李雨桓，凌曉杰，彭 秋，成煜航

（成都理工大學能源學院，四川成都 610059）

春光油田常采單元稀油小砂體有著高孔滲、膠結差、層數(shù)少、厚度薄、面積小、邊水強等特點[1]。經(jīng)過十幾年天然能量開發(fā)及井網(wǎng)的完善，整體已逐漸進入了高含水階段，而小砂體油藏采油速度高，含水上升速度快。持續(xù)利用天然水驅(qū)能量開采，邊水會沿著優(yōu)勢通道侵入，使得高部位井提早見水，甚至導致井水淹。為了將頂部無法有效動用的剩余油采出，同時對水侵通道起封堵作用，可采用氮氣泡沫驅(qū)方法。泡沫流體既能起到膨脹作用，維持儲層的壓力，又能對高滲透層封堵阻止邊水入侵，有效的改善非均質(zhì)油藏的驅(qū)替狀況，對高含水油藏水淹井起到調(diào)剖堵水的效果[2]。為此，本文針對高孔高滲強邊水排8-40 區(qū)塊開展了剩余油分布規(guī)律研究，結合氮氣泡沫驅(qū)室內(nèi)實驗及數(shù)值模擬結果，優(yōu)選出氮氣泡沫驅(qū)技術對策參數(shù)，設計出優(yōu)化提高采收率方案并預測開采效果。

1 油藏概況

排8-40 區(qū)塊頂面構造形態(tài)簡單，是傾角約為3°的單斜構造油藏。產(chǎn)油層系位于沙灣組二段Ⅶ砂組，油層海拔深度-708～-716 m，含油面積0.44 km2，平均有效厚度3.12 m，有效孔隙度30.91%，平均滲透率1 123.03 mD，原始地層壓力10.11 MPa，在40 ℃油藏溫度下原油黏度為3.79 mPa·s，密度為0.833 g/cm3，為高孔滲、層數(shù)少、厚度薄、面積小、強邊水稀油小砂體油藏。

排8-40 油藏于2006 年底投入生產(chǎn)，至2020 年底共有6 口油井，目前綜合含水率達到84.2%，處于高含水階段，采油速度0.81%，目前采出程度37.39%，剩余可采儲量達到13.08×104t。目前區(qū)塊含水率上升快，多口井已發(fā)生水淹。

2 氮氣泡沫驅(qū)機理實驗

2.1 實驗儀器與材料

實驗儀器：驅(qū)替用雙柱塞計量泵100DX、中間容器、壓力變送器、天平、填砂管（規(guī)格φ38 mm×400 mm，最高壓力32 MPa，材質(zhì)1Cr18Ni9Ti）等；為保證油藏傾斜條件，模擬在3°左右的地層傾角。

實驗材料：實驗用油為煤油；地層水樣、地層巖石碎樣均取自現(xiàn)場；起泡劑為LH-XIII 重烷基苯磺酸鹽高效起泡劑。

2.2 實驗方法

整個實驗流程（見圖1），填砂管左端為注入端，右端為出口端。利用填砂管模型分別進行了三項對比實驗（見表1），實驗一：對比高滲、低滲巖心的分流情況；實驗二：對比泡沫在不同含油飽和度巖心中的封堵情況；實驗三：對比不同泡沫注入量提高采收率幅度。

表1 填砂管實驗基礎參數(shù)表

圖1 氮氣泡沫驅(qū)實驗流程示意圖

實驗一步驟如下：（1）將地層巖石碎樣填入兩根填砂巖心模型，標記為1、2 號并對其進行氣測滲透率測定，使氣測滲透率分別為2 200 mD 及1 100 mD 左右，稱取干重；（2）將填砂巖心模型抽真空4 h 后，飽和水，稱取濕重，計算其孔隙度和液相滲透率；（3）并聯(lián)兩根填砂管模型，以2 mL/min 速度進行水驅(qū)，記錄兩根填砂巖心模型的分流情況；（4）水驅(qū)穩(wěn)定后，向填砂管模型中以2 mL/min 速度注入0.2 PV 的泡沫，注完泡沫后再進行水驅(qū)，記錄兩根填砂巖心模型的分流情況。

實驗二中兩根填砂管模型氣測滲透率均保持在2 200 mD 左右，并且一根用于水驅(qū)，另一根用煤油進行驅(qū)替直至出口端全為煤油，其余步驟類似于實驗一。

實驗三中分別做三組滲透率級差為3 的并聯(lián)填砂管模型，重復注入0.1 PV、0.2 PV、0.3 PV 體積的氮氣泡沫，其余步驟類似于實驗一。

2.3 實驗結果

通過實驗一中分流量、壓力變化圖（見圖2、圖3）得出，注入泡沫后高滲管分流量增大，低滲管分流量降低，而壓差逐漸增加。泡沫具有流動剪切性，對高滲管具有一定的封堵作用。當高滲管的分流量降低后，低滲管的分流量升高，體現(xiàn)了氮氣泡沫具有“堵高不堵低”的選擇性封堵性質(zhì)。而高滲管出現(xiàn)封堵后，整體的綜合滲透率是下降的，導致兩端壓差一定幅度的增加。

圖2 分流量隨PV 數(shù)變化圖

圖3 壓力隨PV 數(shù)變化圖

通過實驗二中不同含油飽和度下填砂管模型分流量圖（見圖4）得出，當注入泡沫時，飽和水的填砂管模型的分流量降低，高含油飽和度填砂管模型的分流量升高，可見泡沫對水具有封堵作用，而對油的分流量卻沒有影響，體現(xiàn)了氮氣泡沫具有“堵水不堵油”的選擇性封堵特性。

圖4 含油飽和度分流量隨時間變化圖

通過實驗三中不同泡沫注入量采收率對比（見圖5）綜合分析得出，并聯(lián)填砂管與低滲管采收率增加幅度都隨著氮氣泡沫的注入量增加而增大，分析出向并聯(lián)填砂管中注氮氣泡沫后驅(qū)替出的油為低滲管中殘余油，證明了注氮氣泡沫驅(qū)能驅(qū)替出高滲儲層中低滲部分的殘余油。

圖5 不同注入泡沫體積提高采收率對比圖

3 剩余油分布規(guī)律及潛力研究

利用CMG 數(shù)值模擬軟件建立數(shù)值模型，參考排8-40 強邊水油藏實際地質(zhì)與生產(chǎn)情況。根據(jù)數(shù)值模型剩余油分布圖（見圖6、圖7）分析，油藏中處于構造低部位生產(chǎn)井已經(jīng)見水，油藏中部的邊水推進的快過油藏邊部[3]。剩余油平面分布主要在油藏構造高部位邊緣處。區(qū)塊縱向上各層采收率差別不大，剩余油在兩層均有分布。而排8-40 橫縱比>5，屬于窄條狀油藏。油藏中低部儲量豐度變化較大，說明油藏前期的水驅(qū)動用效果較好，但由于強邊水侵的原因，部分井水淹后，水驅(qū)效果會變差，導致油藏高構造邊部剩余油無法有效波及到。生產(chǎn)15 年后區(qū)塊剩余油11.78×104t（見表2），按剩余油分布將其分為頂部富集油、側翼富集油、井間富集油及其他剩余油，頂部富集油大約為2.65×104t，側翼富集油大約為1.20×104t，井間剩余油大約為0.62×104t，頂部、側翼、井間富集油比例分別為22.57%，10.22%，5.25%。從區(qū)塊分布剩余油富集比例來看，頂部富集剩余油占比最多，側翼其次。因此針對頂部及側翼邊緣井，進行人工氣頂驅(qū)及氮氣泡沫驅(qū)，能將頂部及側翼剩余油有效驅(qū)替，從而提高區(qū)塊的采收率。

圖6 排8-40 區(qū)塊原始含油飽和度分布圖

圖7 排8-40 區(qū)塊目前含油飽和度分布圖

表2 排8-40 井區(qū)油藏儲量動用及潛力統(tǒng)計

4 氮氣泡沫驅(qū)提高采收率對策研究

根據(jù)排8-40 區(qū)塊的剩余油分布特征，排8-43H井根端剩余油富集，趾端邊水點狀水淹，具備氮氣泡沫驅(qū)的條件，適合氮氣泡沫壓水錐[4]。

由于在現(xiàn)場施工過程中，地面起泡需要配備多種發(fā)生儲存設備，若選擇同時注入，氣液比達到設計要求會相當困難。注入泡沫在孔徑較小的孔眼以及小的孔隙時，井內(nèi)的壓力會迅速升高導致后續(xù)注入的泡沫沒能持續(xù)進入井中，實際注入氮氣泡沫驅(qū)體系時氣液比難以控制[5]；地下發(fā)泡所需的設備為配液罐，實施的過程方便。而且該儲層目前含水率高，氣液交替注入不僅能在氣舉、助排上發(fā)揮作用，還能對含水高滲層有效封堵。綜合以上因素排8-40 區(qū)塊選擇“地下發(fā)泡、氣液交替注入”的方式進行氮氣泡沫驅(qū)其他技術對策的優(yōu)化[6]。針對春光油田排8-43H 的氮氣泡沫驅(qū)，分別注入純氮氣和一定摩爾分數(shù)的泡沫體系?？紤]到氣液交替周期對起泡劑的起泡能力等參數(shù)影響，選擇交替周期為6 d（注氣天數(shù):注液天數(shù)=4:2）進行為期一年半的氮氣泡沫驅(qū)的數(shù)值模擬計算。

4.1 注入時機及注入速度優(yōu)化

因泡沫不耐油遇油即消的性質(zhì)，所以地層含油飽和度是影響氮氣泡沫驅(qū)效果的關鍵因素[7]。設置三個不同注入時機方案，含水率分別為89.1%、89.7%、90%，預測2 年后各氮氣泡沫驅(qū)方案結果。結果（見圖8）表明通過對比不同注入時機方案得出在含水率89.1%時注入驅(qū)替效果最好，采收率提高了1.21%。

圖8 不同注入時機下氮氣泡沫驅(qū)效果對比圖

氮氣泡沫體系的注入速度不僅會影響驅(qū)替地層中原油的效果，還會影響井的整體花費。在注入氮氣泡沫體系時，需要在不大于地層破裂壓力下盡量的快速注入，不僅增加原油收益，還能增加泡沫驅(qū)的封堵性能，減少氣竄的發(fā)生[8]。在保持其他參數(shù)不變的情況下，氣體注入速度分別為1 500 m3/d、2 000 m3/d、3 000 m3/d、4 000 m3/d 進行模擬計算。結果（見圖9）表明注氣速度為3 000 m3/d 時采收率斜率變化最大，因此選擇以注氣速度3 000 m3/d 注入氮氣泡沫驅(qū)體系來驅(qū)油提高采收率。

圖9 不同注入速度下氮氣泡沫驅(qū)效果對比圖

4.2 段塞數(shù)量及燜井時間優(yōu)化

泡沫體系總段塞大小可以影響氮氣泡沫驅(qū)對提高采收率效率。保持地下氣液比為1:1，液體的摩爾分數(shù)為1%的情況下，交替周期為6 d（注氣天數(shù):注液天數(shù)=4:2），進行了5 組氮氣泡沫驅(qū)的數(shù)值模擬。結果表明（見圖10），注入段塞數(shù)量為5 次時采收率變化的斜率最大，再增加段塞數(shù)量采收率增加幅度會變小，在考慮注入經(jīng)濟效益及成本下，選擇注入段塞數(shù)量為5 次時效果最好。

圖10 不同段塞數(shù)下氮氣泡沫驅(qū)效果對比圖

本研究區(qū)塊選擇了“地下發(fā)泡、氣液交替注入”的方式進行氮氣泡沫驅(qū)模擬，需要燜井一段時間目的是使表面活性劑和氮氣在油層充分接觸形成有效泡沫，提高氮氣泡沫驅(qū)替效果。為研究不同燜井時間對氮氣泡沫驅(qū)替的影響，保持其他條件不變，設置2～14 d 不同燜井時間進行氮氣泡沫驅(qū)模擬計算。結果表明隨著燜井時間的增加，累產(chǎn)油量呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢。結果（見圖11）表明燜井4 d 累計產(chǎn)油量達到峰值，因此最佳燜井時間為4 d。

圖11 不同燜井時間下氮氣泡沫驅(qū)效果對比圖

4.3 表面活性劑濃度及氣液比優(yōu)化設計[9]

在段塞數(shù)量為5 次、發(fā)泡劑的摩爾濃度為1%的條件下，注入的氣液比分別為100:1、200:1 和300:1 的數(shù)值模擬工作，分析氣液比對排8-40 區(qū)塊氮氣泡沫驅(qū)油效果的影響。結果（見圖12）表明隨著注入氣液比的增加，比值呈先增加后減小的變化趨勢，因此在考慮經(jīng)濟效益以及可行性分析下，采用氣液比200∶1（3 000 m3/d注氣4 d+30 m3/d 注表面活性劑2 d）注入效果較好。

圖12 不同氣液比氮氣泡沫驅(qū)效果對比圖

其他條件相同情況下，設置表面活性劑濃度分別為0.1%、0.3%、0.5%、0.7%、0.9%進行氮氣泡沫驅(qū)數(shù)值模擬。模擬結果與累產(chǎn)油相比較，分析最佳濃度[10，11]。結果（見圖13）表明表面活性劑濃度為0.5%時，累產(chǎn)油增加幅度達到最大值。表面活性劑濃度0.5%之后，再增加表面活性劑濃度累產(chǎn)油增加明顯變緩，考慮經(jīng)濟效益以及注入成本的情況，采用表面活性劑濃度0.5%效果最佳。

圖13 不同表面活性劑濃度下氮氣泡沫驅(qū)效果對比圖

5 氮氣泡沫驅(qū)優(yōu)化方案設計及效果預測

根據(jù)對排8-40 區(qū)塊氮氣泡沫驅(qū)對策研究得到最優(yōu)方案（見表3），按照優(yōu)化方案對排8-40 區(qū)塊進行氮氣泡沫驅(qū)模擬2 年。對比原方案，在注氣后的短時間（20 d）內(nèi)含水率會一定幅度下降，日產(chǎn)油量會大幅度上升，然后穩(wěn)定在6 m3/d 左右。氮氣泡沫驅(qū)預測的采收率比原方案增油了2 116 t，采收率提高了1.51%（見表4、圖14）。

圖14 氮氣泡沫驅(qū)模擬效果與原方案對比曲線

表3 排8-40 區(qū)塊氮氣泡沫驅(qū)最優(yōu)方案參數(shù)統(tǒng)計表

表4 氮氣泡沫驅(qū)與原方案預測效果統(tǒng)計表

6 結論

（1）氮氣泡沫驅(qū)機理實驗一、二中驗證了氮氣泡沫具有“堵高不堵低”以及“堵水不堵油”的選擇性封堵特征，能有效的改善非均質(zhì)油藏的驅(qū)替狀況，對高含水油藏水淹井起到調(diào)剖堵水的效果；氮氣泡沫驅(qū)機理實驗三的結果，證明了氮氣泡沫驅(qū)能夠?qū)⒏邼B儲層中的低孔滲部分中的剩余油驅(qū)替出來，進一步提高區(qū)塊采收率。

（2）根據(jù)高孔高滲強邊水油藏排8-40 區(qū)塊中后期剩余油分布特征得出結論：剩余油主要富集在頂部構造邊緣，因此選擇頂部水平井為注氮氣泡沫井。

（3）結合剩余油分布特征，對排8-40 區(qū)塊開展氮氣泡沫驅(qū)開發(fā)對策研究，優(yōu)化注入?yún)?shù)后預測2 年，氮氣泡沫驅(qū)方案相比原方案增油2 116 t，采收率提高了1.51%，證明氮氣泡沫驅(qū)能有效作用于高孔高滲強邊水油藏。