超低渗裂缝性油藏泡沫辅助空气驱油数值模拟——以红河油田105井区为例

刘学全

(中国石化华北油气分公司工程技术研究院，河南郑州 450006)

超低渗裂缝性油藏泡沫辅助空气驱油数值模拟
——以红河油田105井区为例

刘学全

(中国石化华北油气分公司工程技术研究院，河南郑州 450006)

红河油田为超低渗裂缝性油藏，为改善水驱开发效果，开展了泡沫辅助空气驱提高采收率数值模拟研究。根据该油田105井区的地质油藏条件，建立三维地质模型，在历史拟合的基础上，对泡沫辅助空气驱参数进行了优化设计，并进行经济评价。研究结果表明，泡沫辅助空气驱最佳参数为：注入方式为空气、起泡液交替注入；空气、起泡液的注入速度均为15 m3/d；起泡液浓度为2 500 mg/L；段塞周期为30 d；气液比为3∶1。经济评价表明，采用泡沫辅助空气驱方案，其产出投入比在2∶1以上。该井区采用泡沫辅助空气驱技术可较好地改善注水开发效果，达到降水增油和提高原油采收率目的。

红河油田；泡沫辅助空气驱；油藏数值模拟；参数优化；经济评价

泡沫辅助空气驱综合了空气驱与泡沫驱的优点，既可以提高波及体积，又可以提高洗油效率，是非均质性强、高含水油藏提高原油采收率最有发展前景的技术之一[1-3]。泡沫辅助空气驱技术目前已经在中原油田[4]、长庆油田[5]、百色油田[6]、延长油矿等油田进行了现场试验，并取得了较好的效果。红河油田是鄂尔多斯盆地南部的低渗透裂缝性油藏，储层非均质性强导致注入水沿高渗透层突进，水驱开发效果差。为改善水驱效果，提高原油产量，本文在物理模拟实验基础上，以红河油田的105井区井组作为研究对象，开展了泡沫辅助空气驱油藏数值模拟研究，并探讨该技术在低渗透裂缝性油藏应用的可行性。

1 油藏基本状况

红河油田105井区位于鄂尔多斯盆地南部镇泾油气勘查区块中部，隶属于甘肃省镇原县与泾川县。红河105井区动用面积4.1 km2，动用地质储量283.8×104t，主要含油层位是延长组长81亚油层组，属低孔、超低渗裂缝性油藏，油藏平均埋深2 250 m，平均温度69 ℃，平均孔隙度10.8%，平均渗透率0.4×10-3μm2。原油为低含硫、轻质的常规原油，地面原油密度0.818～0.83 g/cm3，黏度6.40 mPa·s，地层原油密度0.79 g/cm3，地层原油黏度3.2 mPa·s，地层水呈弱酸性，水型为CaCl2型，氯根46 865.61 mg/L，地层水矿化度75 406.03 mg/L。

2 建模及历史拟合

2.1 地质模型的建立

应用CMG油藏模拟软件三维可视化地质建模软件Builder，结合钻井、测井及分析化验资料，建立油藏的顶面构造、砂岩厚度、有效厚度、孔隙度、渗透率等网格参数场[7-8]，纵向上划分为1层，为长81油藏。X方向网格步长为50 m，Y方向网格步长为50 m，总网格节点为2 584(68×38×1)。根据地质建模输出的模型参数，利用CMG初始化功能建立井组的数值模拟模型。

2.2 开发动态与历史拟合

红河105井区2008年底投入开发，至2012年2月，该区有生产井39口，注水井17口，月产油216 t，月产水2 726 m3，含水60.6%。累积产油量1.18×104t，累积产水1.25×104m3，累积注水13.18×104m3，采出程度0.42%。

利用建立的红河105井区油藏数值模拟模型进行历史拟合，主要针对井区产量、含水以及单井的动态生产资料进行拟合。历史拟合曲线与实际生产变化动态非常接近，历史拟合达到预期目的，表明建立的模型能够较好地符合地下油层的实际情况。

3 泡沫辅助空气驱参数优化[9-10]

3.1 注入方式

设计空气、起泡液交替注入和同时注入两种方式进行优化，同时与水驱进行效果对比，预测未来10年之内不同注入方式的累积产油量，结果如图1所示。结果表明，空气、起泡液交替注入和同时注入，采收率都比单纯水驱效果好，且交替注入好于空气、起泡液同时注入效果。因此红河105井区采用空气、起泡液交替注入方式。

图1 不同注入方式下累积产油量

3.2 空气注入速度

选取红河105-20井作为泡沫驱注入井，设计空气、起泡液交替注入，改变注气速度分别为6,9,12,15,18 m3/d，模拟注气10年，结果如图2所示。模拟结果表明，累积产油量随注气速度的加快而增加，但注入速度大于15 m3/d时，累积产油量增加幅度明显变小。说明注气速度越快，注入的空气越多，则参与低温氧化的氧气越多，生成碳的氧化物越多，进而反应产生的热量也随之增加，油层温度升高，促使更多的轻质组分蒸发。由氧化生成的一氧化碳、二氧化碳，空气中的氮气以及蒸发的轻烃组分等组成的烟道气增多，则累积产油量增多，提高最终采收率。但由于实际油藏的耗氧能力是一定的，注入速度过大，会导致气体过早的突破，反而可能会使得采收率降低，氧气利用率下降，经济效益变差。因此选取注气速度为15 m3/d。

图2 不同注气速度下累积产油量

3.3 泡沫液注入速度

在水气交替注入过程中，用表面活性剂溶液代替水，气体与表面活性剂溶液混合产生泡沫，可以大大降低气体的流度，能够更有效地控制水窜和气窜，提高驱替波及系数和原油采收率。对于特定的油藏，存在一个最优的注液速度：如果低于此值，油层内产生的泡沫量太少，则达不到有效封堵高渗透层位的目的；若高于此值，单位时间内产生的泡沫过多，则会导致井口注入压力增加过快，无法顺利注入泡沫[11]。

选取红河105-20井作为泡沫驱注入井，设计空气、起泡液交替注入，注气速度为15 m3/d，改变泡沫液的注入速度，分别为9,12,15,18 m3/d，模拟注气10年，结果如图3所示。模拟结果表明，累积产油量随泡沫液注入速度的加快而增加，但注入速度大于15 m3/d时，累积产油量增加幅度变化不大。这是由于当泡沫液注入速度较低时，不足以克服生成泡沫所需的能量，因此产生的泡沫较少。而随着泡沫液注入速度的增大，产生的流动能力也较大，足以克服发泡所需做的功，形成泡沫的能力越强，迅速产生的泡沫有利于对大孔道产生封堵。因此选取泡沫液注入速度为15 m3/d。

图3 不同泡沫液注入速度下累积产油量

3.4 泡沫液浓度

泡沫液浓度增加可以使发泡量增加，泡沫的封堵能力及稳定性加强，驱油效率提高。优选出合适的泡沫液浓度不仅有利于提高驱油效率，也有利于降低开采成本。

选取红河105-20井作为泡沫驱注入井，设计空气、起泡液交替注入，空气、起泡液的注入速度均为15 m3/d，改变泡沫液中起泡剂的浓度。模拟注气10年，结果如图4所示。模拟结果表明，随着起泡剂浓度的增加，累积产油量增加，起泡剂增大到一定浓度后，累积产油量增加幅度变化不大。说明随着起泡剂浓度的增加，起泡剂溶液与气体混合产生的泡沫增多，封堵能力增强。考虑到经济因素，选取2500 mg/L为起泡剂最佳注入浓度。

图4 不同起泡剂浓度下累积产油量

3.5 段塞周期

选取红河105-20井作为泡沫驱注入井，设计空气、起泡液交替注入，空气、起泡液的注入速度均为15 m3/d，泡沫液浓度为2 500 mg/L，模拟注气10年，改变气液交替注入时泡沫液的注入周期，结果如图5所示。结果表明，随着段塞周期的增大，累积产油量呈降低趋势，这表明在泡沫辅助空气驱气液交替注入过程中，累积产油量随气液交替段塞周期的加长而增加，但段塞周期大于30 d时，累积产油量开始降低。分析认为：如果交替段塞较小，由于

图5 不同段塞周期下下累积产油量

地层的漏失和吸附，将很难形成泡沫；如果交替段塞较大，由于气体和液体的密度、黏度等性质存在很大的区别，会致使它们之间的流动通道不同，液体和气体不能充分地相互作用，则导致很难产生泡沫或产生质量很差的泡沫，起驱替作用的主要是气体和液体单独进行，这样就发挥不出泡沫驱的封堵性能，从而无法达到扩大波及体积，提高驱油效率的目的。因此选取段塞周期为30 d。

3.6 气液比

气液比也就是俗称的泡沫质量，是影响泡沫性能的重要参数之一。选取红河105-20井作为泡沫驱注入井，设计空气、起泡液交替注入，空气、起泡液的注入速度均为15 m3/d，泡沫剂浓度为2 500 mg/L，段塞周期为30 d，仅改变气液比，模拟注气10年，模拟结果如图6所示。结果表明，当气液比增大时，累积产油量先增加，当气液比增大到一定值时，累积产油量开始降低。这是因为，随着气液比的增大，注入孔隙中的空气较多，因而孔隙中产生的泡沫就较多，对地层的封堵能力就强；当气液比继续增大时，虽然生成泡沫较多，但泡沫液膜变薄，强度降低，泡沫稳定性下降，甚至会形成气窜，出现形不成泡沫的状况[12]。因此选取气液比为1∶3。

图6 不同气液比下累积产油量

4 经济评价

4.1 方案设计

根据前面泡沫辅助空气驱注入参数数值模拟研究，适合红河105井区最佳泡沫驱注入参数为：注入方式为空气、起泡液交替注入，空气、起泡液的注入速度均为15 m3/d，泡沫液浓度为2 500 mg/L，段塞周期为30 d，气液比为3∶1。在上述参数优化结果的基础上，设计了一口井进行泡沫辅助空气驱、三口井同时进行泡沫辅助空气驱，注入时间10年，对这2个开发方案和水驱开发进行预测比较。结果如表1所示。从预测结果可以看出：若单纯考虑增油量，注入井数越多，增油量越多。矿场实施采用何种开采方式，可从经济效益和生产实际出发。

表1 不同开发方案效果预测结果

4.2 经济评价

根据上述方案预测结果，对开发生产动态进行经济效益评价。取原油价格为3585元/t，水处理费为10元/t，起泡剂价格为30000元/t，其他费用采用中国石油化工股份有限公司《油气田开发项目经济评价方法与参数》(2012年版)。经过计算，1口井进行泡沫辅助空气驱项目的税前内部财务收益率为15.1%，投资回收期4.4年，投入产出比为1∶2.2。3口井进行泡沫辅助空气驱项目的税前内部财务收益率为55.1%，投资回收期2.6年，投入产出比为1∶2.5。税前主要财务评价指标满足行业基准收益要求，具有财务盈利能力。

5 结论

(1)经过模拟计算和参数优选，红河油田105井区的合理泡沫辅助空气驱参数的注入方式为：空气、起泡液交替注入；空气、起泡液的注入速度均为15 m3/d；泡沫液浓度为2 500 mg/L；段塞周期为30 d；气液比为1∶3。

(2)根据模拟计算结果，设计了一口井和三口井同时进行泡沫辅助空气驱的实施方案，与水驱相比，两种方案均能大幅度提高原油产量和降低含水率。

(3)通过经济评价，红河油田105井区采用泡沫辅助空气驱技术能够达到降水增油和提高原油采收率的目的，并可取得较好的经济效益。

[1] Rossen WR, Zhou ZH.Modeling foam mobility at the “limiting capillary pressure”[J]. SPE Advanced Technology Series, 1995, 3(1): 146-153.

[2] 高峰.嘛甸油田泡沫复合驱油效果室内研究[J].大庆石油地质与开发，2007，26(4)：109-113.

[3] 蒲万芬，彭陶钧，龚蔚.自生泡沫驱油机理研究[J].大庆石油地质与开发，2008，27(2)：118-120.

[4] 任韶然，于洪敏，左景栾，等.中原油田空气泡沫调驱提高采收率技术[J].石油学报，2009，30(3)：413-416.

[5] 张力，董立全，张凯，等.空气泡沫驱技术在马岭油田试验研究[J].新疆石油地质，2009，27(1)：85-88.

[6] 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.

[7] 周锋德，唐仲华，姚光庆.宝浪油田低渗含裂缝储层数值模拟[J].大庆石油地质与开发，2009，28(6)：62-65.

[8] 姜瑞忠，侯建锋，赵明.具有裂缝的低渗透砂岩油藏数值模拟技术[J].大庆石油地质与开发，2003，22(6)：30-32.

[9] 张永刚，罗懿，刘岳龙，等.红河油田轻质原油低温氧化实验及动力学研究[J].油气藏评价与开发，2013，3(6)：43-47.

[10] 张永刚，罗懿，刘岳龙，等.超低渗裂缝性油藏泡沫辅助空气驱油实验[J].大庆石油地质与开发，2014，33(1)：135-140.

[11] 王波，王鑫，刘向斌，等.高含水后期厚油层注氮气泡沫控水增油技术研究[J].大庆石油地质与开发，2006，25(2)：59-60.

[12] 王其伟，郭平，周国华，等.泡沫体系封堵性能影响因素实验研究[J].特种油气藏，2003，10(3)：79-81.

编辑：岑志勇

1673-8217(2017)03-0101-04

2016-12-13

刘学全，工程师，1980年生，2005年毕业于中国石油大学(北京)油气储运工程专业，现从事提高采收率和机械采油研究工作。

中国石化科技部项目“鄂南致密砂岩油田水平井高效开发关键技术”(2011ZX05045)；中石化华北分公司局控科技项目“低渗油田注气驱工艺技术研究”(KJ-11-08)。

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