热力泡沫改善稠油油藏蒸汽驱开发效果

2016-12-20李德儒庞占喜

特种油气藏 2016年5期

李德儒，庞占喜

(1.中国石化河南油田分公司，河南南阳 473400；2. 长江大学，湖北荆州 434023；3.石油工程教育部重点实验室，北京 102249；4.中国石油大学(北京)，北京 102249)

热力泡沫改善稠油油藏蒸汽驱开发效果

李德儒1，2，庞占喜3，4

稠油油藏蒸汽驱开发过程中存在蒸汽窜流及蒸汽超覆等现象，大幅降低了蒸汽的利用率，影响了蒸汽驱开发效果。利用二维可视化物理模拟装置，分析稠油油藏注蒸汽开发过程中的汽窜现象、泡沫封堵性能与改善微观波及体积的效果。研究表明：稠油油藏注蒸汽过程中，注采井间容易形成窜流通道；蒸汽在油层中产生明显的黏性指进现象，降低有效波及系数，窜流通道两侧滞留大量的剩余油；注入的泡沫流体进入并存在于窜流通道内，由于叠加的贾敏效应对窜流通道具有较好的封堵作用，使注入蒸汽及冷凝水进入含油饱和度较高的未波及区域，进一步驱替油藏内的剩余油。蒸汽驱开发的最终采收率为48.48%，热力泡沫辅助蒸汽驱的最终采收率可达到59.95%，最终采收率明显提高。该研究为稠油油藏蒸汽驱开发提供了借鉴。

稠油油藏；蒸汽驱；热力泡沫；可视化实验；机理分析

0 引言

世界上稠油资源丰富，蒸汽驱是开发稠油的有效方式之一[1]。但在蒸汽驱过程中，由于油水黏度的差异，指进现象严重，使得蒸汽的波及体积有限[2]；油层中孔隙度、渗透率分布的非均质特性，使得油层中极易形成窜流通道，导致蒸汽驱后期原油产量大幅下降[3]；蒸汽与油水间存在较大的密度差异，蒸汽容易在油藏顶部超覆流动，油藏中底部原油得不到有效动用[4]。为了改善蒸汽驱开发效果，国内外学者进行了广泛的研究[5-11]。

目前，注蒸汽开发稠油油藏主要应用非凝析气、高温泡沫等助剂来改善效果[9]。泡沫独特的结构，可增加气相的表观黏度，降低蒸汽或水的流度，有效抑制蒸汽的黏性指进、重力超覆和井间窜流，使驱替介质进入油层底部以及渗流阻力大的低渗地层，从而有效提高了驱替介质的波及体积，提高油藏的最终采收率[7，9]。通过自制的二维可视化模型，从宏观和微观两方面，研究了稠油油藏蒸汽驱开发及热力泡沫辅助蒸汽驱开发稠油油藏的机理，对实际稠油油藏采用热力泡沫提高采收率具有重要意义。

1 实验装置与流程

1.1 实验流体

所用发泡剂采用耐温发泡剂ZWF-1(乳白色，弱酸性)，所用原油为河南油田LZ27块的地面脱气原油，原油密度为0.969 8 g/cm3，地面脱气原油黏度为7 896 mPa·s，地层水类型属于重碳酸氢钠型。

1.2 泡沫封堵能力实验

实验流程如图1所示，实验装置由4部分组成：填砂管模型、注入系统、数据采集系统、产出系统。填砂管模型长度为60.0 cm，内径为3.8 cm。实验步骤：①向填砂管内填装一定粒径的玻璃微砂，然后连接实验装置并试压30 min；②将实验系统设定为实验温度，然后以2 mL/min向填砂管内注入地层水，计算填砂管的孔隙度与绝对渗透率；③以恒定流量向填砂管内注入热水(2 mL/min)和标准状况下的N2(100 mL/min)，稳定后的压差即为基础压差；④以恒定流量向填砂管内注入发泡剂溶液(2 mL/min)和标准状况下的N2(100 mL/min)，稳定后的压差即为封堵压差；⑤用该温度条件下测得的封堵压差除以基础压差即可计算出该温度条件下的泡沫阻力因子；⑥向填砂管内以4 mL/min注入地层水，实时采集填砂管两端压差随时间的变化关系，最终稳定后的压差为残余封堵压差，残余封堵压差与基础压差的比值为残余阻力因子。

图1 泡沫封堵性能实验流程

1.3 平面可视化实验

二维可视化实验设备主要包括：高清照相机、微距镜头、二维可视化模型、ISCO恒速平流泵、蒸汽发生器、秒表、压力计、量筒。其中，二维可视化物理模型是实验中最重要的部分，主要由2块石英玻璃板组成。在耐温石英玻璃的可视区域内用双面胶将1层40目玻璃微珠固定于玻璃板内侧，而后将2块石英玻璃用耐温玻璃胶粘合。将制作好的模型用夹持装置进行固定。可视模型制作完成之后测得孔隙度为0.38，渗透率为2.01 μm2。

实验流程如下：①向实验系统内注入3 MPa的高压N2，关闭注入端和出口端阀门，测试实验系统的密闭性；②将实验系统恒温至油藏温度(50 ℃)；③利用ISCO恒速恒压泵注入地层水，流量为0.2 mL/min，至出口端见水稳定；④利用ISCO恒速恒压泵注入稠油，流量为0.2 mL/min，至出口端含油率达到100%；⑤将蒸汽发生器温度设定为200 ℃，利用ISCO恒速恒压泵以0.2 mL/min的流量向可视化模型中注入蒸汽；⑥至出口端含水率达到95%时停止注蒸汽，而后同时注入发泡剂溶液与N2，其中发泡剂溶液流量为0.2 mL/min，N2流量为10.0 mL/min；⑦待可视化模型中观察到大量气泡形成后，利用ISCO恒压恒速泵以0.2 mL/min的流量注入蒸汽，至出口端采出液的含水率达到95%停止。

2 实验结果与分析

2.1 泡沫封堵性能

分别在50、150、200、250、300 ℃条件下测定ZWF-1发泡剂溶液的泡沫阻力因子(表1)。由表1可知：基础压差(N2和地层水同注)随温度的增加逐渐增加，温度越高，增加幅度越大；在注N2泡沫条件下，封堵压差(N2和发泡剂溶液同注)及阻力因子随温度的增加而大幅度降低，在300 ℃下的阻力因子降至10.79；50 ℃下后续水驱测定的残余阻力因子为2.93，至300 ℃时残余阻力因子仅为1.61。说明温度对泡沫稳定性及封堵性影响较大。

表1 泡沫封堵能力测定结果

2.2 可视化实验结果

2.2.1 动态变化特征

图2为稠油底水油藏水平井生产过程中生产动态变化曲线。由图2可知，从初始时刻至注泡沫阶段前(0～140 min)，连续生产阶段的生产压差基本稳定在0.35 MPa左右，生产过程中明显存在无水期，约为15 min，此时对应最高瞬时产油量为0.20 mL/min，而后瞬时产油量大幅度降低，含水率大幅度增加，无水期采收率为12.75%，140 min时含水率达到90%，瞬时产油量为0.02 mL/min，对应采出程度为48.48%。从140 min开始，注入0.2倍孔隙体积的N2泡沫，生产压差增至约0.40 MPa，稳定于0.39 MPa，含水率由90%降至约80%，瞬时产油量增至0.05 mL/min，直至175 min含水率才明显增加，至模拟结束(245 min)时，含水率为92.31%，瞬时产油量为0.02 mL/min，最终采出程度为59.95%，比蒸汽驱开发提高了11.47个百分点。

图2 生产动态变化曲线

2.2.2 平面驱油特征

注蒸汽结束后，可视化模型的对角注采井间沿主流线形成了明显波及范围(图3)。图3中，黑色区域为未波及原油，黄色或橙色区域为注入介质，平面波及系数达到48.74%，对应的蒸汽驱采出程度为48.48%，波及范围内仍有部分原油被注入蒸汽绕流而滞留于油藏内，主流线两侧有大量的剩余油；后续注入蒸汽、N2和发泡剂混合流体后，平面波及系数明显增加，达到70.35%，比蒸汽驱增加了21.61个百分点，且波及范围内的洗油效率明显增加，最终对应的采收率达到59.95%。其原因为：发泡剂本身为表面活性物质，可有效降低蒸汽波及区域内的残余油；另外，N2与发泡剂生成的泡沫具有“堵大不堵小、堵水不堵油”的特点，注N2的同时添加适量发泡剂可进一步改善蒸汽的开发效果[5，7]。

图3 蒸汽驱与热力泡沫辅助蒸汽驱后平面波及状况对比

图4选取了泡沫注入过程中的局部微观图像(图中粉红色为气泡)。由图4可知，注入的泡沫经过玻璃珠与平板玻璃构成的孔隙介质后被截断为气泡段塞，泡沫段塞优先进入含油饱和度较低的A区域。而随着泡沫量的增加，A区域形成的气泡段塞对蒸汽或热水的流动具有一定的暂堵能力。在N2气泡段塞封堵作用下，底水蒸汽或热水的流动逐渐由A区域转向B区域，B区域先前较窄的流动通道逐渐扩大，波及系数与洗油效率逐渐提高，有利于增加原油采出程度。这也正是热力泡沫改善稠油油藏注蒸汽开发效果的机理所在。

图4 泡沫封堵机理及改善波及效率机理分析

根据以上实验结果并结合泡沫的封堵机理，对热力泡沫改善蒸汽驱的效果进行综合分析：①表面活性剂有效降低油水界面张力，提高洗油效率。随蒸汽注入油层的表面活性剂一部分与气体接触，以泡沫液膜的形式存在；而另一部分以表面活性剂溶液的形式随蒸汽冷凝液流动，能够大幅度降低油水界面张力，改善地层的润湿特性，对蒸汽驱的残余油具有一定的启动作用。②窜流通道内的热力泡沫增大气相表观黏度，降低气相流度。泡沫的存在极大降低了气相的流动能力，控制气相流度，从而有效抑制汽窜。③对蒸汽吸汽剖面的改善作用。热力泡沫的作用主要体现在调剖和流动控制2方面：一方面，泡沫有效抑制蒸汽超覆，调整吸汽剖面，使蒸汽沿垂向均匀分配；另一方面，泡沫在平面上使驱替前缘以大致相同的速度均匀推进，扩大平面波及系数。④提高注入热能的利用率。由于泡沫与非凝析气体的存在，降低油藏的热损失，注入蒸汽滞留在油藏中，提高了注入蒸汽的利用率。