延长油田典型“三低”油藏空气泡沫驱试验与认识

尚庆华 杨永超 陈龙龙 童长兵 张新春 齐春民

1.陕西延长石油（集团）有限责任公司研究院；2.延长油田股份有限公司

空气泡沫驱作为提高油田采收率的一项重要三次采油技术，具有成本低、气源广和不受地域限制等优点［1-3］。其相比水驱和气驱，可以有效避免水淹和气窜过早发生，提高波及效率和驱油效率［4-6］，另一方面还可以节约大量水资源。空气泡沫驱提高采收率的一个重要机理是使空气中的氧与原油在低温条件下发生氧化，在氧化过程中产生的二氧化碳和氮气等溶于原油后使原油体积膨胀，通过驱替提高采收率［7-11］。然而，如果注入的空气不能经油层中的氧化反应及时足量消耗掉氧气，在到达采油井后就可能会和伴生气及溶解气（主要成分甲烷）混合形成具有爆炸风险的气体，因此，空气泡沫驱的安全性问题一直是备受关注的焦点，也一直是影响该技术推广应用的关键问题［12-15］。

目前，空气泡沫驱油技术在国内外得到了不同程度的研究和应用［15-18］，百色油田等很多油田都进行过矿场先导性试验，取得了比较好的效果［19-22］。延长油田地处陕北干旱、半干旱地区，区域构造上位于鄂尔多斯盆地主体部分的陕北斜坡中部，具有渗透率低、压力低、温度低的典型“三低”特点。油层岩性致密，物性差，油井自然产能低。注水开发面临两个重要难题：一是由于油藏自身特性，储层吸水能力弱，注水压力高，注水压力上升快；另外由于裂缝的存在，注水易水窜、水淹，造成“要么注不进，要么一注就窜”的矛盾，开发效果不够理想；二是陕北干旱、半干旱地区水资源严重匮乏，油田规模注水难度大。在此背景下，能否将空气泡沫驱油技术成功应用于延长油田并推广到鄂尔多斯盆地同类油田是值得研究和探索的课题。虽然国内外已有不少空气泡沫驱的矿场应用实例，但应注意的是，这些油田的性质和延长油田有很大的差别。最典型的特征是这些油田的埋藏都相对比较深，油藏温度较高，有利于低温氧化的发生。而延长油田油藏温度多分布在25～70 ℃，是典型的低温油藏。有研究表明：低温、低压对氧化作用都是不利的，如果油藏温度在60 ℃以下，低温氧化作用将非常缓慢［15，23-24］，油井产出气的氧含量也将很难控制在安全值范围内。为了明确延长油田典型“三低”油藏是否适宜于空气泡沫驱，探索鄂尔多斯盆地该类油藏安全高效开发方式，提高油田开发水平和社会经济效益，开展其空气泡沫驱试验研究将具有重要指导和借鉴意义。

1 室内实验

对于空气泡沫驱，核心问题是驱油效果和气体突破后采油井氧含量能否在安全值范围，即能否在安全的前提下取得理想的驱油效果。因此，室内实验主要从驱油效果和耗氧安全两个方面开展研究。

1.1 驱油效果评价

室内驱油实验评价选取了延长油田西部代表性油区吴起油田旗35井区和东部代表性油区甘谷驿油田唐80井区，其中旗35井区一直依靠地层能量开采，唐80井区在衰竭式开采的基础上进行了水驱开发。实验原始油样和地层水样均分别取自上述2个井区。本组实验中采用由广西百色科特石油科技有限公司提供的BK-6起泡剂和BK-51稳泡剂复合的驱油体系，其中起泡剂质量分数均为0.45%，稳泡剂质量分数均为0.05%，空气泡沫驱时气液比均为3∶1，其他主要实验参数见表1。实验具体步骤参考石油行业标准SY/T 5345—2007《岩石中两相流体相对渗透率测定方法》及文献［25］中的相关部分。对实验结果数据进行处理计算，得到驱油效率变化曲线如图1所示。

表1 空气泡沫驱主要实验参数Table 1 Main experimental parameters of air foam flooding

图1 唐80井区和旗35井区空气泡沫驱驱油效率Fig. 1 Oil displacement efficiency of air foam flooding in Well blocks Tang 80 and Qi 35

由图1可以看出，唐80井区水驱最终驱油效率为52.41%，在此基础上进行空气泡沫驱可将驱油效率进一步提高到82.1%，驱油效率提高了29.69个百分点，提高了56.6%。由于旗35井区一直依靠地层能量开采，未进行过注水，因此室内驱油实验也直接进行空气泡沫驱，以评价该区块不注水直接注空气泡沫的驱油效果和潜力。从图中可以看出，旗35井区直接空气泡沫驱最终驱油效率达到80.06%，基本接近唐80井区先水驱再空气泡沫驱的驱油效率。另外还可以看出，相比唐80井区驱油方式，旗35井区驱油效率曲线的中间平缓段明显短得多，说明不注水直接进行空气泡沫驱的驱动方式更有效，获得相同较高的驱油效率需要注入的孔隙体积倍数更小，将可以有效节约注入用水。

1.2 耗氧安全分析

唐80井区采取类比借鉴法和室内氧化实验进行耗氧预测与分析。首先，通过对比唐80井区和已开展过室内研究或矿场试验油田的地层温度、原油物性及岩石矿物成分，并结合国内外原油低温氧化室内实验研究结果，分析计算唐80井区氧含量达到安全值所需要的氧化时间，结果见表2。由表2预测结果判断，唐80井区低温氧化后达到安全氧含量所需的时间约为90 d。

表2 唐80井区氧含量达到安全值需要时间预测Table 2 Prediction on the time needed for the oxygen content of Well Block Tang 80 to reach the safety value

为了掌握在达到耗氧安全时间后氧含量随时间的变化情况，通过室内模拟实验数据分析和回归，预测了唐80井区在90 d后氧含量的变化情况。结果表明，90 d后氧含量为6.96%，已经完全降到了烷烃气体对应的氧含量爆炸极限10%～12%以下，而且随着时间的推移，氧含量越来越低［26］。

为了更直接、更加符合延长油田矿场实际，旗35井区进行了高压长氧化管动态模拟实验研究，其中产出气氧含量随气体突破时间的变化规律如图2所示，可以看出，在温度70 ℃条件下（近似地层温度），产出气中含氧量随着时间的增加而减小；当气体突破时间超过10.84 h后，含氧量降到爆炸极限10%以下。

图2 产出气氧含量随气体突破时间的变化Fig. 2 Variation of oxygen content of produced gas with the gas breakthrough time

从唐80井区和旗35井区的耗氧研究和分析结果来看，矿场试验中只要通过优化气液比和注入速度等参数，有效延缓气体突破时间，就可以将产出气的氧含量降到安全值以下。加之再配套产出气氧含量动态监测技术和地面安全相关防范措施，安全是可以保障的。

2 矿场试验

根据前期室内起泡体系优选、驱替实验评价及油藏数值模拟等研究结果，优选矿场试验注入参数分别为：气液比3∶1，旗35井区泡沫液注入速度15 m3/d，唐80井区泡沫液注入速度10 m3/d，泡沫液最佳质量分数0.4%～0.5%，总注入量0.6 PV，段塞为泡沫液0.017 PV+空气0.05 PV。现场根据注入压力变化情况适当调整注入参数。

2.1 旗35井区矿场试验

旗35井区位于陕北延安市吴起县境内，含油层系主要位于三叠系延长组和侏罗系延安组。其中长4+5、长6油层组为本次空气泡沫驱试验的目的层，试验井组为Q35-6井组。试验井区孔隙度范围7%～11%，渗透率0.5～3.5 mD。油藏埋深1920～2250 m，原始地层压力13.15 MPa，地层温度72 ℃。注空气泡沫前，该井区没有外来能量补充，加上边、底水不活跃，油井产量递减非常快。相比投产初期，井组自然递减已达到40.2%。在前期研究的基础上，Q35-6井正式开始注空气泡沫，日注空气10 800 m3（折合地下体积54 m3），累计注空气3 659 040 m3（折合地下体积14 749 m3），有效节约了大量水资源。

经近两年的注空气泡沫，Q35-6井组自然递减得到了明显控制，对应油井尤其是一线油井如旗35-1井、物性较好方向的二线油井如35-11井等增产效果非常明显，增油幅度最高达近40%。应用双曲递减规律，回归递减曲线，对比依靠天然能量开采的各井累计产量和采取空气泡沫驱后的实际产量，结果如图3所示，由计算可知，注气受效后井组平均日产油相比注气前递增5.4%，试验期间井组阶段累计增油4 158 t，阶段投入产出比达到了1∶4.7以上。

图3 旗35-6试验井组单井产油量对比Fig. 3 Single-well oil production comparison of the experiment well groups in Well group Qi 35-6

矿场试验期间，Q35-6井组采用美国进口便携式检测仪，24 h人工连续监测产出井套管气的氧含量，平均在0.1%～0.2%，一直比较稳定，说明氧气在储层中进行了充分的氧化反应。

2.2 唐80井区矿场试验

唐80井区位于陕北延安市甘谷驿镇境内，主要含油层位为三叠系延长组长6油层组，油藏平均埋深为441 m，平均孔隙度7.9%，平均渗透率0.82 mD，原始地层压力系数0.95，油层温度26～30 ℃，属于典型的超低渗、低压、低温油藏。该油田从2002年起开展注水开发试验，随着注水开发的不断推进，油井含水出现明显上升的现象和趋势，油田采油速度慢，采出程度低。

在前期综合研究的基础上，优选丛54井组和丛55井组开展了空气泡沫驱矿场先导试验，累计注入泡沫液1 091.8 m3，累计注气138 830 Nm3（折合地下体积3 397 m3），大大降低了注水量。通过试验井组生产数据分析，2个井组注空气泡沫见效后，阶段分别累计增油183.75 t和320.15 t，综合含水分别下降了12.99个百分点和18.1个百分点，整体表现出产液上升、产油上升、含水明显下降的良好态势。其中典型受效油井丛54-8井含水由见效前的50%下降到10%以下；产油由注空气泡沫前的7.9 t/月上升到17 t/月，降水增油效果非常明显。

在矿场先导试验取得理想效果的基础上，唐80区块空气泡沫驱的规模不断扩大，目前空气泡沫注入井已达61口，受益油井236口，受效总面积达到5.4 km2，总控制储量270×104t。根据与注水区及非注水区的效果对比，注空气泡沫区平均单井日产油较注水区高0.19 t，较非注水区高0.25 t；综合含水率由初期的51%下降到目前的35%左右；自然递减率较注水区低13.66个百分点；累积节水10余万m3，取得了非常良好的经济效益和社会效益。

矿场试验中套管气含氧量监测结果表明，大部分井氧含量低于5%，最低0.4%，且随时间的延长，氧含量均越来越低。注空气200 d后氧含量均低于3.1%，在安全值范围内。

3 结论

（1）空气泡沫驱可以有效提高延长油田“三低”油藏的驱油效率。无论是先水驱再空气泡沫驱，还是直接进行空气泡沫驱，最终驱油效率均可以达到80%以上。相比先水驱再空气泡沫驱，直接空气泡沫驱的驱动方式更加有效，获得相同较高的驱油效率需要注入的孔隙体积倍数更小，可以有效节约注入用水。

（2）唐80和旗35井区矿场试验结果均表明，空气泡沫驱可以有效减缓此类“三低”油藏的自然递减率，起到明显的降水增油效果。

（3）室内耗氧研究和矿场试验监测结果表明，空气在油层中充分的滞留时间是保证耗氧安全的重要因素，延长油田“三低”油藏实施空气泡沫驱具有安全可行性。建议矿场试验时采取封堵裂缝大孔道、控制注气速度及关闭曾暴性水淹油井等措施，有效延长空气在油层中的滞留时间，降低风险发生几率。

（4）建议继续加强注空气泡沫配套安全技术和防范措施的研究，矿场实施中加强油藏动态和产出气的监测与分析，及时制定合理的调整和预防方案。