鲁克沁超深层特稠油空气泡沫驱起泡体系实验研究

唐晓东，张洋勇，李晶晶，李斌，崔英怀，赵健

(1.西南石油大学 油气地质及开发工程国家重点实验室，四川 成都 610500;2.西南石油大学 化学化工学院，四川 成都 610500;3.新疆石油勘察设计研究院(有限公司)，新疆 克拉玛依 834000;4.中国石油吐哈油田公司，新疆 哈密 839009)

鲁克沁油田位于新疆维吾尔族自治区鄯善县境内，构造上属于吐哈盆地吐鲁番坳陷台南凹陷鲁克沁构造带。该油田目前主要采用常规水驱开采，但其稠油在地层条件下粘度较高(280 ～526 mPa·s)，油水粘度比大，加上平面、层间非均质性严重，造成注入水单向突进严重，储层动用程度低［1-2］。采用天然气吞吐开采后，油井增效明显［3-4］，但存在天然气用量大、开采成本高以及气源短缺等问题。

我国稠油油藏主要采用蒸汽吞吐或蒸汽驱方式开采［5］，但鲁克沁油藏埋深2 200 ～4 800 m，常规注蒸汽热采热损失大，无法实现鲁克沁稠油油藏的经济、高效开发。此外，鲁克沁油藏温度在80 ℃以上，地层水矿化度高达17 ×104mg/L，对常规的聚合物驱和聚合物调驱存在不利影响［6］。注空气采油技术具有成本低、来源广泛且不受地域限制等优势，但油藏直接注空气开采容易发生气窜、重力超覆及指进，驱油效果差［7］。空气泡沫驱集合了空气驱与泡沫驱的优点，具有泡沫的调剖和空气的驱油作用，是改善高含水、非均质油藏开发效果，提高采收率的有效技术［8-10］。本文针对鲁克沁稠油油藏的特点，评选出了适合于该油藏空气泡沫驱开采用的起泡剂体系，为实现鲁克沁超深层特稠油的有效开发提供技术支撑。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

起泡剂TY-1、TY-2，有效浓度30%、起泡剂BS-12、OA-12、CHSB，有效浓度30% ～35%，均为工业级;起泡剂ZFC，有效浓度35%、稳泡剂ZSX 均为自制;稳泡剂羧甲基纤维素(CMC)、聚丙烯酰胺(HPAM)均为分析纯。

鲁克沁油藏地层水为CaCl2型，总矿化度177 792 mg/L，离 子 质 量 浓 度 Na++ K+为63 672 mg/L，Ca2+为 4 512 mg/L，Mg2+为713 mg/L，Cl－为 106 258 mg/L，为2 584 mg/L，为55 mg/L。实验油样为吐哈油田鲁克沁稠油，地面原油粘度(50 ℃)11 012 mPa · s，20 ℃ 密 度 为0.958 5 g/cm3，API 重度为13.9，沥青质含量 为0.69%，胶质含量为14.43%，蜡含量为5.05%。

Waring Blender 搅拌器;WDF-0.5L 型高温高压反应釜;稠油热采多功能物模试验装置，自制。

2 结果与讨论

2.1 起泡剂与地层水配伍性

鲁克沁油藏地层水为CaCl2型，其中Ca2+、Mg2+质量浓度达5 225 mg/L，可能会与起泡剂反应生成沉淀，这不仅影响起泡剂的性能，同时还会引起储层堵塞，对泡沫驱和采油过程造成不利影响，因此必须考察起泡剂与地层水的配伍性。将起泡剂和模拟地层水配制成浓度为50%溶液，搅拌均匀后静置，观察溶液的变化，结果见表1。

表1 起泡剂与地层水配伍性实验结果Table 1 Experimental results of the compatibility foaming agent and formation water

由表1 可知，起泡剂TY-1 和TY-2 与模拟地层水混合后发生了沉淀反应，使得溶液变浑浊，而另外4 种起泡剂与模拟地层水混合后则无明显变化，表明起泡剂TY-1 和TY-2 与鲁克沁地层水不配伍。

2.2 泡沫体系评选

2.2.1 起泡剂评选 将与鲁克沁油藏地层水配伍的4 种起泡剂配制成质量分数为0.1% ～1.0%的起泡剂溶液，加100 mL 溶液至Waring Blender 搅拌器中，在一定转速下搅拌60 s 后，读取泡沫体积并记录泡沫的析液半衰期t1/2，结果见图1 和图2。

图1 不同起泡剂的发泡性能Fig.1 Foaming capability of different foaming agents

图2 不同起泡剂的析液半衰期Fig.2 The liquid dropout half-time of different foaming agents

由图1 和图2 可知，随起泡剂质量分数增加，起泡剂溶液发泡性能逐渐增强，其中ZFC 在低浓度时的泡沫体积最大，表明其发泡能力最好;4 种起泡剂泡沫的析液半衰期均较短，其中ZFC 的析液半衰期最长，表明起泡剂ZFC 的性能最优。当ZFC 质量分数为0.6%时，泡沫体积为650 mL，析液半衰期为263 s，再增大ZFC 质量分数，泡沫体积和析液半衰期的变化不大，所以选择起泡剂ZFC 的最佳质量分数为0.6%，但泡沫的稳定性不够，须添加稳泡剂。

2.2.2 稳泡剂评选 向起泡剂溶液中加入增粘型稳泡剂以提高泡沫溶液粘度，减缓排液速度、延长泡沫的半衰期。将稳泡剂配制成浓度为500 ～2 500 mg/L的溶液，再加入一定量的起泡剂配制成起泡剂质量分数为0.6%的起泡剂溶液，测定其泡沫体积和析液半衰期，结果见图3。

图3 稳泡剂评选实验结果Fig.3 The evaluate result of foaming stabilizer

由图3 可知，增粘型稳泡剂加入后，泡沫的析液半衰期t1/2大幅度增加，但泡沫体积有一定程度的减小，且稳泡剂加量越大，泡沫驱的成本越高。当稳泡剂ZSX 浓度为1 500 mg/L 时，泡沫体积为480 mL，析液半衰期达到88 min，表明该起泡体系具有较好的起泡性能和泡沫稳定性。

2.3 泡沫体系稳定性评价

起泡剂的稳定性主要受温度、矿化度及含油饱和度等因素的影响［11］。

2.3.1 泡沫体系的耐温性 温度对泡沫的稳定性有着重要影响，随温度升高，泡沫的稳定性会逐渐下降。用矿化度为17 ×104mg/L 的模拟地层水配制0.6%质量分数的ZFC +1 500 mg/L 的ZSX 起泡溶液，在不同温度下测定其起泡性能，结果见表2。

表2 温度对泡沫体系影响Table 2 The influence of temperature on foaming system

由表2 可知，随着温度的升高，起泡剂的发泡体积先增大后减小，但泡沫的析液半衰期随温度的升高而减小。当温度为80 ℃时，起泡体系的泡沫体积为530 mL，泡沫析液半衰期达24 min，表明该起泡体系在鲁克沁油藏温度下仍具有较好的发泡性能和泡沫稳定性。

2.3.2 泡沫体系的耐盐性 用不同矿化度的模拟地层水配制0.6%质量分数的ZFC +1 500 mg/L 的ZSX 起泡剂溶液，在80 ℃下测定起泡溶液的起泡性能和泡沫稳定性，结果见表3。

表3 矿化度对泡沫体系影响Table 3 The influence of mineralization on foaming system

由表3 可知，随矿化度升高，起泡体系的泡沫体积逐渐减小，而泡沫的析液半衰期增大，这表明地层水中的无机盐具有增稠作用，使起泡剂溶液的界面张力增大、粘度升高。矿化度为20 ×104mg/L 时，起泡体系的泡沫体积为420 mL，析液半衰期为25 min，表明该起泡体系具有较好的耐盐性。

2.3.3 泡沫体系的抗油性 用矿化度为17 ×104mg/L的模拟地层水配制0.6% 质量分数ZFC+1 500 mg/L 的ZSX 起泡剂溶液，加入不同含量稠油，在80 ℃下测定泡沫体系的泡沫体积和析液半衰期，结果见表4。

表4 原油含量对泡沫体系影响Table 4 The influence of crude oil content on foaming system

由表4 可知，随稠油含量增加，起泡体系的泡沫体积逐渐减小，泡沫的析液半衰期先增大后减小。稠油中的胶质和沥青质大分子具有稳泡作用，因此，在稠油含量较低时，起泡剂的泡沫体积降低而泡沫析液半衰期增大。当稠油含量为20%时，泡沫体积为410 mL，析液半衰期为28 min，表明起泡体系在稠油含量20%范围内仍具有较好的起泡性能。

2.3.4 泡沫体系的抗老化性 将矿化度为17 ×104mg/L 的模拟地层水配制的0.6%质量分数ZFC+1 500 mg/L 的ZSX 起泡剂溶液加入高温高压反应釜中，老化一定时间后，测定起泡溶液的泡沫体积和泡沫析液半衰期，结果见表5。

由表5 可知，老化时间对起泡体系的发泡体积和泡沫的析液半衰期的影响较小，在油藏温度下老化16 d 后，起泡体系的发泡体积为510 mL，泡沫的析液半衰期达20 min，表明该起泡体系在鲁克沁油藏温度下可以保持长期的有效性。

表5 老化时间对泡沫体系的影响Table 5 The influence of aging time on foaming system

2.4 泡沫体系的动态封堵性能

物模实验装置主要包括注入系统和填砂模型管两个部分(图4)，其中模型管长50 cm，管内径为2.5 cm，体积为245 mL。实验前开始先用80 ～120 目石英砂填充模型管至所需油藏物性参数后，接入物模系统，在恒温80 ℃下测定起泡体系的封堵能力及驱油效果。

图4 泡沫驱动态评价及驱替实验流程示意图Fig.4 Schematic diagram of foaming flood dynamic evaluation and displacement test

2.4.1 气液比 气液比是影响泡沫性能的重要参数，采用填砂模型管装置考察了气液比对起泡体系封堵能力的影响，结果见表6。

表6 不同气液比下的阻力因子Table 6 Resistance factor of different G/L ratio

填砂模型管的孔隙度为32.83%，渗透率为548 mD，起泡体系为ZFC(0.6%)+ZSX(1 500 mg/L)，实验温度为80 ℃。由表6 可知，随气液比增大，起泡体系的阻力因子先增大后减小，当气液比为1∶1时，起泡体系的阻力因子达到108.4，故最佳气液比为1∶1。

2.4.2 选择性封堵能力 泡沫驱提高采收率的主要机理是泡沫具有选择性封堵作用，优先进入高渗透层或高度水淹层，泡沫的增粘作用和贾敏效应产生封堵作用，从而扩大波及系数。通过泡沫在高渗、中渗和低渗填砂模型管中的封堵效果考察起泡体系的选择性封堵能力，结果见表7。

表7 泡沫体系的选择性封堵能力Table 7 The selective sealing ability of foaming system

起泡体系为ZFC(0.6%)+ZSX(1 500 mg/L)，气液比1∶1，实验温度为80 ℃。由表7 可知，随渗透率增大，泡沫驱的阻力因子增大，表明泡沫体系对高渗透层具有较好的封堵效果，证实泡沫驱具有选择性封堵的作用机理。

2.4.3 泡沫驱油实验 通过双管驱替实验研究了泡沫体系提高非均质油层原油采收率的作用，实验结果见表8。

表8 双管泡沫驱油实验结果Table 8 Experimental results of dual tubing oil recovery by foaming flood

由表8 可知，对于极差为5.3 的高低渗透管，一次水驱阶段高渗管采出程度为53.64%，而低渗管采出程度为10.94%，表明一次水驱阶段，注入水沿高渗管突进，导致低渗管动用程度较低;在空气泡沫驱阶段，泡沫优先进入高渗透层封堵，使高渗透层流体流动阻力增大，从而注入流体转向低渗透层，提高了低渗管的动用程度，泡沫驱结束时高渗管采出程度提高了8.63%，低渗管采出程度提高了16.37%;此外，在空气泡沫驱阶段，由于泡沫的封堵调剖作用，使采出液综合含水率由98.23% 降低至66.89%。

3 结论

(1)筛选出了适用于鲁克沁超深层特稠油油藏空气泡沫驱的起泡体系，优选出的最佳配比为0.6%质量分数的起泡剂ZFC + 1 500 mg/L 的稳泡剂ZSX。起泡体系性能评价结果表明，该起泡体系在油层温度和矿化度条件下具有较好的抗温、耐盐、耐油及抗老化性能。

(2)动态封堵实验结果表明，起泡体系的最佳气液比为1∶1，泡沫的阻力因子达到108.4;泡沫体系对高渗透层具有较好的封堵效果，证明了在非均质油藏中泡沫驱具有选择性封堵作用。

(3)双管驱油实验结果表明，泡沫驱可以显著提高低渗层的动用程度，降低高渗层采出液的含水率，泡沫驱使高渗管的采出程度提高了8.63%，低渗管采出程度提高了16.37%。该起泡体系在鲁克沁超深层特稠油空气泡沫驱开采中具有较好的应用前景。

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