楊興利 張京倫 焦偉杰 涂彬 何敏俠 師曉偉 李夢(mèng)勤

(1. 延長(zhǎng)油田股份有限公司寶塔采油廠， 陜西 延安 716005；2. 中國(guó)石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院， 北京 102249)

泡沫驅(qū)是一種可有效地實(shí)現(xiàn)接續(xù)開(kāi)發(fā)的三次采油技術(shù)[1-2]。其中氮?dú)馀菽?qū)實(shí)施成本低、工藝簡(jiǎn)單，兼具氣驅(qū)和表面活性劑驅(qū)的優(yōu)勢(shì)。氮?dú)馀菽?qū)過(guò)程中，產(chǎn)生的CO2和N2等氣體會(huì)溶于原油，使原油體積膨脹，增加彈性能量；同時(shí)，在儲(chǔ)層上形成氣液兩相的泡沫驅(qū)替流體，增加流動(dòng)阻力及波及體積，改善驅(qū)油效果，從而提高采收率[3-5]。迄今為止，已在多個(gè)油田開(kāi)展了礦場(chǎng)氮?dú)馀菽?qū)先導(dǎo)試驗(yàn)，也取得了一定的成效[6-7]。

沙家溝區(qū)塊位于陜北斜坡東部寶塔油田南部，主力油層為長(zhǎng)6儲(chǔ)層，各小層平均滲透率均介于0.69×10-3～1.38×10-3μm2，屬于低孔-特低滲儲(chǔ)層。油藏埋深淺，地層壓力低，屬于低溫低壓油藏。該區(qū)塊天然能量開(kāi)發(fā)時(shí)間長(zhǎng)，且注水開(kāi)發(fā)前全區(qū)綜合含水率高達(dá)40%，在經(jīng)過(guò)水驅(qū)開(kāi)發(fā)半年后普遍出現(xiàn)水竄、水淹現(xiàn)象。延長(zhǎng)油田沙家溝區(qū)塊由于天然能量開(kāi)發(fā)階段含水率高，導(dǎo)致后期注水開(kāi)發(fā)見(jiàn)水和含水上升較快，最終發(fā)生了大面積水淹水竄，水驅(qū)效果較差。此外，沙家溝區(qū)塊地貌屬于黃土高原黃土梁峁地貌，干旱缺水，不適合開(kāi)展大規(guī)模注水作業(yè)。

采用氮?dú)馀菽?qū)可以有效地防止水竄與氣竄，實(shí)現(xiàn)接續(xù)開(kāi)發(fā)，但其具體實(shí)施效果受儲(chǔ)層特征、開(kāi)發(fā)歷史及注采制度等因素的顯著影響。目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)低溫低壓特低滲油藏氮?dú)馀菽?qū)適應(yīng)性及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施效果的研究較少，本次研究將在此方面予以嘗試。

1 儲(chǔ)層特征及其開(kāi)發(fā)特征

1.1 儲(chǔ)層特征

沙家溝區(qū)塊位于寶塔油田南部，其開(kāi)發(fā)油層集中在三疊系延長(zhǎng)組長(zhǎng)6層位，主要含油層位為長(zhǎng)61、長(zhǎng)62、長(zhǎng)63層，長(zhǎng)64層局部含油，主采層位為長(zhǎng)61、長(zhǎng)62層。研究區(qū)塊原始儲(chǔ)層壓力為4～5 MPa，儲(chǔ)層屬于常溫低壓油藏。儲(chǔ)層特征可歸納如下：

(1) 物性差，低孔隙度、特低滲透率、高含水率。沙家溝區(qū)塊三疊系延長(zhǎng)組長(zhǎng)6儲(chǔ)層以三角洲前緣沉積為主，其巖性表現(xiàn)為以灰色細(xì)粒長(zhǎng)石砂巖為主，其次為中 — 細(xì)粒及細(xì) — 粉粒長(zhǎng)石砂巖，具有相似的巖石學(xué)特征。巖石學(xué)特征表現(xiàn)為成分成熟度低、結(jié)構(gòu)成熟度高。平均孔隙度約為10.74%，平均滲透率為0.69×10-3～1.38×10-3μm2，束縛水飽和度高。

(2) 縱向上表現(xiàn)為多油層、多流動(dòng)單元，跨度較大。流動(dòng)單元與開(kāi)發(fā)方案關(guān)系密切，無(wú)論是進(jìn)行井網(wǎng)井距設(shè)置和調(diào)整，還是注水注氣井位選擇都與流動(dòng)單元關(guān)系密切。根據(jù)主力油層內(nèi)流動(dòng)性質(zhì)的不同，又可劃分多個(gè)流動(dòng)單元，其層間非均質(zhì)性較強(qiáng)。當(dāng)實(shí)施多層籠統(tǒng)注水時(shí)，尤其在注入量較小的情況下，吸水剖面較小，驅(qū)油波及體積小，開(kāi)發(fā)效果差。

(4) 特低滲油藏毛管孔喉半徑分布廣泛，毛管壓力差異大，注入困難。由圖1可以看出，特低滲油藏巖心孔喉半徑分布廣泛。不同孔喉半徑下毛管力的差異較大， 很難通過(guò)驅(qū)替壓差來(lái)驅(qū)動(dòng)較小孔隙內(nèi)的油。如孔喉半徑為50～200 nm(特低滲)的毛管，其壓降從0.922 9 MPa降到0.211 2 MPa，差值為0.711 7 MPa；孔喉半徑為2 000～5 000 nm(中高滲)的毛管，其壓降從0.020 2 MPa降到0.008 0 MPa，差值為0.012 2 MPa。

圖1 某特低滲巖心孔喉半徑分布

由表1所示孔喉半徑與毛管力關(guān)系可看出，特低滲油藏不同孔喉半徑下毛管力的敏感程度遠(yuǎn)大于高中滲油藏。

(1)

式中：pc—— 毛管壓降；

h—— 水膜厚度；

r—— 孔喉半徑；

σ—— 氣水界面張力；

θ—— 接觸角。

1.2 開(kāi)發(fā)特征

沙家溝區(qū)塊于2015年12月開(kāi)始進(jìn)行注水開(kāi)發(fā)，采用不規(guī)則反九點(diǎn)井網(wǎng)。根據(jù)沙家溝區(qū)塊水驅(qū)階段生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，得到注水開(kāi)發(fā)生產(chǎn)動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)(見(jiàn)圖2)。將注水開(kāi)發(fā)過(guò)程分為2個(gè)階段：初期增產(chǎn)階段和后期含水率快速上升階段。在初期增產(chǎn)階段，通過(guò)完善注采井網(wǎng)及溫和注水等措施，使生產(chǎn)井產(chǎn)液量和產(chǎn)油量實(shí)現(xiàn)緩慢上升。此階段開(kāi)始后注水不到1個(gè)月，油井綜合含水率從30%上升至40%，之后含水率保持穩(wěn)定。由于該區(qū)塊非均質(zhì)性嚴(yán)重，水驅(qū)前緣分布不均勻，注入水在優(yōu)勢(shì)通道處發(fā)生竄流，導(dǎo)致部分生產(chǎn)井水淹而關(guān)井，產(chǎn)液量呈增大趨勢(shì)，產(chǎn)油量開(kāi)始緩慢下降，大部分生產(chǎn)井見(jiàn)水，含水率大幅度上升。此時(shí)，區(qū)塊進(jìn)入含水快速上升階段。2016年10月，含水率呈階梯式上升到50%。至2017年2月停止注水時(shí)，平均含水率已達(dá)到55%。

圖2 沙家溝注水區(qū)2015-01 — 2017-02油井生產(chǎn)曲線(xiàn)

通過(guò)對(duì)動(dòng)靜態(tài)資料進(jìn)行分析，認(rèn)為水驅(qū)階段主要表現(xiàn)出以下特征：

(1) 注入井的吸水能力較差，整體注采比偏小。長(zhǎng)6儲(chǔ)層的滲透率較低，儲(chǔ)層吸水能力較差；同時(shí)，儲(chǔ)層黏土遇水膨脹作用顯著，使得隨著水驅(qū)持續(xù)時(shí)間的延長(zhǎng)，吸水能力進(jìn)一步下降。單井注水量大約為3～5 m3d，注采比偏小，導(dǎo)致平面上注采不平衡，且油井見(jiàn)水后采油指數(shù)大幅下降，難以保持穩(wěn)產(chǎn)，因此，大部分井組都處于低產(chǎn)低效的狀態(tài)。

(2) 生產(chǎn)井見(jiàn)水后，含水率上升速度較快。高滲條帶的存在，使得生產(chǎn)井一旦見(jiàn)水，采油指數(shù)就會(huì)較大幅度降低，而水油黏度比和含水飽和度的變化，又使其降低程度加劇，最后，生產(chǎn)井含水率快速上升，極大地增加了井區(qū)穩(wěn)產(chǎn)的難度。

(3) 注入水單向突進(jìn)，水竄的方向性明顯。一方面，在經(jīng)歷注水開(kāi)發(fā)后，非均質(zhì)性增強(qiáng)；另一方面，沿著主河道方向往往會(huì)形成優(yōu)勢(shì)通道。于是，注入水沿著某一特定方向優(yōu)先滲流，導(dǎo)致優(yōu)勢(shì)方向的生產(chǎn)井見(jiàn)水時(shí)間提前，甚至發(fā)生水竄。若某個(gè)井組中有一兩口井發(fā)生水竄，則整個(gè)井組的注采效果將會(huì)大幅度降低。位于主裂縫條帶上的受益井普遍含水率較高，注入水的單項(xiàng)突進(jìn)使得儲(chǔ)層的層間非均質(zhì)性差異逐漸加大，裂縫側(cè)向油井長(zhǎng)期不見(jiàn)效，開(kāi)發(fā)效果很差。

2 氮?dú)馀菽?qū)的作用機(jī)理及適應(yīng)性分析

2.1 氮?dú)馀菽?qū)作用機(jī)理

氮?dú)馀菽?qū)提高采收率的機(jī)理主要體現(xiàn)在改善油水流度比、提高水驅(qū)油的洗油效率以及增加油藏的彈性能量等方面。

(1) 泡沫體系調(diào)剖作用機(jī)理。進(jìn)入地層的泡沫液首先進(jìn)入大孔道，由于液膜層黏度異常和孔徑改變，大孔道被堵塞，流體阻力不斷增大，使泡沫液依次進(jìn)入較小的孔道，于是原來(lái)水驅(qū)不能驅(qū)洗的小孔道中的油被驅(qū)洗出來(lái)。因此，在油層中注入一定體積的泡沫液，就可以在隨后注入的驅(qū)動(dòng)劑(水或氣)的前面形成一個(gè)具有較高黏度的段塞，以降低流度比，從而提高波及系數(shù)以提高采收率[8-10]。

(2) 氮?dú)馀菽{(diào)驅(qū)提高洗油效率作用機(jī)理。泡沫劑是一種活性很強(qiáng)的磺酸鹽類(lèi)陰離子表面活性劑，能大幅度降低油水界面張力，改變巖石表面的潤(rùn)濕性，使束縛狀態(tài)的原油通過(guò)油水乳化、液膜置換等方式成為可流動(dòng)的油。泡沫液膜與油膜相接觸，由于泡沫液膜的高剪切力，使原來(lái)附著在巖石表面的油膜受剪切作用而成為可流動(dòng)的原油。依靠疊加的氣阻效應(yīng)(賈敏效應(yīng))，可以提高洗油效率。進(jìn)入地層的泡沫液首先進(jìn)入孔道，由于液膜層異常黏度和孔徑發(fā)生改變，大孔道被堵塞，流體阻力不斷增大，使泡沫液依次進(jìn)入較小的孔道，于是原來(lái)水驅(qū)不能驅(qū)洗的小孔道中的油就會(huì)被驅(qū)替出來(lái)[11-12]。

氮?dú)獾膲嚎s系數(shù)是二氧化碳?xì)怏w的3倍，在相同的溫度條件下，氮?dú)獾捏w積系數(shù)大于二氧化碳?xì)怏w的體積系數(shù)。注入相同體積的氮?dú)猓梢则?qū)替更多的油氣。注入氮?dú)夂笈菽w積膨脹，增加了彈性能量。

2.2 氮?dú)馀菽?qū)適應(yīng)性

寶塔油田沙家溝區(qū)塊為輕質(zhì)黑油油藏，油藏天然能量開(kāi)發(fā)階段含水率較高，注水開(kāi)發(fā)后發(fā)生了大面積水竄。對(duì)于此類(lèi)油藏開(kāi)發(fā)，氮?dú)馀菽?qū)是一種最有發(fā)展前景的提高采收率技術(shù)。氮?dú)獠皇切纬膳菽淖罴褮庀?，也非最理想的氣?qū)原料，但其成本和來(lái)源具有優(yōu)勢(shì)。綜合注氮?dú)馀菽?qū)油的各項(xiàng)技術(shù)分析，認(rèn)為在沙家溝區(qū)塊實(shí)施氮?dú)馀菽?qū)是可行的。

(1) 氮?dú)庾鳛槎尾捎?、三次采油的注入介質(zhì)，其來(lái)源廣泛，費(fèi)用低，經(jīng)濟(jì)效益好。

(2) 沙家溝區(qū)塊的地面原油相對(duì)密度為0.821～0.837 gcm3，油藏屬于輕質(zhì)油藏，適用氮?dú)馀菽?qū)技術(shù)。

(3) 沙家溝區(qū)塊地層水高礦化度(礦化度11～202 mgL)的特點(diǎn)是注氮?dú)獠捎图夹g(shù)的最有利因素，有利于提高氮?dú)獾睦寐?，并能間接實(shí)現(xiàn)煙道氣驅(qū)。

(4) 沙家溝區(qū)塊屬于特低滲儲(chǔ)層，難采儲(chǔ)量占總地質(zhì)儲(chǔ)量的61%，若通過(guò)高壓注氮?dú)馓岣哂筒啬芰?，有望打破注水開(kāi)發(fā)難的局面。

(5) 目前部分老區(qū)已進(jìn)入開(kāi)發(fā)后期，接近或達(dá)到經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)極限，而且一些老區(qū)油層非均質(zhì)性嚴(yán)重，普遍存在大孔道，適用氮?dú)馀菽?qū)技術(shù)。

因此，將氮?dú)馀菽?qū)作為三次采油技術(shù)的研究方向符合油田實(shí)際開(kāi)發(fā)情況。

3 沙家溝氮?dú)馀菽?qū)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

所選氮?dú)馀菽?qū)重點(diǎn)研究區(qū)域總共有90口井，其中注入井13口，生產(chǎn)井77口，共分為13個(gè)井組。重點(diǎn)研究區(qū)內(nèi)絕大多數(shù)井于2013年開(kāi)井，并經(jīng)歷了注水開(kāi)發(fā)生產(chǎn)過(guò)程。

根據(jù)沙家溝區(qū)塊影響開(kāi)發(fā)效果各因素綜合評(píng)價(jià)，建議適當(dāng)加大交替注入周期，采用“30天氣體和10天泡沫液交替注入”的生產(chǎn)方式，注入壓力控制在18.0 MPa左右。

圖3 氮?dú)馀菽?qū)實(shí)施前重點(diǎn)研究井組含水率分布

圖4 氮?dú)馀菽?qū)實(shí)施后重點(diǎn)研究井組含水率分布

實(shí)施氮?dú)馀菽?qū)后，重點(diǎn)研究井組區(qū)域的平均含水率明顯下降，尤其是高含水井?dāng)?shù)量顯著下降。對(duì)比圖3和圖4可以看出，注水井6820-1井與6393井，6259-1井與6258-2井，6262-1井與6262井，6264-4井與6264井、6266井，6270-1井與6269井，6667-2井與6666井之間存在明顯的水竄通道；經(jīng)過(guò)氮?dú)馀菽?qū)之后，這些井的含水率大幅度下降，說(shuō)明注入地層的泡沫封堵了水的高滲通道，降低了水的相對(duì)滲透率，降低了儲(chǔ)層的非均質(zhì)程度。

在實(shí)施氮?dú)馀菽?qū)之前，全區(qū)月平均含水率為54.8%；在實(shí)施氮?dú)馀菽?qū)后，2018年4月，經(jīng)過(guò)一年多的氮?dú)馀菽?qū)開(kāi)發(fā)，全區(qū)月平均含水率下降了11.2%，產(chǎn)油量增加了13.29 t。表2所示為全區(qū)實(shí)施泡沫驅(qū)前、后的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。圖5、圖6和圖7分別統(tǒng)計(jì)了典型井組泡沫驅(qū)前后含水率下降、產(chǎn)水量下降、產(chǎn)油量增加的井?dāng)?shù)分布情況。

氮?dú)馀菽?qū)起到了良好的降水效果：

(1) 含水率下降6%～11%的井?dāng)?shù)量最多，有28口；其次是含水率下降0～6%的油井，有11口。全區(qū)含水率上升的井只有16口，約占總油井?dāng)?shù)量的21%，全區(qū)79%的油井含水率下降。

(2) 產(chǎn)水量下降0～5 m3的井?dāng)?shù)量最多，達(dá)到了60口。產(chǎn)水量增加的井只有10口，占總生產(chǎn)井?dāng)?shù)量的13%，全區(qū)87%的油井產(chǎn)水量下降。

含水率下降比較顯著的井主要分布在區(qū)域中部。這是由于中部油井基本只受泡沫井控制，受效顯著，而區(qū)域邊緣的油井受到區(qū)域外其他水井的控制，導(dǎo)致其他方向發(fā)生了水的突進(jìn)，因而總體降水效果較差。產(chǎn)油量增加井為37口；產(chǎn)油量基本保持不變或下降量不足2 m3的井可視為穩(wěn)產(chǎn)井，有37口；產(chǎn)油量下降較多的井只有3口。穩(wěn)產(chǎn)井和增產(chǎn)井合計(jì)占總生產(chǎn)井?dāng)?shù)的96%，增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)效果明顯。綜合分析認(rèn)為，氮?dú)馀菽?qū)可以起到顯著的穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)效果。

4 結(jié) 論

(1) 沙家溝區(qū)塊儲(chǔ)層物性差，屬于低孔、特低滲、高含水飽和度油藏?？v向上多油層、跨度大，平面非均質(zhì)性較強(qiáng)。因此天然能量和注水方式開(kāi)發(fā)效果差，采收率低。

圖7 產(chǎn)油量增加情況井?dāng)?shù)分布

(2) 沙家溝儲(chǔ)層孔隙尺度小，毛管半徑分布廣泛，毛管壓力差異大，注入困難。氮?dú)馀菽?qū)產(chǎn)生泡沫對(duì)于孔隙具有“堵大不堵小”的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)均勻驅(qū)替，抑制水竄和氣竄，從而提高采收率。

(3) “交替注入3天氣體和1天泡沫液”的注入方式使得大量泡沫在近井地帶生成，不利于壓力波傳遞，使得注入難度增加。適當(dāng)加大交替注入周期，采用“30天氣體和10天泡沫液交替注入”的方式生產(chǎn)，可以有效提高氮?dú)馀菽?qū)的生產(chǎn)效果。

(4) 在沙家溝區(qū)塊典型井組實(shí)施了泡沫驅(qū)以后，典型井組月平均含水率下降了11.2%，產(chǎn)油量增加了13.29 t。實(shí)踐證明，氮?dú)馀菽?qū)應(yīng)用于沙家溝區(qū)塊，適應(yīng)性好，可以有效減緩沙家溝區(qū)塊的自然遞減率，起到了明顯的降水增油效果。