氮气泡沫在浅薄层超稠油油藏开发中的适用性

常泰乐，杨元亮，高志卫，胡春余，郑孝强，张萌，袁一平

（中石化新疆新春石油开发有限责任公司，山东 东营 257000）

春风油田位于车排子凸起东北部，储集层为新近系沙湾组，含油面积42.3 km2，动用储量4 790×104t，油藏埋深420～610 m，砂体平均厚度7.4 m，油层厚度3～6 m，孔隙度31%～35%，渗透率2×103～5×103mD，地面原油密度0.923 5 g/cm3，油层温度26 ℃，地层原油黏度50 000～90 000 mPa·s，地层水为NaHCO3型，氯离子含量1 127～7 349 mg/L，矿化度3 730 mg/L，属于浅薄层超稠油高孔高渗砂岩油藏。春风油田主要采用水平井-降黏剂-蒸汽-氮气复合开发模式，由于天然能量弱，地层压力低，吞吐高周期后开发指标快速变差，影响吞吐效果；随着地层压力下降，边底水突破油水界面发生锥进，造成油井排水期长、末期见水早、周期累计产水量增加等问题，导致最终采收率较低。前人研究表明，在注蒸汽之前加入泡沫，可以调整吸汽剖面，扩大蒸汽波及范围，提高蒸汽的利用率，该技术已在普通稠油油藏开发中得到广泛的应用[1-5]。区别于其他普通稠油油藏，春风油田储集层具有厚度小、物性差、周期短、温度高、易窜流等特点，针对该类型油藏泡沫适用性研究较少。为此，笔者通过室内实验对该类型油藏泡沫的动态和静态性能指标以及注入参数进行评价优化[6-12]，并在春风油田开展现场试验。形成一套针对浅薄层超稠油高孔高渗砂岩油藏的氮气泡沫调剖技术，以期推广应用到其他同类型油田，支撑低品位超稠油油藏的效益开发。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料

实验用水选自春风2 燃煤站蒸汽锅炉处理水，矿化度3 730 mg/L，Ca2++Mg2+含量3 mg/L，水型为NaHCO3型；实验用气是纯度99.9%的氮气；实验所用泡沫为华滨公司提供的FCY、PM-1 和SD1020 共3 种具较好抗盐性的泡沫，工业品有效含量33%；实验岩心取自排6-平4 井，主要为棕褐色、褐黑色中—细粒长石岩屑砂岩，覆压校正后的平均孔隙度为35.0%，平均渗透率为5 573.3 mD。

1.2 实验方法

（1）静态性能 静态性能指标主要为泡沫体积和半衰期，采用Waring Blender搅拌评价方法。首先配制不同类型相同质量分数的泡沫溶液，在800 r/min搅拌速度下搅拌100 s，之后将泡沫溶液连同泡沫快速倒入1 000 mL量筒中，同时开始计时，当泡沫体积变为开始时的一半时，停止计时，最后对其固含量进行测量。

（2）动态性能 动态性能指标评价主要采用胜利油田石油工程技术研究院自制的单管连续驱替实验模型，对通过静态性能指标评价优选出来的泡沫的再生能力指数和稳定系数进行评价，并对质量分数、气液体积比（氮气为油层条件下体积）以及注入方式进行优化。主要实验步骤：①岩心洗油之后放入80 ℃恒温箱中烘干8 h，用真空泵将岩心管抽真空，饱和水，饱和时间12 h；②将春风油田原油、锅炉处理水、泡沫和压缩氮气分别装入中间容器，将处理好的岩心分别装入岩心夹持器，连接好管线保持地层温度和压力（28 ℃，4.6 MPa），放置1 d；③将高压柱塞泵设置为恒速驱替模式，向岩心夹持器中注入锅炉处理水，驱替至含水率达98%，测得水驱各项指标；④从岩心夹持器入口端注入氮气和泡沫驱替锅炉处理水，待注入流量稳定后，测试氮气泡沫相关动态性能指标；⑤结合现场注入设备条件，设计模拟3 种注入方式，进行驱替效率评估，研究不同注入段塞氮气泡沫调剖效果。

2 泡沫性能评价及参数优化

2.1 泡沫静态性能评价

泡沫质量分数影响其界面张力的大小，界面张力越小，油水的流动性越好[13-14]，参考标准Q/SH 1020 1967—2020《蒸汽吞吐用高温起泡剂通用技术条件》，使用SVT20旋转滴界面张力仪，测定不同类型泡沫的界面张力（表1）。实验结果显示，FCY 泡沫界面张力较小，且随着泡沫质量分数提高，界面张力呈先降低，后出现轻微抬升的趋势，当泡沫质量分数为0.4%时，FCY泡沫界面张力最小，为0.01mN/m（图1）。

表1 春风2燃煤站蒸汽锅炉处理水配制不同泡沫性能评价Table 1.Performance evaluation of different foam systems configured with treated water from Chunfeng 2 coal-fired station

图1 不同泡沫质量分数下FCY泡沫界面张力变化Fig.1.Measured interfacial tension of FCY foam with different foam mass fractions

在实验室相同环境中对FCY、PM-1 和SD1020 泡沫的耐温性、半衰期等性能进行分析。从表1 可以看出，在相同泡沫质量分数（0.5%）下，泡沫体积、固含量和半衰期的排序均为FCY＞PM-1＞SD1020，界面张力的排序是SD1020＞PM-1＞FCY，相较于PM-1和SD1020 泡沫，FCY 泡沫在泡沫体积、耐温性、半衰期、固含量等方面性能更优。

2.2 泡沫动态性能评价

泡沫在高渗储集层中并非以连续相流动，受多种因素影响，气、液两相以不同的速率移动，造成泡沫不断的破灭与再生[15-18]，因此，泡沫的动态性能指标主要包括再生能力指数和稳定系数。再生能力指数是指在管式模型中形成有效封堵（阻力因子高于15）的最低液体线速度[19]，再生能力指数越小，泡沫再生能力越强；稳定系数主要是通过分析泡沫的黏弹模量和携液系数（气液比）得出。由实验数据可知，泡沫黏弹模量与稳定系数呈正相关（表2），说明黏弹模量所表现的泡沫形变能力与泡沫的稳定系数呈对应关系，可作为泡沫稳定性评价的重要指标。

表2 不同泡沫动态性能指标Table 2.Dynamic performance indicators of different foam systems

从表2 可以看出，在相同泡沫质量分数（0.5%）下，FCY 泡沫的稳定系数和黏弹模量与PM-1 和SD1020 泡沫基本相近，但FCY 泡沫的再生能力优势非常明显[5]。因此，综合静态性能指标和动态性能指标，FCY泡沫更适合春风油田。

2.3 参数优化

2.3.1 泡沫质量分数

分别测定不同质量分数FCY 泡沫在220 ℃、250 ℃、270 ℃和300 ℃条件下的阻力因子（图2）。结果表明：在泡沫质量分数小于0.5%时，不同温度下泡沫的阻力因子变化差异较大；当泡沫质量分数大于0.5%时，不同温度下泡沫的阻力因子变化基本一致。随泡沫质量分数的增加，阻力因子快速升高。300°C条件下，泡沫质量分数为0.5%时的阻力因子是质量分数为0.2%时的16.6 倍，升幅较大。当泡沫质量分数为0.5%～0.8%时，阻力因子升幅较小，泡沫质量分数大于0.8%时阻力因子接近。主要原因是当泡沫质量分数小于0.5%时，泡沫的质量分数起主导作用，使得其封堵调剖能力快速增加，封堵调剖作用明显；当泡沫质量分数大于0.5%时，其封堵作用趋于平稳，且经济效益缩减。综上所述，FCY 泡沫的最佳质量分数为0.5%。

图2 不同质量分数FCY泡沫在不同温度条件下的阻力因子变化Fig.2.Resistance factors of FCY foam with different mass fractions at different temperatures

2.3.2 气液比

设定泡沫质量分数为0.5%，分别进行温度为220 ℃、250 ℃和300 ℃条件下的气液比与泡沫的有效封堵能力实验（图3）。实验结果表明：相同温度下，随着气液比的增加，阻力因子呈现先升高后降低的变化；相同气液比下，随着温度的升高，阻力因子同样升高，当气液比大于4∶1 时，不同温度下的阻力因子相近。出现以上变化主要与泡沫内部气体占比有关[20-22]。因为当温度和气液比均较低时，泡沫内部气体较少，不能形成有效的泡沫，其对孔隙的封堵性能较差。随着温度和气液比逐渐升高，泡沫的封堵效果变好，当泡沫中的气体占比越来越大时，泡沫越来越不稳定，容易出现破裂，导致阻力因子快速下降，封堵能力变弱，且随着气液比的增加，经济效益降低。研究分析认为，温度为300 ℃时，气液比为1∶1～2∶1，泡沫质量分数为0.5%时，泡沫可以产生有效封堵，开采效果较好。

图3 不同气液比FCY泡沫在不同温度条件下的阻力因子变化Fig.3.Resistance factors of FCY foam at different gas/liquid ratios and different temperatures

2.4 注入方式优化

春风油田发育高孔高渗储集层，生产过程中易发生窜流，为改善泡沫发泡效果，采用层外发泡，结合现场注入设备条件，共设计模拟3 种注入方式进行驱替效率评估[23]。方式一为三段塞注入（1 PV 蒸汽+1 PV蒸汽加氮气+3 PV 蒸汽）；方式二为四段塞注入（1 PV蒸汽+1 PV蒸汽加氮气+1 PV蒸汽加泡沫+2 PV蒸汽）；方式三同样采用四段塞注入，但段塞驱替物质用量不同（1 PV 蒸汽加氮气+1 PV 蒸汽加泡沫+2 PV蒸汽加氮气加泡沫+1 PV蒸汽加氮气）。进行注入方式评估，实验结果表明，方式三驱替效率最高（图4a），注入压力也明显较其他2种方式增幅大（图4b）。

图4 不同注入方式的驱替效率（a）和注入压力（b）随注入氮气体积的变化Fig.4.Variations of(a)displacement efficiency and(b)injection pressure of different injection methods with injected nitrogen volume

2.5 数值模拟

根据春风油田的构造特征、地质特点以及布井方式，建立精细地质数值模型。以室内实验结论为基础，利用CMG 软件进行氮气泡沫调剖数值模拟。网格数为211×46×10。历史拟合时间从2011 年6 月至2017 年9 月，吞吐周期数最大21 个，共计2 275 个计算时间点。通过数值模拟可知，氮气泡沫调剖可以有效抑制含水率快速上升（图5）。

图5 氮气泡沫调剖前后含水率对比Fig.5.Water cut curves before and after nitrogen foam profile control

利用建立的模型，根据油井历史生产情况，设置本轮次蒸汽注入量为2 500 t，当产油量小于1 t/d时结束周期。对比氮气注入量分别为20 000 Nm3、40 000 Nm3、60 000 Nm3、80 000 Nm3、100 000 Nm3和120 000 Nm3的6种情况，通过对生产效果的预测对比，提高氮气注入量，可以提高周期产油量。根据不同氮气注入量的优化结果：氮气注入量从20 000 Nm3提高到80 000 Nm3时，周期产油量明显提高，之后每提高20 000 Nm3，周期增油量变小，经济效益不大。结合该井的实际情况，选择前置氮气注入量为80 000 Nm3（图6a）。

图6 周期产油量与氮气注入量（a）和泡沫用量（b）的关系Fig.6.Relationships between cyclic oil production and(a)nitrogen injection rate and(b)foam dosage

实验室确定氮气泡沫气液比为1∶1～2∶1。因此，在参数优化的基础上，选取FCY 泡沫用量为1～6 t 的6 种情况进行优化，设计氮气注入量为80 000 Nm3，蒸汽注入量为2 500 t，当产油量小于1 t/d 时结束周期，氮气泡沫注入方式为与蒸汽伴注，泡沫质量分数为0.5%。通过生产效果预测曲线可以看出，FCY 泡沫的注入能够大幅度提高周期产油量，尤其在泡沫用量为1～5 t，周期产油量增幅明显，因此选取FCY 泡沫用量为5 t（图6b）。

3 现场井组试验

截止到2018 年1 月，春风油田排601 中区和排6南区高含水井共82 口，涉及石油地质储量591×104t，对老区稳产影响较大。经分析高含水井具有以下2个特点：①排601 中区南部经过多轮次的蒸汽吞吐，随着吞吐轮次与地层亏空的增加，面临着边底水的影响、汽窜频繁、水平段动用不均等情况，造成油井各项指标变差，影响吞吐效果；②位于排6南区南部附近油井投产初期边底水入侵对产量的影响不突出，但随着吞吐周期的增加，边底水入侵的趋势快速增加，一旦二线井和三线井水淹，周期油汽比将快速降低，以蒸汽吞吐为主的开发方式将难以为继。

2018年4月,对排601中区南部的排601-平229井和排601-平318 井2 口末期高含水井，以及排6 南区排6-平28井、排6-平36井和排6-平37井3口受边底水入侵导致的高含水井实施氮气调剖措施。根据物理模拟与数值模拟的研究结果，采用蒸汽加氮气+蒸汽加泡沫+蒸汽加氮气加泡沫+蒸汽加氮气的组合形式分4 个段塞注入，共注入泡沫溶液1 000 m3，合计用泡沫5 t、氮气80 000 m3和蒸汽2 500 t。措施实施后5口井全部见效，在边底水入侵区块3 口井实施氮气泡沫辅助蒸汽吞吐，较上一周期平均排水期缩短8.3 d，含水率下降32.2%，累计产油量增加2 606.0 t；在吞吐高周期区块实施2 口井，周期含水率降低8.6%，累计产油量增加1 668.0 t。措施后平均排水期由12.6 d 降低到6.6 d，含水率由88.1%下降到65.4%，单井日产油量由3.7 t 增至10.6 t（表3），5口井累计增油4 274.0 t。表明该技术增油降水效果明显，可提高春风油田浅薄层超稠油高渗砂岩油藏边底水入侵与多轮次吞吐后期的开发效果。通过氮气泡沫调剖技术在浅薄层超稠油油藏的成功应用，截止到目前，该技术在浅薄层超稠油油藏开发中累计实施190 井次，累计增油7.8×104t。

表3 5口试验井氮气泡沫调剖前后生产数据Table 3.Production performance of 5 test wells before and after nitrogen foam profile control

4 结论

（1）从室内实验与井组试验效果看，对于春风油田浅薄层超稠油油藏高轮次吞吐后期面临周期短、温度高、易窜流等问题，氮气泡沫调剖技术可以有效增加周期产油量，降低周期含水率，提高最终采收率。

（2）对比FCY、PM-1 和SD1020 泡沫的静态和动态性能指标，FCY泡沫在发泡体积、耐温性、半衰期、固含量、再生能力等方面性能更优，更加适合春风油田。

（3）室内实验表明，泡沫质量分数小于0.5%时，泡沫的阻力因子快速上升，大于0.5%后，阻力因子升幅较小。相同温度下，随着气液比的增加，阻力因子呈现先升高后降低的变化；相同气液比下，随着温度的升高，阻力因子同样升高，当气液比大于4∶1 时，不同温度下的阻力因子相差不大。当气液比为1∶1～2∶1，泡沫质量分数为0.5%，温度为300 ℃，注入方式采用四段塞注入（1 PV蒸汽加氮气+1 PV蒸汽加泡沫+2 PV蒸汽加氮气加泡沫+1 PV蒸汽加氮气）时效果较好。

（4）数值模拟表明，氮气泡沫调剖可以有效抑制含水率快速上升。优化注入参数后，认为蒸汽注入量为2 500 t，氮气注入量为80 000 Nm3，FCY泡沫用量为5 t，配注比例为泡沫剂质量分数0.5%时效果最优。