岳玉全, 鄭之初, 張世民

(1.中國科學院力學研究所,北京100080; 2.中國石油遼河油田分公司錦州采油廠,遼寧凌海121209)

氮氣泡沫驅(qū)發(fā)泡劑優(yōu)選及油層適應性室內(nèi)實驗

岳玉全1,2, 鄭之初1, 張世民2

(1.中國科學院力學研究所,北京100080; 2.中國石油遼河油田分公司錦州采油廠,遼寧凌海121209)

氮氣泡沫驅(qū)是普通稠油開采后期的一種經(jīng)濟可行的接替技術(shù),可以大幅度提高剩余油采收率。氮氣泡沫驅(qū)取得效果的一個重要前提是選擇發(fā)泡性能好,泡沫阻力大的發(fā)泡劑。采用靜態(tài)和動態(tài)實驗對幾種初選的發(fā)泡劑進行了優(yōu)選,選出了性能最優(yōu)的發(fā)泡劑;并進行了可視化實驗,對氮氣泡沫驅(qū)油層適應性進行了研究,表明非均質(zhì)模型泡沫驅(qū)效率均低于均質(zhì)模型,但在殘余油狀態(tài)下,非均質(zhì)模型泡沫驅(qū)增油效果要明顯高于均質(zhì)模型。儲層非均質(zhì)性越嚴重,水驅(qū)殘余油狀態(tài)下,泡沫驅(qū)油的增產(chǎn)效果越顯著。對于非均質(zhì)嚴重的儲層,礦場泡沫驅(qū)油增產(chǎn)效果更好。

氮氣泡沫驅(qū); 發(fā)泡劑; 油層適應性

氮氣泡沫驅(qū)是指在油田開發(fā)后期,將發(fā)泡劑溶液(一種表面活性劑溶液)與從空氣中分離出的氮氣在線混合,產(chǎn)生離散的泡沫,利用泡沫液具有高視粘度和選擇性優(yōu)先封堵高含水大孔道的特性進行驅(qū)油,克服熱力采油中遇到的重力超覆、汽竄和指進等問題,從而提高原油采收率的一種三次采油增產(chǎn)措施[1-4]。氮氣泡沫驅(qū)對提高中質(zhì)稠油油田的采收率是一種可行的方法,具有巨大的經(jīng)濟效益。

關(guān)于泡沫的產(chǎn)生及在多孔介質(zhì)中的運移已有大量的研究[5-10]。在泡沫驅(qū)采油技術(shù)中,一個關(guān)鍵的問題是選擇合適的表面活性劑作為發(fā)泡劑,具有發(fā)泡量大、穩(wěn)定時間長和增加阻力明顯等特征。在一定的經(jīng)濟成本下,選擇合適的發(fā)泡劑質(zhì)量分數(shù)。在實際的油藏中,地層大多是非均質(zhì)的,采用水驅(qū)、蒸汽驅(qū)等常規(guī)方法常出現(xiàn)驅(qū)替前沿不均,波及效率不高,采收率低等缺點。本文從氮氣泡沫驅(qū)發(fā)泡劑的優(yōu)選和對油層非均質(zhì)的適應性兩方面展開研究,為氮氣泡沫驅(qū)采油技術(shù)的應用提供支持。

1 發(fā)泡劑優(yōu)選

發(fā)泡劑作為氮氣泡沫驅(qū)采油的主要驅(qū)替配液用劑,其性能的好壞對開發(fā)效果起到至關(guān)重要的作用。因此,進行合理篩選、有效檢測與測試是一項十分重要的質(zhì)量和性能保證工作。發(fā)泡劑的優(yōu)選包括靜態(tài)、動態(tài)測試評價方法。發(fā)泡性能是發(fā)泡劑最重要的指標之一,通過靜態(tài)方法對不同的發(fā)泡劑在標準狀況(常溫、常壓)下對其發(fā)泡性能進行測試,研究發(fā)泡量和半衰期等評價指標。評價泡沫液性能的另一個重要指標是阻力因子,反映了泡沫液較普通氣-液二相流在多孔介質(zhì)中滲流時增加阻力的能力,阻力因子越大,泡沫封堵能力越好,驅(qū)油效果越好。通過動態(tài)方法可以對發(fā)泡劑的能力進行優(yōu)選。

1.1 靜態(tài)實驗

1.1.1 實驗方法 靜態(tài)實驗通過測試發(fā)泡劑的發(fā)泡量和泡沫半衰期來評價發(fā)泡劑的性能。模擬實驗選用編號分別為1-4的4種發(fā)泡劑(添加犧牲劑或穩(wěn)定劑,有較好的抗鹽性),其發(fā)泡性能測試方法如下:首先將發(fā)泡劑原液配制成0.5%、1%、1.5%和2%4個質(zhì)量分數(shù)不同的發(fā)泡劑溶液,體積為100 mL;然后將其中一種溶液倒入攪拌器中,在7 000 r/min的速度下攪拌3～5 min的時間;攪拌停止后以最快的速度將攪拌液倒入帶有刻度的量筒中,并記錄量筒中泡沫總高度,記錄泡沫總高度隨時間的變化,測試泡沫的半衰期(泡沫高度衰減一半所對應的時間。半衰期越長,泡沫越穩(wěn)定)。一種發(fā)泡劑實驗結(jié)束后,再將另一質(zhì)量分數(shù)的發(fā)泡劑溶液倒入攪拌器中,重復上次過程,評價不同發(fā)泡劑發(fā)泡性能并進行優(yōu)選。

1.1.2 實驗結(jié)果及分析 4種發(fā)泡劑在不同質(zhì)量分數(shù)下的發(fā)泡量、半衰期的變化趨勢見圖1。

Fig.1 Relationship between foam volume,foam half-life and concentration of foam agent圖1 發(fā)泡劑質(zhì)量分數(shù)與發(fā)泡量和泡沫半衰期之間的關(guān)系

1.2 動態(tài)實驗

上面從靜態(tài)角度評價不同的發(fā)泡劑發(fā)泡量及穩(wěn)定性。下面從動態(tài)的角度來研究發(fā)泡劑性能,測試地層溫度(50℃)條件下,不同發(fā)泡劑在不同質(zhì)量分數(shù)、不同氣液體積比下在填砂圓管模型中的阻力因子,根據(jù)阻力因子的大小來判斷每一種發(fā)泡劑在地層中的驅(qū)油效果,由此選出驅(qū)替效果最好的發(fā)泡劑用于礦場驅(qū)油。

阻力因子定義為泡沫液在多孔介質(zhì)中滲流時產(chǎn)生的壓降與相同氣液體積比條件下不加入發(fā)泡劑氣液二相流在多孔介質(zhì)中滲流時產(chǎn)生的壓降之比。該參數(shù)反映了由于發(fā)泡劑加入,發(fā)泡后引發(fā)滲流阻力的增加。增加值越大,說明泡沫的封堵效果越好。

1.2.1 實驗流程及實驗方法 用于評價的實驗模型為填砂圓管模型,直徑為2.1 cm,長度為19.5 cm,用河砂充填成符合滲透率要求的模型,抽真空、飽和水進行阻力因子測試實驗。模型具體物性參數(shù)見表1。

實驗過程為將水和氮氣按照一定的氣液體積比注入模型,測試不同氣水比下的流動壓力;將注入水改為一定質(zhì)量分數(shù)的發(fā)泡劑溶液進行與上面對應的氣液體積比驅(qū)替實驗,記錄模型驅(qū)替過程中的壓力變化,直到壓力穩(wěn)定為止。計算不同發(fā)泡劑在不同質(zhì)量分數(shù)下的阻力因子。實驗流程如圖2所示。

表1 阻力因子測試模型物性參數(shù)Table 1 Physical parameters of the models for drag force factor

試驗溫度50℃,注入液體速度2 mL/min,3#劑實驗測得測試不同氣水的流動壓力與阻力因子結(jié)果如表2所示。

表2 3#發(fā)泡劑的阻力因子測試結(jié)果Table 2 Results of test for drag force factor in 3#foam agent

Fig.2 Flow sheet of drag force test圖2 阻力因子測試實驗流程示意

1.2.2 實驗結(jié)果及分析 4種發(fā)泡劑在不同質(zhì)量分數(shù)、不同氣液體積比條件下的阻力因子見圖3。由圖3可知3#發(fā)泡劑的阻力因子最高,2#次之,1#和4#發(fā)泡劑的阻力因子最低,綜合靜態(tài)實驗的結(jié)果,將3#發(fā)泡劑作為優(yōu)選的結(jié)果。質(zhì)量分數(shù)對阻力因子影響較大,當質(zhì)量分數(shù)為0.5%時阻力因子很低,但當質(zhì)量分數(shù)增加到1%或繼續(xù)增加到2%時,阻力因子不再有大的改變,說明發(fā)泡劑質(zhì)量分數(shù)的優(yōu)選值應該是1%。相同質(zhì)量分數(shù)的發(fā)泡劑溶液與氣液體積比有以下對應關(guān)系:阻力因子首先隨氣液體積比增加而增加,當氣液體積比增到3∶1或4∶1后,阻力因子不再繼續(xù)增加,相反還會隨氣液體積比的增加而降低,同時還可以發(fā)現(xiàn)如果氣液體積比太低,小于或等于1時,阻力因子就會太小,達不到泡沫驅(qū)油的效果,而且4種發(fā)泡劑阻力因子在測試過程中都存在著這一現(xiàn)象,說明每一種泡沫在驅(qū)油過程中都存著一個最佳氣液體積比,該值從圖中可以清楚地看到。

Fig.3 Variation of drag force factor with gas-liquid ratio and concentration of foam agent圖3 阻力因子隨發(fā)泡劑質(zhì)量分數(shù)及氣液體積比的變化

綜合阻力因子測試實驗和靜態(tài)實驗,優(yōu)選3#發(fā)泡劑作為下一步驅(qū)油實驗的研究對象,最佳質(zhì)量分數(shù)1%,最佳氣液體積比介于2到4之間。下面室內(nèi)實驗研究選擇最佳氣液體積比為3∶1。

術(shù)后1年隨訪未出現(xiàn)不融合的情況，腰背痛VAS評分、腰痛JOA評分及ODI功能評分顯著低于術(shù)前，獲得較好的融合和臨床療效。術(shù)中采用1枚拉力螺釘固定對側(cè)，降低了耗材費用。因此，該術(shù)式具有切口小、創(chuàng)傷小、半堅強固定、并發(fā)癥少、融合率高、臨床效果好、費用少等優(yōu)點。

2 泡沫驅(qū)油層非均質(zhì)適應性研究

由于玻璃模型的可視性效果好,可以清楚地看到模型水驅(qū)油至殘余油時的油水分布狀態(tài),以及在殘余油狀態(tài)下泡沫驅(qū)油的過程,開展可視化實驗可以幫助認識泡沫驅(qū)的驅(qū)油機理,了解泡沫在地層條件動態(tài)變化規(guī)律,有效指導泡沫驅(qū)開發(fā)方案設(shè)計。下面對均質(zhì)和非均質(zhì)及非均質(zhì)不同滲透率級差的平板玻璃模型,分別進行水驅(qū)后再泡沫驅(qū)的可視化實驗,研究泡沫驅(qū)對油藏的適應性。

2.1 平板模型制作

平板可視模型實驗基礎(chǔ)參數(shù)如表3所示。首先將玻璃模型三面密封,在沒有密封的一面充填沙子。充填砂子目數(shù)主要20-40目,60-80目,80-120目和200目。填充完畢后用HY876雙組份環(huán)氧膠粘結(jié),固化后就可以用來進行實驗。長、寬、高尺寸為:20 cm ×15 cm ×0.5 cm。制作了兩類模型一為均質(zhì)模型,入口位于右下角,出口在左上角;另一種為3層非均質(zhì)韻律模型,級差分別為2和4,模型入口以邊水形式均勻注入,但出口分設(shè)在3個層里(見圖4)。

Fig.4 Diagram of heterogeneous porous media圖4 非均質(zhì)正韻律模型的平面示意

表3 平板可視模型實驗基礎(chǔ)參數(shù)Table 3 Fundamental parameters of the flat-panel model

2.2 實驗結(jié)果及分析

2.2.1 均質(zhì)模型 實驗過程是先進行水驅(qū)至殘余油,再進行依照上面實驗得到的最優(yōu)參數(shù)進行泡沫驅(qū)油,以便進行水驅(qū)效率、水驅(qū)加后續(xù)泡沫驅(qū)效率比較,認識水驅(qū)與氮氣泡沫驅(qū)的不同動態(tài)特點。水驅(qū)油過程中模型顏色變化不是十分明顯,波及范圍沒有達到模型全部,說明水驅(qū)油效率偏低。注入水一開始也是主要沿著對角線流動驅(qū)油,隨著驅(qū)替過程的進行,注入水繼續(xù)沿著對角線前進,直到模型出口,同時注入水在對角線兩側(cè)的波及范圍也在不斷擴大。到水驅(qū)結(jié)束時,注入水沿著注采對角線以紡錘形狀分布,在另外兩角沒波及到。最終水驅(qū)采收率為69.22%(見圖5(a))。

Fig.5 End state of water flood in 1#homogeneous media圖5 1#均質(zhì)模型水驅(qū)油和泡沫驅(qū)油結(jié)束狀態(tài)

在水驅(qū)至殘余油結(jié)束后,接著進行泡沫驅(qū)的實驗。泡沫進入模型后模型內(nèi)的顏色明顯變淺,而且泡沫波及到的地方與沒有波及到的地方存在著明顯的反差,說明在殘余油狀態(tài)下,泡沫驅(qū)油提高采收率效果顯著,模型入口在泡沫持續(xù)驅(qū)替過程中開始變白,波及范圍增加。同時泡沫注入壓力也開始明顯上升。驅(qū)替最后模型中幾乎沒有殘余油存在,效果非常顯著(見圖5(b))。

可以發(fā)現(xiàn)水驅(qū)后改注泡沫,殘余油狀態(tài)下泡沫的封堵效果良好,采收率較水驅(qū)明顯增加,含水率顯著降低,直到含水率達到100%實驗結(jié)束。

總結(jié)1#模型水驅(qū)和泡沫驅(qū)的實驗結(jié)果,可以發(fā)現(xiàn)飽和油模型在水驅(qū)到殘余油后再進行泡沫驅(qū)效果十分顯著,可大大提高原油采收率。因此,在儲層進行泡沫驅(qū)油時,首先注水驅(qū)油或其他驅(qū)油方式到殘余油狀態(tài),然后再改注泡沫,盡量使油田儲層開發(fā)達到高效,經(jīng)濟的合理化開采。

2.2.2 非均質(zhì)模型 2#模型是正韻律非均質(zhì)模型,由3種目數(shù)的河砂充填而成,模型級差為2(見圖4)。模型抽真空直接飽和原油,然后以2 mL/ min的速度進行邊水驅(qū)油到殘余油狀態(tài),之后以3∶1(氣3 mL/min+液1 mL/min)的氣液體積比進行泡沫驅(qū)。

水驅(qū)時注入水大部分沿著下部高滲層流動,少量注入水在中低滲層中流動。采出程度較低,整個模型水驅(qū)油采收率不高,只有62.3%。采收率主要集中在高、中滲層的出口采出,低滲層出口沒有出油(見圖6a)。

圖6b到圖6e表示水驅(qū)后進行泡沫驅(qū)替剩余油時在不同時刻模型中剩余油的分布狀態(tài)。從圖6b和圖6c可以看到泡沫開始進入到模型的過程,泡沫同樣首先進入下部高滲層中,由于高滲層含有飽和度低,發(fā)泡效果好且穩(wěn)定性好,泡沫封堵能力高,驅(qū)替壓力升高,驅(qū)替液進入中滲層,驅(qū)油效果表現(xiàn)得十分明顯,殘余油明顯減少。

圖6d表明泡沫在下部高滲層中的驅(qū)替效果越來越明顯,逐漸變白;同時中低滲層中泡沫驅(qū)效果也更加顯著,顏色明顯變淺,殘余油顯著減少,且入口處也開始變白;低滲層泡沫驅(qū)效果稍差一些,但對最右側(cè)圖,低滲層波及面積也明顯增大,且顏色變淺,不過,低滲層的油在流動過程中大部分先進入中滲層,然后通過中滲層的出口被驅(qū)出。

在圖6e中,下部的高滲層由于泡沫驅(qū)的作用,殘余油飽和度基本上接近于零,由于泡沫對高滲層的封堵作用,中低滲層的泡沫驅(qū)油效果也十分明顯,到泡沫驅(qū)替結(jié)束時,中滲層中的殘余油飽和度也非常低,只在靠近出口的位置還有少量的殘余油存在。低滲層中還殘留一定量的原油,由于低滲層滲透率最低,整體泡沫驅(qū)替在低滲層中很難進行,大量的泡沫在入口處就改道進入中滲層,故到泡沫驅(qū)結(jié)束后,低滲層的顏色沒有變白,還殘留著一定量的原油。驅(qū)替過程中由于泡沫對中高滲層封堵效果,驅(qū)替壓力一直在增加,直到含水率達到100%。

Fig.6 Process of foam flood in 2#heterogeneous media圖6 2#非均質(zhì)正韻律模型泡沫驅(qū)油過程

3#模型級差為4,其余參數(shù)及實驗過程同2#模型。為便于比較,把其實驗結(jié)果與1#和2#模型結(jié)果列于表4中。

表4 不同模型水驅(qū)及泡沫驅(qū)采收率結(jié)果Table 4 Results of water and foam flood in different media

從表4可以看出,均質(zhì)模型水驅(qū)和泡沫驅(qū)采收率都高于非均質(zhì)模型;水驅(qū)結(jié)束后,非均質(zhì)模型泡沫驅(qū)采收率提高程度明顯大于均質(zhì)模型;非均質(zhì)模型級差越大,其水驅(qū)效率越低,泡沫驅(qū)采收率提高程度越大。說明氮氣泡沫驅(qū)對油藏非均質(zhì)性有更好的適應性。

3 礦場應用實例分析

JI0塊氮氣泡沫試驗區(qū)含油面積0.68 km2,地質(zhì)儲量2.598×106t,9口注入井,對應44口采油井。方案預計在已采出42.2%的基礎(chǔ)上,提高采收率15.6%(其中泡沫驅(qū)5年,采出程度9.5%),最終采收率達到57.8%,投入產(chǎn)出比1∶1.5以上。實際5年期內(nèi),注水1.094×106m3,注氮氣4.072× 1 05m3(折算地下),注藥劑7 999 t,采出程度為9.9%,投入產(chǎn)出比1∶1.74累計增油1.61×105t噸,階段采出程度11.2%,階段提高采收率6.2% (動態(tài)預測最終提高采收率9.3%),總采出程度達到53.3%,全面完成了方案階段預期目標(見表5)。

試驗經(jīng)歷了水驅(qū)向泡沫驅(qū)轉(zhuǎn)變和連續(xù)驅(qū)向段塞驅(qū)過渡這樣曲折變化過程,期間通過工藝改造、擴建和多次動態(tài)注入?yún)?shù)優(yōu)化調(diào)整,才逐步實現(xiàn)技術(shù)完善與配套,實現(xiàn)了方案的各項指標,突出表現(xiàn)在:

1)井注入壓力大幅上升,區(qū)塊地層壓力明顯恢復:水井注入壓力由4 MPa升到9 MPa以上;油井壓力由平均4 MPa恢復到6 MPa左右,說明地層壓力水平整體有所提高,具備調(diào)剖的基本特征和人工動力驅(qū)替采油條件。

2)降水增產(chǎn)作用非常突出,單井含水降低30%～50%,產(chǎn)量增加3～7倍;試驗區(qū)綜合含水降低8%～10%,產(chǎn)量增加近1倍。

3)入井的吸水剖面和生產(chǎn)井的產(chǎn)出剖面得到較大改善,油層動用程度由67%提高到89%,提高了22%。

4)采出程度(1 1.2%)、平均采油速度(1.87%),比水驅(qū)提高采收率6.2%,動態(tài)預測最終提高采收率9.3%,采油速度提高1倍。

5)效益顯著,方案5年期限內(nèi),9井組累產(chǎn)油25.63×104t,總投入1.500 18×108元,原油售價按方案設(shè)計1 020元/t計算,凈效益1.114 08×108t元,創(chuàng)效能力2.228×107元/a,單位操作成本585元/t,比方案設(shè)計低30元,投入產(chǎn)出比1∶1.7。

通過礦場先導試驗表明氮氣泡沫驅(qū)采油可以提高原油采收率,效果顯著,提高采收率9.3%,是普通稠油油田蒸汽吞吐開采后期經(jīng)濟有效、技術(shù)可行的接替技術(shù)。制取氮氣技術(shù)和高壓注入工藝技術(shù)成熟,且符合清潔、無害化環(huán)保要求。礦場實踐表明,由于實際地質(zhì)情況、開發(fā)歷史的復雜性,在室內(nèi)實驗和數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上,在開發(fā)過程中需要根據(jù)實際情況不斷進行動態(tài)調(diào)整,優(yōu)化注入?yún)?shù),實現(xiàn)泡沫驅(qū)高效開發(fā),其中配套的監(jiān)測技術(shù)是評價、調(diào)整的重要依據(jù)和手段。

表5 方案實施前5年各項指標對比表Table 5 Comparison between production index and project target

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(Ed.:WYX,Z)

Selection of Foam Agent and Adaptability of Formation for Nitrogen Foam Displacement

YUE Yu-quan1,2,ZHENG Zhi-chu1,ZHANG Shi-min2
(1.Institute of Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Beijing100080,P.R.China; 2.Jinzhou Oil Production Plant,Liaohe Oilf ield B ranch ofPetroChina,Linghai Liaoning121209,P.R.China)

3March2008;revised19November2009;accepted16December2009

Nitrogen foam displacement is an alternative technique for heavy oil and can enhance the oil recovery.Foam agent is optimally selected from several ones based on foam performance by static and dynamic tests.Visual experiments are performed to study the adaptability of formation,and it is show that oil recovery is lower in heterogeneous formation than that in homogeneous formation.However,under condition of residual oil,the increment of recovery in heterogeneous formation is larger than that in homogeneous one.The more heterogeneous the porous media is,the higher the increment of oil recovery and the better the efficiency of foam displacement.

Nitrogen foam displacement;Foam agent;Formation adaptability

.Tel.:+86-427-7550413;fax:+86-427-7550413;e-mail:zsm57268@163.com

TE327

A

10.3696/j.issn.1006-396X.2010.01.019

2008-03-03

岳玉全(1963-),男,遼寧義縣,高級工程師,博士。

中國石油集團公司資助項目(2008B-1001)。

1006-396X(2010)01-0080-06