入,泡沫的注入能力逐渐下降,封堵能力逐渐加强,注入压力连续增加。这说明泡沫封堵具有叠加性,叠加的贾敏效应作用显著。后续只用起泡剂溶液驱替时,各测点压力下降迅速,表明泡沫在岩心中封堵作用减弱,稳定性较差。对比高渗管和低渗管可以发现,在 2Vp以前,高渗管测点 1(入口)和测点 2之间压差基本为零,测点 2与测点 3压差最大,说明泡沫主要封堵岩心的中后部,以中部为主,随着泡沫的不断注入,相邻测点的压差逐渐增加,测点 2和测点 3的压差始终最大。从图 6(a)可看出,在 3Vp之前,测点 3与测点 4(出口)的压差很小,说明泡沫并没有在岩心深部封堵。测点 1～3相邻压差基本相当,可见泡沫分布比较均匀。在 3Vp之后,岩心深部出现压差,但小于高渗管压差。其他相邻点的压差,中部的稍大于注入端近部,表明低渗管中泡沫主要在中前部分布。

图 7为多相泡沫体系注入渗透率不同的填砂管时各测压点的压力曲线。从图 7可以看出,两填砂管测点压力都有明显波动的形态,而且每个波动的最高压力是逐渐增加的。这表明多相泡沫体系与常规泡沫驱替的压力变化有着本质的不同,由于液膜处聚合物冻胶微球在多孔介质中的封堵和运移,加强了泡沫的生成与破灭,同时由于是固体,强度增加很多,改变了常规泡沫的封堵机制。对比高低渗管相邻测点的压差,可看出两管的压差大体相同,测点3,4的压差最大,其他的两个压差相当,可见多相泡沫在填砂管中分布均匀,填砂管深部压差最大,表明多相泡沫具有一定深部调剖能力。

3.4 多相泡沫在非均质并联模型中的选择性封堵试验

泡沫具有选择性封堵的特性,泡沫会优先进入高渗透层,高渗透层的岩石对泡沫的剪切作用较弱,高渗透地层泡沫的表观黏度相对高于低渗透层中泡沫的表观黏度,这有利于低渗透层中的泡沫向前推进,而高渗透层中的泡沫则趋于黏附和堵塞地层孔隙[1-3]。但是,当油层的非均质性特别严重时,泡沫的封堵调剖能力会减弱,本次试验的重点在于探索多相泡沫体系在严重非均质情况下的封堵调剖效果。通过记录泡沫和多相泡沫双管并联时两管的出液量,分析多相泡沫体系在调驱方面的优势。

图 8和图 9分别为泡沫、多相泡沫体系驱替渗透率级差约为 12的并联岩心时,高低渗管的出液量和分流率的变化曲线。从图 8可看出,常规泡沫在刚开始注入时,调剖效果明显,高渗管的产液率逐渐下降,当注入 2Vp时,高低渗管的产液率相同,之后随着泡沫的注入,高渗管的调剖效果减弱,产液率开始上升,低渗管产液率下降。从图 9可看出,注入多相泡沫体系后,高渗管流量迅速下降,低渗管得到了动用,并且随着多相泡沫的注入,高低渗管的分流率变化不大,能够维持较好的水平。

4 结 论

(1)泡沫可以充分悬浮聚合物冻胶微球,微球分散性好,存在于泡沫的液膜和 plateau边界处。

(2)多相泡沫体系对于级差为 12的严重非均质油藏仍具有良好的调剖效果。

(3)泡沫在高渗管中以封堵岩心中部为主,多相泡沫体系在填砂管中分布均匀,深部压差最大,具有一定深部调剖能力。

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(编辑 李志芬)

Experi ment on profile control and flooding by multiphase foam system

L IBin-fei1,L I Zhao-min1,L IU Zu-peng1,ZHAO Lei1,L I Song-yan1,L IN Ri-yi2,WANG Guan-hua1
(1.College of Petroleum Engineering in China University of Petroleum,Q ingdao266555,China; 2.College of Storage&Transportation and A rchitectural Engineering in China University of Petroleum,Q ingdao266555,China)

A multiphase foam system waspreparedwith gas-liquid foam and polymer gelledmicrosphere,and the experiments of this system flowing in porous medium were curried out.Micrographs show that the ploymer gelled microsphere has good psephicity and dispersed property,and the ploymermicrosphere distributes over the liquid film and plateau boundary ofmultiphase foam.The experimental results show that the polymer gelledmicrosphere canmove and plug in the core,whichmakes the injection pressure and resistance coefficient increase,and the succeedingwater flooding still has a high residual resistance coefficient.The pressure drop fluctuates obviouslywhen the multiphase foam plugs the core,which shows that the polymer gelled microsphere movement has an influence on multiphase foam system plugging ability.The distribution station of foam and multiphase foam in parallel core experiment is different,and themultiphase foam system has a betterprofile control ability than foam.

polymers;gelled microsphere;foam;multiphase foam system;plugging ability;profile control

TE 357.46

A

10.3969/j.issn.1673-5005.2010.04.018

1673-5005(2010)04-0093-06

2010-01-05

国家科技重大专项大型油气田及煤层气开发专题(2008ZX05009-004)

李宾飞(1978-),男(汉族),河北唐县人,讲师,博士,从事泡沫流体提高油气开采效率理论与技术研究。