史勝龍 王業(yè)飛 溫慶志

1.青島大地新能源技術(shù)研究院 2.中國石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院 3.北京大學(xué) 4.北京大學(xué)工程科學(xué)與新興技術(shù)高精尖創(chuàng)新中心

由于泡沫調(diào)驅(qū)技術(shù)具有同時(shí)提高波及系數(shù)和洗油效率的特點(diǎn)，已成為油田開發(fā)中后期提高采收率的重要手段之一[1-2]。但由于泡沫存在注入性、穩(wěn)定性差，施工成本高，無法運(yùn)移至地層深部等問題，導(dǎo)致現(xiàn)場泡沫調(diào)驅(qū)效果不理想[3]。國內(nèi)外研究人員以玻璃珠填制的填砂管[4]、T型微通道[5]、水力聚焦微流裝置[6]作為泡沫發(fā)生器，通過改變氣液流速、發(fā)泡器尺寸、溫度、壓力等因素制備出氣泡平均直徑為10～100 μm的微泡沫體系，認(rèn)為微泡沫具有氣泡微細(xì)、良好的穩(wěn)定性和可變形性的特點(diǎn)，可對(duì)微觀非均質(zhì)模型形成一定的封堵、調(diào)剖作用，并推測(cè)微泡沫具有深部調(diào)驅(qū)的潛力。多數(shù)研究者用微觀模型研究泡沫形態(tài)、直徑影響因素及封堵、調(diào)剖能力[7-9]，但有關(guān)用填砂管、巖心等物模裝置研究微泡沫性能的報(bào)道較少。與普通泡沫相比，微泡沫是否具有良好的注入性、能否用于油藏深部調(diào)驅(qū)還值得研究探索。因此，在之前研究的基礎(chǔ)上[3,8]，分別以填砂管發(fā)泡器和普通泡沫發(fā)生器制備微泡沫和普通泡沫，通過多測(cè)壓點(diǎn)長填砂管和并聯(lián)填砂管對(duì)比研究了微泡沫和普通泡沫注入性和調(diào)剖能力的差異，并借助可視化非均質(zhì)模型對(duì)比研究了普通泡沫和微泡沫的封堵機(jī)制及改善微觀非均質(zhì)能力，對(duì)微泡沫體系調(diào)驅(qū)性能提供研究基礎(chǔ)，為油藏深部調(diào)驅(qū)探索新的途徑。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要材料和儀器

(1) 主要材料：起泡劑為甜菜堿表面活性劑SL1，有效物質(zhì)量分?jǐn)?shù)33%，成都華陽興華化工廠；礦化度為200 572 mg/L的模擬地層水，其中，Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-質(zhì)量濃度分別為66 000 mg/L、11 000 mg/L、550 mg/L、123 022 mg/L；氣體為N2，純度99.9%(φ)，青島天源氣體公司。實(shí)驗(yàn)中起泡液均為2 000 mg/L的SL1溶液。

(2) 主要儀器：恒壓恒速泵；高壓氣體質(zhì)量流量計(jì)；填砂管(規(guī)格為Φ2.5 cm×30 cm，Φ2.5 cm×80 cm，長填砂管具有4個(gè)測(cè)壓點(diǎn)，分別位于入口、距離入口25 cm、50 cm處和出口處，并用p1、p2、p3、p4表示)；兩種泡沫發(fā)生器，分別為普通泡沫發(fā)生器及規(guī)格為Φ0.4 cm×15 cm填砂管發(fā)泡器，填砂管內(nèi)填直徑為0.125～0.150 mm玻璃珠；高溫高壓可視化微觀模型夾持器；帶有CCD的體式顯微鏡；兩種微觀模型如圖1所示，分別為“線型”微觀模型(白色區(qū)域?yàn)榱鲃?dòng)通道，寬度為2.5 mm)，非均質(zhì)微觀模型(高滲區(qū)域圓柱直徑為0.48 mm，圓柱間距0.09 mm，低滲區(qū)域圓柱直徑為0.16 mm，圓柱間距0.045 mm，白色區(qū)域?yàn)榱鲃?dòng)通道)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1微泡沫微觀驅(qū)替

采用“線型”微觀模型觀察微泡沫與普通泡沫的微觀形態(tài)，非均質(zhì)微觀模型研究微泡沫和普通泡沫的封堵機(jī)制和微觀調(diào)剖能力，實(shí)驗(yàn)溫度90 ℃，回壓6 MPa，氣液體積比1∶2，實(shí)驗(yàn)步驟為：①將微觀模型置于高溫高壓可視化夾持器中；②以0.02 mL/min的流量向“線型”微觀模型中注入一定孔隙體積的微泡沫或普通泡沫；③在視野內(nèi)選取200個(gè)以上氣泡，用顯微鏡觀察微泡沫或普通泡沫靜置0.5 h過程中形態(tài)的變化；④重復(fù)步驟①～②，將“線型”微觀模型換為非均質(zhì)微觀模型，對(duì)比觀察微泡沫和普通泡沫在模型高滲、低滲區(qū)域的波及情況，分析兩種泡沫的封堵機(jī)制。

1.2.2微泡沫注入性

采用Φ2.5 cm×80 cm填砂管，實(shí)驗(yàn)溫度90 ℃，回壓6 MPa。其步驟如下：①用石英砂填制填砂管，飽和模擬地層水，測(cè)量填砂管孔隙體積；②用起泡劑溶液飽和填砂管發(fā)泡器，將氣體、起泡劑溶液以1∶2的氣液體積比、1 mL/min的流量同時(shí)注入填砂管發(fā)泡器產(chǎn)生微泡沫；③當(dāng)一定孔隙體積的微泡沫注入填砂管后，再以1 mL/min的流量轉(zhuǎn)后續(xù)水驅(qū)，記錄驅(qū)替過程中各測(cè)壓點(diǎn)的壓力；④重復(fù)步驟①～③，將②中填砂管發(fā)泡器改成普通泡沫發(fā)生器，產(chǎn)生普通泡沫，對(duì)比分析微泡沫與普通泡沫的注入性。

1.2.3微泡沫調(diào)剖能力

采用滲透率級(jí)差為5左右的2根Φ2.5 cm×30 cm并聯(lián)填砂管，合注分采，實(shí)驗(yàn)溫度90 ℃，回壓6 MPa，氣液比1∶2。其步驟為：①以2 mL/min的流量向并聯(lián)填砂管中注入1 PV模擬地層水；②以相同的速度向并聯(lián)填砂管中持續(xù)注入微泡沫，記錄注微泡沫過程中巖心分流量分注入孔隙體積倍數(shù)的變化，當(dāng)并聯(lián)巖心分流量趨于穩(wěn)定后，停止實(shí)驗(yàn)；③重復(fù)步驟①～②，將②中注入的微泡沫改為普通泡沫，對(duì)比分析微泡沫與普通泡沫的調(diào)剖能力。

2 結(jié)果與討論

2.1 微泡沫微觀驅(qū)替

2.1.1微泡沫與普通泡沫微觀形態(tài)

圖2為微泡沫和普通泡沫靜置不同時(shí)間的微觀形態(tài)。微泡沫的平均氣泡直徑小于100 μm，有一定厚度的增黏水層，氣泡以獨(dú)立的球體、點(diǎn)接觸的方式存在，肉眼觀察，微泡沫呈白色乳狀液狀態(tài)。靜置0.5 h后，觀察視野內(nèi)的氣泡逐漸變大，個(gè)數(shù)減少，氣泡仍保持較規(guī)則的圓球狀，多數(shù)氣泡的直徑仍小于100 μm，體系仍呈乳狀液狀態(tài)，穩(wěn)定性較好。隨著靜置時(shí)間進(jìn)一步延長，微泡沫平均氣泡直徑大于100 μm，氣泡由點(diǎn)接觸變成面接觸，微泡沫溶液由乳液狀逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榕菽瓲?，最終轉(zhuǎn)變?yōu)槠胀ㄅ菽?。普通泡沫發(fā)生器制備出的普通泡沫，氣泡較大，液膜較薄，直徑大于100 μm，氣泡聚集在一起，以橢球形或多面體形存在。由于填砂管發(fā)泡器長度較大，直徑較小，氣體和起泡劑溶液在多孔介質(zhì)中混合的剪切作用較強(qiáng)，混合更加充分，形成泡沫的氣泡直徑較小。而普通泡沫發(fā)生器的長徑比較小，氣液只在發(fā)泡器的環(huán)形空間內(nèi)進(jìn)行混合，剪切作用較弱，導(dǎo)致泡沫的氣泡直徑較大。

2.1.2微泡沫與普通泡沫微觀調(diào)剖

圖3為微泡沫驅(qū)替過程中微觀模型前部的微觀圖片。注微泡沫前期，微泡沫為不連續(xù)的球形氣泡，主要通過模型的高滲區(qū)域，流經(jīng)模型低滲區(qū)域的氣泡個(gè)數(shù)較少。這是由于微泡沫平均氣泡直徑小于高滲區(qū)域孔喉直徑，微泡沫受高滲孔喉的約束較小，對(duì)孔喉的封堵作用較弱。因此，前期微泡沫主要波及阻力較小的高滲區(qū)域(見圖3(a)、圖3(b))。隨著注入量的增加，多個(gè)氣泡通過疊加滯留作用，在高滲區(qū)域孔喉處堆積封堵，致使微泡沫在高滲區(qū)域的流動(dòng)阻力增加，多數(shù)氣泡依靠“直接通過”或“彈性變形”的方式開始向模型低滲區(qū)域流動(dòng)，少量氣泡以“氣泡陷入”方式封堵小孔喉，并呈“細(xì)紋理狀”分布(見圖3(c))。雖然依靠多個(gè)氣泡疊加作用產(chǎn)生封堵作用的強(qiáng)度有限，高滲區(qū)域物理堆積的氣泡易被沖散，但微泡沫在流動(dòng)過程中會(huì)不斷重復(fù)暫堵、運(yùn)移的過程，使后續(xù)微泡沫由高滲孔喉向低滲孔喉發(fā)生液流轉(zhuǎn)向，低滲區(qū)域的波及體積隨著微泡沫注入量的增加逐漸增大。當(dāng)注入3 PV微泡沫后，微觀模型低滲區(qū)域的波及程度得到顯著改善(見圖3(d))。

普通泡沫驅(qū)替過程中模型前部的微觀圖片見圖4。與注微泡沫相比，普通泡沫在高、低滲區(qū)域的運(yùn)移速率較為一致，在相同泡沫注入量條件下，普通泡沫封堵能力較強(qiáng)，微觀調(diào)剖效果較好。這是由于普通泡沫的平均氣泡直徑大于高滲區(qū)域孔喉直徑，氣泡變形通過孔喉時(shí)的流動(dòng)阻力較大，具有更強(qiáng)抵抗后續(xù)流體沖刷的能力，在高滲區(qū)域產(chǎn)生的賈敏效應(yīng)進(jìn)一步增強(qiáng)，使后續(xù)進(jìn)入低滲小孔喉的氣泡個(gè)數(shù)增多，波及效果更好。

2.2 微泡沫注入性

借助帶有多測(cè)壓點(diǎn)的長填砂管模型(填砂管的滲透率為0.2 μm2左右)，研究微泡沫在多孔介質(zhì)中的運(yùn)移與分布，并與普通泡沫的注入性進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖5所示。注微泡沫初期，入口端壓力p1迅速升高，微泡沫先在填砂管入口端形成封堵。當(dāng)微泡沫注入量增加至0.3 PV、0.5 PV時(shí)，填砂管測(cè)壓點(diǎn)p2、p3開始起壓，微泡沫逐漸向地層深部運(yùn)移(由于p4代表回壓，故始終保持6 MPa不變)。注微泡沫結(jié)束時(shí)，填砂管沿程3段的壓差分別為0.22 MPa、0.39 MPa、0.41 MPa，填砂管后部的壓差最大，表明微泡沫注入性較好，在填砂管沿程的分布較為均勻，并且可在地層深部產(chǎn)生較好的封堵作用。后續(xù)水驅(qū)時(shí)，各測(cè)壓點(diǎn)壓力先迅速降低，然后緩慢下降，注入2 PV模擬水后，填砂管各段仍保持一定的封堵壓差，表明微泡沫有較好的耐水沖洗能力。

注普通泡沫時(shí)，p1和p2的壓力上升明顯，且隨著泡沫注入量的增加，相鄰測(cè)壓點(diǎn)壓差逐漸增大。注普通泡沫結(jié)束時(shí)，填砂管沿程3段的壓差分別為1.45 MPa、0.57 MPa、0.17 MPa，填砂管后部壓差很小，說明普通泡沫沒有在填砂管深部產(chǎn)生封堵，主要在填砂管的中前部起較強(qiáng)封堵作用。后續(xù)水驅(qū)時(shí)，各測(cè)壓點(diǎn)壓力先上升，然后以波動(dòng)狀降低，也表現(xiàn)出較好的殘余封堵能力。與普通泡沫相比，微泡沫的平均氣泡直徑較小，其注入性和地層深部封堵能力更好。

2.3 微泡沫調(diào)剖能力

為對(duì)比微泡沫和普通泡沫的調(diào)剖能力，將滲透率極差為5的2根填砂管并聯(lián)(其中高滲填砂管的滲透率為0.2 μm2左右)，模擬儲(chǔ)層非均質(zhì)性。記錄微泡沫和普通泡沫注入過程高、低滲填砂管分流率隨注入量的變化，結(jié)果如圖6所示。水驅(qū)時(shí)，注入水主要從流動(dòng)阻力較低高滲填砂管產(chǎn)出，低滲填砂管的分流率始終保值較小值。轉(zhuǎn)注微泡沫后，由于細(xì)微氣泡通過孔喉時(shí)變形產(chǎn)生的阻力及氣泡間堆積產(chǎn)生的累加封堵，高滲、低滲巖心的分流量出現(xiàn)交點(diǎn)，表現(xiàn)出一定的調(diào)剖作用。注入普通泡沫，低滲填砂管的分流率迅速增大，當(dāng)注入量為1 PV時(shí)，高、低滲填砂管的分流率曲線出現(xiàn)交點(diǎn)，繼續(xù)增大注入量會(huì)出現(xiàn)高、低滲分流率反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，說明普通泡沫優(yōu)先對(duì)高滲水流通道形成有效封堵，使后續(xù)流體轉(zhuǎn)向進(jìn)入低滲通道，有效改善非均質(zhì)地層的吸水剖面。后續(xù)水驅(qū)初期，低滲填砂管的分流率高于高滲管，說明普通泡沫的耐水沖洗能力較強(qiáng)，可長時(shí)間保持同步分流的調(diào)剖效果，調(diào)剖能力優(yōu)于微泡沫。

3 結(jié) 論

(1) 微觀驅(qū)替實(shí)驗(yàn)中，微泡沫平均氣泡直徑小于高滲區(qū)域孔喉直徑，氣泡受孔喉的約束較小，其主要通過多個(gè)氣泡疊加作用在高滲區(qū)域孔喉處形成堆積封堵，后續(xù)氣泡以“直接通過”或“彈性變形”的方式流入低滲區(qū)域，少量氣泡以“氣泡陷入”方式封堵小孔喉，但高滲區(qū)域物理堆積的微泡沫易被沖散，導(dǎo)致其封堵強(qiáng)度較弱，調(diào)剖作用有限。 與微泡沫相比，普通泡沫的平均氣泡直徑大于高滲孔喉直徑，氣泡通過孔喉時(shí)的流動(dòng)阻力較大，封堵能力較強(qiáng)，氣泡主要通過“彈性變形”和“液膜分異”作用進(jìn)入孔喉。在相同泡沫注入量條件下，普通泡沫微觀調(diào)剖效果更好。

(2) 微泡沫在填砂管沿程產(chǎn)生的壓差分布較為均勻，其注入性和深部封堵能力優(yōu)于普通泡沫。

(3) 普通泡沫的耐水沖洗能力較強(qiáng)，可長時(shí)間保持同步分流的調(diào)剖效果，調(diào)剖能力優(yōu)于微泡沫。

(4) 微泡沫具有提高高溫高鹽油藏采收率的潛力。

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