低渗透油藏泡沫驱影响因素敏感性分析

陈奕洲， 廖新维， 赵晓亮， 陈志明， 祝浪涛， 郭新慧， 李 朗

(中国石油大学 (北京) 石油工程教育部重点实验室， 北京 102249)



低渗透油藏泡沫驱影响因素敏感性分析

陈奕洲， 廖新维*， 赵晓亮， 陈志明， 祝浪涛， 郭新慧， 李 朗

(中国石油大学 (北京) 石油工程教育部重点实验室， 北京 102249)

泡沫驱在提高低渗透油藏采收率上起着重要作用，但关于泡沫驱效果的敏感性分析却罕见报道.为弥补这方面空白，采用数值模拟方法，对低渗透油藏泡沫驱的各影响因素进行了敏感性分析.结果表明，泡沫注入浓度、泡沫半衰期以及泡沫吸附量等在某一小区间变化时，采收率变化明显，与气驱相比采收率最大提高15.5%；而渗流速度则对采收率影响甚微.因此，可确定泡沫注入浓度、泡沫半衰期以及泡沫吸附量等为影响泡沫驱效果的敏感因素，这为低渗透油田实施泡沫驱提高采收率提供了参考借鉴.

低渗透油藏； 泡沫驱； 敏感性分析； 数值模拟

0 引言

低渗透油藏在我国广泛分布，它的有效开发对我国原油稳产增产起着至关重要的作用.低渗透油藏由于储层吸水能力差，注入压力高，极易发生注不进的情况，因此水驱效果不佳；在中高渗油藏中适用的聚合物驱,亦因聚合物分子的特性而限制了其在低渗油藏中的应用[1].

注气是石油工业常用的一种提高采收率的方法，不仅能维持地层压力，避免油藏衰竭开采，还能降低原油粘度，增大原油膨胀系数，更为重要的一点是气体流度比水高，更容易注入地层.但是，气体的粘性指进以及重力超覆作用仍然会导致驱替过程中波及效率和驱油效率的降低[2].因此，控制气体的粘性指进成为注气提高采收率的关键.

陈弓启的文章显示Bond和Holbrook于1958年在其专利中首次提出了利用泡沫降低气相流度的设想[3]；1961年，Fried首次明确提出泡沫驱可用于提高石油采收率，其研究表明泡沫可以有效抑制气窜，提高气驱波及效率；此后，Bernard(1965)、Sanchez(1986)、Lake(1989)、Tanzil(2002)等学者相继对泡沫驱的影响因素进行了实验研究；Falls(1988)、Law(1989)、Kovscek(1993)、Cheng(2000)等学者建立并发展了泡沫驱数学模型[4,5].

我国泡沫驱研究起步比国外稍晚，但到目前为止也积累了不少矿场经验.1965年，玉门油田进行了我国首次泡沫驱试验[6]；1967年，克拉玛依油田开始泡沫驱室内研究并于1971年进行矿场试验，取得了较好的效果[7]；1996年，百色油田进行空气泡沫驱试验，实现降水增油[8,9].步入新世纪以来，甘谷驿油田、镇泾油田、靖安油田以及红河油田等低渗透油田,相继开展了泡沫驱提高采收率的矿场试验与应用，均取得了良好效果[10-14].

由于泡沫驱在提高采收率方面有着诸多优点，却罕见泡沫驱影响参数的敏感性分析的文献报道，因此，研究低渗透油藏中泡沫驱提高采收率的敏感性因素对我国未来原油增产有着重要意义.

1 泡沫驱提高采收率机理

泡沫驱油技术经过国内外学者数十年研究，目前普遍认为泡沫驱同时具有增大波及系数和提高驱替效率等两方面的作用[15],具体如下：

(1)泡沫首先随注入气体进入大孔隙，在喉道处起到封堵大孔道的作用(贾敏效应)，后续注入的气体则进入小孔隙，而此时小孔隙中含油饱和度较高，泡沫在此处易破灭，封堵能力低，从而提高了波及效率.

(2)携带了泡沫的气体由于流度的降低，在垂向上驱替更加均匀，提高了垂向上的波及系数，在一定程度上削弱了气体的重力超覆对采收率带来的不利影响.

(3)在油层中产生泡沫所需要的起泡剂(表面活性剂)具有降低油水界面张力的功能，能改变岩石润湿性，使原油更易被驱走，从而提高了驱替效率.

2 泡沫驱数值模型

由于泡沫在油藏中物理化学变化复杂，需简化研究.其模型假设条件如下：

(1)渗流服从达西定律；

(2)等温渗流；

(3)泡沫仅影响气体的流动，即仅改变气体的相对渗透率，不改变油水相对渗透率；

(4)泡沫在岩石表面的吸附符合兰格缪尔定律，并且吸附是可逆的；

(5)泡沫数量的递减呈指数式，受含油和含水饱和度的影响；

(6)起泡剂不改变油水性质；

(7)不考虑起泡剂对岩石表面润湿性的影响.

所得泡沫的物质平衡方程[16]为：

QgCf-λ(Sw,So)VCf

(1)

其中，气相流度受压力、泡沫浓度以及气体渗流速率等的影响：

(2)

(3)

3 泡沫驱影响参数分析

根据已公开文献[17]的低渗透油藏数据，建立1/4五点井网的机理模型(如图1所示),对泡沫驱在不同影响因素(吸附量、半衰期、注入浓度、降低气相流度程度等)下的采收率结果进行分析，以确定影响泡沫驱效果的敏感性因素.

为避免生产井井底原油脱气对判断注入气突破时间的影响，注气井定注入量，生产井定井底流压，使井底压力保持在饱和压力之上，所有模型均模拟7 200天.其模型所用参数如表1所示.

表1 泡沫驱对比实验参数

注：A为泡沫的最大吸附量，kg/m3；D为泡沫最长半衰期，天；I为泡沫注入浓度，kg/m3；P、V、C分别为与压力、渗流速度以及泡沫浓度相关的气相流度影响因子，无因次

该图展示的是原始含油饱和度分布图，饱和度变化范围为0.311～0.633，左上角为生产井，右下角为注入井

3.1 泡沫吸附量

在对比泡沫吸附损失对采收率的影响时，共设计了6组不同泡沫吸附量的泡沫驱数值实验以及1组气驱数值实验.其模拟结果如表2所示.

表2 不同泡沫吸附量下数值模拟结果

图2 泡沫吸附量与采收率关系

表2及图2显示，当表面活性剂吸附损失较大时，泡沫驱的效果比气驱稍差.这是因为表面活性剂在岩石表面吸附量较大时，在油水界面处产生的泡沫数量大大减少，泡沫不仅未能进入小孔隙驱油，还无法封堵所有大孔道，从而使得气体沿少数大孔道快速推进，气体突破时间反而比气驱更早，驱替效果变差；当表面活性剂吸附损失较小时，泡沫驱的采收率随表面活性剂损失量的较小而快速增加，气体突破时间有所推迟，这主要是因为泡沫量增大后不仅封堵了所有大孔道，还进入小孔隙驱油，使得驱油效率大大增加，并且末期生产气油比较低，有利于后续调整提高采收率措施；当表面活性剂吸附量极小时，泡沫驱的采收率变化不大，气体突破时间亦差别不大.

由图3可以明显看到，泡沫驱能显著改善近井地带的驱替效果，并且吸附量越小，影响区域越大，亦即泡沫提高了气驱的驱替效率，减轻了气体重力超覆带来的不利影响；但是正因驱替效率的增加，使得气体推进速度变慢，波及效率随着吸附量增加而减小.

图中各小图左边为生产井，右边为注入井

3.2 泡沫半衰期

在对比泡沫半衰期对采收率影响时，共设计了6组不同半衰期的泡沫驱数值实验和1组气驱数值实验.其模拟结果如表3所示.

表3 不同泡沫半衰期数值模拟结果

图4 泡沫半衰期与采收率关系

由表3及图4～5可以看出，当泡沫的半衰期很短或是很长时，半衰期的差别对采收率影响不大，只有当泡沫半衰期处在特定区间时，采收率才随半衰期的增加而迅速增加.这是由于泡沫稳定性极差时，即使表面活性剂产生了足够的泡沫，无法持续地封堵大孔道，反而使得后续注入的气体率先进入被短暂封堵的大孔隙并快速推进到生产井井底，造成采收率比气驱略低；当泡沫稳定性增强时，对高渗通道封堵的时间延长，使得后续注入气体进入小孔隙驱油，延缓了生产井见气时间，提高了采收率.

图中各小图左边为生产井，右边为注入井

3.3 泡沫注入浓度

在对比不同泡沫注入浓度对采收率的影响时，共设计了6组泡沫驱数值实验以及1组气驱对比实验.其模拟结果如表4所示.

表4 不同泡沫注入浓度数值模拟结果

图6 注入浓度与采收率关系

表4、图6～7表明，采收率随泡沫的注入浓度增加而增加.当注入浓度较低时，采收率随注入浓度增加而快速上升，到达一定值后，采收率的增长速率变得十分平缓.这是由于注入的泡沫浓度低时，泡沫数量少，当部分泡沫受到压力、渗流速度等因素影响而失效时，剩余泡沫无法持续地有效地封堵大孔道，此时增加注入浓度能使泡沫封堵大孔道的能力加强，从而使小孔隙中的原油得以动用，波及效率增加，采收率快速上升；当注入浓度达到一定值后，泡沫已持续封堵多数大孔隙，即使继续增加注入浓度，波及效率的增加幅度依然有限，只是改善了小孔隙内的流度比，提高驱油效率，因而采收率上升速率变慢.

图中各小图左边为生产井，右边为注入井

3.4 气相流度影响因子

泡沫在油藏内的主要作用之一就是降低气相流度，但是其降低程度受三方面因素的影响,即：(1)泡沫浓度；(2)地层压力；(3)注气速度.

3.4.1 与泡沫浓度相关的气相流度影响因子Mc(Cf)

在对比Mc(Cf)对采收率的影响时，共设计了5组泡沫驱数值实验以及1组气驱对比实验.其模拟结果如表5所示.

表5 不同Mc(Cf)数值模拟结果

图8 Mc(Cf)与采收率关系

图中各小图左边为生产井，右边为注入井

表5、图8～9表明，Mc(Cf)极大值越小，采收率越高.这是因为泡沫浓度越高，气相流度下降因子Mc(Cf)极大值越小，故当泡沫浓度较低时泡沫数量少，封堵孔道的数量也相应减少，从而使得注入气体沿其余孔道推进，削弱了泡沫驱改善流度比的能力，而气体流度越大，生产井见气时间越早，驱替效率越低，采收率越低.

3.4.2 与压力相关的气相流度影响因子Mp(P)

在对比Mp(P)对采收率的影响时，共设计了5组泡沫驱数值实验以及1组气驱对比实验.其模拟结果如表6所示.

表6 不同Mp(P)数值模拟结果

图10 Mp(P)与采收率关系

图中各小图左边为生产井，右边为注入井

表6、图10～11显示，Mp(P)极大值越小，采收率越高，而且采收率与Mp(P)极大值呈现出明显的线性关系.这是因为气相流度影响因子Mp(P)越大，说明泡沫在高压下被压缩，影响了封堵效果.值得注意的是，当气相流度影响因子Mp(P)极大值为0.9时，泡沫驱采收率仍比气驱高8%.一方面，这是由于高压区集中在注入井附近，在远离注入井的地方剩余泡沫仍能起到封堵大孔道、延缓气体突破的作用；另一方面，由于地层压力下降使得气相流度影响因子亦减小，抑制了后续注入气体的快速推进.

3.4.3 与注气速度相关的气相流度影响因子Mg(Vg)

在对比Mg(Vg)对采收率的影响时，共设计了3组泡沫驱数值实验以及1组气驱对比实验.其模拟结果如表7所示.

表7 不同Mg(Vg)数值模拟结果

图12 Mg(Vg)与采收率关系

图中各小图左边为生产井，右边为注入井

表7、图12～13表明，在一定注气速度下，Mg(Vg)对采收率几乎无影响.主要是因为气体渗流速度只在近井地带较大，在其余区域较小，也就是说在油藏大部分区域泡沫降低气相流度的能力基本没被削弱，因此气相流度影响因子的大小对采收率影响甚小.Mg(Vg)对采收率的影响与Mp(P)类似，其不同之处在于Mp(P)与压力的绝对值相关，而Mg(Vg)与压差的大小相关.

4 敏感性分析

从以上模拟结果可以看出，泡沫驱各影响因素对采收率有着不同程度的影响.在进行敏感性分析时，对各变量的变化范围进行归一化，并将其与采收率的关系绘于一张图，如图14所示.由图14可知，注入浓度对采收率影响最大，吸附量与半衰期次之，而压力和注入速度对采收率的影响不明显.

图14 敏感性分析

5 结论

(1)与气驱相比，泡沫驱时油藏采收率变化明显，采收率最大可提高15.5%，表明注入泡沫能有效地提高低渗透油藏注气采收率，具有十分广阔的应用前景.

(2)当泡沫吸附量越小、半衰期越长、注入浓度越大时，泡沫驱采收率越高，并且都存在采收率快速上升的阶段；而压力和注入速度等的变化对采收率影响较小.

(3)利用模拟结果，对各变量与采收率的变化范围进行归一化，得到了采收率的敏感性分析图，可确定泡沫驱影响因素敏感性强弱排序为：注入浓度、吸附量、半衰期、压力、注气速度.在矿场应用时，应优先调整强敏感性参数以获得更高的采收率.

符号说明：

Cf：泡沫浓度，g/cm3

ρg：气体密度，g/cm3

ρr：岩石密度，g/cm3

μg：气体粘度，cp

Dz：网格块的中部深度，cm

Br、Bg：分别代表岩石、气体的压缩系数，atm-1

T：传导率，md·cm

krg：气相相对渗透率，小数

So、Sw、Sg：分别代表含油饱和度、含水饱和度和含气饱和度，小数

V：网格块的孔隙体积，cm3

Qg：气体流量，cm3/s

Pg：气相压力，atm

λ：与含油饱和度以及含水饱和度相关的泡沫数量递减函数，s-1

Mrf：气相流度，md·cp-1

g：重力加速度，cm/s2

Mg(Vg)：与气相渗流速度相关的气相流度影响因子，小数

Mc(Cf)：与泡沫浓度相关的气相流度影响因子，小数

Mp(P)：与压力相关的气相流度影响因子，小数

P：油相压力，atm

Vg：气相渗流速度，cm/s

[1] 徐 峰，吴向红，郭 肖，等.低渗透油藏泡沫驱影响因素分析[J].科学技术与工程，2014，14(26)：210-213.

[2] 张烈辉，胡书勇，涂 中，等.泡沫驱经验模型及其应用[J].西南石油学院学报，2000，22(3)：50-52.

[3] 陈弓启，王晓辉，莫 磊，等.空气泡沫驱采油技术在特低渗透油藏的应用[J].石油化工应用，2013，32(8)：22-26.

[4] A.R.Kovscek,T.W.Patzek，C.J.Radke.Simulation of foam transport in porous media[C]//SPE Annual Technical Conference and Exhibition.Houston:Society of Petroleum Engineers,1993:309-318.

[5] W.R.Rossen.Numerical challenges in foam simulation:A review[C]//SPE Annual Technical Conference and Exhibition.New Orleans：Society of Petroleum Engineers,2013:1-10.

[6] 马宝岐，詹少淮.泡沫特性的研究[J].油田化学，1990，7(4)：334-338.

[7] 刘敬奎，杨世媛，何武魁.砾岩油田高粘度原油泡沫驱油试验[J].石油学报，1985，6(1):61-70.

[8] 陈玉英，刘子聪，陈清伟，等.百色油田泡沫驱油效果初步分析[J].油田化学，1998，15(2)：141-145.

[9] 翁高富.百色油田上法灰岩油藏空气泡沫驱油先导试验研究[J].油气采收率技术，1998，5(2)：6-10.

[10] 闫凤平，杨兴利，张建成.空气、泡沫驱提高特低渗透油田采收率效果分析[J].延安大学学报(自然科学版)，2008，27(4)：58-60.

[11] 杨红斌，蒲春生，吴飞鹏，等.空气泡沫调驱技术在浅层特低渗透低温油藏的适应性研究[J].油气地质与采收率，2012，19(6)：69-72.

[12] 付美龙，黄 俊.裂缝性低渗透油藏空气泡沫驱方案优化[J].石油天然气学报，2013，35(11)：120-123.

[13] 张永刚，罗 懿，刘学全，等.红河油田CO2/泡沫驱缓蚀剂研究与应用[J].腐蚀与防护，2014，35(9)：801-902.

[14] 张文来，饶天利，曹 瑛，等.靖安油田空气泡沫驱配套技术研究及应用[J].石油化工应用，2014，33(10)：49-53.

[15] 王其伟.泡沫驱油发展现状及前景展望[J].石油钻采工艺，2013，35(2)：94-97.

[16] R.F.Fejoli,O.J.Romero.Critical concentration of foam and enhanced oil recovery[C]//SPE Heavy and Extra Heavy Oil Conference.Medellín:Society of Petroleum Engineers,2014:1-10.

[17] 周 丹.甘谷驿油田空气泡沫驱油适应性研究[D].西安：西北大学,2011.

Sensitivity analysis for foam flooding in low-permeability reservoirs

CHEN Yi-zhou， LIAO Xin-wei*， ZHAO Xiao-liang，CHEN Zhi-ming， ZHU Lang-tao， GUO Xin-hui， LI Lang

(MOE Key Laboratory of Petroleum Engineering, China University of Petroleum (Beijing), Beijing 102249, China)

The merits and demerits of different kinds of enhancing oil recovery methods used in low permeability reservoirs were compared,and the foam flooding was selected to enhance the recovery of low permeability reservoirs.In this paper,we used numerical simulation method to analyze the sensitivities of parameters which used in foam flooding.The result shows:as the inject foam concentration,the decay time of foam and the amount of adsorption change at a small interregional,the oil recovery change obviously and could be higher 15.5% than gas flooding.But the gas velocity seems has no affect to oil recovery,so it can be sure that the inject foam concentration,the decay time of foam and the amount of adsorption are the most sensitivity parameters of foam flooding.The result can also provide references to foam flooding of low-permeability reservoirs.

low-permeability reservoirs; foam flooding; sensitivity analysis; numerical simulation

2015-01-26

国家自然科学基金项目(U1262101)

陈奕洲(1990-)，男，广西玉林人，在读硕士研究生，研究方向：油藏数值模拟通讯作者:廖新维(1967-)，男，福建大田人，教授，博士生导师，研究方向：油气藏渗流理论与应用、提高采收率技术与应用，xinwei@cup.edu.cn.

1000-5811(2015)03-0109-07

TE357

A