康宵瑜，王維波，湯瑞佳，余華貴

(陜西延長(zhǎng)石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院，陜西西安 710075)

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空氣泡沫驅(qū)油技術(shù)在低溫特低滲油藏中的應(yīng)用
——以甘谷驛油田唐80井區(qū)為例

康宵瑜，王維波，湯瑞佳，余華貴

(陜西延長(zhǎng)石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院，陜西西安 710075)

摘要：針對(duì)陜北油區(qū)特低滲油藏地質(zhì)特征，以甘谷驛油田唐80井區(qū)為例，通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究了空氣泡沫驅(qū)油技術(shù)在低溫特低滲油藏中應(yīng)用的可行性。通過評(píng)價(jià)不同起泡劑在無油和含油30%條件下的泡沫高度、半衰期和泡沫綜合指數(shù)，篩選出起泡和穩(wěn)泡性能良好的起泡劑，優(yōu)化得到了低界面張力泡沫體系(0.12% FC-2 + 0.08% TC-12 + 0.1% BS + 1500mg/L HPAM)。模擬得到試驗(yàn)井區(qū)最佳泡沫干度為0.7、最佳注入壓力為18～22MPa、注入速度為10m3/d、注入周期在30天左右。結(jié)果表明，空氣泡沫驅(qū)油技術(shù)在30℃的低溫特低滲油藏中應(yīng)用安全可行，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)8個(gè)井組累計(jì)增油4898t，階段投入產(chǎn)出比為1∶2.57，增產(chǎn)效果明顯，可大幅度提高油田采收率，對(duì)同類油藏的增油控水具有一定的借鑒作用。

關(guān)鍵詞：空氣泡沫；低溫；特低滲油藏；甘谷驛油田

20世紀(jì)中后期，美國、加拿大、英國和挪威等國先后開展了泡沫驅(qū)和空氣泡沫驅(qū)的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，并在伊利諾斯州希金斯油田、Knybob South油田、北海油田和Snorre油田進(jìn)行了礦場(chǎng)試驗(yàn)，取得了較好效果[1-3]。 國內(nèi)空氣泡沫驅(qū)的研究始于20世紀(jì)70年代的勝利油田，隨后在百色、子寅、中原等油田進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，均取得了較好效果，但現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的油藏溫度均高于50℃[4-6]，油藏溫度低于50℃時(shí)一直沒有典型的研究。

針對(duì)鄂爾多斯盆地陜北油區(qū)特低滲油藏溫度低、非均質(zhì)性嚴(yán)重、微裂縫發(fā)育的特征[7-8]，本文以甘谷驛油田唐80井區(qū)為例，結(jié)合前人研究成果及室內(nèi)物理模擬，探討了空氣泡沫驅(qū)油技術(shù)在低溫、特低滲油藏中的應(yīng)用。室內(nèi)研究與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐結(jié)果表明，空氣泡沫驅(qū)可驅(qū)替出特低滲儲(chǔ)層中大量剩余油，增產(chǎn)效果明顯。同時(shí)，對(duì)應(yīng)采油井伴生氣中氧氣含量完全可控制在安全范圍以內(nèi)[9]，初步驗(yàn)證了該技術(shù)在低溫、特低滲油藏中的可行性，是該類油藏提高采收率的行之有效的新方法，可為同類油藏增油控水提供借鑒作用。

1 油藏特征及開發(fā)簡(jiǎn)況

唐80井區(qū)位于鄂爾多斯盆地東部陜北斜坡中部的甘谷驛油田，構(gòu)造基本形態(tài)為一東高西低的單斜，地層傾角為0.5°～1.0°(圖1)。主要含油層位為三疊系延長(zhǎng)組長(zhǎng) 6 油層組，儲(chǔ)層巖性主要為長(zhǎng)石細(xì)砂巖和長(zhǎng)石砂巖，孔隙類型主要為粒間孔和溶蝕孔，油藏非均質(zhì)性強(qiáng)，同時(shí)局部發(fā)育微裂縫[10-13]。儲(chǔ)層平均孔隙度為7.9%，平均滲透率為0.82mD，地層溫度為26～30℃，地層壓力為4.016～5.812MPa，油藏飽和壓力為1.12MPa，屬典型的低溫、特低滲油藏。且陜北地區(qū)氣候干旱，水資源相對(duì)匱乏，在注水開發(fā)過程中，常常存在水源不足、注不進(jìn)等問題。

唐80井區(qū)于2002年5月投產(chǎn)，投產(chǎn)初期含水較低，大部分井的含水在20%以下；2002年5月至2006年10月為增產(chǎn)階段，該階段含水呈波動(dòng)變化，主要是該區(qū)微裂縫較發(fā)育，水線推進(jìn)速度快(1.2～1.4m/d)，含水穩(wěn)定時(shí)間短，注水井投注一段時(shí)間后含水上升；2006年11月至2011年2月為產(chǎn)量遞減階段，一些井因水淹而關(guān)井，產(chǎn)液量、產(chǎn)油量大幅下降。

2 空氣泡沫驅(qū)油機(jī)理

空氣泡沫驅(qū)油將空氣驅(qū)和泡沫驅(qū)有機(jī)結(jié)合，本著“邊調(diào)邊驅(qū)”的原則，空氣作為驅(qū)油劑，泡沫作為調(diào)驅(qū)劑，既能大規(guī)模注入以提高地層壓力，又能有效避免水竄和氣竄，提高單井產(chǎn)油量、驅(qū)油效率及采收率[14-17]。

泡沫在多孔介質(zhì)中有獨(dú)特的滲流特性，其視黏度隨介質(zhì)孔隙的增大而升高，隨剪切應(yīng)力的增加而降低，泡沫遇油后穩(wěn)定性降低。這些特性不利于泡沫在油層大孔道內(nèi)的流動(dòng)，而有利于其在油層小孔道內(nèi)的流動(dòng)，因而能有效提高驅(qū)替液在非均質(zhì)油層內(nèi)的波及效率。

起泡劑復(fù)配體系是由甜菜堿型和氟碳型表面活性劑組成，兩種表面活性劑之間由不同電性交替排列，增加膜分子密度，減少氣體穿透，彼此協(xié)同作用增加泡沫穩(wěn)定性的同時(shí)，能較大幅度降低油水界面張力，改善巖石表面潤(rùn)濕性，使原來呈束縛狀的油通過油水乳化、液膜置換等方式成為可流動(dòng)的油。而且泡沫能顯著降低驅(qū)替液的流度，流度比的改善和泡沫本身具有的洗油能力提高了驅(qū)油效率。一般情況下，泡沫驅(qū)油可提高采收率10%～25%，且油層非均質(zhì)性越嚴(yán)重，對(duì)泡沫驅(qū)油越有利。

3 室內(nèi)評(píng)價(jià)研究

3.1 空氣泡沫驅(qū)安全可行性評(píng)價(jià)

針對(duì)延長(zhǎng)油區(qū)東部長(zhǎng)6油藏低溫、特低滲的特點(diǎn)，利用高壓恒溫氧化儀模擬30℃、8MPa 下油藏注空氣提高采收率的耗氧情況。在432小時(shí)的實(shí)驗(yàn)中平均每24小時(shí)監(jiān)測(cè)1次氧氣含量，發(fā)現(xiàn)氧氣含量呈指數(shù)遞減；在反應(yīng)時(shí)間為80天時(shí)，殘余氣中氧氣含量為7.84%，已低于地層條件下爆炸極限臨界氧氣含量(9.82%)(圖2 )。說明注空氣80天左右氧氣含量降至爆炸極限以下，若氣體在地層中滯留時(shí)間足夠長(zhǎng)，氧氣基本能在地下耗盡，即空氣泡沫驅(qū)可以在30℃的低溫、特低滲油藏中安全實(shí)施。

3.2 泡沫體系評(píng)價(jià)

3.2.1 低界面張力起泡劑體系

由于泡沫高度h和半衰期t1/2僅單純表征了起泡劑的起泡能力和穩(wěn)泡能力，為綜合評(píng)價(jià)起泡劑的起泡和穩(wěn)泡能力，采用泡沫綜合指數(shù)FCI來評(píng)價(jià)起泡劑的性能，泡沫綜合指數(shù)越大，表明其性能越好[18]。為了計(jì)算方便，泡沫綜合指數(shù)FCI簡(jiǎn)化計(jì)算公式為：FCI=ht1/2。

3.2.1.1 起泡劑的篩選評(píng)價(jià)

將初選的6種起泡劑(FC-2、TC-12、FC-1、LAS、DP-4和HY-2)用模擬地層水(礦化度為14000mg/L)配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%的起泡劑；30℃條件下測(cè)得起泡劑在含油和不含油情況下的h和t1/2，從而計(jì)算出FCI。結(jié)果表明，含油30%、氣液比為3∶1時(shí)，F(xiàn)C-2和TC-12具有良好的耐油性(圖3)。TC-12甜菜堿型表面活性劑分子結(jié)構(gòu)一部分是由季銨基長(zhǎng)鏈衍生物構(gòu)成的陽離子，另一部分是由磷酸酯基構(gòu)成的陰離子，此結(jié)構(gòu)決定其配伍性優(yōu)于一般陰離子表面活性劑，具有耐堿性、耐電解質(zhì)性和抗靜電性的優(yōu)點(diǎn)。甜菜堿在實(shí)驗(yàn)條件下基本處于等電區(qū)，靜電荷最少，在氣/液界面排列較緊密，耐油起泡性好。FC-2氟碳型表面活性劑既不親水也不親油，在氣/液界面上定向聚集排列，同樣具有優(yōu)異的起泡性。

3.2.1.2 起泡劑體系篩選

將FC-2、TC-12單一體系及其復(fù)配體系用模擬地層水(礦化度為14000mg/L)配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%的起泡劑，在含油30%、溫度為30℃條件下，測(cè)得FC-2、TC-12單一體系及其復(fù)配體系的h和t1/2，計(jì)算FCI。結(jié)果表明復(fù)配體系(0.1%TC-12 + 0.2%FC-2)的泡沫綜合指數(shù)最高，形成的泡沫性能最好，在較低氣液比時(shí)亦有不錯(cuò)的起泡和穩(wěn)泡能力(圖4)。這主要是由于兩種表面活性劑之間不同電性交替排列，增加膜分子密度，減少氣體穿透，彼此協(xié)同作用增加了泡沫穩(wěn)定性，提高了泡沫性能。

3.2.1.3 低界面張力泡沫體系優(yōu)選

表面活性劑可以通過與主劑的不同電性交替排列，增加膜分子密度，減少氣體穿透，增加泡沫穩(wěn)定性；而高分子聚合物則主要通過增加體系的黏度來增加泡沫的膜厚度和膜彈性，以增加泡沫的穩(wěn)定性[19]。向泡沫體系中加入能降低界面張力的甜菜堿型表面活性劑BS和穩(wěn)泡劑聚合物HPAM可以提高泡沫的穩(wěn)定性和驅(qū)油性能。

采用油田污水將HPAM分散、溶解配制成1500mg/L的聚合物溶液。利用該聚合物溶液分別配制不同配比的BS表面活性劑、FC-2和TC-12的復(fù)合泡沫體系，30℃條件下測(cè)定界面張力。結(jié)果表明，加入低界面張力表面活性劑BS與聚合物HPAM后，復(fù)合泡沫體系油水界面張力可降低到10-2數(shù)量級(jí)(圖5)。這是由于BS分子向油水界面擴(kuò)散的速度很快，在很短時(shí)間油水界面張力就可降至10-2數(shù)量級(jí)以下。基于降低油水界面張力結(jié)果，優(yōu)選低界面張力體系為：“0.12%FC-2+0.08%TC-12+0.1%BS+1500mg/L HPAM”。

3.3 注入方案設(shè)計(jì)

選取唐80井區(qū)8個(gè)空氣泡沫驅(qū)井組利用CMG數(shù)模軟件STARS模塊建立數(shù)模模型進(jìn)行模擬，平面網(wǎng)格步長(zhǎng)為15m，總網(wǎng)格數(shù)為113×67×8=60568，并進(jìn)行油藏參數(shù)設(shè)置。模擬注氣干度(泡沫干度)、注入速度、注入壓力、段塞周期對(duì)采出程度的影響。

3.3.1 泡沫干度優(yōu)化

模擬注氣泡沫干度分別為0.3、0.5、0.7、0.9 時(shí)對(duì)采出程度的影響，模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨注氣泡沫干度增大，采出程度先快速提高，增大到一定值時(shí)，提高速度變緩(圖6)，合理的泡沫干度應(yīng)在0.7左右。泡沫干度越大，產(chǎn)生泡沫的穩(wěn)定性和視黏度越高。在泡沫質(zhì)量較高的情況下，氣液界面曲率半徑變大，使得泡沫氣泡膜的彈性增強(qiáng)，泡沫更容易進(jìn)入并有效封堵高滲透層，使驅(qū)替流體更多地分流進(jìn)入中、低滲透層，調(diào)整注入剖面，發(fā)揮泡沫流度控制作用。但泡沫干度增大到一定程度時(shí)，高質(zhì)量泡沫的黏度逐漸趨向于氣體的黏度，在高滲透層中幾乎沒有封堵作用。

3.3. 2 注入速度優(yōu)化

模擬泡沫注入速度分別為6m3/d、8m3/d、10m3/d、12m3/d時(shí)對(duì)采出程度的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨泡沫注入速度的增大采出程度增大(圖7)；但當(dāng)泡沫注入速度超過10m3/d 時(shí)，采出程度增加幅度明顯減緩，因此合理的注入速度應(yīng)在10m3/d 左右。當(dāng)以較低的速度交替注入空氣和泡沫液時(shí)，泡沫液和氣體可以很好地混合產(chǎn)生更多的泡沫，增強(qiáng)封堵性，且氣體突破時(shí)間延長(zhǎng)，提高驅(qū)替波及系數(shù)和原油采收率。因此，為了延緩氣體突破時(shí)間，應(yīng)適當(dāng)降低泡沫注入速度。

3.3.3 段塞周期優(yōu)化

模擬不同注入方式(泡沫、空氣、水交替)，以及注入周期分別為15天、30天、45天、60天、90天和120天時(shí)對(duì)采出程度的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨段塞注入周期增大，采出程度降低(圖8)，考慮到操作因素，段塞注入周期應(yīng)在30天左右。在空氣泡沫驅(qū)氣液交替注入過程中，氣液交替段塞越小，交替頻率越高，采出程度越大。如果交替段塞較大，氣體和液體單獨(dú)進(jìn)行，難以形成真正的泡沫進(jìn)行驅(qū)替，無法達(dá)到擴(kuò)大波及體積，提高驅(qū)油效率的目的。

3.3.4 注入壓力優(yōu)化

模擬泡沫注入壓力分別為14MPa、18MPa、22MPa、26MPa時(shí)對(duì)采出程度的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，注入壓力超過20MPa時(shí)，采出程度增加幅度明顯降低(圖9)，因此合理的注入壓力應(yīng)為18～22MPa(井口注入壓力為13～17MPa)。壓力的微小變化會(huì)引起泡沫流體中氣體體積的顯著變化，從而導(dǎo)致泡沫質(zhì)量、密度等參數(shù)的變化。在泡沫體系中，壓力增加使泡沫穩(wěn)定性得到增強(qiáng)。

4 現(xiàn)場(chǎng)施工工藝

空氣和泡沫液分段塞從油管注入，在地下產(chǎn)生泡沫。地面注入流程分為兩大部分：一是注泡沫液部分，利用現(xiàn)有注水流程及管線注入；二是注空氣部分，增加配氣流程。

注空氣設(shè)備為空氣壓縮機(jī)，選8口注水井為試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，其中1口井作為預(yù)備井。通過空氣流量計(jì)和閘門配氣從油管注入空氣，注入限壓為16MPa。

配制泡沫液用水質(zhì)合格的清水，將所需泡沫藥品加入到帶攪拌器和鐵絲護(hù)網(wǎng)的內(nèi)外均防腐的混合器內(nèi)。通過攪拌器配制泡沫原液，再用提升泵提升到熟化罐內(nèi)熟化，用過濾器過濾泡沫原液，過濾后泡沫原液進(jìn)入儲(chǔ)存罐待用。儲(chǔ)存罐出口通過管線和閥門連接到注液泵，注液泵后利用耐高壓管一次安裝控制閥門、流量計(jì)、壓力表、調(diào)節(jié)閥門和配液間供液管線相連接。

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及效果

5.1 實(shí)施效果

試驗(yàn)區(qū)自2010年10月實(shí)施空氣泡沫驅(qū)，至2013年9月共注入空氣81200m3(地下體積)、泡沫液9800m3。注入2個(gè)月后，區(qū)塊整體見效(圖10)，產(chǎn)液量和產(chǎn)油量增加、含水下降。截至2013年10月，8個(gè)試驗(yàn)井組共增油4898t，階段投入產(chǎn)出比為1∶2.57，取得了顯著的效果。對(duì)比試驗(yàn)區(qū)(注空氣泡沫區(qū))與注水區(qū)地層壓力及生產(chǎn)情況發(fā)現(xiàn)(表1)，試驗(yàn)區(qū)地層壓力較注水區(qū)有所上升，平均單井產(chǎn)液、產(chǎn)油增加，含水下降，說明空氣泡沫驅(qū)是該類油藏提高采收率的一種行之有效的新方法。

5.2 現(xiàn)場(chǎng)氧氣含量監(jiān)測(cè)

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施過程中，監(jiān)測(cè)對(duì)應(yīng)生產(chǎn)井套管氣的組分變化，發(fā)現(xiàn)所有井伴生氣中的氧氣含量一直處于安全范圍之內(nèi)。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)在200天以內(nèi)比模型預(yù)測(cè)值略高，而200天后現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)比模型預(yù)測(cè)值低(圖11)；總體而言，模型預(yù)測(cè)值與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值具有一致性。進(jìn)一步證明了在30℃的低溫、特低滲油藏中實(shí)施空氣泡沫驅(qū)安全可行。

6 結(jié)論

(1)在30℃低溫、特低滲油藏中進(jìn)行空氣泡沫驅(qū)油是安全可行的，是低溫、特低滲油藏補(bǔ)充地層能量，提高采收率的有效方法之一。

(2)優(yōu)選的低界面張力泡沫體系配方為：0.12% FC-2+0.08%TC-12+0.1%BS+1500mg/L HPAM，具有很好的配伍性和耐油性；當(dāng)含油30%、氣液比為3∶1時(shí)，具有良好的起泡和穩(wěn)泡性能，油水界面張力可降到10-2數(shù)量級(jí)。該泡沫體系具有一定的封堵和調(diào)剖作用，能夠調(diào)整流量分配，提高波及體積，改善驅(qū)油效果。

(3)利用CMG數(shù)模軟件模擬得出，唐80井區(qū)油藏最佳泡沫注空氣泡沫驅(qū)參數(shù)：干度為0.7，泡沫、空氣交替段塞注入，注入壓力為18～22MPa，注入速度為10m3/d，注入周期在30天左右。

(4)甘谷驛油田唐80井區(qū)空氣泡沫驅(qū)油試驗(yàn)累計(jì)增油4898t，投入產(chǎn)出比為1∶2.57，增油效果明顯。

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Application of Air-foam Flooding to Low-temperature and Ultralow-permeability Reservoir——A Case Study of Tang80 Well Area in Ganguyi Oilfield

Kang Xiaoyu, Wang Weibo, Tang Ruijia, Yu Huagui

(Research Institute of Shaanxi Yanchang Petroleum (Group) Co., Ltd., Xi′an, Shaanxi 710075, China)

Abstract:Aimed at the geological characters of ultralow-permeability reservoir in northern Shaanxi Area, we took Tang80 well area in Ganguyi Oilfield as an example, and probed into the feasibility of applying air-foam flooding techniques to the reservoir of low temperature and ultralow permeability through lab experiment and field test. By evaluating the height, half-life and composite index of the foam under the conditions without oil or with the oil content of 30%, we selected the foaming agents FC-2 and TC-12 with excellent foaming properties and stability, optimized and obtained the foam system of low interfacial tension(0.12%FC-2+0.08%TC-12+0.1% BS + 1500mg/L HPAM). Based on simulation, we got the results of tested well area as follows: the optimum foam dryness was 0.7, the optimum injection pressure was 18～22MPa, the injection speed was 10m3/d, and injection cycle was about 30d. Results showed that the suitability of air-foam flooding technique was well in 30℃ low-temperature and ultralow-permeability reservoir. There were eight testing wells, with the cumulative incremental oil production being 4898t and the ratio of input to output being 1∶2.57. Production was highly stimulated, and oil recovery was enhanced substantially in the oilfield. It had certain reference significance for stabilizing oil output and controlling water content for similar reservoirs.

Key words:air foam; low temperature; ultralow-permeability reservoir; Ganguyi oilfield

基金項(xiàng)目：陜西延長(zhǎng)石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司項(xiàng)目“延長(zhǎng)東部油區(qū)空氣泡沫驅(qū)配套技術(shù)研究及先導(dǎo)試驗(yàn)”(ycsy2010ky-A-12)資助。

第一作者簡(jiǎn)介：康宵瑜(1982年生)，女，碩士，工程師，主要從事油田提高石油采收率研究工作。郵箱：xiaoyukang1983@163.com。

中圖分類號(hào)：TE357

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A