稠油氮气泡沫辅助蒸汽驱可视化实验研究

吴正彬，刘慧卿，庞占喜，吴 川，高 民

(1.石油工程教育部重点实验室，北京 102249；2.中国石油大学(北京)，北京 102249；3.中国石油化工股份有限公司，北京 100083)



稠油氮气泡沫辅助蒸汽驱可视化实验研究

吴正彬1，2，刘慧卿1，2，庞占喜1，2，吴 川3，高 民1，2

(1.石油工程教育部重点实验室，北京 102249；2.中国石油大学(北京)，北京 102249；3.中国石油化工股份有限公司，北京 100083)

针对稠油蒸汽驱采收率偏低的问题，利用二维物理模拟设备开展N2泡沫辅助蒸汽驱可视化实验研究，得到了泡沫注入前后油层波及情况以及泡沫驱的微观图像，并对泡沫驱微观机理进行了分析。实验结果表明：由于油水黏度的差异，注采井间容易出现黏性指进现象，从而产生明显的汽窜通道，油层波及范围有限；泡沫驱过程中，泡沫占据多孔介质中的大孔道，使后续流体发生转向进入小孔道，从而扩大油层波及范围；泡沫驱结束后，油层最终波及范围可达到77.93%，比单纯蒸汽驱提高了31.75个百分点；同时，泡沫的乳化作用能够有效地剥离多孔介质中的残余油，从而增大微观驱油效率。

稠油；蒸汽驱；泡沫驱；机理分析；可视化实验；物理模拟

0 引 言

常规的热力采油方法以注蒸汽为主，如蒸汽吞吐、蒸汽驱、SAGD等[1-3]，单纯的注汽开发存在诸多问题，导致蒸汽波及范围有限。因此，如何改善蒸汽开发效果是稠油开发亟待解决的主要问题之一[4-5]。大量研究表明，泡沫驱是提高采收率的有效措施。泡沫流体具有较大的视黏度以及选择性封堵特性，能够改善油层的吸汽剖面，扩大油层的宏观波及范围[6-10]。

对于泡沫驱提高稠油采收率机理的可视化实验研究，前人往往从泡沫驱的微观机理出发，忽略了泡沫提高油藏宏观波及的作用，而且实验模型一般较小(几个厘米)[11-12]，同时采用一维填砂管模型进行研究，无法直观地观察到泡沫在多孔介质中的微观形态[13-15]。针对蒸汽驱过程中油层波及范围有限的问题，利用自制的可视化实验装置，直观地再现了蒸汽驱窜流通道的形成，分析了蒸汽驱剩余油产生的原因以及泡沫驱的微观机理。

1 实验

1.1 实验设备和材料

稠油泡沫驱微观机理可视化实验装置主要由温控装置、可视模型、图像采集装置、压力采集装置以及流体注入和采集装置5部分组成。具体包括：①温控装置。温控装置主体为一个温控箱，箱体上部有一个固定热采可视化实验模型的嵌入式透槽；另外，在实验的注入管线上包覆加热带控制注入流体的温度，保证实验条件。②可视模型。可视模型主要由尺寸相同的2块石英玻璃片(280 ℃下承压3 MPa)粘接而成，在其中一块玻璃片上打贯穿孔用来安装模拟井，在2块玻璃之间通过铺设玻璃微珠或者陶粒来模拟不同润湿表面的多孔介质，石英玻璃可视区域为20 cm×20 cm。③图像采集装置。主要是高清摄像装置，置于可视模型上方，用来记录实验过程中油层受波及的情况以及流体微观上的变化。④压力采集装置。在模型注入端安装压力实时采集装置，记录实验过程中实验压力的变化。⑤流体注入和采集装置。主要包括恒压恒速泵、中间容器、秒表、量筒等。实验流程如图1所示。

图1 可视化实验流程

实验材料与试剂主要包括粒径为40目的玻璃微珠和质量浓度为0.5%的发泡剂溶液。实验用油为井楼零区Ⅲ6层地面脱气原油，50 ℃时原油黏度为1 502 mPa·s。可视模型制作完成后测得其孔隙度为0.362，渗透率为2.05×10-3μm-3。

1.2 实验步骤与方法

实验过程中先进行蒸汽驱，再进行泡沫驱。实验温度设置为30 ℃，蒸汽温度为250 ℃，流体注入速度为0.2 mL/min。利用可视化二维平板模型，通过图像采集记录整个驱油过程，并对比注入泡沫前后油层的变化，分析泡沫驱油的特征机理。为保证流体进入可视模型时的温度以及防止采出液在模型出口端发生凝结而不利于采集，实验过程中将恒温箱以外的管线均包覆电加热带，对流体保温。

具体实验步骤如下：①将模型介质饱和地层水；②将模型中饱和原油；③用蒸汽驱替原油至模型出口不出油，形成残余油饱和度；④向模型中同时注入N2和发泡剂溶液(泡沫)，待模型出口端不出油为止。为保证模型均匀饱和流体，流体在注入过程中分别进行了正注和反注，即改变注入端和出口端，再次饱和流体。由于粘接可视模型中2块石英玻璃片的高温玻璃胶的强度有限，因此，实验过程中流体以0.2 mL/min的低流量注入。整个驱油过程用高清摄像录像装置记录，同时记录各个驱替阶段的产油量、产水量和驱替压差。

2 实验结果与分析

2.1 平面波及变化

驱替过程中，油层波及范围变化如图2所示，其中图2a为注入蒸汽和油层冷凝物到达采出端之前的状态，图2b、c分别为蒸汽驱结束和泡沫驱结束时油层受波及的情况，图中呈树枝状的区域为蒸汽和冷凝物流动的通道。从图2a、b可以看出，随着注入量的增加，蒸汽不断地向前推进。但是由于油水黏度的差异，蒸汽驱过程中存在明显的黏性指进现象，主流通道两侧存在大量的剩余油，导致蒸汽驱的波及范围有限。此外，主流动通道形成后对于其他方向的流动通道的形成具有很强的抑制作用。蒸汽驱结束时，油层的波及效率为46.18%，即使在蒸汽波及区域内，仍有部分原油由于蒸汽的绕流而滞留于油层之内。

注入泡沫之后，油层平面波及范围显著扩大，后续流体不再单纯沿主流通道向前推进，而且沿着主流通道两侧不断扩展。另外，由于泡沫具有较高的视黏度，可以作为一种良好的驱替流体，使得近井地带(注入端)的残余油被清洗得较为彻底(图2c)，从而增大微观驱油效率。实验结果表明，泡沫驱结束时油层的波及效率达到了77.93%。

图2 油层宏观波及情况

2.2 动态驱替特征

图3反映的是整个驱替实验的动态特征。由图3可知，在蒸汽驱初期，随着蒸汽的不断注入，采出程度逐渐升高。当注入流体孔隙体积倍数达到0.49时，蒸汽发生突破，含水率快速上升，驱替压差下降到296 kPa之后趋于稳定，而采出程度缓慢上升，最后达到32.7%。转泡沫驱后，出口端含水率快速降低至61.0%，表明注入泡沫之后，油层中出现了分流的现象，大量的驱替流体转向蒸汽驱未波及到的区域，扩大了油层波及效率。如前文所述，与单纯蒸汽驱相比，转泡沫驱结束之后，油层的最终波及范围增加了31.75%。同时，转泡沫辅助蒸汽驱之后，驱替压差大幅上升并最终稳定在519 kPa，说明注入泡沫之后，对油层起到了良好的封堵作用。

图3 含水率、驱替压差与瞬时产油量随注入体积的变化关系

2.3 微观机理分析

2.3.1 蒸汽驱剩余油的形成

图4所示的是蒸汽驱局部微观图像，图中白球状是玻璃微珠，黑色区域为原油。从图中可以看出蒸汽扫过的区域，剩余油的产生可以分为2种类型：一是在压力以及黏滞力等外力作用下，蒸汽沿着阻力最小的方向突进，绕过阻力较大的小孔道群，从而形成绕流残余油，如图4a中的区域A所示。这是由于在可视模型的制作中，多种因素导致模型存在微观非均质性，从而使得油层的微观结构并不均一；另一方面，由于油水黏度的差异，水驱油的方式是一个典型的非活塞式过程。油层的润湿性以及油层中孔隙形状的不同，导致蒸汽或热水经过的区域驱油仍然不彻底，从而形成残余滞留油，如图4a中的区域B所示。

图4 蒸汽驱剩余油、泡沫封堵及原油乳化微观示意图

2.3.2 泡沫驱微观机理分析

封堵高渗区域是泡沫驱扩大宏观波及的主要机理。图4b反映了泡沫在油层中的运移与封堵情况。由图4b可知，随着发泡剂溶液的不断注入，油层中泡沫不断生成。在多孔介质的扰动和剪切之下，大量分散的小泡沫在喉道处聚集，从而对喉道形成堵塞。随着泡沫的不断聚集，气泡的流动阻力不断增大，产生贾敏效应。当大孔道处的流动阻力大于小孔道的流动阻力时，泡沫则会转向进入小孔道中。蒸汽驱后的剩余油受到波及，从而扩大油层的波及范围。

原油乳化是泡沫驱提高微观驱油效率的重要机理之一，图4c反映的是注入发泡剂溶液之后乳状液滴的形成，图中红色区域显示玻璃珠表面的残余油变为乳状液滴的形态。由图4c可知，蒸汽驱过后，多孔介质中的玻璃微珠上仍附着有一定的残余油。由于发泡剂本身就是一种表面活性剂，能够有效降低油水界面张力，促使原油形成水包油型乳状液。乳状液滴有较强的流动性，在后续流体的扰动下，乳状液滴被带入流动通道后采出，从而增大微观驱油效率。

3 结 论

(1) 由于油水黏度的差异，蒸汽驱过程中出现典型黏性指进现象，热水沿注采井间向前推进，产生明显的主流通道，主流通道两侧存在大量剩余油。蒸汽驱油层波及范围有限，波及效率为46.18%。

(2) 泡沫首先进入主流通道并占据大孔道，在贾敏效应的作用下大量气泡在喉道处聚集，使得后续流体发生转向，从而扩大油层的波及面积。实验表明，蒸汽驱后转泡沫辅助蒸汽驱，油层最终的波及效率为77.93%，比单纯蒸汽驱提高率31.75个百分点。同时减缓了含水上升速度，延长了生产时间。

(3) 注入油层的发泡剂本身就是一种表面活性剂，能够有效降低油水界面张力，促进原油乳化，形成流动性更强的水包油型乳状液，并被后续流体带出，从而增大油层的微观驱油效率。

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编辑 朱雅楠

10.3969/j.issn.1006-6535.2016.05.031

20160418；改回日期：20160712

国家自然科学基金 “裂缝型稠油油藏非等温渗吸机理及动力学模型”(51274212)

吴正彬(1991-)，男，2013年毕业于中国石油大学(北京)石油工程专业，现为该校油气田开发专业在读博士研究生，主要从事稠油热采方面的研究。

TE345

A

1006-6535(2016)05-0126-04