低渗透油藏泡沫驱油机理及应用现状研究

张作安



低渗透油藏泡沫驱油机理及应用现状研究

张作安

（东北石油大学 教育部提高油气采收率重点实验室， 黑龙江 大庆 163368）

低渗透油气藏在世界范围内分布范围广，储量大，在新探明储量中占得比例越来越大，是全球油气资源增产的主要来源，合理高效的开发低渗透油藏中的油气资源，是未来面临的主要问题。泡沫驱油作为继水驱、气驱之后新的驱油方式，结合了气体和泡沫的优点，以独特的优势越来越得到人们的重视，是低渗透油藏提高采收率的又一个重要途径。分析了泡沫驱相对于其他驱油方式的优势，概述了泡沫驱油的驱油机理，简要分析了空气泡沫驱、氮气泡沫驱各自特点，对泡沫驱油在国内外油田的应用现状做了介绍。对泡沫驱油存在的问题做了阐述，并提出了泡沫驱油的发展方向。

低渗透；泡沫驱；空气；氮气；提高采收率

随着国内石油需求量越来越大，国内油田的产量早已满足不了市场的需求。据统计，我国大约60%的石油都需要依赖于进口，这严重制约着我国的经济发展。我国很多大油田都面临着优质三采资源匮乏，含水率持续上升的问题。低渗透油藏在我国分布广泛，在各大油田均有分布，油气资源十分丰富，开采潜力巨大。但由于低渗透油藏孔隙度低、渗透率低、非均质性严重、等不利因素的影响，造成采收率低，开采成本高等一系列问题。聚合物驱作为一种成熟的三次采油技术，在中高渗透储层应用广泛，并取得了很好的驱油效果，但由于聚合物浓度高、粘度大，使得注入困难而无法在低渗透油藏中得到有效应用。常规注水开发是提高采收率的传统方式，但由于储层吸水能力差，需要很高的注入压力，对技术和设备提出了很高的要求，除此之外，低渗油藏岩石吼道细小，造成很严重的贾敏效应，综合这些因素的影响，导致水驱效率低，使得大量的油气资源滞留在空隙中不能采出。 气驱是提高低渗透油藏常用的方法，常用的注入气体有空气、氮气和二氧化碳等。注气可以维持油藏的压力，还可以改善流度比，但是注气采油也有它自身的缺陷， 气窜现象会直接影响采收率的大小，有效控制和减轻气窜的影响是提高气驱采收率的关键技术。所以常规利用聚合物、复合物等方法提高石油开采量的方式已经不能满足现场的实际需求，急需开发出一种更为经济高效的采油技术。泡沫驱油以其自身良好的封堵性和对油水的选择性，是一项应用前景很好的三次采油方式［1-5］。

1 泡沫驱油机理

泡沫同时具有扩大波及体积和提高驱油效率的能力。泡沫驱是利用各种气体（空气、氮气、二氧化碳等）与泡沫剂混合形成泡沫，然后利用泡沫自身的特点驱替原油的驱替方法，泡沫具有选择性封堵、堵高不堵低、堵水不堵油的特点。泡沫的这些特点使泡沫驱油技术在油田开发中拥有广阔的应用前景。

1.1 补充地层压力，形成气体超覆作用

注入的泡沫在运移过程中会有部分破裂现象发生，气泡破裂后，气体在重力分异作用下会从孔道底部上升到顶部形成气顶，给油藏增加了气驱的能量，这部分能量有助于将注水无法波及到的剩余油替换出来，从而提高采收率。由于气体有很好的流动性和膨胀性，在能量释放时可以很好的助排、解堵、驱替，将原油更好的驱替出来。

1.2 堵水不堵油，堵大不堵小

泡沫具有选择性封堵作用，具有堵水不堵油的特性。它在低渗透层、含油饱和度高的地方不容易产生气泡，并慢慢溶于原油中，不堵塞孔道，形成气驱和水驱的双重作用，利于原油的运移。它在渗透率相对较高、含油饱和度低的地方容易产生气泡，渗流阻力增大，降低水相渗透率，从而提高了驱油效率。从而形成了堵水不堵油，堵大不堵小的效果。

1.3 降低油水界面张力，改变岩石润湿性

起泡剂本身是一种起泡效果很好的表面活性剂，可以很好的降低油水界面张力，在低渗透油藏中，可以减少油气通过狭窄孔喉的阻力，有利于油气在孔道中的运移。除此之外，表面活性剂可以将岩石表面由亲油转变为亲水，降低原油在岩石表面的粘附量，提高驱油效率。

1.4 乳化、降粘、携带作用

泡沫在孔道运移过程中，不仅仅可以改变岩石润湿性，还可以将原油不断地乳化，使原油从岩石表面不断地被抽提、剥离，最终形成大油滴，并被不断地携带出去。泡沫具有降粘的作用，随着注入压力的不断升高，部分注入气体溶解于原油当中，使原油粘度降低，随着压力的增加，原油中溶解的气体越多，粘度降低效果越明显，原油更容易被驱替至井底［6,7］。

2 不同气体泡沫驱研究概况

2.1 空气泡沫驱

空气泡沫驱油技术是一种以空气作为驱替介质的驱油方法。空气来源广，成本低，安全性能好。空气泡沫驱的一个重要原理就是低温氧化反应，当空气被注入到地层，空气中的氧气与油层中的烃类化合物发生氧化反应，能够使烃类物分子的部分不稳定键断裂，氧气促使键裂解的过程中会产生大量的热量，促使原油发生自燃，形成高温火驱过程。除此之外，燃烧产生的大量二氧化碳和空气中剩下的氮气会形成气驱，维持油层压力，增强驱油效果。

2.2 氮气泡沫驱

氮气泡沫驱油技术是一种以氮气作为驱替介质的驱油方法。氮气具有密度小，气源广，价格低，腐蚀轻，视粘度高等特点。氮气泡沫驱具有堵大不堵小、堵水不堵油、上浮作用、弹性膨胀等作用。与单纯气驱相比，氮气泡沫驱油可以有效的延长气体突破时间，减轻气窜对驱油的不利影响，对非均质地层有很好的调剖作用。

除了应用较广泛的空气泡沫驱和氮气泡沫驱之外，二氧化碳泡沫驱技术发展在近几年发展迅速，但由于国内二氧化碳气源少的缘故，在各大油田的应用受到限制。天然气泡沫驱提高采收率效果较好，但存在着安全隐患大、成本高等问题，在油田的应用较少。

3 泡沫驱油技术应用现状

国外很早就开始了泡沫驱的研究工作，早在1958 年， Bond 和 Holbrook通过对泡沫的研究，第一次提将泡沫引入到油气提高采收率领域。1961 年，Fried进行了泡沫驱替研究,发现泡沫可以大幅度提高气体的黏度,在油藏孔道中可对气体进行比较强的流度控制。随后泡沫驱油引起了人们的广泛关注，在数值模拟、室内实验方面都做了大量研究工作，驱油效果普遍较好，证明该技术的应用前景非常广阔。

1963 年 Bernand 等发现在只含油的砂岩中注入泡沫比在只在含有水的砂岩中注入泡沫驱替效果差，总结出泡沫能够明显降低气相渗透率，提高波及面积，最终提高采收率。在 1965 年Bernand 等人又进一步将泡沫驱油与水驱做对比实验，通过实验发现泡沫驱可以明显提高采收率，驱油效果比水驱好，原因是泡沫不仅可以扩大波及体积，而且具有提高驱油效率的能力。

20世纪80年代，美国加州克恩河等油田开辟了多个蒸汽泡沫驱试验，其主要目的就是调整吸水剖面， 减轻气窜的影响，试验取得了很好的效果。1994 年俄罗斯在老格鲁兹油田进行了泡沫矿场应用试验，挪威、英国在北海油田进行了泡沫驱油试验，驱油效果显著。在开采常规稠油过程中，应用泡沫技术可以明显降低稠油的粘度，防止重力超覆，改善流度比，可以提高采收率10%左右。目前在开采稠油过程中，泡沫技术在起泡剂起泡性能的筛选，现场作业等方面形成了相对比较完整的配套技术，应用范围越来越广泛。

1983 年，Mobil 公司开始研究二氧化碳泡沫驱油的工作。并进行了大量的矿场试验。试验结果发现二氧化碳泡沫驱具有良好的选择封堵性能，调剖效果显著，能够明显提高生产井的产量，提高最终采收率，达到了预期的效果［8-10］。

相比于国外，我国的泡沫驱驱油室内实验和矿场实验起步较晚，但在泡沫驱油机理等方面研究比较多，在现场也得到了应用，我国已经在玉门、大庆、胜利等油田进行了泡沫驱油试验，取得了较好的试验效果。

1965 年，玉门油田最早进行泡沫驱油试验。在石油沟油田和玉门老君庙油田进行了10 井次的矿场试验，其中6次效果比较显著。

2010年曲晗等人通过大量的氮气泡沫驱室内实验，发现泡沫驱采收率随着表面活性剂浓度增加而提高，但表面活性剂浓度超过0.3%(wt)时，提高采收率幅度变小，这说明当表面活性剂浓度为0.3%时是最合理的，既能最大限度提高采收率，又可以减少成本。泡沫注入0.4 PV比注入0.3 PV提高采收率幅度不到1%，所以最合理的注入 PV 数是0.3 PV。

2011年张建丽通过对空气泡沫驱微观驱油机理实验研究，发现发泡体系随温度升高，泡沫综合性能呈下降趋势，随着含油饱和度的增大，发泡体系性能呈现下降趋势。

2012年耿小烬通过对泡沫驱采收率机理的研究，发现当气液比在5附近时,泡沫驱油效果最佳，为最佳气液比值；泡沫注入量越多，提高采收率程度越高，但是考虑到成本的问题，应该选取合理的注入量；原油黏度较高时，泡沫驱油效果较好，因为泡沫可以明显降低原油的粘度［11-14］。

4 泡沫驱油存在的问题和研究方向

4.1 泡沫驱机理研究还不够深入

泡沫是一种稳定性差的体系，其在多孔介质中的运移规律和机理研究还停留在实验室阶段，与真实地层中实际运移规律相差很大，认识十分有限，尤其是泡沫的生成、破灭、运移规律的研究。这需要研制新的设备和利用新的方法，与其他学科紧密结合，才能对泡沫驱的驱油机理更深层次的认识，更好的将泡沫驱推广应用。

4.2 泡沫的发泡剂配方有待完善

泡沫体系的起泡性能和稳泡性能是评价泡沫体系性能的主要指标。泡沫起泡性能直接决定了驱油效果，起泡性能越好，产生的气泡越多，驱油效果越好。泡沫的稳定性是泡沫体系的最重要指标，泡沫稳定性能差会导致泡沫体系在地层的运移过程中发生破裂，驱替距离短、有效时间短，驱油效果受到限制。而起泡性能和稳泡性能较好的泡沫体系成本较高，不适合现场大规模应用。泡沫复合驱是维持泡沫稳定的一种方式，虽然采收率得到了提高，但聚合物和碱的加入同时带来了很多问题，加入高分子聚合物后，体系粘度增加，注入困难，在高温油藏、高盐油藏也难以实施。加入碱后，导致产出液乳化严重，会严重腐蚀井筒和设备，影响油井产能。同时聚合物和碱的加入也增加了成本。新型起泡剂和稳泡剂的研制。研制生成气泡量大、气泡稳定性好、低界面张力、在岩石表面吸附滞留量小的起泡剂是泡沫驱最重要的研究内容，同时也要考虑起泡剂和稳泡剂的配伍性，它们与地层水的配伍性等，这需要在化学剂合成领域做出突破。

4.3 泡沫驱现场应用问题

目前还没有形成一套合理的施工参数，目前的矿场试验大多采取气液同注或交替注入的方式，泡沫生成数量和气泡稳定性能并没有达到理想的效果，除此之外，合理的段塞大小、注气速度、表面活性剂浓度等都会影响生成泡沫的数量和质量，影响驱油效果。通过室内试验和现场施工，逐步形成一套合理高效的生产标准。更加合理高效的利用现有技术提高最终采收率。

5 结论

泡沫驱油作为继水驱、气驱之后新的驱油方式，结合了气体和泡沫的优点，以独特的优势越来越得到人们的重视，是低渗透油藏提高采收率的又一个重要途径。可以很好地扩大波及体积和驱油效率，具有堵水不堵油，堵大不堵小的特性，而且降低油水界面张力，改变岩石润湿性，同时具有乳化、降粘、携带的作用，从而提高最终采收率。虽然泡沫驱还有许多问题存在，但通过技术创新，新型起泡剂、稳泡剂的合成，新设备的应用，在油田的应用规模必定会越来越大。目前我国的泡沫驱水平距世界先进水平还有一定差距，在矿场的应用十分有限，尤其在低渗油藏应用较少，急需要开发出一套与之匹配的泡沫驱技术，早日实现泡沫驱油的大规模应用，从而缓解我国石油紧缺的现状。

［1］ 石亚琛, 戈薇娜, 孙超, 李进. 空气泡沫驱驱油机理与实验研究[J]. 当代化工, 2016 (12)：2852-2855.

［2］ 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．

［3］ 冯宝俊，等．大庆油田水气交替注入提高采收率矿场试验［Ｍ］．大庆：石油工业出版社，1995．

［4］Ｆ．Ｗ．科尔．油藏工程方法［Ｍ］．栗庆江，张兴金，译．北京：石油工业出版社，1981．

［5］郭尚平，黄延章，周娟，等．物理化学渗流机理［Ｍ］．北京：科学出版社出版，1990．

［6］张艳玉．低渗透油田注气开采技术研究[D]．中国石油勘探开发研究院博士论文，2005．

［7］郭万奎，等．注气提高采收率技术［Ｍ］．北京，石油工业出版社，2003：89-90．

［8］黄海.低渗透油藏空气泡沫驱提高采收率实验及应用研究[D].西北大学,2012.

［9］张建丽．空气泡沫驱微观驱油机理实验研究[D].中国石油大学,2011.

［10］贺永洁．空气泡沫驱在甘谷驿油田的应用研究[D]．西安石油大学,2005.

［11］曲晗．氮气泡沫驱机理研究及实验[D]．东北石油大学,2010.

［12］耿小烬．泡沫驱提高石油采收率技术机理研究[D]. 中国地质大学, 2012.

［13］贺永洁. 空气泡沫驱在甘谷驿油田的应用研究[D]. 西安石油大学, 2015.

［14］李豪浩．混气表面活性剂驱实验研究[D]. 中国石油大学, 2008.

Study on the Mechanism and Application of Foam Flooding in Low Permeability Reservoirs

（Key Laboratory of Enhancing Oil and Gas Recovery, Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163368, China）

TheLow permeability oil and gas reservoirs has a wide range of distribution in the world, and large reserves, it accounts for more and more proportion in the new reserves, it is the main source of global oil and gas resources, reasonable and efficient development of low permeability reservoir is the main problem in the future. Foam flooding, as a new way of the displacement after water flooding and gas driving, combines with the advantages of the gas and foam, getting more and more people's attention because of its unique advantages, it is an important way to enhance oil recovery in low permeability reservoirs. In this paper, compared with other oil displacement methods，the advantages of foam flooding were analyzed, and the mechanism of oil flooding was summarized. The characteristics of air bubble flooding and nitrogen bubble flooding were briefly analyzed, application of foam flooding in oil fields at home and abroad was introduced. Some problems in the foam flooding were described, and the development direction of foam flooding was discussed.

Low permeabilityFoam flooding；Air；Nitrogen；Enhanced oil recovery

TE357

A

1671-0460（2017）08-1693-03

2017-06-09

张作安（1989-），男，山东省日照市人，硕士研究生，研究方向：提高采收率。E-mail：1261864469@qq.com。