稠油油藏三元复合驱参数优化实验研究

吴海俊，付美龙，孙 晶，廖月敏，张 瑶

(长江大学，湖北 武汉 430100)

0 引 言

扶余油田扶北2区块油藏埋深为300～550 m，油层温度为32.5 ℃[1]。50 ℃时地面脱气原油黏度为60～100 mPa·s，油层温度条件下脱气原油黏度为350 mPa·s，属于普通稠油[2-3]。该区块前期实施蒸汽驱时，由于储层纵向非均质性强，汽窜严重，未起到有效提高采收率的目的[4]。前人对稠油油藏蒸汽驱中汽窜问题已有研究：王其伟[5]、刘伟等[6]开展了泡沫驱在非均质地层提高采收率的研究，表明泡沫驱适合渗透率级差范围应小于15；宫俊峰[7]、骆铭[8]、李德儒[9]、吴正彬等[10]开展了泡沫驱实验研究，结果表明，泡沫具有扩大油层波及范围、增大微观驱油效率的作用；林伟民[11]、张瀚奭[12]等分别在胡12区块和高浅北区块进行空气泡沫驱实验研究，结果表明，空气泡沫驱对储层具有调剖和封堵能力，但存在安全隐患。以减氧空气+高温泡沫剂+蒸汽三元复合驱技术机理为依据，根据稠油区块纵向非均质特征，建立一定渗透率级差的三管并联模型，开展减氧空气、高温泡沫辅助蒸汽驱实验研究，优选出最佳注入参数。该研究可为稠油油藏以及其他同类型油藏矿场试验提供理论指导和技术支持。

通过氧气与原油的接触，实现了原油的氧化；高温泡沫对减氧空气的封堵，导致空气进入基质发生原油氧化反应，从而改善了原油的流动性能；高温泡沫对蒸汽的封窜导致蒸汽进入基质，扩大蒸汽加热油藏的波及体积。结合前期扶北2原油静动态氧化实验结果，当空气中氧含量减至10%时，能保证现场安全生产[13-14]。

1 三元复合驱室内实验

1.1 实验条件与材料

实验温度为油藏蒸汽驱时的温度(250 ℃)，回压为原始地层压力(5 MPa)。模拟原始地层水pH值为6～7，回注水水质分析数据见表1。扶北2区块50 ℃地面脱气原油黏度为105.7 mPa·s，原油密度为0.86 g/cm3，凝固点为21.7 ℃；高温泡沫剂为0.7%JYG-3(东营精细化学品)+0.3%AP-P8(四川光亚聚合物化工有限公司)；减氧空气氧含量为10%。采用3根不同渗透率的填砂管模型(表2)模拟实际油藏地层正韵律性，其中，单管模型长度为40 cm，直径为3.8 cm。

表1 扶北2区块回注水水质分析数据

1.2 实验设备及步骤

实验设备主要包括高压填砂管、高压驱替泵、蒸汽发生器、恒温空气浴、中间容器、回压阀以及油水计量装置等[15]。

表2 3种渗透率级差模型基础物性参数

实验步骤：①根据扶北2区块地层物性制作3根填砂管(表2)，饱和模拟地层水、饱和原油；②根据地层正韵律性组装高、中、低渗填砂管，放置在250 ℃恒温箱中，试压后，设定回压为5 MPa；③控制相同的注入压力和注入速度，以1 mL/min的流速注入高温泡沫剂和减氧空气，在混合注入方式下需要同时打开相应的中间容器，在注入管线中充分混合高温泡沫剂和减氧空气产生泡沫；在交替注入方式下需要分别打开相应的中间容器，依次注入一定量高温泡沫剂和减氧空气，在填砂管内部形成泡沫；④设定不同的气液比、注入方式、注入量和转注时机，记录注入压力、出油量和出液量，后续在不同回压下转注蒸汽，继续观察实验，并记录相关数据；⑤根据高温泡沫剂封堵汽窜的数据，计算出泡沫阻力因子，评价不同条件下高温泡沫剂封堵汽窜能力。

2 实验结果分析

2.1 高温泡沫气液比对封堵汽窜的影响

气液比决定高温泡沫剂的发泡能力和封堵汽窜效果。气液比过低导致发泡不充分、泡沫含量低；气液比过高，易形成气窜，导致泡沫封堵能力大大降低。气液比分别设定为1∶1、2∶1、3∶1，注入方式为气液混合注入，注入泡沫量为0.5倍孔隙体积，实验结果见图1。

由图1可知：在相同的注入方式下，累计注入量大于0.8倍孔隙体积后，高、中、低渗管的阻力因子平稳波动；在气液比为1∶1时，泡沫封堵汽窜的阻力因子最大，封窜效果最好。其中，高渗管阻力因子达到117.5，中渗管阻力因子达到95.5，低渗管阻力因子达到85.7，都分别大于相同条件下气液比为2∶1和3∶1的阻力因子。因此，优选出的高温泡沫气液比为1∶1。

图1 不同气液比在混合注入下阻力因子随注入量关系

2.2 高温泡沫注入方式对封堵汽窜的影响

高温泡沫剂和减氧空气不同注入方式决定了泡沫在地层条件下的破灭与再生，从而影响后续蒸汽驱过程中封堵汽窜的效果。实验设定高温泡沫气液比为1∶1，高温泡沫注入量为0.5倍孔隙体积，注入方式分别采取混合注入高温泡沫剂和减氧空气(图1)及交替注入高温泡沫剂和减氧空气(图2)。由图2可知，在高温泡沫和减氧空气交替注入下，当累计注入量为0.8～1.5倍孔隙体积时，3根管的阻力因子平稳波动。其中，高渗管阻力因子达到107.7，中渗管阻力因子为84.5，低渗管阻力因子为74.9，其结果比混合注入高温泡沫和减氧空气条件下的阻力因子较小。因此，在相同渗透率模型中注入相同气液比高温泡沫，混合注入方式比交替注入方式的泡沫阻力因子大，封堵汽窜效果更好。

图2 交替注入下的阻力因子

2.3 泡沫剂的注入量对封堵汽窜的影响

泡沫剂注入量过小会导致发泡量小，封堵汽窜强度小；泡沫剂过量又会增加驱替成本。因此，有必要开展高温泡沫剂最佳注入量的优选实验。采用高渗单管模型设定气液比为1∶1，其他实验条件不变，高温泡沫剂注入量分别设定为0.10、0.25、0.30倍孔隙体积，后转注蒸汽驱(图3)。由图3可知，高渗管模型的阻力因子随累计注入量不断增加并趋于平衡，泡沫体系注入量为0.10、0.25倍孔隙体积时转注蒸汽后的阻力因子均分别稳定在100.8和121.6，即注入量为0.25倍孔隙体积比注入量为0.10倍孔隙体积的阻力因子高约20%。而注入量为0.30倍孔隙体积再转注蒸汽后的阻力因子前期快速上升，转注1.00倍孔隙体积蒸汽后其阻力因子已转入平稳上升趋势，和注入量为0.25倍孔隙体积时阻力因子相差很小。综合经济成本，优选0.25倍孔隙体积为高温泡沫剂的最佳注入量。

图3 泡沫剂的注入量对封堵汽窜的影响

2.4 转注时机对蒸汽封堵的影响

在不同含水率下注入的高温泡沫剂受原油消泡和泡沫剂前缘汽窜的综合影响，含水率低导致原油消泡作用明显，而含水率高导致注入泡沫剂被水稀释明显。通过高渗单管模型在水驱前含水率为0、水驱至含水率分别达到50%、90%的3种情况下，混合注入气液比为1∶1的高温泡沫剂和减氧空气，注入量为0.5倍孔隙体积，再转注蒸汽驱，测定其泡沫阻力因子的变化规律(图4)。由图4可知：在3种转注时机下，当累计注入量超过0.9倍孔隙体积时，泡沫阻力因子均较稳定；在转注时机含水率为50%时，高温泡沫的封窜效果明显比含水率为0和90%时效果好，含水率为90%时转注泡沫效果最差；含水率为50%时转注1.0倍孔隙体积蒸汽后的泡沫阻力因子达到了117.5，且在累计注入量为1.0～1.5倍孔隙体积过程中，泡沫阻力因子略有波动现象。说明当泡沫破裂后气体向前运移再次和泡沫剂接触生成泡沫，生成的泡沫有效封堵汽窜且不断向前运移，进行深部封堵，更大限度地提高注入蒸汽的波及体积。因此，高温泡沫剂最佳注入时机是含水率为50%。

图4 转注时机对蒸汽封堵影响的关系

2.5 不同回压对蒸汽封堵的影响

在转注蒸汽驱过程中，随着蒸汽不断注入，不同回压下的阻力因子呈逐渐上升并达到持续平衡的趋势，蒸汽突破时平衡曲线会剧降，因此，评价高温泡沫对蒸汽的封窜强度可用平衡趋势下对应的阻力因子来表征。通过高渗单管模型开展不同回压下混合注入气液比为1∶1的高温泡沫剂和减氧空气封窜强度实验，设定回压分别为3、5、7 MPa(图5)。由图5可知：当回压为3 MPa时，注入量为1.4倍孔隙体积后，阻力因子平衡在108左右；当回压为5 MPa时，注入量为1.4倍孔隙体积后，阻力因子平衡在120左右；当回压为7 MPa时，注入量为1.4倍孔隙体积后，阻力因子达到124左右。比较发现，回压为5、7 MPa时的阻力因子均比3 MPa时的阻力因子大，且波动较小，说明在2种回压下封堵汽窜效果较好，均形成了稳定的泡沫体系。比较回压分别为5、7 MPa时的阻力因子、平衡持续时间可知，2种回压下的封窜强度相当，由于扶北2区块原始地层压力为4.4 MPa，减氧空气+高温泡沫剂+蒸汽三元复合驱实验回压设定为5 MPa。

图5 不同回压对蒸汽封堵影响的关系

3 减氧空气+高温泡沫剂+蒸汽三元复合驱提高采收率实验

为了更好地研究三元复合驱提高采收率效果，分别开展渗透率级差为3.20的三管并联蒸汽驱实验和减氧空气+高温泡沫剂+蒸汽三元复合驱实验(图6)。实验温度为250 ℃，回压为5 MPa，流速为1 mL/min，水驱至含水率为50%时转注蒸汽驱至1.5倍孔隙体积。在相同条件下以气液比为1∶1混合注入高温泡沫和减氧空气，其中，高温泡沫注入量为0.5倍孔隙体积，在水驱至含水率为50%时转注蒸汽驱至1.5倍孔隙体积。由图6可知，转注蒸汽驱后，当累计注入量为0.8倍孔隙体积时，高渗管采收率为50.1%，中、低渗管采收率分别为30.9%、15.6%；当累计注入量超过0.8倍孔隙体积时，高渗管最终采收率略有增加，为55.8%，中、低渗管采收率保持稳定，分别为32.3%、15.6%，三管最终综合采收率为34.9%。三元复合驱中注入量为0.3～0.8倍孔隙体积时，高温泡沫剂优先进入高、中渗管使其采收率均有一定幅度的提升，而低渗管采收率增加缓慢；在累计注入量为0.8～1.5倍孔隙体积时，低渗管采收率开始大幅度提高，为63.2%，高、中渗管采收率分别达到64.3%、63.9%，提高幅度较小，三管最终综合采收率为63.8%。说明在渗透率级差为3.20时，减氧空气+高温泡沫剂+蒸汽三元复合驱能在高渗管中形成有效封堵，改善了中、低渗管的驱油效果，其最终综合采收率比蒸汽驱提高了28.9个百分点。

图6 蒸汽驱和三元复合驱的采收率与累计注入孔隙体积倍数的关系

4 结 论

(1) 在非均质地层中，减氧空气+高温泡沫剂+蒸汽三元复合驱技术可有效抑制高渗管汽窜，使中、低渗管的原油动用程度增大，采出程度大幅度提高，驱油效果明显，是有效改善稠油油藏蒸汽驱开发效果的技术。

(2) 通过开展减氧空气+高温泡沫剂+蒸汽三元复合驱参数优化实验，明确了最佳参数：高温泡沫气液比为1∶1，采取混合注入高温泡沫剂和减氧空气方式，高温泡沫剂的注入量为0.25倍孔隙体积，最佳注入时机是含水率为50%，回压保持在5 MPa。

(3) 建立了渗透率级差与采收率的定量关系。在渗透率级差为3.20三管并联模型中，按照减氧空气+高温泡沫剂+蒸汽三元复合驱最佳注入参数进行研究，其最终综合采收率为63.8%，比单纯蒸汽驱提高了28.9个百分点。表明了减氧空气+高温泡沫剂+蒸汽三元复合驱技术能在蒸汽驱的基础上进一步有效提高采收率，在扶北2区块具有指导现场应用的价值。