吳曉峰，盛家平，熊曉菲

（中國(guó)石油大學(xué)（北京）非常規(guī)油氣科學(xué)技術(shù)研究院，北京 102249）

隨著國(guó)際油氣資源形勢(shì)的不斷變革，各國(guó)積極參與和深入研究非常規(guī)能源，2008 年威利斯頓盆地Bakken 致密油實(shí)現(xiàn)規(guī)?；_(kāi)發(fā)，強(qiáng)力逆轉(zhuǎn)了北美石油產(chǎn)量持續(xù)走低的趨勢(shì)［1］。中國(guó)的頁(yè)巖油、頁(yè)巖氣等非常規(guī)油氣資源的開(kāi)發(fā)潛力巨大［2-3］，探究其開(kāi)發(fā)方式顯得尤為重要。中國(guó)頁(yè)巖油氣資源量豐富，以準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組頁(yè)巖油勘探效果最為顯著［4-7］。吉木薩爾頁(yè)巖油儲(chǔ)層物性差，屬于特低滲透儲(chǔ)層，納米級(jí)孔喉占比大，以微細(xì)孔喉為主，排驅(qū)壓力平均約為4 MPa，滲流條件偏差，不壓裂無(wú)產(chǎn)能。開(kāi)發(fā)試驗(yàn)初見(jiàn)成效，水平井大規(guī)模壓裂后產(chǎn)能遞減快，采收率一般低于5%，提高采收率潛力巨大。

對(duì)于頁(yè)巖油藏，氣驅(qū)和注氣吞吐是提高其采收率手段。SHENG 對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層進(jìn)行注氣與注水對(duì)比，發(fā)現(xiàn)氣驅(qū)波及體積遠(yuǎn)大于水驅(qū)，提出頁(yè)巖儲(chǔ)層中注氣提高采收率方法的主要機(jī)理是維持壓力，而注氣吞吐具有最高的產(chǎn)油潛力［8］。由于頁(yè)巖油藏儲(chǔ)層的特殊性，常規(guī)的開(kāi)采方式及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等并不適用，主要的開(kāi)發(fā)方式建立在儲(chǔ)層壓裂改造之后，而壓裂技術(shù)會(huì)形成大量的壓裂裂縫，與此同時(shí)，頁(yè)巖油藏普遍發(fā)育不同開(kāi)度的天然裂縫，水力壓裂過(guò)程中較高的壓力在形成人工裂縫的同時(shí)會(huì)使部分天然裂縫打開(kāi)。在某些程度上，裂縫對(duì)儲(chǔ)層滲透率及產(chǎn)能的貢獻(xiàn)明顯［9］。張樹(shù)翠等開(kāi)展了頁(yè)巖儲(chǔ)層非均質(zhì)性及各向異性影響水力壓裂裂紋擴(kuò)展規(guī)律的研究［10］?？紤]到頁(yè)巖油基質(zhì)物性差，為實(shí)現(xiàn)基質(zhì)孔隙原油的充分動(dòng)用［11］，目前頁(yè)巖油藏井距一般為100～200 m，壓裂規(guī)模越來(lái)越大，鄰井之間縫網(wǎng)交錯(cuò)疊置，造成注入氣體很容易沿著裂縫竄逸，氣體遇到裂縫后主要沿裂縫流動(dòng)對(duì)基質(zhì)中的原油動(dòng)用程度低，一旦形成氣竄，注入壓力增幅減緩，注氣體積增大，造成注入氣體的浪費(fèi)，導(dǎo)致氣體無(wú)效循環(huán)，甚至?xí)绊懙洁従a(chǎn)，嚴(yán)重降低了開(kāi)發(fā)效果［12］。

泡沫是一種氣液兩相體系，具有“堵大不堵小、堵水不堵油”的選擇性封堵性能，以及擴(kuò)大宏觀掃油面積和微觀波及體積、提高洗油效率等作用機(jī)理［13-15］。1956 年，F(xiàn)RIED 最早通過(guò)室內(nèi)泡沫驅(qū)研究以及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)泡沫能迅速降低氣相相對(duì)滲透率，延緩了氣體的突破，進(jìn)而提高原油采收率［16］。之后的幾十年里，外國(guó)學(xué)者先后開(kāi)展了空氣泡沫、氮?dú)馀菽?、二氧化碳泡沫等室?nèi)實(shí)驗(yàn)和礦場(chǎng)應(yīng)用評(píng)價(jià)。ROMERO 等進(jìn)行了孔隙尺度的可視化實(shí)驗(yàn)，研究了泡沫在多孔介質(zhì)中的流動(dòng)［17］。DI等使用納米二氧化碳開(kāi)展二氧化碳泡沫驅(qū)油研究，大幅度提升了原油采收率［18］。SINGH 等采用共同注入的方式將發(fā)泡劑和氮?dú)庾⑷隑erea 砂巖，形成了納米顆?！砻婊钚詣┡菽?9］。中國(guó)學(xué)者對(duì)泡沫在油田開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用研究愈加細(xì)致。王玉斗等對(duì)泡沫滲流機(jī)理及其模型的研究［20］。張作安概述了泡沫驅(qū)油的驅(qū)油機(jī)理，并提出了泡沫驅(qū)油的發(fā)展方向［21］。杜朝鋒等就長(zhǎng)慶油田低滲透油藏開(kāi)展室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，原油采收率提高了6.85%［22］。萬(wàn)雪對(duì)泡沫的氣液比和段塞組合進(jìn)行了優(yōu)化［23］。李松巖等提出超臨界CO2泡沫能有效增加裂縫中的滲流阻力，控制流體在裂縫中的竄流［24］。鄒高峰等開(kāi)展了低界面張力的超微CO2泡沫的制備方式優(yōu)選［25］。劉雙星等考察了氣泡粒徑對(duì)驅(qū)油用泡沫體系的穩(wěn)定性和在多孔介質(zhì)中滲流特征的影響［26］。HAO 等提出將N2泡沫用于非均質(zhì)邊水油藏來(lái)解決CO2吞吐開(kāi)采過(guò)程中的水竄問(wèn)題［27］。

目前對(duì)于頁(yè)巖油藏中應(yīng)用泡沫來(lái)解決注氣吞吐中的氣竄問(wèn)題仍鮮有關(guān)注，為此筆者選取吉木薩爾頁(yè)巖油藏巖心，在對(duì)頁(yè)巖巖心進(jìn)行注氣吞吐開(kāi)采的基礎(chǔ)上，基于巖心尺度研究了裂縫巖心在注氣吞吐過(guò)程中的氣竄規(guī)律，將泡沫注入裂縫巖心，探究其在裂縫巖心中抑制氣竄的作用效果，以明確頁(yè)巖油藏注氣吞吐過(guò)程中泡沫防竄封堵能力，并分析了其對(duì)裂縫性頁(yè)巖油藏的提高采收率潛力。

1 實(shí)驗(yàn)器材與方法

1.1 材料與儀器

實(shí)驗(yàn)材料包括陰離子起泡劑α-烯烴磺酸鈉（AOS，艾科試劑有限公司生產(chǎn)）、十二烷基苯基磺酸鈉（SDBS，麥克林試劑有限公司生產(chǎn)）和十二烷基硫酸鈉（SDS，麥克林試劑有限公司生產(chǎn)），陽(yáng)離子起泡劑為十六烷基三甲基溴化銨（CTAB，麥克林試劑有限公司生產(chǎn)）；實(shí)驗(yàn)用水為模擬地層水，根據(jù)吉木薩爾頁(yè)巖油藏某區(qū)塊地層水組成配制；實(shí)驗(yàn)用油為新疆地面脫氣原油與煤油按照一定比例配制的模擬油，其密度約為0.845 g/cm3，氣源為高純氮?dú)猓兌龋?9.9%，來(lái)自北京城信順興氣體原料銷(xiāo)售公司）。

實(shí)驗(yàn)儀器包括XHF-DY 型高速攪拌器、ZYB-2型真空加壓飽和裝置、烘箱、METTLER-TOLEDO ME204E 型電子天平、UPUMP-100D 型恒速恒壓驅(qū)替泵、V-0.67/8 空氣壓縮機(jī)、Brooks5850E 氣體流量控制器、巖心夾持器、手搖泵、壓力傳感器和數(shù)據(jù)采集等。

實(shí)驗(yàn)采用吉木薩爾頁(yè)巖油藏某區(qū)塊巖心（表1），由于實(shí)際取心時(shí)很難獲得帶有裂縫的巖心，本實(shí)驗(yàn)通過(guò)線(xiàn)切割方式在巖心軸線(xiàn)位置進(jìn)行切割獲得人工裂縫，將切割后的兩部分巖心合并即可獲得帶有裂縫的巖心模型。

表1 實(shí)驗(yàn)用巖心參數(shù)Table1 Core parameters for experiments

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 起泡劑篩選實(shí)驗(yàn)

針對(duì)泡沫體系性能的評(píng)價(jià)有諸多方法［28-32］，目前普遍應(yīng)用Waring Blender 法來(lái)實(shí)現(xiàn)泡沫的生成和評(píng)價(jià)［33］，起泡劑性能主要通過(guò)起泡能力和穩(wěn)定性來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)，即最大起泡體積和泡沫的析液半衰期。

實(shí)驗(yàn)步驟主要包括：①使用100 mL配制好的模擬地層水，將其倒入燒杯，加入定量的起泡劑，通過(guò)磁力攪拌達(dá)到充分混合，實(shí)驗(yàn)用起泡劑分別為AOS，SDBS，SDS 和CATB。②打開(kāi)XHF-DY 型高速攪拌器電機(jī)，設(shè)定轉(zhuǎn)速為8 000 r/min，攪拌時(shí)間為3 min，充分起泡。③攪拌結(jié)束后立即讀取泡沫的最大起泡體積，即可判斷出起泡劑的起泡能力。④同時(shí)記錄液體從泡沫中析出一半所需要的時(shí)間，即泡沫的析液半衰期，就可以判斷出泡沫的穩(wěn)定性。⑤換不同濃度的其余試劑重復(fù)上述過(guò)程。

考慮泡沫起泡能力和析液半衰期對(duì)泡沫性能的綜合影響，引入泡沫的綜合指數(shù)FCI［34］概念，其計(jì)算公式為：

1.2.2 裂縫巖心氣竄實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)步驟主要包括：①選用長(zhǎng)度分別約為50和100 mm 的2 種裂縫巖心（Y-1 和Y-2）進(jìn)行對(duì)比，將其放在80 ℃的烘箱中烘干6 h。②將烘干后的巖心裝入巖心夾持器，為了減小巖心夾持器中裂縫位置的影響，放置巖心時(shí)確保人工裂縫的斷面保持水平，通過(guò)手搖泵施加圍壓，圍壓設(shè)定為10 MPa。③在巖心夾持器左端連接Brooks5850E 氣體流量控制器來(lái)控制注氣速度，設(shè)定范圍為0.5～4 mL/min。④巖心夾持器兩端連接壓力傳感器來(lái)記錄巖心兩端壓差，通過(guò)對(duì)比不同長(zhǎng)度、不同注氣速度下的巖心壓差曲線(xiàn)，來(lái)探究裂縫巖心的氣竄規(guī)律。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 裂縫巖心氣竄規(guī)律實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental device for gas channeling law in fractured cores

1.2.3 裂縫巖心泡沫封堵實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)步驟主要包括：①選用制備好的長(zhǎng)度約為100 mm的裂縫巖心Y-3，將其放在80 ℃的烘箱中烘干6 h。②將烘干后的巖心冷卻一段時(shí)間，稱(chēng)其干重，保證質(zhì)量差在合理范圍。③將巖心放入ZYB-2型真空加壓飽和裝置進(jìn)行抽真空（圖2），時(shí)間為8 h，抽真空結(jié)束后，對(duì)巖心進(jìn)行飽和油，每隔0.5 h 加壓5 MPa，直至壓力升至30 MPa，飽和時(shí)間為48 h。④將飽和完油的巖心使用電子天平進(jìn)行稱(chēng)重，即濕重，保證質(zhì)量差在合理范圍。⑤將巖心裝入巖心夾持器，放置巖心時(shí)確保人工裂縫的斷面保持水平，通過(guò)手搖泵施加圍壓為10 MPa。⑥在氣液的注入方式上，諸多學(xué)者認(rèn)為氣液同注的方式要優(yōu)于氣液交替注入［24，35-36］，所以本實(shí)驗(yàn)采用氣液同注的方式將泡沫注入裂縫巖心，注液速度為2 mL/min，注氣速度分別為1，2 和4 mL/min，從而得到不同氣液比分別為1∶2，1∶1 和2∶1，記錄巖心兩端的壓差，觀察不同氣液比下的封堵規(guī)律和效果，得到最佳氣液比（圖3）。⑦使用上述步驟得到的最佳氣液比，選用巖心Y-4 進(jìn)行氣體突破實(shí)驗(yàn)，得到氣體突破泡沫封堵時(shí)的壓力和時(shí)間。

圖2 真空加壓飽和裝置Fig.2 Vacuum pressure saturation device

圖3 裂縫巖心泡沫封堵規(guī)律實(shí)驗(yàn)裝置Fig.3 Experimental device for foam plugging law in fractured cores

1.2.4 泡沫封堵提高采收率潛力實(shí)驗(yàn)

選取巖心Y-5 和巖心Y-6，開(kāi)展裂縫巖心注氣吞吐和泡沫輔助注氣吞吐對(duì)比實(shí)驗(yàn)，注氣速度保持一致，泡沫通過(guò)氣液同注的方式注入裂縫巖心，注入時(shí)間為2 min，采用最佳氣液比，其余條件不變，進(jìn)行5 個(gè)輪次的注氣吞吐實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)比巖心每個(gè)輪次的周期采收率和總采收率，對(duì)比沒(méi)有注入泡沫和注入泡沫后的采出程度，從而明確泡沫防竄對(duì)于頁(yè)巖注氣吞吐的提高采收率應(yīng)用潛力。

2 結(jié)果分析

2.1 起泡劑篩選及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

對(duì)比AOS，SDBS，SDS 和CATB 等4 種起泡劑的起泡能力和穩(wěn)泡能力，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果（圖4，圖5）可知，相同條件下，4 種起泡劑的起泡體積各不相同，但均在300 mL 以上，其中SDBS 的起泡能力最好，AOS，SDS 和CATB 的起泡體積接近。4 種起泡劑的析液半衰期相差較大，其中起泡表現(xiàn)較好的SDBS析液半衰期最短，AOS 的析液半衰期較長(zhǎng)一些，泡沫穩(wěn)定性相對(duì)較好。按照（1）式計(jì)算得出4 種起泡劑的泡沫綜合指數(shù)（圖6），綜合比較各起泡劑的性能，可以得出：質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%的AOS 起泡劑的泡沫穩(wěn)定性最佳，故擬采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%的AOS作為起泡劑。

圖4 起泡劑起泡體積Fig.4 Foaming volumes of foaming agents

圖5 起泡劑析液半衰期Fig.5 Half lifes of foaming agents

圖6 起泡劑泡沫綜合指數(shù)Fig.6 Composite indexes of foaming agents

2.2 裂縫巖心氣竄實(shí)驗(yàn)

裂縫巖心注氣時(shí)，氣竄導(dǎo)致巖心兩端壓差不會(huì)持續(xù)增大，最終會(huì)存在很小的壓差。由長(zhǎng)短裂縫巖心不同注氣速度下的巖心兩端壓差（圖7）可知，注氣速度為0.5～1 mL/min 時(shí)，長(zhǎng)巖心和短巖心的壓差相近，但隨著注氣速度的增大，壓差差距增大；在發(fā)生氣竄時(shí)，不同長(zhǎng)度的裂縫巖心會(huì)有不同壓差，長(zhǎng)裂縫巖心氣竄規(guī)律更易觀察，為了更好地探究裂縫巖心泡沫封堵的效果，后續(xù)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)均采用長(zhǎng)度為100 mm的巖心。

圖7 裂縫巖心注氣時(shí)壓差對(duì)比Fig.7 Comparison between pressure differences during gas injection in fractured cores

2.3 裂縫巖心泡沫封堵實(shí)驗(yàn)

在注氣階段，由于氣竄導(dǎo)致巖心兩端的壓差很?。蛔⑷肱菽?，對(duì)比不同氣液比下的封堵壓差，可以看出氣液比為1∶1 時(shí)封堵壓差呈線(xiàn)性增加，封堵壓差大于氣液比為1∶2 時(shí)的封堵壓差，且在時(shí)間為85 min 后大于氣液比為2∶1 的封堵壓差，可以獲得較好的封堵效果（圖8），所以氣液比選定為1∶1。

圖8 不同氣液比的封堵壓差Fig.8 Plugging pressure differences with different gas-liquid ratios

在沒(méi)有注入泡沫時(shí)，裂縫巖心注入氣體時(shí)間大約為18 min 時(shí)巖心兩端的壓差不再發(fā)生變化，說(shuō)明氣體突破形成穩(wěn)定的氣竄通道（圖8）；在注入泡沫后，裂縫巖心兩端的壓差明顯增大，封堵壓差增至6.67 MPa，氣體突破時(shí)間為265 min（圖9），相比于形成氣竄通道的時(shí)間，氣體突破時(shí)間增加了13.72 倍，說(shuō)明泡沫起到了防止氣體竄流的作用，在注氣吞吐過(guò)程中采用泡沫進(jìn)行封堵具有可行性。

圖9 氣體封堵壓力和時(shí)間Fig.9 Gas plugging pressure and time

2.4 泡沫封堵提高采收率潛力實(shí)驗(yàn)

從圖10 采收率結(jié)果可知，巖心Y-5 和巖心Y-6的注氣吞吐過(guò)程中，隨著輪次的進(jìn)行，周期采收率逐漸遞減，其中前3 輪次的周期采收率對(duì)總采收率的貢獻(xiàn)較為突出。若沒(méi)有泡沫封堵，氣體沿裂縫竄流，導(dǎo)致注入壓力較低，巖心Y-5的前3輪周期采收率分別為4.06%，2.46%和1.33%，后2輪周期采收率越來(lái)越小，分別為0.82%和0.28%，5 輪次注氣吞吐的總采收率為僅為9.24%。當(dāng)巖心Y-6 注入泡沫后，由于泡沫的封堵作用，將氣體注入裂縫后，采收率明顯提升，前3 輪次的周期采收率分別提高了3.06%，1.62%和0.95%，第4 和第5 輪次分別提高了0.3%和0.18%。由此可見(jiàn)，進(jìn)行泡沫封堵后總采收率從9.24%增至15.82%，采收率提高了6.58%。

圖10 注氣吞吐和注氣吞吐+泡沫周期采收率對(duì)比Fig.10 Comparison of cyclic recoveries factor between huff-n-puff gas injection and huff-n-puff gas injection with foam

因此，在注氣吞吐過(guò)程中，注泡沫可有效抑制氣竄，為注入氣體進(jìn)入巖心基質(zhì)提供了有利條件，有效提高了裂縫性頁(yè)巖油藏注氣吞吐的采收率。

3 結(jié)論

分析裂縫對(duì)頁(yè)巖油藏注氣吞吐開(kāi)發(fā)的影響，指出氣體防竄對(duì)裂縫性頁(yè)巖油藏注氣開(kāi)發(fā)的必要性，在此基礎(chǔ)上提出將泡沫注入裂縫進(jìn)行封堵，分析了泡沫防竄對(duì)裂縫性頁(yè)巖油藏采收率的影響，評(píng)價(jià)注氣吞吐中泡沫防竄的提采效果。對(duì)比各起泡劑，篩選出質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%的AOS起泡劑綜合性能最佳。采用氣液同注方式將泡沫注入裂縫，裂縫巖心兩端壓差增至6.67 MPa，氣體突破時(shí)間增加了13.72 倍，說(shuō)明泡沫起到了防止氣體竄流的作用，在注氣吞吐過(guò)程中采用泡沫進(jìn)行封堵具有可行性。泡沫封堵可有效提高頁(yè)巖油藏吞吐采收率，經(jīng)過(guò)5 個(gè)輪次的吞吐總采收率提高6.58%，說(shuō)明泡沫封堵在裂縫性頁(yè)巖油藏中具有提高采收率的潛力。

符號(hào)解釋

FCI——泡沫綜合指數(shù)，mL·min；

——泡沫的析液半衰期，min；

Vmax——泡沫體系的最大起泡體積，mL。