王健 覃達(dá) 何馮清 胡雨涵 余恒

1.“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué) 2.中國石油新疆油田分公司 3.中國石油西南油氣田公司華油公司

“泡沫油”是指在稠油或超稠油油藏天然能量開采過程中，隨著油藏壓力的降低，原油中的溶解氣未瞬間脫離出來形成自由氣，而是以一種極其復(fù)雜的微氣泡形式高度分散在油流中，形成“油包氣”型泡沫分散在油相中[1-3]。Orinoco重油帶的開采始于1979年，鉆井662口，控制面積54 000 km2，與常規(guī)稠油、凝析油的開發(fā)方式不同，Orinoco稠油油藏采用的是壓力自然衰竭的開發(fā)方式，在開發(fā)過程中具有產(chǎn)油量高、產(chǎn)氣量低和降壓速度慢等特征[4-6]。人們普遍認(rèn)為，形成這種現(xiàn)象的原因是由于泡沫油的存在[7]。它不同于常規(guī)兩相流，需有一個(gè)液相使其連續(xù)才能流動(dòng)，并且其中包含分散氣泡[8]。盡管對于泡沫油提高采收率的機(jī)理仍有爭論，但這一結(jié)論普遍應(yīng)用在現(xiàn)場和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究中[9-11]。

國內(nèi)外對泡沫油的研究尚不成熟，Smith是第一個(gè)對這一少見開發(fā)動(dòng)態(tài)發(fā)表詳細(xì)論述的作者[12]。他將泡沫油流歸結(jié)為重油中占有較大體積部分的非常小的氣泡的一種流體特性。Maini等在室內(nèi)嘗試驗(yàn)證這一高分散流度的見解時(shí)，發(fā)現(xiàn)新近聚核氣泡的出現(xiàn)實(shí)際上降低了流度，然后發(fā)現(xiàn)分散氣流在溶解氣驅(qū)的條件下是可能存在的[13]。這就是泡沫油油藏中的溶解氣驅(qū)有著不同尋常的效果。Claridge等提出分散微氣泡的穩(wěn)定性與吸附在油氣界面的瀝青質(zhì)有關(guān)，它能保護(hù)氣泡而不使氣泡聚集[14]。在微觀模型實(shí)驗(yàn)中，Bora等觀察到瀝青質(zhì)能減少氣泡的聚集[15]。Tang等并沒有觀察到具有同樣黏度的原油和泡沫油(硅油)之間任何差別[16]。然而，這有可能是Tang在實(shí)驗(yàn)中使用低黏度原油進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的緣故。過去十幾年里人們對泡沫油流進(jìn)行了大量的研究和探索，已有的研究內(nèi)容主要是關(guān)于油藏條件下泡沫油的油氣相滲規(guī)律、泡沫油衰竭式開發(fā)的增油規(guī)律等，很少涉及泡沫油的穩(wěn)定性、泡沫油在孔隙介質(zhì)中的流變性研究，而這些研究內(nèi)容對有效開發(fā)泡沫油和提高稠油油藏開采的采收率具有非常重要的意義。因此，本研究針對委內(nèi)瑞拉Orinoco稠油帶的復(fù)雜油藏地質(zhì)特征，通過大量的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，開展研究泡沫油的穩(wěn)定性和泡沫油在孔隙介質(zhì)中的流變性實(shí)驗(yàn)研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及材料

實(shí)驗(yàn)儀器：自主研發(fā)的高溫高壓泡沫油配樣器、手動(dòng)增壓泵、多功能巖心驅(qū)替裝置、Brook field LVTD型黏度計(jì)、溫度計(jì)、量筒。

實(shí)驗(yàn)油樣為委內(nèi)瑞拉Orinoco脫氣原油，由中國石油勘探開發(fā)科學(xué)研究院提供，實(shí)驗(yàn)用油樣長時(shí)間處于室溫低壓狀態(tài)，內(nèi)部溶解的天然氣已大量脫出；氣樣為中國石油西南油氣田公司的專業(yè)配氣站配制的天然氣。

配制泡沫油的氣體樣品組成和脫氣原油組成分別見表1和表2。

表1 配制泡沫油的氣體樣品組成Table 1 Gas sample composition of foam oil組分CO2N2CH4C2H6C3H8C4H10摩爾分?jǐn)?shù)/%10.820.5286.720.310.171.46

表2 脫氣原油組成Table 2 Composition of degassed oil組分C11-15C16-20C21-25C26-29C+30C+58摩爾分?jǐn)?shù)/%13.4219.6816.6410.8539.417.22

1.2 泡沫油配制及半衰期測量

為了較方便地一次性獲得大量泡沫油，自主研發(fā)了高溫高壓泡沫油配樣器。配制流程為：

(1) 取300 mL Orinoco脫氣原油加入高溫高壓泡沫油配樣器中，將系統(tǒng)加熱至Orinoco油藏溫度60 ℃，待溫度穩(wěn)定后測量此時(shí)原油體積V1。

(2) 根據(jù)氣油比數(shù)值確定加入天然氣V2(室溫狀態(tài)下)的量。

(3) 用手動(dòng)泵將系統(tǒng)增壓至10 MPa(大于60 ℃時(shí)的泡點(diǎn)壓力，保證氣體充分溶解)，連續(xù)攪拌8 h。

(4) 攪拌完成后，打開出口端按一定速度進(jìn)行排氣卸壓(模擬溶解氣驅(qū))，當(dāng)壓力降低到常壓后將泡沫油驅(qū)至可視化泡沫油收集裝置中(設(shè)定溫度60 ℃，壓力0.1 MPa)，記錄此時(shí)體積V3，計(jì)算泡沫體積，即V3-V1，并測量半衰期T1/2。

目前，國內(nèi)外對泡沫油穩(wěn)定性評價(jià)沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，故參考水基泡沫穩(wěn)定性評價(jià)方法，通過泡沫半衰期進(jìn)行評價(jià)[17-18]。半衰期越長，泡沫油越穩(wěn)定。測定方法：將泡沫體積為V的泡沫油置于可視化泡沫油收集裝置中，記錄不同時(shí)間下該泡沫油的剩余體積，泡沫體積衰減到V/2時(shí)所需的時(shí)間記為泡沫油的半衰期。

2 泡沫油穩(wěn)定性研究

泡沫油在地層條件下的穩(wěn)定性是保證稠油冷采機(jī)制高采收率的重要原因之一，也是實(shí)現(xiàn)泡沫油采輸?shù)暮诵膯栴}[19]。吳永彬等利用泡沫油可視化穩(wěn)定性測試模型開展了降壓速度、孔隙尺寸對泡沫穩(wěn)定性的單因素影響規(guī)律評價(jià)實(shí)驗(yàn)[20]。為了進(jìn)一步研究泡沫油穩(wěn)定性，分別從原油黏度、溫度、溶解氣油比和礦化度等方面對泡沫油穩(wěn)定性影響因素進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究，同時(shí)探討了泡沫油的穩(wěn)定機(jī)理。

2.1 黏度的影響

將脫氣原油與煤油按體積比6∶1、7∶1、10∶1、20∶1、30∶1、1∶0配制出不同黏度的油樣，保持氣油比為15.9 m3/m3不變，在設(shè)定溫度60 ℃、壓力10.0 MPa的配樣器中配制出泡沫油，通過測量泡沫油的泡沫半衰期來評價(jià)其穩(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 不同黏度原油配制的泡沫油半衰期Table 3 Half-life of foam oil with different viscosity 脫氣原油黏度/(mPa·s)5001 0801 8003 4804 8206 200泡沫油黏度/(mPa·s)4418961 6452 8013 7254 334泡沫油半衰期/h5.23.05.515.541.071.0

表3表明，形成泡沫油后，原油黏度大幅度降低，并且隨著脫氣原油黏度增加，泡沫油持續(xù)時(shí)間延長，穩(wěn)定性增強(qiáng)。形成泡沫油之后，會(huì)生成大量的分散氣泡存在于油相中，使原油黏度顯著降低。當(dāng)稠油黏度較高時(shí)，其較高的粘滯力可阻止氣泡的擴(kuò)散，在一定程度上減弱了氣泡的聚并作用，從而增強(qiáng)氣泡的穩(wěn)定性。

2.2 溫度的影響

利用泡沫油配樣器研究了溫度對泡沫油穩(wěn)定性的影響規(guī)律。保持溶解氣油比GOR=15.9 m3/m3，分別在30 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃、90 ℃下配制出系列的泡沫油，測定其泡沫半衰期，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 不同溫度下配制的泡沫油的半衰期Table 4 Half-life of foam oil at different temperatures實(shí)驗(yàn)溫度/℃3050607090半衰期/h7873715835

表4表明，隨著實(shí)驗(yàn)溫度的增加，泡沫油的泡沫半衰期縮短，穩(wěn)定性變差。溫度對泡沫油流的影響主要在于原油黏度的改變，溫度升高，原油黏度下降，最終導(dǎo)致泡沫不穩(wěn)定。

2.3 氣油比的影響

利用泡沫油配樣器研究了溶解氣油比對泡沫油穩(wěn)定性的影響規(guī)律。保持溫度60 ℃、壓力10 MPa不變，分別在溶解氣油比為10 m3/m3、13.5 m3/m3、15.9 m3/m3、18.3 m3/m3、23 m3/m3下配制出系列的泡沫油，分別測定其泡沫半衰期，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 不同溶解氣油比下泡沫油的半衰期Table 5 Half-life of foam oil with different dissolved gas/oil ratios溶解氣油比/(m3·m-3)10.013.515.918.323.0飽和壓力/MPa5.46.87.98.89.7半衰期/h58.062.071.072.373.5

表5表明，隨著溶解氣油比的增加，半衰期先增加后趨于穩(wěn)定。這表明溶解氣油比對泡沫油的穩(wěn)定性有一定的影響。溶解氣油比增大，泡沫油穩(wěn)定性增強(qiáng)，有利于在油藏條件下降低稠油的黏度，增加流度，改善流動(dòng)性，提高采收率。

2.4 礦化度的影響

保持溫度60 ℃、壓力10 MPa，在脫氣原油中分別加入NaCl 0 g、1.0 g、2.0 g、4.0 g、6.0 g，使體系礦化度分別為0 mg/L、10 000 mg/L、20 000 mg/L、40 000 mg/L、60 000 mg/L，保持氣油比GOR為15.9 m3/m3，通入氣體與原油在高壓下攪拌48 h，配制出系列的泡沫油，測定泡沫半衰期，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 不同礦化度下的泡沫油的半衰期Table 6 Half-life of foam oil with different degree of mineralization礦化度/(mg·L-1)010 00020 00040 00060 000半衰期/h7168676560

表6表明，隨著礦化度的增加，半衰期略有減小。這表明礦化度對泡沫油穩(wěn)定性有一定影響，但影響不大。

3 泡沫油流變性研究

泡沫油流變性對于認(rèn)識稠油溶解氣驅(qū)的開發(fā)機(jī)理和預(yù)測開發(fā)效果具有重要意義。但是，由于泡沫油的形成條件和結(jié)構(gòu)形態(tài)較為復(fù)雜，目前對于泡沫油的流變特性還存在較大的爭議。鹿騰設(shè)計(jì)了測量泡沫油流變特性實(shí)驗(yàn)裝置，測試了不同壓力和剪切速率下泡沫油黏度，研究了泡沫油的流變特性，并與脫氣原油的流變特性進(jìn)行了對比[21]。以下從泡沫油在流變儀中測量的流變性和在孔隙介質(zhì)中的流變性兩個(gè)方面對泡沫油流變性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。流變性實(shí)驗(yàn)所用油樣為配樣器在10 MPa、60 ℃所配制出來的泡沫油，保存在溫度60 ℃、壓力0.1 MPa的可視化泡沫油收集裝置中。由于泡沫油在常溫常壓下能存在2～4天，消泡速度較慢，且配得泡沫油后立即用于流變性實(shí)驗(yàn)研究，所以在實(shí)驗(yàn)過程中不考慮泡沫油中氣體的溢出。

3.1 流變儀測量的流變性

在10 MPa、60 ℃條件下，利用流變儀測定泡沫油在不同剪切速率下泡沫油黏度與剪切速率的關(guān)系曲線。由圖1可看出，Orinoco泡沫油黏度隨著剪切速率的增加，先降低后趨于穩(wěn)定，泡沫油具有剪切變稀的性質(zhì)。當(dāng)剪切速率較低時(shí)，泡沫油的視黏度隨著剪切速率的增加而迅速降低，當(dāng)剪切速率較高時(shí)，視黏度的降低幅度變得平緩。一般來說，油層條件下的剪切速率為7.34～14.68 s-1，此時(shí)泡沫油黏度為1 500～1 600 mPa·s，近井地帶的剪切速率更高，泡沫油黏度更低。因此，泡沫油由地層流向井筒的過程中，黏度降低，流動(dòng)性會(huì)不斷改善。

為了考察剪切時(shí)間對泡沫油黏度的影響規(guī)律，在60 ℃、10 MPa、剪切速率4.08 s-1下，連續(xù)測定泡沫油的視黏度6 min，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2。由圖2可看出，Orinoco泡沫油的視黏度隨剪切時(shí)間的增加而降低，具有輕微的觸變性。這是因?yàn)榕菽捅患羟袝r(shí),膠質(zhì)、瀝青質(zhì)組分的構(gòu)架發(fā)生了變形，導(dǎo)致視黏度隨時(shí)間逐漸降低，該性能對于泡沫油的開采是有利的。

3.2 在孔隙介質(zhì)中的流變性

為了研究泡沫油在孔隙介質(zhì)中的流變性，通過巖心流動(dòng)實(shí)驗(yàn)，注入泡沫油，測定泡沫油在孔隙介質(zhì)中的有效黏度(達(dá)西黏度)與壓力之間的關(guān)系，并且獲得孔隙介質(zhì)中泡沫油泡點(diǎn)壓力以上以及泡點(diǎn)壓力以下的流變性數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)是在不同壓力下進(jìn)行的(設(shè)置促成或限制氣泡形成的條件)。

實(shí)驗(yàn)測試流程如圖3，實(shí)驗(yàn)裝置主要由ISCO泵、中間容器、填砂管、回壓閥以及收集器組成。填砂管基本參數(shù)見表7。

表7 填砂管基本參數(shù)Table 7 Basic parameters of sand pack長度/cm直徑/cm孔隙度/%原始水測滲透率/μm2PV/mL含油飽和度/%50.02.027.376.7543.096.05

實(shí)驗(yàn)步驟如下：

(1) 打開恒溫箱至60 ℃,將填砂管飽和水，測試巖心的水測滲透率，實(shí)測數(shù)據(jù)為6.75 μm2。

(2) 在配樣器中配制一定體積的泡沫油，然后轉(zhuǎn)至中間容器。

(3) 調(diào)節(jié)回壓閥壓力為4.0 MPa，以1.5 mL/min流速將泡沫油注入填砂管，待巖心中的水被擠出后，出口端收集到泡沫油樣，連續(xù)驅(qū)替直至壓力穩(wěn)定，記錄穩(wěn)定壓力值。

(4) 通過不同流速1.2 mL/min、1.0 mL/min、0.8 mL/min、0.5 mL/min、0.3 mL/min、0.2 mL/min、0.1 mL/min來改變注入壓力，重復(fù)步驟(1)～(3)。

在一定流量下，測定驅(qū)替穩(wěn)定壓力，利用達(dá)西定律，計(jì)算泡沫油的有效黏度(達(dá)西黏度)，計(jì)算公式為：

(1)

式中:μef為有效黏度， mPa·s；A為滲流斷面面積，cm2；Δp為流體通過填砂管的前后壓力差，atm；K為該孔隙介質(zhì)的絕對滲透率，μm2；L為填砂管的長度，cm；Q為在壓差下通過填砂管的流量，cm3/s。

實(shí)驗(yàn)測得的泡沫油的有效黏度與注入壓力關(guān)系見圖4。

注入流量從大到小依次改變，壓力逐漸降低。從圖4可知，當(dāng)壓力大于7.17 MPa時(shí)，隨著壓力的減小，泡沫油有效黏度減小。當(dāng)壓力小于7.17 MPa時(shí)，隨著壓力的減小，有效黏度增大。在壓力高于或低于7.17 MPa時(shí)，有效黏度隨壓力的變化規(guī)律發(fā)生顯著差異。因此，估計(jì)視泡點(diǎn)壓力為7.17 MPa。當(dāng)注入壓力大于泡點(diǎn)壓力時(shí)，注入巖心泡沫油中的氣泡消失，氣體全部以溶解氣形式存在于油相中，減小壓力會(huì)使油相膨脹、液層間的摩擦阻力減小，從而導(dǎo)致油相黏度減小，且在泡點(diǎn)壓力處存在最小黏度，此階段為單相流動(dòng)。當(dāng)系統(tǒng)壓力小于泡點(diǎn)壓力時(shí)，注入巖心泡沫油中的氣體以溶解氣和微小氣泡兩種形式存在于油相中，隨著壓力的繼續(xù)減小，溶解氣持續(xù)溢出轉(zhuǎn)換為氣泡中的彌散氣，導(dǎo)致泡沫油黏度增大。

3.3 泡沫油流度與脫氣原油流度對比實(shí)驗(yàn)研究

利用泡沫油在孔隙介質(zhì)中的流變性實(shí)驗(yàn)裝置(見圖3)測定泡沫油流度，巖心基本參數(shù)見表7(水測滲透率為6.75 μm2)，由流變性實(shí)驗(yàn)得出的有效黏度數(shù)據(jù)可計(jì)算出泡沫油在孔隙介質(zhì)中的流度。脫氣原油流度測試方法與泡沫油相同，將上述孔隙介質(zhì)流變性實(shí)驗(yàn)中的泡沫油換成脫氣原油注入中間容器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)測得巖心的水測滲透率為7.96 μm2，通過得到的有效黏度數(shù)據(jù)可計(jì)算出脫氣原油的流度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖5。

流度表示流體在介質(zhì)中流動(dòng)的難易程度，是有效滲透率與流體黏度的比值。由圖5可看出，隨著壓力梯度增大，泡沫油流度先增大后降低。從上述泡沫油在孔隙介質(zhì)中的流變性實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，泡沫油有效黏度隨著壓力的增大先減小后增大，故可得出泡沫油流度與壓力梯度的關(guān)系。脫氣原油流度隨著壓力梯度的增大而減小，這是由于隨著壓力的增大，脫氣原油體積減小，分子間作用力增大，導(dǎo)致黏度增大、原油流度減小，由于液體的壓縮系數(shù)較小，脫氣原油流度降幅較小。在相同壓力梯度下，泡沫油的流度是脫氣原油流度的1～3倍，泡沫油的流動(dòng)特性明顯高于脫氣原油。

4 結(jié) 論

針對委內(nèi)瑞拉Orinoco重油帶油藏條件，利用自主研發(fā)的高溫高壓泡沫油配樣器配制Orinoco泡沫油，并進(jìn)行室內(nèi)性能評價(jià)研究，取得了以下主要認(rèn)識：

(1) 脫氣原油的黏度越大，泡沫油的穩(wěn)定性越好；溫度越高，泡沫油的半衰期越短，泡沫油穩(wěn)定性越差；隨著溶解氣油比的增大，泡沫油穩(wěn)定性增強(qiáng)，當(dāng)溶解氣油比增大到一定值時(shí)，泡沫油穩(wěn)定性不再發(fā)生明顯變化；礦化度對泡沫油穩(wěn)定性的影響不大。

(2) Orinoco泡沫油流變性結(jié)果表明：泡沫油黏度隨著剪切速率的增加先降低后趨于穩(wěn)定，隨著剪切時(shí)間的增加而降低，泡沫油具有剪切稀釋性和觸變性；在多孔介質(zhì)中，隨著注入壓力的增大，泡沫油黏度先降低后增大，且在泡點(diǎn)壓力時(shí)的流速下黏度最小。

(3) 流度對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：隨著壓力梯度的增大，泡沫油流度先增大后降低，脫氣原油流度降低且降幅較??；相同壓力梯度下，泡沫油的流度是脫氣原油流度的1～3倍。