缝洞型油藏泡沫驱效果及缝洞结构动用机理

曹飞， 侯吉瑞， 闻宇晨*， 郭臣

(1.中国石油化工股份有限公司西北油田分公司， 乌鲁木齐 830011；2.中国石油大学(北京)非常规油气科学技术研究院， 北京 102249)

碳酸盐岩油藏在世界上已经发现的油气藏中有着重要地位，全球沉积岩中碳酸盐岩的面积占20%，碳酸盐岩油藏的油气储量占世界总油气储量的60%[1]，在世界上共发现的大型油气田中，碳酸盐岩油藏占1/3，碳酸盐岩油藏具有规模大、产量高等特点，是世界重要的石油增储上产领域之一[2]。中国碳酸沉积岩主要分布在塔里木盆地、四川盆地、鄂尔多斯盆地和华北地区，其中塔河油田的奥陶系油藏是世界上储量规模最大的缝洞型碳酸盐油藏[3]，缝洞型碳酸盐岩油藏的勘探与开采对中国石油的接替有着非常重要的意义，与常规裂缝-基质型碳酸盐岩油藏不同的是裂缝-溶洞型碳酸盐岩油藏主要储集空间为孔、缝、洞，储集体非均质性强、形态多样[4-5]。塔河油田在开发前期主要靠天然能量进行开采[6-7]，后续进行不同方式的水驱[8-11]，随着注水替油周期的增加，产出液含水率上升，产油量减少，驱油效率越来越差。通过借鉴国外的成功案例开展了氮气驱[12-14]，气体与原油混合在一起通过重力分异等作用将高部位的剩余油置换出来，但是由于碳酸盐岩油藏特殊的储集空间，在进行气驱时易导致气窜，最终导致提高采收率效果较差[15]。泡沫具有很好的流度控制能力，能够在驱替过程中选择性封堵高渗通道，启动次级渗流通道，有效扩大波及体积，从而提高采收率[16]，在缝洞型碳酸盐油藏中有很大的发展前景。

Bond和Holbrook发表了世界上第一份泡沫驱油专利，开启了泡沫在提高采收率领域的应用进程。随后Fried通过泡沫驱替实验证明了泡沫降低气体在多孔介质中的流动速度，扩大波及体积的能力。最初研究人员们开展了大量泡沫在砂岩油藏多孔介质中的驱油机理、数值模拟和应用效果方面的研究。Abbaszadeh 等[17]发现了增加泡沫强度能够增加流度控制能力并提高驱油效果。Al-Maqbali 等[18]明确了泡沫具有促使液流转向进而提高采收率的作用。Ferno 等[19]揭示了粗糙的裂缝产生的泡沫具有剪切变稀的特征，并指出气液混注比段塞式注入效果好。针对泡沫封堵高渗通道、控制气体流度的能力，研究人员也进行了深入的研究，Skauge 等[20]发现了泡沫的气体流度控制能力和封堵气窜的效果。林伟民等[21]通过分析空气泡沫的储层封堵能力和调剖能力，发现空气泡沫具有良好的延缓气窜作用。龚书[22]明确了泡沫能够有效改善吸气剖面，封堵高渗透层段，启动低渗透层段，并利用数值模拟技术给出了泡沫的最佳注入方案。

后续研究人员针对缝洞型碳酸盐岩油藏也开展了相应的泡沫驱实验与研究。屈鸣等[23-26]针对缝洞型碳酸盐岩油藏中水窜、气窜严重，注气效果差的问题，提出了泡沫辅助气驱的缝洞型油藏提高采收率方法，并明确了影响缝洞型油藏中泡沫驱效果的主要因素，揭示了氮气泡沫驱提高采收率的主要机理是降低油水界面张力以及重力分异作用。

现综合考虑碳酸盐岩油藏储集空间在尺度上的非均质性、储集体类型差异性、储集体井间展布的随机性，建立典型的缝、洞及缝洞组合模式，采用可视化的透明物理材料，设计制作可视化裂缝、溶蚀孔洞组合及缝洞混联模型，开展不同阶段下的泡沫驱油实验，研究泡沫在不同模型下的运移过程及效果，分析泡沫对不同缝洞结构的动用机理。

1 实验材料与步骤

1.1 物理模型设计与制作

为了研究缝洞型油藏不同缝洞结构中泡沫驱效果及剩余油动用机理，根据塔河油田碳酸盐岩油藏三维地质数据体中的典型裂缝结构及缝洞组合模式特点，基于相似准则综合考虑实验条件后，设计制作出3种不同缝洞组合模型，包括溶洞并联模型、溶洞混联模型和裂缝混联模型，如图1～图3所示。裂缝混联模型主要由3条主裂缝及多条次级裂缝连通组成，主裂缝开度为5 mm，长度为3 cm左右，次级裂缝开度控制在1～5 mm，由不同开度大小组成，长度控制在1～3 cm；溶洞混联模型由多个不同大小的溶洞及裂缝连接而成，溶洞直径大小控制在1～3 cm，连接溶洞的裂缝开度为1 mm，长度为1 cm左右；溶洞并联模型由上下两个小溶洞经裂缝连通汇聚在一个大溶洞上并联而成，裂缝开度为1 mm，长度为1 cm，大溶洞长5 cm左右，宽3 cm左右，小溶洞长4 cm，宽1 cm左右。由于碳酸盐岩油藏的基质基本不具备渗透能力，因此不考虑基质的渗透率，根据设计图在厚亚克力板材料上采用数控加工技术刻蚀出缝洞结构，最后用在刻蚀面上覆盖一层薄亚克力板并进行密封加固处理，制作出二维可视化缝洞组合模型，模型为长10 cm、宽10 cm、厚度 2 cm的正方形透明板。充填模型内充填物采用直径为2 mm的亚克力球以模拟缝洞结构中的充填特征。

图2 溶洞并联模型

图3 溶洞混联模型

1.2 实验材料及仪器

实验用油为模拟油，由煤油与液体石蜡配制而成，在25 ℃下黏度为23.9 mPa·s，密度为0.821 g/cm3，为了在可视化条件下便于观察将其用苏丹红染色剂染为红色。实验用水为模拟地层水，在实验室采用去离子水和盐配制而成，其离子浓度与塔河油田现场地层水相同，在25 ℃下黏度为1 mPa·s，密度为1 g/cm3，为了在可视化条件下便于观察，将其用亚甲基蓝染色剂染为蓝色。实验所用氮气为纯度99%的工业氮气，实验所用泡沫为氮气泡沫，气液比为1∶1，起泡剂为浓度0.3%的十二烷基硫酸钠，并加入质量浓度为0.05%硫化钼片状纳米材料以增强泡沫稳定性。

泡沫驱物理模拟实验设备主要分为3个部分：可视化物理模型系统、实验控制系统、图像及数据采集系统，如图4所示。其中可视化物理模型系统由面板光源及三种二维可视化物理模型组成；实验控制系统由注入泵(工作压力为0～30 MPa，流速为0.001～20 mL/min)、氮气气罐、气体流量控制器、六通阀、泡沫发生器及装有泡沫液和模拟地层水的中间容器组成；图像及数据采集系统包括计算机及图片处理软件、采出液计量装置、高清摄像机(最大分辨率为1 080P)。

图4 物理模拟实验流程图

1.3 实验方法及步骤

在常温常压下(25 ℃，0.1 MPa)，利用基于相似准则设计制作的二位可视化物理模拟模型，开展不同开发阶段后的氮气泡沫驱物理模拟实验，以模拟缝洞型油藏中泡沫驱效果及缝洞结构的动用规律。为了研究泡沫在不同组合模式、不同角度和不同充填程度的缝洞模型中的流动规律和驱油效果，基于3种二维可视化缝洞组合模型，设计了3种不同的物理模拟实验方法，包括垂直驱替实验、水平驱替实验、90°高角度驱替实验，如图5所示，并分别开展了水驱后泡沫驱和气驱后泡沫驱实验研究。

图5 可视化模型驱替实验示意图

泡沫驱实验步骤如下。

步骤1以2 mL/min的注入速度将模型饱和油，尽量将模型内的气体全部排出，记录模型饱和油体积。

步骤2注入端以2 mL/min的注水强度(或5 mL/min的注气强度)开展水驱(或气驱)实验，至采出端含水至98%或完全水窜则停止注水，记录水驱后采出油的体积。

步骤3注入端转注泡沫，以2 mL/min的注入速度开展氮气泡沫驱，当采出端不出油时停止泡沫驱，记录泡沫驱后采出油的体积。

步骤4改变模型放置方式，重复实验，并用高清摄像机记录实验过程。

2 实验结果与讨论

2.1 二维可视化缝洞组合模型泡沫驱效果

2.1.1 裂缝混联模型泡沫驱效果

基于溶洞并联模型开展气驱和泡沫驱的水平驱替实验，结果如图6所示。在裂缝混联模型气驱过程中，气体由入口端注入后，沿着①—③—④方向向出口端快速突进，并形成了优势通道，①—②之间的大裂缝内的油也被气体置换出来，但②—④之间的小裂缝及其他小裂缝内的油未被启动，气体突破后次级裂缝内仍存在大量剩余油，最终气驱后采收率为36.4%；而在泡沫驱过程中，由于泡沫优异的控制流度能力，泡沫不但对大裂缝具有较好的驱替效果，也启动了大量的次级裂缝通道，泡沫驱后绝大部分连通裂缝内的油被驱替出来，最终泡沫驱后采收率为82.3%，泡沫大大提高了裂缝中的原油采收率。

图6 裂缝混联模型驱替实验结果

2.1.2 溶洞并联模型泡沫驱效果

(1) 水平驱替实验。基于溶洞并联模型开展了水平驱替实验，水驱过程如图7(a)所示，注入水从注入端进入缝洞结构后，由于油水黏度差异的影响，在大溶洞内发生明显的指进现象，后续注入水进入两条并联的裂缝通道中，并驱替出缝洞结构中的剩余油，最终水驱后采收率为62.7%，水驱后大溶洞内剩余大量剩余油。气驱过程如图7(c)所示，由于油气黏度差异更大，相比于水驱，气驱更容易出现指进现象，注入气从注入端进入溶洞后，在大溶洞内迅速形成窜流优势通道，后续气体进入两条并联的裂缝通道中，并驱替出缝洞结构中的剩余油，最终气驱后采收率为48.6%，气驱后模型内也存在大量的剩余油。图7(b)为水驱后泡沫驱，图7(d)为气驱后泡沫驱，由于泡沫流动控制能力强，能够抑制流体的黏性指进现象，泡沫从注入端注入溶洞后，能够均匀波及整个大溶洞，并同时进入两条并联的裂缝通道中，驱替出缝洞结构中的剩余油，最终水驱后泡沫驱采收率达到94.9%左右，气驱后泡沫驱采收率达到95.2%。

图7 水平放置驱替实验结果

(2) 垂直驱替实验。基于溶洞并联模型开展了垂直驱替实验，水驱过程如图 8(a)所示，在重力分异的作用下，注入水进入溶洞后沿着溶洞下半部运移并出现明显的指进现象，后续注入水在下半部分的裂缝中形成水流优势通道，水驱后采收率为32.2%；气驱过程中如图 8(c)所示，注入气在重力分异的作用下，进入溶洞后迅速驱替出溶洞上半部分的剩余油，并在上半部分的裂缝中形成气窜优势通道，气驱后采收率为44.7%；在进行泡沫驱过程中，由于泡沫具有封堵优势通道，控制流度的能力，对于强非均质的纵向上的缝洞结构也具有极好的驱替效果，能够有效驱替水驱和气驱后缝洞结构中存在的大量剩余油，最终水驱后泡沫驱采收率为96.3%，气驱后泡沫驱采收率为95.5%。

图8 垂直放置驱替实验结果

(3)90°高角度驱替实验。基于溶洞并联模型开展了90°高角度驱替实验，如图9所示。水的密度小于油，在重力的作用下，从下部注入端注入的水进入溶洞后，推动油水界面不断上升，驱替了溶洞中的油后同时启动两个高角度裂缝。缝洞结构中存在的充填物介质，加强了缝洞结构的非均质性，这导致水在缝洞结构中的微观波及效率较低，水驱后溶洞结构中存在大量剩余油，水驱最终采收率为77.6%；由于油气黏度差异大，且气体的密度远小于油，气体的黏性指进现象严重，气体从下部注入端注入溶洞后，迅速向上部突进并沿着一条高角度裂缝运移至采出端，最终形成了一条气体流动优势通道，导致另一条高角度裂缝无法被动用，说明气驱对高角度裂缝的驱替效果很差。气驱后缝洞结构内残余大量剩余油，最终气驱采收率为23.4%；泡沫能够控制后续流体流度，在纵向上也能够实现泡沫-油界面的均匀推进，同时具有很好的微观驱替效率，对充填缝洞内的大量剩余油驱替效果较好，最终水驱后泡沫驱采收率达到96.8%；泡沫对高渗通道也具有很好的封堵作用，能够封堵气窜优势通道，启动其他裂缝通道中的剩余油，对纵向上的高角度缝洞结构有很好的驱替效果，最终气驱后泡沫驱采收率达到95.6%。

由于缝洞结构的复杂性和裂缝角度的多变性，受重力分异作用和黏性指进的影响，水驱和气驱在溶洞并联结构中的驱替效果不尽人意，水驱对于垂直方向的缝洞结构驱替效果较差，而气驱在水平和纵向上的缝洞结构中采收率都低于50%。而泡沫具有极好的流度控制能力和高渗通道封堵能力，能够有效削弱黏性指进，封堵高渗通道，对于水平方向、垂直方向和高角度的裂缝都具有很好的驱替效果，能够将溶洞和裂缝内的大部分剩余油置换出，最终采收率都能够达到90%以上，提高采收率效果明显，如图10所示。

2.1.3 溶洞混联模型泡沫驱效果

(1)水平驱替实验。基于溶洞混联模型开展了水平驱替实验，如图11、图12所示。在充填模型中，水驱时的指进现象明显，微观波及效率较差，水驱所波及的溶洞内存在大量剩余油，充填模型水驱后采收率为55.8%。未充填模型的水驱效果更差，未充填模型水驱后采收率为43.8%；气驱过程中，在充填模型中，由于油气黏度差较大，在驱替过程中气体迅速形成优势通道，微观驱替效率较差，充填模型气驱后采收率为25.1%。而未充填模型中的气体进入溶洞后能够较好地驱替溶洞中的剩余油，然后突破裂缝通道进入下一个溶洞，未充填模型气驱后采收率为31.2%；泡沫液中的表面活性剂能够降低界面张力，有效提高了泡沫在缝洞结构中的微观驱油效率，同时泡沫具有调流转向的能力，在缝洞结构中能够实现均匀驱替，有效提高采收率。此外，泡沫能够启动水驱及气驱无法波及的缝洞结构，最终充填模型水驱后泡沫驱采收率为61.7%，气驱后泡沫驱采收率为63.3%；未充填模型水驱后泡沫驱采收率为62.4%，气驱后泡沫驱采收率为64.9%。

图11 充填模型水平放置驱替实验结果

图12 未充填模型水平放置驱替实验结果

(2)垂直驱替实验。基于溶洞混联模型开展了垂直驱替实验，如图13、图14所示。在重力分异的作用下，注入水主要波及缝洞结构的下半部位，注入气主要波及缝洞结构的上半部位。未充填模型在进行水驱时，溶洞油水界面不断上升，到达连通溶洞之间的裂缝处后油水界面就不再向上移动，后续注入水沿着裂缝进入下一个溶洞，未充填模型水驱后采收率为34.8%。充填模型水驱过程中，由于充填物的存在，溶洞非均质性强，水驱波及范围较未充填模型更大，水驱失效后充填模型油水界面比未充填模型的更高，最终充填模型水驱后采收率为45.8%。气驱过程中，气体在充填模型中形成优势通道的速度比未充填模型更快，缝洞结构中充填物的存在加剧了气体的黏性指进现象，最终充填模型气驱后采收率为31.2%，未充填模型气驱后采收率为42.5%；水驱后泡沫驱能够波及缝洞结构中上部位的剩余油，压低油水界面，同时部分泡沫破裂后释放的气体能够启动缝洞结构上部的阁楼油，气驱后泡沫驱可以封堵气体流动优势通道，扩大后续流体波及体积，最终充填模型水驱后泡沫驱采收率为66.7%，气驱后泡沫驱采收率为58.9%；未充填模型水驱后泡沫驱采收率为68.2%，气驱后泡沫驱采收率为54.8%。

图13 充填模型垂直放置驱替实验结果

图14 未充填模型垂直放置驱替实验结果

(3)90°高角度驱替实验。基于溶洞混联模型开展了90°高角度驱替实验，如图15、图16所示。水驱过程中，水从底部溶洞注入后，逐渐抬升油水界面，驱替连通溶洞中的剩余油；气驱过程中，气体从底部溶洞进入后，迅速沿着缝洞结构向上突进，形成了气窜优势通道，最终充填模型水驱后采收率为58.2%，气驱后采收率为29.8%；未充填模型水驱后采收率为59.2%，气驱后采收率为30.2%，说明在高角度缝洞结构中进行水驱及气驱，充填介质的存在对驱替效果影响不明显。气驱后泡沫驱和水驱后泡沫驱受充填介质的影响较明显，充填介质的存在能够使泡沫均匀向上运移，提高纵向上的泡沫波及面积。最终充填模型水驱后泡沫驱采收率为62.3%，气驱后泡沫驱采收率为55.4%，未充填物模型水驱后泡沫驱采收率为61.8%，气驱后泡沫驱采收率为35.8%。

图15 充填模型90°高角度放置驱替实验结果

图16 未充填模型90°高角度放置驱替实验结果

由图17对比可知，水驱在溶洞混联结构中的驱替效果比溶洞并联结构要好一些，但气驱在溶洞混联结构中的驱替效果很差，大量的气体进入溶洞后迅速沿着裂缝通道窜逸，无法有效波及整个溶洞。纵向上溶洞的充填程度对于水驱和气驱的驱替效果，影响较小，但对于泡沫驱的驱替效果影响较大，充填程度越高，泡沫驱效果越好。泡沫对于非均质性极强、结构复杂的缝洞结构具有较好的波及效果，能够将不同方向和不同角度的溶洞和裂缝内的剩余油置换出，提高采收率效果明显，泡沫驱无法动用的剩余油多数集中在连通性较差的盲端缝洞中。

图17 不同驱替阶段采收率

2.2 泡沫驱动用缝洞结构机理研究

2.2.1 多级裂缝结构的动用机理

通过缝洞组合模型泡沫驱实验研究(图6)，发现多级裂缝气驱过程中，气体沿着主要的窜流通道(①—③—④)前进，对于其他次级裂缝启动的较少；而泡沫驱启动了绝大部分次级裂缝通道，对于多级裂缝的启动能力较好，有效扩大了波及体积，提高了裂缝中的原油采收率。

由布辛列克方程[式(1)]可知，裂缝内的流体能否流动，取决于压力梯度是否为正，即单位长度上压力的变化是否为正。

(1)

图18 泡沫启动多级裂缝通道示意图

气体由于黏度小，在裂缝中流动过程中的压降梯度小，压力下降较慢，导致②点与④点的压力差不足以克服②—④间的流动阻力，故启动不了②—④间的次级裂缝。相对于气体而言，泡沫黏度大同时贾敏效应叠加严重，压降梯度大，在泡沫由①—③—④的过程中泡沫产生的压力下降快，④点的压力远小于①—②点的压力，②—④之间的压力差足以克服②—④间的流动阻力，从而启动②—④间的次级裂缝。同样的情况下，泡沫对于裂缝混联模型中的其他次级裂缝也具有很好的启动效果。

因此理论上，在无限提高注入压力的理想条件下，增大泡沫黏度能够增大压降梯度，从而启动所有连通裂缝。实际矿场注入压力受限，同时储层条件复杂，流体流动阻力影响因素较多，应通过增强泡沫的强度和稳定性(提高贾敏叠加效应)，来增强泡沫调流转向的能力。

2.2.2 溶洞结构的动用机理

在缝洞组合模型泡沫驱实验中发现，泡沫是否能够驱替出溶洞内的油主要取决于驱动力与流动阻力之间的关系，当驱动力大于流动阻力时，泡沫能够将溶洞内的油置换出来。

在驱替缝洞结构中剩余油的过程中主要驱动力为

PD=Pin-Pout

(2)

泡沫与油密度差产生的重力为

ΔPf=(ρo-ρf)gh

(3)

驱替过程主要受到的阻力为

(4)

式中：Pin为注入端压力，Pa；Pout为出口端压力，Pa；ρo为地下原油密度，kg/m3；ρf为泡沫密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；σ为泡沫与油之间的界面张力，mN/m；θ为泡沫与缝壁之间的接触角，(°)；w为裂缝宽度，m。图19所示为泡沫动用溶洞中剩余油示意图。

图19 泡沫动用溶洞中剩余油示意图

定义了溶洞结构中泡沫动用能力因子N，用来判断泡沫能够启动缝洞结构中的剩余油，其表达式为

(5)

当N>1时，说明在溶洞结构中，泡沫的驱动力大于流动阻力，则泡沫可以将溶洞内的原油驱替出来，反之则无法启动溶洞结构中的剩余油。从式(5)中可以看出，泡沫的密度越小，泡沫与油之间的界面张力越小越有利于泡沫驱启动溶洞结构，因此可以通过减小泡沫的密度，降低泡沫和油之间的界面张力的方式来提高泡沫在缝洞油藏中的采收率。

3 结论

(1)缝洞型油藏气驱对于水平方向上的缝洞结构驱替效果极差，泡沫具有极好的流度控制能力和高渗通道封堵能力，能够有效削弱黏性指进，封堵高渗通道，能够有效地提高缝洞型碳酸盐岩油藏不同开发阶段后的原油采收率。

(2)由于缝洞结构的复杂性和裂缝角度的多变性，水驱和气驱对于垂直方向的缝洞结构驱替效果都较差。泡沫对于非均质性极强、结构复杂的缝洞结构具有较好的波及效果，对于水平方向、垂直方向和高角度的裂缝都具有很好的驱替效果，同时缝洞结构的充填程度越高，泡沫驱的微观驱油效果越好，最终物理模拟实验的采收率都能够达到90%以上。

(3)通过增强泡沫的强度和稳定性(提高贾敏叠加效应)，能够增强泡沫调流转向的能力。通过减小泡沫的密度，降低泡沫和油之间的界面张力，能够提高泡沫动用溶洞中剩余油的能力，从而进一步提高泡沫在缝洞油藏中的采收率。