碳酸盐岩缝洞型油藏氮气泡沫驱提高采收率机理可视化研究

李海波 ，侯吉瑞 ，李 巍 ，苑登御 ，张 丽 ，姜 瑜 ，苑玉静

（1.中国石油大学（北京）提高采收率研究院，北京102249；2.中国石油三次采油重点实验室低渗油田提高采收率应用基础理论研究室，北京102249；3.中国石油大学（北京）教育部油田开发重点实验室，北京102249）

塔河油田奥陶系油藏是中国已经发现的储量最大的碳酸盐岩缝洞型油藏［1］。以塔河油田四区为例，自1997年10月S48井投产伊始，受储集体分布复杂性、缝洞体系强非均质性及天然能量的影响［2-3］，出现了产能递减率高和含水率上升快等问题［4-5］。经过以底水能量为主的天然能量衰竭开采后，仍有大量的原油滞留在油藏中［6-8］。相关学者已经对缝洞型油藏底水驱后氮气驱开采剩余油技术进行了研究，并初步明确了提高采收率机理［9-12］，但一般认为缝洞型油藏裂缝发育，注氮气易发生气窜。因泡沫流体在中外油田中被广泛应用于控制气体流度［13］，故笔者针对塔河油田四区特定缝洞组合关系，利用宏观可视化物理模型，开展缝洞型油藏底水驱后氮气泡沫驱开采剩余油实验研究，并与氮气驱进行对比，分析其提高采收率机理，以期为探索该类油藏高效开发技术提供依据。

1 模型的设计与制作

1.1 模型相似性设计

物理模型的制作应结合相似准则确定模型的参数及实验条件，使物理模拟的实验结果更接近矿场实际条件。由于在碳酸盐岩缝洞型油藏中，流动通道几何尺度差异较大，加之缝洞系统分布的复杂性，形成了多种流动模式。而在模型设计时，同一模型中无法同时满足多个相似准则，因此只能侧重局部流体进行相似模拟［14-15］。考虑到溶洞是缝洞型油藏中最主要的储油空间，故重点针对流体在溶洞部分的流动进行相似设计。此时，重力分异作用对流体流动起着主要作用，而粘滞力则因缝洞型油藏中较小的渗流面积而可忽略不计，因此，建立模型时，主要针对压力与重力的关系及注入速度与采油量的关系进行相似性设计，其表达式分别为

式中：FG为表征压力与重力之比的相似准数；Δp为压差，MPa；ρo为地层原油密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；L为洞径，cm；FQ为表征注入速度与采油量之比的相似准数；q为注入速度，m3/d；d为井径，mm；uo为流速，m/s。

根据相似理论，当相似准数为1时，表明模型参数与矿场参数关于该相似准则相似［16］。相似准数可由相似系数计算得到，通过用各相似项的矿场参数值除以模型参数值即可得到对应的相似系数，再根据相似准则，对各相似项的相似系数进行组合，最终得到相似准数。根据式（1）和式（2），FG和FQ的计算式分别为

式中：kΔp,kρo,kg,kd,kL和kuo分别为压差、原油密度、重力加速度、井径、洞径及流速的相似系数。

由模型与矿场相关参数及其相似系数（表1），通过式（3）和式（4）计算可知，FG和FQ分别为1.005和1，表明模型与矿场参数基本满足上述相似准则。

表1 模型与矿场参数及相似系数

1.2 模型制作

采用可视化技术，按照塔河油田四区TK467—S48缝洞剖面组合关系进行刻画，制作可视化物理模型（图1）。具体制作流程包括：①以碳酸盐岩粉末为主要材料，混合环氧树脂压制成规格为30 cm×30 cm×4 cm的岩心，在岩心未完全固结之前，对岩心进行人工刻蚀，刻画出缝洞组合关系，并在模型下部溶洞体内填充50%的10目河沙；②将岩心在常温下静置24 h，待其完全固结；③将固结后的岩心置于30 cm×30 cm×20 cm的模具中，利用环氧树脂对岩心进行浇铸封装，并在常温下静置24 h使环氧树脂固化；④在模型设计位置安置油井及底水管线。

图1 缝洞型油藏可视化物理模型

2 实验器材与方法

实验材料 塔河油田四区地层原油粘度为23.4 mPa·s，实验用油为塔河油田四区脱气原油与煤油配制的粘度为24.7 mPa·s的模拟油。实验用水是按油藏采出水分析结果配制的模拟地层水，其矿化度为220 g/L。起泡剂为十二烷基硫酸钠，分析纯。实验气体为瓶装液氮。

实验设备 物理模拟实验装置（图2）主要包括：工作压力为0～30 MPa、流速为0.01～10 mL/min的恒速恒压计量泵；最大工作压力为32 MPa、容积为1 L的中间容器，用于装载实验流体；直径为25 mm、长度为400 mm的填砂管，其中填充粒径为30～40 μm的石英砂；CS200型气体流量控制器；测压范围为0～180 kPa的压力传感器；LED面板光源；分辨率为1 920×1 080的Logeitech Pro C910视频摄像头。

图2 物理模拟实验装置

实验方法 实验方法包括：①对物理模型抽真空，饱和模拟地层水，记录注入地层水量为模型缝洞体积；②向物理模型中注模拟油，进行油驱水，至不出水为止，记录注入油量和排出水量，计算束缚水体积与原始含油体积；③保持物理模型中TK467井与S48井处于开启状态，以6 mL/min的流速进行恒流底水驱替，模拟底水开采阶段，直到2口井含水率均达到100%为止；④底水驱结束后，将起泡剂与氮气同时通入填砂管，形成氮气泡沫，并从TK467井注入泡沫，从S48井采油，至S48井不出油为止。整个实验过程，通过LED面板光源对物理模型进行照明，并用视频摄像头对实验过程进行录像。

3 实验结果与分析

3.1 底水驱

由底水驱实验动态（图3）可见：驱替初期，模型下部大溶洞内的油水界面缓慢水平抬升，底水活塞式地驱替原油，水驱油的过程类似于有压管流（图3a）；当底水注入量约为0.15倍孔隙体积时，水线推进至TK467井，TK467井含水率在短时间内就达到100%；当底水注入量约为0.3倍孔隙体积时，底水沿模型底部流动通道窜进（图3b）；在底水注入量达0.55倍孔隙体积时，S48井开始见水，并且含水率很快达到100%，此时在模型高部位溶洞和局部构造的高部位形成了以阁楼油为主的剩余油（图3c）。

图3 底水驱实验动态

3.2 底水驱后氮气驱

在底水驱的基础上进行氮气驱实验，分析氮气驱实验动态（图4）发现：在氮气驱开始阶段，注入的氮气首先进入到局部构造的高部位，顶替出阁楼油（图4a）；当氮气注入量约为0.3倍孔隙体积时，注入的氮气逐渐充满了模型上部的高渗流通道，绕过了模型上部由垂直裂缝沟通的部分阁楼油（图4b）；在氮气注入量达0.45倍孔隙体积后，在模型上部形成了气窜通道，注入的氮气沿该通道直接突破至生产井，导致模型上部的部分阁楼油因为气窜而滞留在地层中（图4c）。

图4 底水驱后氮气驱实验动态

3.3 底水驱后氮气泡沫驱

在底水驱的基础上进行氮气泡沫驱，氮气泡沫驱实验动态结果（图5）显示：在氮气泡沫驱初期，注入的泡沫首先进入并启动局部构造高部位中的阁楼油（图5a）；当泡沫注入量约为0.3倍孔隙体积时，泡沫逐渐占据并堆积在模型上部高渗流通道中，继而启动由垂直裂缝沟通的孤立溶洞中的阁楼油（图5b）；在泡沫注入量达到0.6倍孔隙体积后，采出井见泡沫，此时泡沫波及到的剩余油基本都被采出（图5c）。

图5 底水驱后氮气泡沫驱实验动态

3.4 注入压力及采收率动态

对比底水驱后氮气驱和氮气泡沫驱的实验压力和采收率的动态关系（图6）发现：底水驱阶段，2种驱替方式的注入压力及采收率变化趋势基本一致，注入压力保持平稳，至底水注入量约为0.45倍孔隙体积时，油井见水，注入压力出现小幅度下降，该阶段最终采收率分别为48.66%和48.36%；在氮气驱阶段，氮气驱初期，注入压力迅速升高，这是因为注入的氮气启动了阁楼油，之后注入压力保持平稳，直到氮气注入量约为0.45倍孔隙体积时，发生气窜，注入压力迅速下降之后保持平稳，采收率仍呈增加趋势但增幅大幅减缓，氮气驱最终采收率为79.1%；而在氮气泡沫驱实验中，注入压力同样在初期迅速升高，且一直保持缓慢上升的趋势，当氮气泡沫注入量达到0.6倍孔隙体积时，泡沫窜流至生产井，注入压力出现大幅降低后保持平稳，此时，采收率也呈增加趋势但增幅变缓，氮气泡沫驱最终采收率为87.76%。分析图6可知，氮气泡沫驱实验时的注入压力始终高于氮气驱的注入压力，这是因为氮气泡沫的高流度以及其在高渗流通道中产生的堆积封堵作用所致；相比氮气驱，氮气泡沫驱采收率提高了8.66%。

图6 注入压力及采收率动态

4 提高采收率机理

对比底水驱后氮气驱与氮气泡沫驱实验动态可见，底水驱后，氮气驱与氮气泡沫驱均能有效启动剩余油。对于氮气驱开采剩余油机理，可以认为是由于油气密度差大，且氮气几乎不溶于原油，注入的氮气在地层中通过重力分异作用进入到构造高部位，顶替出阁楼油所致，但由于氮气粘度低，流度大，易沿优势通道发生窜流，氮气驱后仍然有部分剩余油滞留在地层中。相比之下，在氮气泡沫驱过程中可以观察到，注氮气泡沫不仅有效启动了阁楼油，还抑制了气窜，扩大了波及体积。在实验基础上，分析底水驱后氮气泡沫驱提高采收率机理主要包括扩大波及体积和提高微观洗油效率2个方面。

图7 氮气泡沫驱扩大波及体积机理示意

扩大波及体积 通过分析氮气泡沫驱启动阁楼油的过程可知：在氮气泡沫驱的过程中，注入的泡沫首先会进入到高渗流通道中（图7a），此时，缝洞体系中的流体大致可以分为稳定泡沫带、泡沫—油混合带和纯油带（灰色越深，表明泡沫遇油，越不稳定），由于泡沫遇油不稳定，泡沫驱替前缘的泡沫接触原油后极易破裂，因释放出的氮气不溶于油，在重力分异作用下会进入到构造高部位并不断聚集，形成次生气顶，顶替出阁楼油；随着泡沫的不断注入，原油在泡沫和气体的共同作用下被不断驱替出，高渗流通道中的含油饱和度降低，泡沫的稳定性增强并在高渗流通道中堆积，这种堆积作用加大了后续泡沫在高渗流通道中的流动阻力，并对气体产生封堵作用，控制了气体的流度，使气体界面能够均匀下降，有效抑制了气窜的发生（图7b），氮气泡沫驱过程中注入压力随氮气泡沫注入量的增加而增大的趋势，也从侧面证明了泡沫在高渗流通道中产生了这种堆积封堵作用（图5）；随着驱替过程的继续进行，大通道内的阻力不断加大，后续泡沫发生转向，克服毛管阻力进入到由垂直裂缝沟通的孤立溶洞，泡沫遇油发生破裂，气体受重力影响与溶洞中的原油发生置换，从而启动了其中的阁楼油，扩大了波及体积（图7c）。

提高微观洗油效率 在碳酸盐岩缝洞型油藏中，波及区域洗油效率较高，残余油主要以油膜的形式存在。氮气泡沫驱过程中，泡沫体系中的表面活性剂可以降低油膜的粘附功，使油膜更容易参与流动。此外，泡沫还能通过挤压岩壁，使附着在岩壁上的油膜变薄、分离，继而被乳化、携带。因此，泡沫能在一定程度上提高微观洗油效率。

可视化物理模拟实验结果显示，氮气泡沫驱后，物理模型中的溶洞壁面相比氮气驱后更为干净，同时采出液中也发现了原油的乳化现象，证明了注氮气泡沫具有提高微观洗油效率的作用。但是由于油膜仅存在于溶洞及裂缝的壁面处，笔者认为这部分作用对总采收率的贡献相对较小。

5 结论

设计并制作满足相似性条件的碳酸盐岩缝洞型油藏可视化物理模型，并在底水驱的基础上，分别进行氮气驱与氮气泡沫驱开采剩余油实验。结果表明，氮气驱与氮气泡沫驱均能有效开采剩余油，在底水驱基本相同的条件下，氮气泡沫驱比氮气驱可提高采收率8.66%。

氮气泡沫驱有机结合了氮气驱与泡沫驱的特点。依靠氮气的重力分异作用顶替阁楼油，同时通过泡沫在高渗流通道内的堆积，迫使后续流体发生转向，封堵气体，抑制气窜，进一步扩大了波及体积。此外泡沫具有很强的剥离油膜，乳化、携带游离油滴的能力，洗油效率更高。因此，氮气泡沫驱具有比氮气驱更好的提高采收率能力。

实验结果表明，氮气泡沫驱是提高缝洞型油藏采收率的一种行之有效的技术，应考虑对高温高压条件下发泡情况及泡沫稳定性的后续研究。

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