泡沫驱油发展现状及前景展望

2013-12-23王其伟

石油钻采工艺 2013年2期

王其伟

（中石化胜利油田分公司地质科学研究院，山东东营 257015）

我国东部老油田多数已进入开发后期，开发矛盾日渐突出，目前聚合物驱及二元驱是较为成熟的三次采油技术［1］，但是面临着优质三采资源匮乏的问题，泡沫驱油由于其良好的封堵性能及对油水的选择性，被认为是一项很有发展前途的三次采油方式［2-4］。泡沫流体在油田的应用研究已有50 多年的历史，现已成为油气田开发中的一个重要发展方向。近年来，虽然我国石油工业在泡沫流体应用技术方面已积累了一些经验，但还不十分成熟。

1 泡沫驱提高原油采收率原理

提高原油采收率主要的机理主要有提高驱油波及面积（波及系数）和提高驱油效率两个方面。泡沫流体同时具有这两种特性。泡沫驱是利用各种气体（包括N2气、天然气或其他气体）与泡沫剂混合形成泡沫作为驱替介质的驱替方法，泡沫具有选择性封堵、堵水不堵油、堵高不堵低的特性，泡沫的这些特点已经被从事泡沫驱研究的技术人员及管理者普遍认可。泡沫的特点使泡沫驱油技术在油田开发中拥有巨大的发展前景。

泡沫作为驱替过程的流度控制液，能改善流度比，防止水驱中的窜流、指进或水的锥进，扩大水驱和气驱波及程度，提高采收率；作为蒸汽吞吐和蒸汽驱的调剖液，能封堵蒸汽汽窜通道，防止气藏漏气及注气中的串槽和指进，调整油层吸汽剖面，提高蒸汽波及系数；作为选择性封堵剂，能选择性封堵高渗通道，降低高渗区的载流量而不破坏低渗区。

1.1 提高波及系数

气体及泡沫剂溶液形成的泡沫视黏度比组成它的单纯泡沫剂溶液及气体的黏度高得多，泡沫在非均质多孔介质运移时，首先进入渗透率大的孔道，根据贾敏效应的叠加原理，随泡沫注入量增多，流动阻力逐步增大，注入压力增高，迫使泡沫进入更多低渗透小孔道中驱油，由于泡沫的视黏度具有剪切变小的性质，在高渗条带的黏度大于低渗条带，且由于油藏的低渗区残余油饱和度较高，泡沫易破灭，封堵能力低，因此，泡沫在油藏中能较为均匀的向前推进，最终导致泡沫波及效率扩大。泡沫驱相对水驱，大大改善了油层非均质的影响，可克服注水易舌进、指进的问题，使驱动趋于均匀，从而提高了波及系数。

1.2 提高洗油效率

在油层中油与岩石表面的黏附功，可用下式表示

泡沫含有表面活性物质，它具有降低油水界面张力γos、增大原油与岩石表面润湿角θ 的作用，因此注入泡沫后，黏附功将大大降低，油易被驱走，洗油效率提高。

2 泡沫驱国内外发展历史

文献记载1956 年Fried 首次对泡沫驱油开展了研究，1958 年，Bond 等人发表了世界上第1 份泡沫驱油的专利，第1 个文献记载的泡沫矿场试验案例是1964 年10 月至1967 年3 月美国联合石油公司在伊利诺斯州Siggins 油田进行的，取得了良好的效果，泡沫试验区的水油比从15%降到12%。水的流度降低了约70%，注入井的吸水剖面得到了显著的改善。

1994 年，英国和挪威在北海油田的3 个试验区对泡沫进行了为期4 年的试验研究，研究了泡沫对高GOR 生产井锥进和指进的改善作用。泡沫试验区的试验表明，泡沫能有效地延迟气体锥进并成功减少油井的产气量［5］。

近几年国外泡沫驱的研究受石油价格波动及国家政策的影响，主要集中在室内机理及相关因素研究，现场报道较少。相比较而言，国内泡沫驱研究从室内到现场更加丰富，并且取得了较好的效果，但由于泡沫驱的复杂性，尽管室内研究报道，驱油机理清楚，物模效果好，多个现场试验也取得了较好的试验效果，由于成本及其他因素的影响，总体效益并不理想，截止到目前，除了高温泡沫剂在稠油蒸汽吞吐及蒸汽驱过程中作为流度控制剂已经工业化外，世界范围内还没有真正意义上的泡沫驱推广生产。

我国1965 年在玉门老君庙油田开展了国内第1个泡沫驱试验。注泡沫后见到了一定效果，但生产状况不理想。克拉玛依油田于1971 年5 月进行泡沫驱现场试验。注入泡沫后，一方面吸水剖面得到了调整，另一方面，改善了平面指进状况。试验有效期达27 月之久，产油量上升了一半，综合含水下降了一半，取得了良好的试验效果。

百色油田于1996 年在砂岩油藏上进行了空气泡沫驱油实验，收到了良好的控水增油和提高采收率的效果，试验区块含水率下降，产液量、产油量明显上升，累计增油1 945 t，投入产出比为1 ∶3.89［6］。

1997 年，大庆油田在萨北油田北二区东部的南端进行泡沫复合驱试验，试验区面积0.125 km2，渗透率335 mD，地质储量12.02×104t，注采井距176 m，之前曾进行过注气试验，到注泡沫复合体系时，综合含水为97.2%，累计采出程度高达43.8%。

大庆油田的泡沫复合驱由碱、表面活性剂、聚合物组成，注入气体为天然气。试验后，注入井注入压力上升，吸水指数下降。注入压力由水驱时的7.0 MPa，上升到注液14.0 MPa，注气18.8 MPa。受效高峰时，中心井北2-丁6-70 井含水由见效前的96.2%下降到最低时的50.7%，累计增油10 508 t，阶段采出程度18.6%，累计采出程度62.4%；中心井北2-丁6-71 井含水由见效前的98.3%下降到最低时的45.1%。累计增油13 561 t，阶段采出程度24.1%，累计采出程度67.9%。试验区综合含水下降10.3%，日增产原油40 t，日产液下降222 t，吸液剖面和产液剖面明显改善，中心井采收率提高23%［7］。

1999 年辽河油田在锦90 断块兴1 组开展了氮气+热水+发泡剂非混相驱现场试验取得较好的效果，试验位于锦90 断块中部，地层温度50 ℃，地质储量259×104t，9口注水井，46口采油井。设计注入0.2 PV 非混相段塞，氮气与化学剂混注段塞为注10 d 停10 d 的小段塞方式。水连续注入，化学剂浓度0.3%，平均注入流体速度180 m3/d， 2005 年7 月，扩大试验区扩大到注入井13口，气液比0.8，化学剂浓度1.5%，累注水142×104m3，累注氮气2 798×104m3，累注化学剂11 208 t；开井67 口，日产油157 t，综合含水87.7%，注入压力由6 MPa，上升到9～10 MPa。累产油31×104t（原9 井组产油27×104t），阶段采出程度7.31%（原9 井组为10.5%），累计采出程度51.93%（原9 井组52.7%）［8］。

胜利油田于2003 年5 月在孤岛中28-8 井注入强化泡沫进行驱油试验，设计注入周期为180 d，分为前置段塞及主段塞2 部分。注入泡沫段塞后，44层的相对吸水量由6.08%提高到41.13%，而42 层的相对吸水量由92.56%下降到58.14%，层间吸水状况得到有效改善，窜聚现象得到有效控制，29-3 井含水下降50%。整个井区综合含下降4.4%，日产油量增加67 t，强化泡沫驱试验取得了较好的效果。

3 泡沫驱存在的问题

目前泡沫驱油技术受到广泛的关注，近几年国内多个油田及研究院所相继开展泡沫驱研究及现场试验，从国家层面上，通过重大专项及863 课题进行支持，对于泡沫驱在油田的应用持肯定的态度，对于泡沫选择性封堵及大幅度提高水驱后剩余油采收率形成了较为统一的观点，现场试验也取得了较好的效果，普遍见到降低生产井含水、提高原油产量的效果，采收率也有较大幅度的提高。但从已经报道取得较好现场效果的油田的后续推广来看，都不尽人意，推广的力度较小，还没有形成规模性推广，分析原因主要有以下几点。

（1）泡沫驱的适用条件确定：目前尚未建立起泡沫驱的系统标准。泡沫驱注入参数，例如：注入方式、注入速度、表面活性剂的浓度等重要的施工参数还未形成一套行之有效的标准，注入方式、注入段塞大小等参数还有进一步研究的空间。

（2）目前相关的室内及矿场试验报道，主要报道了泡沫驱有利的数据，对于泡沫驱存在的弱点及问题，研究不多，甚至采取回避的方法，致使在实施过程中暴露出许多问题，影响了泡沫驱的效果及推广。

（3）虽然泡沫驱具有选择性封堵，堵水不堵油的优点，但是泡沫的稳定性差、遇油消泡、有效期短、注氮成本高、注氮设备复杂、驱油效率低于聚合物、产出液乳化较为严重的特性没有受到足够的重视及研究出好的措施加以解决。

（4）设计的泡沫注入量偏小，注入方式没有特色。泡沫调驱矿场应用过程中，考虑到投资和回收期的问题，实际设计的泡沫注入量偏小，并且多数是按照聚合物驱及其他的方式设计，还没有形成针对泡沫驱特点的注入段塞、注入方式设计，导致调驱效果不明显、有效期短等问题。

（5）泡沫的稳定性：泡沫调驱矿场应用过程中几乎都存在气窜的问题，导致波及系数降低，驱替效率下降；泡沫体系一个很大的缺点即为稳定性差，施工后有效期短。泡沫复合驱及强化泡沫驱在一定程度上解决了该问题，但是聚合物以及碱的加入，虽然提高了泡沫的稳定性及驱油效率，但并没有从根本上解决泡沫的稳定性问题，并且聚合物的引入，使泡沫驱的使用范围大大缩小，高温高盐油藏不能使用，并且氮气及空气中的氧对聚合物的性能具有致命性的破坏作用，配置水也有严格的限制；碱的引入同时引起设备腐蚀，井筒结垢及产出液严重乳化的后续问题，因此，研究更稳定的泡沫剂是泡沫驱研究的重要出路，目前还没有突破性的进展，还需要在化学剂的合成领域做更深入的研究。

（6）表面活性剂的吸附：泡沫驱的注入过程中，表面活性剂被大量吸附在岩石表面，降低了液相的表面活性剂浓度，严重影响了地层中泡沫的生成，增加了泡沫驱的作业成本，研制高性能、低吸附量的泡沫剂也是泡沫驱发展的关键技术［9］。

（7）采出液的处理问题：泡沫驱尤其是泡沫复合驱采出液的乳化问题，是泡沫驱面临的问题之一。碱的加入及气体的影响大大加重了产出液的乳化，致使油井产能大幅度下降，泵效降低。产出液乳化在大庆油田现场实验中造成不利影响，也是影响大庆油田泡沫复合驱推广的关键因素之一，因此，要研究高效的产出液处理方法，同时在化学剂的选择及配方设计时，就要考虑产出液乳化及处理问题。

4 泡沫驱的发展方向

（1）将泡沫作为封堵调剖的手段间歇式注入，是一项有效并有前途的提高老油田采收率的手段。在水驱或聚合物驱的区块，选择注入压力低，注入流体窜流较为严重，油藏储量丰富，见效较差的井或小井组。采用车载式氮气车及泡沫剂溶液注入泵在井口混合式注入氮气及泡沫剂溶液，连续注入10～30 d，恢复注水或注聚合物。间隔1～3 个月后，再次注入泡沫段塞，依次注入多个泡沫段塞。若小井组试验，可以采用氮气车在多口水井循环注入的方式注入，提高水井注入压力，增加波及面积。

优点：间歇式注入投入少，在试验阶段，氮气车可租赁，不需要建站及铺设管线；可以大幅度降低注氮及注入泡沫剂的费用，若试验成功采用空气、烟道气或生产井产出气的回注，可以大幅度降低注气成本；气体不容易形成气窜，注入的泡沫段塞可充分发挥作用；间歇式注入，整个注入周期可延长，克服泡沫回注水后有效期短的缺点，后续段塞可以修补前面泡沫段塞被冲开、调剖效果变差的问题；泡沫段塞与水或聚合物段塞间隔开，避免泡沫气体中残余的氧组分对聚合物黏度的破坏；单井或小井组试验，涉及面小，方案灵活，见效快，可以根据现场情况及时调整，若取得理想效果，可以进一步扩大规模及推广。并且一套设备可以服务多个井组。

（2）低张力泡沫体系的研制。残余油的存在是影响泡沫在油藏条件下稳定性的重要因素，通过增加驱油体系的洗油能力，降低残余油饱和度是提高泡沫在油藏环境条件下稳定性的重要措施，采用的方式主要有将泡沫段塞与具有良好降低油水界面张力、良好洗油及降低残余油饱和度的段塞交替注入，洗油与调剖交替进行，或者研制新型的泡沫稳定性、耐油性强，同时具有良好泡沫性能及界面性能的泡沫剂及张力泡沫体系，这也是泡沫驱研究的重要方向，这项工作，通过国家863 及重大专项的支持，研究已经取得重要进展，室内试验研究证明是可行的。

（3）将泡沫体系与其他提高采收率的体系复合使用也是泡沫驱研究的重要方向，将泡沫体系与注聚、注水、注二元及三元复合驱结合起来，充分发挥泡沫的强调及选择性封堵的作用，使注聚及复合驱充分发挥，形成新型的复合驱油方式也是提高老油田采收率的新的方法，能够起到意想不到的效果，目前此类研究工作在一些油田及研究单位已经开展研究。

（4）空气及烟道气作为发泡气体的泡沫驱油体系，注气成本在泡沫驱总成本中占有相当的比例，因此，空气泡沫由于低的成本一直是科技工作者追求的目标，但空气的不安全性及腐蚀性是制约其使用的关键因素［10-13］。近期的研究证明，在油藏的低温氧化作用可大大降低空气中的氧含量。但低温氧化作用与地层温度有关，当地层温度低于80 ℃时，氧化作用减弱，不安全性增强。因此，空气泡沫驱的使用范围及作用机理需要进一步研究，电厂烟道气的应用是一个重要的研究方向，不但可以降低成本，并且对于节能减排也有重要意义，此方面的研究已取得重要进展，其性能与氮气泡沫驱性能近似。

5 泡沫驱发展前景

虽然泡沫驱目前还存在着许多的问题，并且现场的效果也没有预期的好，但是泡沫驱具有选择性封堵特性以及高封堵调剖作用和强洗油能力，目前还没有其他流体同时具有这多方面的特性。现场试验效果证明，泡沫驱是可行的，并且取得了较好的效果，因此说，泡沫驱是一种很有前途的三次采油新技术，通过对关键技术的深化研究和攻关，以及化学剂和注气成本的降低，可以使之得以推广和应用。这种新技术将对中度稠油水驱开发及高含水油田高效合理开发具有重要意义。是一项应用广泛，很有发展前途的方法，必将在油田的开发中发挥重要作用。

［1］王德民.大庆油田“三元”“二元”“一元”驱油研究［J］.大庆石油地质与开发，2003，22（3）：1-9.

［2］王其伟，周国华，郭平，等.泡沫封堵能力试验研究［J］.西南石油学院学报，2003，25（6）：40-42.

［3］王志伟，张毅，魏淋生.孔隙介质中泡沫形成机理研究进展［J］.石油地质与工程，2008，22（3）：8-11.

［4］于广刚.注氮气技术在小洼油田的应用及前景［J］.石油化工应用，2011，30（10）：46-48.

［5］周东，冯海全，李明，等.国内外泡沫驱提高采收率技术发展现状［J］.内蒙古石油化工，2009，20（17）：56-58.

［6］冯松林，居迎军，杨红斌，等.空气泡沫驱技术的研究现状及展望［J］.内蒙古石油化工，2011，22（10）：169-171.

［7］赵长久，杨振宇，么世椿，等.萨北油田北二区泡沫复合驱矿场试验［J］.油气地质与采收率，2003，10（1）：58-59.

［8］刘加林，张艳娟.锦90 块泡沫复合驱提高稠油采收率研究［J］.精细石油化工进展，2007，8（7）：1-3.

［9］金光明，于建良.泡沫驱油现状与展望［J］.科技信息，2008，10（30）：52，74.

［10］刘艳波，刘东亮.氮气在乐安稠油油田开采中的应用［J］.石油钻采工艺，2004，26（3）：69-71.

［11］汪庐山，曹嫣镔，刘冬青，等.泡沫改善间歇蒸汽驱开发效果［J］.石油钻采工艺，2007，29（1）：79-81.

［12］冯其明，穆枭，张国范.浮选生产过程中的泡沫及消泡技术［J］.矿产保护与利用，2005，10（4）：31-35.