蒸汽驱开发后期热空气泡沫复合驱油研究

刘 影，刘永建，范英才，谢建波

(1.东北石油大学，黑龙江 大庆 163318；2.中国石油辽河油田分公司，辽宁 盘锦 124010)

0 引 言

辽河油田齐40块历经10余年蒸汽驱开发，已进入蒸汽驱开发后期。目前存在的主要问题是蒸汽窜流，即注入蒸汽单方向突进，过早地在生产井突破，注入的热量大部分直接从汽窜井采出，不能充分加热油层驱替原油，从而导致汽驱热效率低、波及体积小、开采效果差。蒸汽窜流比水驱稠油油藏的水窜更难控制，它是关系到蒸汽驱开采能否获得良好效果的重要问题[1-7]。由于泡沫是气液分散系统，密度低、质量小，压力非常小，相当于水的压力的1/50～1/20。同时，泡沫具有一定的黏滞性和稳定性，可连续流动，对水、油、砂有携带作用，并有一定的表面黏度和溶液黏度，因此，在油气田开发中具有广泛的应用[2]，可有效地提高波及系数及驱油效率。

热空气泡沫驱具有与空气驱相同的氧化驱油特性和泡沫流体驱油特性，可改善非均质性油藏的驱油效果。泡沫的贾敏效应能对空气产生较强的封窜作用，有利于增加空气在地层中的滞留时间，使产出气中氧含量降低，保证油藏空气驱过程的安全。热空气泡沫驱技术空气来源广、成本低，具有广泛的应用前景[8-11]。通过对泡沫剂体系的性能评价及在多孔介质中封堵规律的研究，认识泡沫体系与油藏的配伍性关系，对齐40块蒸汽驱开发后期油藏采收率的提高，具有十分重要的意义和推广价值。

1 室内实验

1.1 实验设备及材料

实验设备主要包括：罗氏泡沫仪；分析天平；气流法泡沫发生装置；氮气钢瓶；ZJ-2型恒温箱，控温精度为±0.5 ℃；气体质量流量控制计，量程为0～30 mL/min；回压阀，量程为0～10 MPa；调压阀，量程为0.0～10.0 MPa，控制精度为0.1 MPa；压力表，量程为0～10 MPa。

实验材料：齐40块处于蒸汽驱开发后期，由于地层温度及地层水矿化度较高，根据文献[7-11]指导，并结合齐40块的特点，通过实验比对，优选0.5%十二烷基二甲基羟基磺基甜菜碱+十六烷基三甲基溴化铵作为发泡剂以及耐温性较强的亲水性二氧化硅作为泡沫体系的稳泡剂[5]，并用NaCl、MgCl2·6H2O、CaCl2和蒸馏水来配制模拟地层水。

1.2 实验方案

利用罗氏泡沫仪测定泡沫性能。实验方法：将50 mL配制好的泡沫体系水溶液放入500 mL的起泡器中，用水浴恒温30 min，打开蠕动泵注气，控制气流速率为10 mL/s，20 s后停止，记录此时泡沫体积，测试其发泡能力；每隔一定时间记录泡沫体积，同时记录起泡器下部的液体体积；当泡沫体积降为原来的一半时，读出时间，记为泡沫的半衰期，测试泡沫稳定性。以起始泡沫排出一半液体所需的时间作为排液半衰期。测试温度为25 ℃。

在确定合成的泡沫体系配方性能的基础上，室内应用一维单管模型，用人造岩心模拟齐40块储层参数特征，通过控制气液量、注入速度、注入方式等测定影响该区块阻力因子的因素，进而对热空气泡沫复合驱油体系进行效果评价[12-13]。实验步骤：①进行岩心驱替流程连接、安装、调试，将人造石英砂模型接入流程，模型规格为Φ25 mm×300 mm，渗透率为1.08 μm2，注入速度为0.5 mL/min，水驱至压力稳定；②将泡沫溶液与空气通过六通阀混合注入填砂模型中，压力稳定后，记录压差，计算阻力因子，在此基础上通过调节汽液量、注入速度、注入方式等条件测定阻力因子的变化。

2 结果与讨论

2.1 泡沫体系的性能评价

2.1.1 泡沫体系的耐温性能评价

目前蒸汽驱后的齐40块，平均地层温度为140 ℃，最高可达250 ℃，因此，泡沫体系的耐温性评价尤为重要。温度主要影响泡沫体系在地层中稳定性和发泡能力，室内对泡沫体系配方在不同温度下的泡沫性能进行评价(图1)。由图1可知，在温度小于150 ℃时，随着温度的增加，起泡体积和半衰期略有降低，即泡沫体系的起泡性和稳定性略有降低，因此，能满足齐40块目前地层温度的需要。泡沫体系中的表面活性剂在高温条件下会出现一定程度的失活现象，依靠二氧化硅颗粒稳定的泡沫体系在高温老化之后，其稳泡性依然可保持较高的水平，可在蒸汽驱后起到提高采收率的目的。

图1 温度对泡沫体系性能的影响

2.1.2 泡沫体系的抗盐性能评价

齐40块莲花油层地层水的矿化度平均为2 579.3 mg/L，为确保合成的泡沫体系与当前地层条件匹配，需对泡沫体系进行抗盐性能评价。配制不同矿化度的泡沫基液，在室温下进行发泡，通过泡沫体积与半衰期来评价其抗盐性能[8](图2)。由图2可知，泡沫体系在矿化度小于3×104mg/L时，起泡体积和半衰期略有降低，即泡沫体系的发泡性和稳定性相对稳定，可满足齐40块高矿化度的要求。

图2 矿化度对泡沫体系性能影响

2.1.3 泡沫体系的抗油性能评价

室内模拟实验配制5种不同浓度的柴油与体系的复配，通过泡沫体系的泡沫体积与半衰期来评价其抗油能力(图3)。由图3可知，在当柴油的加入量达到30%之前，泡沫稳定性能变化不大，之后随着柴油量的增加，泡沫的半衰期与发泡体积急剧下降，这是由于过多柴油会破坏液膜的完整性，降低了泡沫的稳定性和起泡性。因此，室内合成的泡沫体系配方的耐油临界点为30%。齐40块岩心分析实验结果见表1。由表1可知，齐40块蒸汽驱后期残余油含油饱和度为22.3%，小于耐油临界点，因此，该泡沫体系能满足蒸汽驱后期开发需求。

图3 柴油含量对泡沫体系发泡性能影响表1 莲花油层驱油效率数据

参数驱替方式60℃水驱120℃水驱200℃水驱200℃蒸汽驱驱油效率/%29.645.853.764.1残余油饱和度/%56.539.032.022.3

2.2 热空气泡沫复合驱油体系评价

2.2.1 气液比对泡沫体系阻力因子的影响

气液比是制约热空气泡沫驱在蒸汽驱后齐40块取得良好驱油效果的关键因素，通过物理模拟动态评价实验研究不同气液比与泡沫阻力因子的变化关系，来确定最佳的气液比值(表2)。由表2可知，热空气泡沫体系阻力因子最佳范围为122.8～127.5，即气液比的最佳应用范围为1∶1～2∶1。

表2 气液比与阻力因子变化关系

2.2.2 注入速度对泡沫封堵能力的影响

开展不同的泡沫注入速度对阻力因子的影响实验，进而确定注入速度对泡沫体系封堵能力的影响规律。在0.1～4.0 mL/min区间选择10个不同的泡沫注入速度进行测定(图4)。由图4可知：在注入速度低于1.0 mL/min时，随着注入速度的不断增大，阻力因子也随之大幅度增加；当注入速度大于1.0 mL/min时，阻力因子变化不大。因此，在现场应用热空气泡沫驱油体系时，在保证低于地层破裂压力情况下，可考虑尽量提高泡沫体系的注入速度。

图4 泡沫注入速度与阻力因子的变化关系

2.2.3 注入方式对泡沫阻力因子的影响

热空气泡沫驱的注入方式直接影响泡沫的封堵能力，进而影响驱油效率，目前主要有气液交替注入以及气液混注2种方式。利用一维管式模型，研究2种不同的注入方式对阻力因子的影响规律(表3)，可指导现场应用。由表3可知：当注入方式为气液混注时，阻力因子达到105，表现为封堵效果优异；在气液交替注入方式中，频繁交替注入时段塞较小，即随着交替频率增加，阻力因子随段塞减小而升高，进而泡沫封堵效果显著，在现场操作过程中可以借鉴。

表3 不同注入方式对比实验数据

2.2.4 热空气泡沫体系驱油效果评价

以室内泡沫体系实验参数为依据，对蒸汽驱和热空气泡沫复合驱油体系2种驱替方式进行对比分析(图5)。由图5可知，在驱替开始时，空气是以微气泡的形式游离于驱替介质中，2种驱油方式对比变化不明显。这主要是由于含油饱和度较高，抑制了泡沫剂起泡能力，但泡沫体系也起到气体弹性驱动流体的作用，改善了油水流度比，提高了初期的驱油效率。随着含油饱和度降低，泡沫剂开始起泡，驱替压差逐渐增大。同时，由于起泡剂中表面活性剂的作用，可改善岩心孔隙中原油、岩石、水的界面特性，降低界面张力，使很大一部分稠油能从岩石上剥离下来，有效提高洗油效率。蒸汽驱后期应用热空气泡沫复合驱油体系与常规蒸汽驱比较，大幅地降低了含油饱和度(表4)，有效扩大了纵向波及系数，采收率最大可提高约7个百分点(图5)，对提高稠油油藏采收率具有显著作用。

图5 原油采收率与驱替孔隙体积倍数关系表4 不同驱替方式下含油饱和度与驱替孔隙倍数的关系

驱替方式不同驱替孔隙体积倍数下的含油饱和度/%0.00.30.60.81.02.03.04.05.06.07.0蒸汽驱68.061.251.243.932.225.823.523.522.922.722.0热空气泡沫复合驱68.058.547.339.427.421.119.119.019.019.018.8

3 现场试验

选择齐40-17-028井组进行试验。该井组位于齐40块西北高倾角区，2006年12月转蒸汽驱开发，井组面积为0.026 2 km2，油层厚度为29 m，石油地质储量为16.1×104t。该井组汽驱阶段采出程度为17.6%，总采出程度为50.7%，已处于蒸汽驱开发后期。该井组构造高部位油井齐40-18-28、齐40-18-29井因高温汽窜造成低产；注汽井齐40-17-028井在纵向上由于蒸汽超覆作用，底部油层动用差。2017年8月针对该井组进行热空气泡沫复合驱油试验，现场采用0.5%十二烷基二甲基羟基磺基甜菜碱+十六烷基三甲基溴化铵作为发泡剂以及二氧化硅作为泡沫体系的稳泡剂，气液比为1∶1，注入速度为1.5 mL/min，注入方式为气液混注，注入2个月后井组见到效果。该井组转驱前日产液为152 t/d，日产油为14.3 t/d，井口温度为91 ℃；转驱后日产液为184 t/d，日产油为28.4 t/d，井口温度为83 ℃，累计增液为0.662 4×104t，累计增油0.291 9×104t。

通过齐40-17-028井下倾方向观察井观45井高温微差剖面来看，汽驱层下部温度有所升高。可见，泡沫复合驱油具有一定调剖效果，且低部位油井17-K291井见效明显。蒸汽驱开发后期热空气泡沫复合驱油在一定程度上可增加纵向动用程度；平面上可减缓汽窜现象，能有效改善蒸汽平面波及状况，使蒸汽平面动用程度更均匀。

4 结论及建议

(1) 室内实验优选0.5%十二烷基二甲基羟基磺基甜菜碱+十六烷基三甲基溴化铵作为发泡剂以及耐温性较强的亲水性二氧化硅作为泡沫体系的稳泡剂。该体系泡沫性能稳定，具有良好的耐温、抗盐和抗油性能，与地层匹配性高。

(2) 在结合室内物理模拟与数值模拟分析基础上，确定不同因素对热空气泡沫复合驱油体系的影响，气液比的最佳应用范围为1∶1～2∶1。在低于地层破裂压力下，应尽量提高注入速度。在注入方式中：气液混注时，阻力因子达到105，表现为封堵效果优异；气液交替的频率越高，阻力因子越大，泡沫驱油效果越好。

(3) 一维填砂模型驱替实验表明，热空气泡沫复合驱油比单项蒸汽驱的驱油效率提高了7个百分点，且泡沫体系具有表面活性剂的作用，可降低界面张力，使大部分稠油能从岩石表面剥离下来，有效地提高洗油效率。

(4) 现场试验表明，热空气泡沫复合驱油可有效改善蒸汽驱开发后期汽窜以及平面动用程度不均的问题，具有较好的应用前景。