盧迎波

（中國(guó)石油新疆油田分公司風(fēng)城油田作業(yè)區(qū)，新疆克拉瑪依 834000）

0 引言

“泡沫油”是由Main 于1993 年首次提出，用來(lái)解釋連續(xù)油相中伴隨不連續(xù)氣相的分散流動(dòng)現(xiàn)象［1］。泡沫油現(xiàn)象是指含氣原油同時(shí)存在泡點(diǎn)和擬泡點(diǎn)，當(dāng)?shù)貙訅毫ο陆档脚蔹c(diǎn)后，溶解氣并不立即脫離原油，而是隨著原油一起流動(dòng)，形成兩相非達(dá)西形態(tài)的油氣分散流。與常規(guī)油氣兩相流相比，其區(qū)別主要在于原油內(nèi)氣體分散形成的氣泡流動(dòng)［1-2］。部分學(xué)者以委內(nèi)瑞拉含氣重油油藏（地層原油黏度為5 873 mPa·s）開(kāi)展了自生泡沫油形成機(jī)理、物理特性、驅(qū)替特征等研究，并在加拿大、委內(nèi)瑞拉的重油油藏成功進(jìn)行了應(yīng)用［3-4］。熊鈺等［5-6］對(duì)稠油油藏泡沫油溶解氣驅(qū)形成過(guò)程及影響因素進(jìn)行了詳細(xì)研究，明確了飽和壓力、壓力衰竭速率、溶解氣油比、界面張力等因素對(duì)泡沫油形成的影響。劉雪琦［7］，孫曉飛等［8］針對(duì)泡沫油衰竭開(kāi)采后的稠油油藏，提出了通過(guò)回注氣體再現(xiàn)泡沫油現(xiàn)象大幅提高產(chǎn)量的技術(shù)策略。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)泡沫油的形成機(jī)理仍存在爭(zhēng)議，其中包括泡沫油形成的原油黏度界限。以往學(xué)者們研究的主要是含氣的中深層普通稠油油藏，利用降壓生產(chǎn)后溶解氣析出自生泡沫油，注氣二次泡沫油研究也是基于自生泡沫油開(kāi)采的稠油油藏。針對(duì)淺層不含溶解氣的超稠油油藏，國(guó)內(nèi)外學(xué)者普遍對(duì)電加熱輔助、多元介質(zhì)輔助提高油藏采收率的研究甚多［9-10］，而對(duì)利用注氣形成泡沫油提高采收率的研究較少，相應(yīng)的注氣形成泡沫油機(jī)理及微觀滲流特征的相關(guān)研究則更少。因此，從超稠油注氣形成泡沫油的角度出發(fā)，開(kāi)展注氣介質(zhì)優(yōu)選及注氣形成泡沫油實(shí)驗(yàn)，深入解析注氣形成泡沫油過(guò)程中的滲流特征變化情況，并評(píng)價(jià)注氣泡沫油驅(qū)油效果，以期為超稠油次生泡沫油低碳開(kāi)發(fā)提供借鑒。

1 地質(zhì)概況

研究區(qū)位于準(zhǔn)噶爾盆地西北緣烏夏斷裂帶西北部，地處哈拉阿拉特山以南，緊鄰烏爾禾鎮(zhèn)（圖1a）。烏夏斷裂帶形成于海西運(yùn)動(dòng)中晚期，定型于印支運(yùn)動(dòng)，終止于燕山運(yùn)動(dòng)早中期，屬于擠壓-推覆型斷裂［11］，推覆體構(gòu)造帶延伸250 km，整體呈北東—南西向展布。斷裂帶內(nèi)地層發(fā)育較為齊全，侏羅系是主要的油氣成藏地層，自下而上發(fā)育八道灣組（J1b）、三工河組（J1s）和齊古組（J3q）等3 套地層，其中齊古組是超稠油開(kāi)發(fā)的主要目的層系，與下伏三工河組和上覆清水河組均呈不整合接觸，地層構(gòu)造為南傾單斜，地層傾角為5°～10°［12］，齊古組自上而下可劃分齊一段（J3q1）、齊二段（J3q2）和齊三段（J3q3）（圖1b）。齊古組油藏屬于典型的砂礫巖辮狀河沉積體，儲(chǔ)層巖性主要為礫巖、中砂巖及粉砂巖，儲(chǔ)集巖碎屑組分以凝灰?guī)r和石英為主，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別31.9%和27.8%，其次為長(zhǎng)石，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18.6%。碎屑顆粒粒徑一般為0.05～2.00 mm，顆粒分選中等，磨圓度以次棱角—次圓狀為主。儲(chǔ)層平均埋深為298 m，平均孔隙度為32.2%，平均滲透率為2 650 mD，含油飽和度為74.8%，原始原油黏度為26.1×104mPa·s，原始地層壓力為3.0 MPa，屬于高孔高滲的淺層構(gòu)造巖性超稠油油藏［13-14］。

圖1 準(zhǔn)噶爾盆地西北緣烏夏斷裂帶位置（a）和侏羅系齊古組巖性地層綜合柱狀圖（b）Fig.1 Location of Wuxia fault zone（a）and stratigraphic column of Jurassic Qigu Formation（b）in northwestern margin of Junggar Basin

2 注氣介質(zhì)篩選

在進(jìn)行注氣形成泡沫油實(shí)驗(yàn)前，先進(jìn)行注氣形成泡沫油最佳介質(zhì)的篩選。選取研究區(qū)齊古組油藏超稠油油樣，原油密度為0.958 g/cm3，原始原油黏度為26.1×104mPa·s，膠質(zhì)+瀝青質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為39.4%，飽和烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40.1%，芳香烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20.5%。實(shí)驗(yàn)所用氣體主要選取CO2，N2和煙道氣（CO2∶N2=1∶4），氣體純度均為99.9%。

注氣介質(zhì)篩選裝置為高溫高壓配樣器和落球黏度計(jì)，其中，高溫高壓配樣器用于使氣體與原油充分接觸，溫控區(qū)間為0～180 ℃，壓控區(qū)間為0～10 MPa；落球黏度計(jì)用于測(cè)量目標(biāo)原油黏度。

注氣介質(zhì)篩選流程：①將配樣器抽真空，向配樣筒內(nèi)裝入100 mL 的脫氣原油；②將CO2氣體注入到高溫高壓配樣筒中加壓至設(shè)定壓力（2.0 MPa，3.5 MPa，5.0 MPa），在不同溫度梯度下（20 ℃，50 ℃，100 ℃）促使氣體與原油充分混合4 h 以上，待系統(tǒng)壓力變化穩(wěn)定時(shí)測(cè)量原油體積和黏度；③計(jì)算出CO2的降黏率；④依次更換氣體為N2、煙道氣，重復(fù)上述流程，完成篩選過(guò)程。

當(dāng)注入介質(zhì)為CO2時(shí)，20 ℃條件下，壓力由2.0 MPa 升高至5.0 MPa 時(shí)，原油黏度由151 641 mPa·s降低至44 631 mPa·s，降黏率由41.9%提高至82.9%；相同溫度條件下，當(dāng)注入介質(zhì)為N2時(shí)，壓力升高，原油黏度變化不明顯；煙道氣降黏效果及降黏率介于CO2和N2之間。在溫度為100 ℃和壓力為5.0 MPa條件下，注入介質(zhì)為CO2時(shí)，降黏率最高，為45.8%（表1）。這主要是由于CO2能較好地溶于原油，促使其體積膨脹，界面張力降低，破壞稠油膠體；與CO2相比，N2黏度小，密度較小，在原油中的溶解能力較弱［15-17］。煙道氣中CO2所占比例越大，原油黏度降低幅度越大。由此可見(jiàn)，在相同的溫度條件下，壓力越高，介質(zhì)降黏率越高；在相同壓力條件下，隨溫度升高，降黏率逐漸下降。因此，選用CO2作為注氣形成泡沫油的最佳注入介質(zhì)。

表1 不同溫度和壓力下溶解不同介質(zhì)后原油黏度和降黏率Table 1 Viscosity and viscosity reduction rate of crude oil dissolved in different media at different temperatures and pressures

3 注氣形成泡沫油實(shí)驗(yàn)

超稠油注氣形成泡沫油后的流相與常規(guī)原油存在較大差別。通過(guò)開(kāi)展原油泡點(diǎn)壓力測(cè)定實(shí)驗(yàn)、泡沫油微觀可視化實(shí)驗(yàn)、CO2輔助蒸汽驅(qū)油實(shí)驗(yàn)等3 個(gè)實(shí)驗(yàn)，明確原油泡點(diǎn)壓力、泡沫油形成過(guò)程及泡沫油驅(qū)油效果，揭示注氣形成泡沫油的形成機(jī)理和滲流特征。

實(shí)驗(yàn)裝置：蒸汽發(fā)生器、氣量計(jì)、平流泵、多功能巖心驅(qū)替裝置、高溫高壓配樣器、落球黏度計(jì)、PVT 儀、掃描電子顯微鏡等設(shè)備。

泡點(diǎn)壓力測(cè)定實(shí)驗(yàn)流程（圖2）：①將配樣器抽真空，向配樣筒內(nèi)裝入100 mL 的脫氣原油，在取樣點(diǎn)溫度（50 ℃，100 ℃）下將樣品加壓至地層壓力以上；②將一定量CO2氣體注入到配樣筒中，啟動(dòng)高溫高壓配樣器旋轉(zhuǎn)裝置促使氣體與原油飽和混合，待系統(tǒng)壓力穩(wěn)定后記錄壓力值和泵讀數(shù)；③將注入氣體的原油導(dǎo)入PVT 儀內(nèi)，按照0.25 MPa 逐級(jí)降壓至大氣壓力，充分搖動(dòng)至壓力穩(wěn)定后記錄壓力和泵讀數(shù)，依次分別測(cè)得各壓力下的泵讀數(shù)；④將測(cè)量結(jié)果標(biāo)繪在算術(shù)坐標(biāo)系上，得到泡點(diǎn)壓力測(cè)量曲線，曲線之拐點(diǎn)即為泡點(diǎn)壓力。

圖2 PVT 實(shí)驗(yàn)流程及主體裝置Fig.2 PVT experimental flow chart and main apparatus

泡沫油微觀可視化實(shí)驗(yàn)（圖3）流程：①制作微觀玻璃刻蝕模型（尺寸為50 mm×50 mm×3 mm，孔喉直徑為45 μm），設(shè)置實(shí)驗(yàn)溫度為50 ℃；②將模型抽真空，飽和蒸餾水；③設(shè)置回壓為2.0 MPa，將模型原油飽和；④注入0.3 PV 的CO2充分混合，靜置10 min 后以0.25 MPa/min 的壓降速率進(jìn)行降壓，采集釋壓過(guò)程中的圖像并作處理。

圖3 泡沫油微觀可視化實(shí)驗(yàn)流程Fig.3 Flow chart of microscopic visualization experiment of foamy oil

CO2輔助蒸汽驅(qū)油實(shí)驗(yàn)（圖4）流程：①以研究區(qū)齊古組油藏參數(shù)為依據(jù)，制作2 個(gè)物性相近的巖心（表2），并均勻填充6.8 mL 原油；②通過(guò)回壓閥設(shè)置回壓為2 MPa，一根巖心注5 PV 蒸汽后靜置10 min，后以0.25 MPa/min 的壓降速率釋壓，直至無(wú)產(chǎn)出液為止；③通過(guò)回壓閥設(shè)置回壓為2 MPa，一根巖心注0.3 PV CO2+5 PV 蒸汽后靜置10 min，按照上述壓降速率進(jìn)行生產(chǎn)，直至無(wú)產(chǎn)出液為止（因CO2呈泡沫油效果最佳）；④記錄步驟2 和3 在釋壓過(guò)程中的產(chǎn)油量隨壓力的變化關(guān)系。

表2 實(shí)驗(yàn)巖心參數(shù)Table 2 Experimental core parameters

圖4 巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)流程Fig.4 Flow chart of core displacement experiment

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 原油擬泡點(diǎn)壓力

擬泡點(diǎn)壓力是指注氣形成的泡沫油在壓力釋放過(guò)程中，氣泡逐漸聚并到一定程度后從原油中析出時(shí)的壓力［18-19］。當(dāng)原油的泡點(diǎn)壓力與擬泡點(diǎn)壓力差值越大時(shí)，說(shuō)明該原油具有注氣形成泡沫油的先決優(yōu)勢(shì)。通過(guò)擬泡點(diǎn)壓力測(cè)定實(shí)驗(yàn)，得出原油在不同注氣量條件下的泡點(diǎn)壓力和擬泡點(diǎn)壓力與原油黏度的關(guān)系曲線（圖5），原油泡點(diǎn)壓力為9.7 MPa，擬泡點(diǎn)壓力隨著注氣量的增加而升高，隨溫度的上升而上升。在50 ℃條件下，擬泡點(diǎn)壓力隨著CO2注入量的增加而增大，由初始的1.5 MPa 增大至5.7 MPa，壓力上升速度較緩，說(shuō)明儲(chǔ)層有較好的注氣特性。

圖5 泡點(diǎn)壓力和擬泡點(diǎn)壓力與注氣量和黏度的關(guān)系曲線Fig.5 Relationship curves of bubble point pressure and pseudo-bubble point pressure with gas injection volume and viscosity

泡點(diǎn)壓力作為泡沫油形成的壓力，擬泡點(diǎn)壓力作為泡沫油消失的壓力［20-21］。在同一注氣量下，同時(shí)存在泡點(diǎn)壓力和擬泡點(diǎn)壓力，即為該注氣量條件下泡沫油存在的壓力區(qū)間范圍。隨著注氣量的不斷增加，泡沫油存在的壓力區(qū)間范圍逐漸變小，形成泡沫油的能力逐漸減弱，且隨著氣體的注入，原油黏度先迅速下降，之后再緩慢下降，表明形成的泡沫油黏度遠(yuǎn)低于原始原油黏度，流動(dòng)性明顯增強(qiáng)。

4.2 泡沫油滲流特征

通過(guò)觀察壓力釋放至不同階段時(shí)的溶解氣驅(qū)微觀滲流圖（圖6），并根據(jù)氣泡發(fā)育大小和多少等情況，將泡沫油滲流分為5 個(gè)階段：①無(wú)氣泡階段。當(dāng)釋放后的壓力大于泡點(diǎn)壓力時(shí)，尚無(wú)氣體從原油中析出，該階段為單相油流（圖6a）。②氣泡析出階段。隨著壓力的進(jìn)一步釋放，當(dāng)壓力低于泡點(diǎn)壓力時(shí)，原油中的氣體逐漸析出并分散于原油中，此時(shí)泡沫油開(kāi)始逐漸形成，初始?xì)馀葜睆捷^?。▓D6b）。③氣泡擴(kuò)張階段。隨著壓力的進(jìn)一步釋放，氣泡直徑增大，當(dāng)直徑大于孔喉直徑時(shí)，在孔喉處流動(dòng)受阻，氣泡聚并融合形成大氣泡（圖6c）。④氣泡聚并階段。當(dāng)壓力再進(jìn)一步釋放，大氣泡發(fā)生流動(dòng)，被巖石顆粒切割成小氣泡，再在下一個(gè)孔喉處聚并、切割，該階段氣泡聚并且切割往復(fù)，最終形成氣包油狀泡沫油流（圖6d）。⑤氣泡消亡階段。當(dāng)壓力下降至擬泡點(diǎn)壓力之下，氣泡發(fā)生破裂，泡沫油消亡。

圖6 不同壓力下溶解氣驅(qū)微觀滲流圖Fig.6 Microscopic seepage flow diagram of dissolved gas drive under different pressures

4.3 CO2輔助驅(qū)油效果評(píng)價(jià)

在注純蒸汽與注蒸汽+CO2這2 種方式下隨壓力釋放的產(chǎn)油量變化情況均顯示，隨著壓力的釋放，氣泡數(shù)目逐漸增多，產(chǎn)油量逐步緩慢上升；當(dāng)壓力降至泡點(diǎn)壓力后，氣泡數(shù)目趨于平穩(wěn)，此時(shí)形成較穩(wěn)定的泡沫油，產(chǎn)油量大幅提升，為主力產(chǎn)油期；當(dāng)壓力釋放至擬泡點(diǎn)壓力后，氣泡數(shù)目迅速下降，泡沫油逐漸消亡，產(chǎn)油量緩慢下降。整個(gè)過(guò)程中，蒸汽+CO2方式依托泡沫油的產(chǎn)生，累產(chǎn)油17.1 mL，采收率達(dá)42.3%，較注純蒸汽方式提高產(chǎn)油量5.7 mL，提高采收率13.3%（圖7）。

圖7 驅(qū)油實(shí)驗(yàn)產(chǎn)油量曲線Fig.7 Oil production curves of oil displacement experiment

5 礦場(chǎng)應(yīng)用

原油溶解非凝析氣體時(shí)，壓降速率越大，則越有利于氣體從原油中析出并保持分散狀態(tài)，就越有利于泡沫油的形成［22-24］。因此在油井注氣后，再注入蒸汽燜井2～3 d，受效區(qū)原油在高壓差作用下向井筒流動(dòng)，初期壓力在泡點(diǎn)壓力之上，通過(guò)油嘴控壓可確保壓力穩(wěn)定釋放，地層原油以單相油流流動(dòng)；隨著壓力的下降，井底壓力降到泡點(diǎn)壓力以下，井筒附近開(kāi)始出現(xiàn)泡沫油流，通過(guò)提高油井沖次來(lái)強(qiáng)化排液，確保井底壓力快速降至擬泡點(diǎn)壓力附近，地層原油流動(dòng)整體以泡沫油流為主，并持續(xù)穩(wěn)定產(chǎn)出，此為產(chǎn)油主力貢獻(xiàn)期；當(dāng)壓力繼續(xù)下降至擬泡點(diǎn)壓力之下，出現(xiàn)油氣兩相流，進(jìn)一步提高油井沖次，加快抽油頻次，確保油井快速排采（圖8）。

圖8 噶爾盆地西北緣烏夏斷裂帶泡沫油開(kāi)采壓力控制模型Fig.8 Pressure control model of foamy oil production in Wuxia fault zone，Junggar Basin

基于注氣形成泡沫油的室內(nèi)驅(qū)油機(jī)理及認(rèn)識(shí)，針對(duì)研究區(qū)齊古組超稠油油藏經(jīng)過(guò)10 余輪次蒸汽吞吐后面臨地層能量低、周期產(chǎn)油低、油汽比低的生產(chǎn)矛盾，現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展19口油井注CO2次生泡沫油輔助蒸汽吞吐試驗(yàn)，試驗(yàn)井平均油層厚度為14.3 m，滲透率為1 024 mD，地層條件下原油黏度為245 320 mPa·s。實(shí)施注氣次生泡沫油措施后，單井增油629 t，油汽比提高0.21，采注比提高0.72，生產(chǎn)時(shí)間延長(zhǎng)70 d。經(jīng)化驗(yàn)，采出原油在50 ℃條件下黏度為25 630 mPa·s，遠(yuǎn)高于試驗(yàn)井未注氣前50 ℃條件下的原油黏度（6 055 mPa·s）。由此可見(jiàn)，稠油注CO2復(fù)合蒸汽吞吐，可進(jìn)一步擴(kuò)大蒸汽的波及范圍，提高難采儲(chǔ)量動(dòng)用程度，有利于提高產(chǎn)油量和油藏采收率。

6 結(jié)論

（1）超稠油注入非凝析氣體形成泡沫油具有較好的可行性，其中，CO2氣體較煙道氣和N2更易形成泡沫油，相同條件下降黏效果最好，煙道氣次之，N2最差。CO2次生泡沫油在溫度為20 ℃、壓力為5 MPa 時(shí)降黏率達(dá)82.9%，在溫度為100 ℃、壓力為5 MPa 時(shí)降黏率達(dá)45.8%。

（2）準(zhǔn)噶爾盆地西北緣烏夏斷裂帶超稠油擬泡點(diǎn)壓力隨著注氣量的增加，擬泡點(diǎn)壓力由1.5 MPa增大至5.7 MPa，當(dāng)注氣量為0.04 mol 時(shí)能夠達(dá)到較好的次生泡沫油效果。在壓力釋放過(guò)程中，泡沫油經(jīng)歷了氣泡的析出、聚并、切割、破裂及消亡。

（3）超稠油注CO2次生泡沫油輔助蒸汽吞吐，做好自噴期控壓排液、機(jī)抽期調(diào)參排采制度的優(yōu)化，有利于提高油井生產(chǎn)效果，具有規(guī)模推廣潛力。