陳 浩，楊 冉，劉希良，譚先紅，田虓豐，李博文

（1.中國石油大學(xué)（北京）油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249；2.中國石油大學(xué)（北京）安全與海洋工程學(xué)院，北京 102249；3.中海油研究總院，北京 100027）

0 前言

“注入困難，啟動壓力高，采收率低”是大多數(shù)低滲透油藏一次開發(fā)后期面臨的主要問題之一。注氣開發(fā)相比注水開發(fā)的注入能力更強(qiáng)，氣體能深入更小的孔隙，驅(qū)替出更多的原油，是當(dāng)前最熱門的EOR 技術(shù)之一［1-3］。與烴氣、CO2等相比，空氣的來源最廣、成本最低，具有廣闊的應(yīng)用前景，已在國內(nèi)外多個油藏開發(fā)中得到驗證。然而，低滲透油藏通常具有很強(qiáng)的非均質(zhì)性，以及注氣過程中不利的流度比，極易形成氣竄，導(dǎo)致波及體積下降，大量剩余油來不及被采出。同時對于注空氣開發(fā)，氣竄后井筒氧氣含量急速上升，高溫高壓的空氣與烴氣混合后可能引起爆炸，存在嚴(yán)重安全隱患［4-5］。因此，能否成功延緩并抑制氣竄是低滲透油藏注空氣開發(fā)成敗的關(guān)鍵。

目前，氣竄的治理手段可以用“注采協(xié)調(diào)、水氣交替、化學(xué)封竄”來概況。調(diào)整井網(wǎng)，改變注入?yún)?shù)是最基本的控制措施，但這種方法僅適用于非均質(zhì)性較弱、氣竄程度較輕的區(qū)塊，當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件惡劣時能取得的封竄效果極其有限。水氣交替操作簡單、經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)，對儲層無傷害，通過引入另一相流體改變氣體的相對滲透率，增加注入空氣的黏度，改善流度比，從而減少竄流，是當(dāng)前運用較廣的一種調(diào)控措施［6-8］。然而該方法對于滲透率差別很大和存在大裂縫的儲層作用效果較差，同時水氣比過高則意味注氣量相對減少，驅(qū)油效果將受到較大影響。采用化學(xué)試劑封竄地層的主要原理在于封堵局部高滲透區(qū)域?qū)崿F(xiàn)非均質(zhì)儲層相對均質(zhì)，是深度調(diào)剖的最有效手段。聚合物和泡沫兩類物質(zhì)是當(dāng)前化學(xué)封竄技術(shù)的主要研究方向，但單純聚合物驅(qū)成本偏高，注入能力不強(qiáng)，而泡沫在酸性、高鹽、高溫等環(huán)境下容易分解，穩(wěn)定性差。因此，克服過往試劑的缺陷，研制低成本、高抗性試劑成了化學(xué)封竄技術(shù)亟待解決的關(guān)鍵問題之一［9-10］。

常規(guī)封堵劑注入困難、穩(wěn)定性差、強(qiáng)度低、驅(qū)油效果不佳，難以應(yīng)對相對惡劣的地質(zhì)條件。成本低廉、適應(yīng)性強(qiáng)、效果良好的新型封竄劑的研發(fā)迫在眉睫?？紤]到單一試劑具有局限性，一些學(xué)者聚焦于復(fù)合調(diào)剖體系的研究，綜合不同物質(zhì)的優(yōu)勢，達(dá)到更優(yōu)的封堵效果［11-13］。如唐孝芬等［14］基于普通封堵劑的轉(zhuǎn)向性和Ca2+、Mg2+的結(jié)垢特性，研制了新型無機(jī)硅酸鹽凝膠深部調(diào)驅(qū)轉(zhuǎn)向劑（WJSTP），利用高礦化度水所含的成垢離子，就地生成復(fù)合硅酸鹽無機(jī)凝膠結(jié)垢形成涂層，使地層優(yōu)勢通道逐漸變窄增大流動阻力，但這種方法僅適應(yīng)于高礦化度地層，封堵效果與成垢離子含量密切相關(guān)。Etemad 等［15］嘗試在泡沫劑溶液中添加固體納米顆粒以提升泡沫穩(wěn)定性，測試表明這種新型泡沫調(diào)剖體系的封堵性能及穩(wěn)定性均大幅提高，在90 ℃的地層中仍能發(fā)揮較好的作用，但納米顆粒制造工藝復(fù)雜，成本較高，地層吸附性強(qiáng)，難以在油田大規(guī)模推廣應(yīng)用。

渤海34-2區(qū)塊為典型的孔隙型低滲透油藏，平均滲透率為31.5×10-3μm2，非均質(zhì)性較強(qiáng)，油藏溫度高達(dá)130 ℃，水敏性較強(qiáng)，適合注氣開發(fā)，但常規(guī)封竄手段難以取得良好效果。本文針對該油藏特點，綜合利用高分子聚合物的增黏性能和泡沫的選擇性封堵性能，基于二者的雙重機(jī)理和協(xié)同作用，研發(fā)一種泡沫調(diào)剖體系，考察了其在油藏條件下的注入能力、封堵能力和有效作用范圍，并通過二維模型實驗，與直接注空氣和常規(guī)WAG 注入的驅(qū)油效果進(jìn)行了對比分析，為高溫低滲透油藏注氣防竄和調(diào)控提供了一種新的思路。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

α-烯烴磺酸鈉（AOS），有效含量92%，上海麥克林生化科技公司；聚丙烯酰胺（HPAM），固含量為90%，水解度為20%～30%，相對分子質(zhì)量為1000×104～1200×104，河南華宇環(huán)?？萍加邢薰荆籒a2O·nSiO2，濟(jì)南旺杰生物科技有限公司。實驗用巖心為渤海34-2 區(qū)塊取樣巖心，天然裂縫不發(fā)育，巖心基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如表1 所示。實驗用水為模擬地層水，礦化度為7897 mg/L，主要離子質(zhì)量濃度（單位mg/L）：Na+2622、Mg2+38、Ca2+69、Cl-3206、SO42-117；注入氣體為空氣。

表1 實驗用巖心的基本參數(shù)

Haake RS600型流變儀，Thermo Fisher Scientific 公司；PDP-200 型滲透儀，Core Lab 公司；巖心驅(qū)替裝置，江蘇拓創(chuàng)科研儀器有限公司。

1.2 實驗方法

（1）泡沫調(diào)剖體系的配制

將一定量的AOS、HPAM 及Na2O·nSiO（2質(zhì)量比為3∶1）溶解于500 mL 的地層水中，其中AOS 濃度保持5 g/L不變，聚合物濃度分別為2、3、4 g/L，以聚合物濃度表示不同泡沫調(diào)剖體系。

（2）泡沫調(diào)剖體系的熱穩(wěn)定性

將溶液置于磁力攪拌器中攪拌0.5 h，停止攪拌后仍有少量泡沫生成，靜置0.5 h 待溶液基本穩(wěn)定，計量初始起泡體積；然后將溶液放置于130 ℃恒溫箱中，記錄不同時間段泡沫體積，以表征泡沫的穩(wěn)定性，并與常規(guī)泡沫溶液（僅加入AOS）相比較。

（3）流變性測試

采用HAAKE RS600流變儀測試泡沫調(diào)剖體系的流變性能。在室溫20 ℃下，剪切速率從0.01 s-1逐漸增至1000 s-1，測定不同剪切速率下泡沫調(diào)剖體系的黏度。

（4）注入性能、封堵性能測試

通過室內(nèi)驅(qū)替實驗，測試了體系的注入性能和封堵性能，實驗流程如圖1 所示。將洗凈烘干的巖心放入夾持器中，并施加35 MPa 的圍壓；抽真空后飽和地層水，在油藏溫度130 ℃下恒溫2 h，飽和地層油，老化12 h；以恒定速率0.2 mL/min 注入2 PV的空氣，緊接著注入1 PV 的泡沫調(diào)剖體系，而后再注入2 PV 的空氣。記錄不同時刻入口端和出口端壓力。對實驗后的巖心進(jìn)行CT 掃描，觀測泡沫調(diào)剖體系在巖心中的作用距離及分布規(guī)律。

圖1 實驗裝置圖

采用PDP-200滲透儀脈沖衰減法測量封堵前后巖心的氣測滲透率，由式（1）計算巖心封堵率：

式中：?—封堵率，%；K1—封堵前氣測滲透率，10-3μm2；K2—封堵后氣測滲透率，10-3μm2。

（5）驅(qū)油實驗

結(jié)合目標(biāo)油田實際情況，基于相似準(zhǔn)則，自行設(shè)計了二維人造巖心模型（孔隙型巖心，未造縫）。通過室內(nèi)物理模擬實驗，對連續(xù)氣驅(qū)、水氣交替和調(diào)剖體系的驅(qū)油效果進(jìn)行了比較。在連續(xù)氣驅(qū)階段，以恒定速率0.2 mL/min 連續(xù)注入空氣至突破，記錄氣驅(qū)產(chǎn)油量，計算驅(qū)油效率；繼續(xù)注入空氣至2 PV后進(jìn)行氣水交替，段塞尺寸0.05 PV，氣水比1∶1，不斷注入至不再出油，記錄階段產(chǎn)油量和最終產(chǎn)油量，計算驅(qū)油效率；類似地，采用新的2D模型，重復(fù)氣驅(qū)步驟，待氣體突破后記錄產(chǎn)油量，同樣注入空氣2 PV 后改注調(diào)剖劑，注入1 PV 調(diào)剖劑后改注空氣直至結(jié)束，記錄階段產(chǎn)油量和最終產(chǎn)油量，計算驅(qū)油效率。

2 結(jié)果與討論

2.1 泡沫調(diào)剖體系的穩(wěn)定性

分別向不同濃度（2、3、4 g/L）的聚合物溶液中加入5 g/L 的發(fā)泡劑AOS。普通AOS 發(fā)泡劑體系（5 g/L）的起泡體積為680 mL，而聚合物濃度為2、3、4 g/L 的復(fù)合泡沫調(diào)剖體系的起泡體積分別為700、670、650 mL，由此可見聚合物對于初始起泡體積的影響并不明顯，同時隨著聚合物濃度增加，泡沫體積有所減小，泡沫生成受到了抑制。這是因為當(dāng)聚合物濃度增加時，固體組分的沉降速率加快，聚合物對最上層泡沫的影響變?nèi)酰钌蠈优菽臒岱€(wěn)定性變差，致使泡沫體積減小，對此可以加入懸浮劑以提升固體組分的懸浮能力，降低其沉降速率。

分別向不同濃度（2、3、4 g/L）的聚合物溶液中加入5 g/L的發(fā)泡劑AOS和按HPAM及Na2O·nSiO2質(zhì)量比為3∶1加入Na2O·nSiO2構(gòu)成復(fù)合泡沫調(diào)剖體系。不同泡沫調(diào)剖體系的泡沫體積隨時間的變化如圖2 所示。普通AOS 發(fā)泡劑體系的泡沫半衰期為25 h，而復(fù)合泡沫調(diào)剖體系的半衰期為75～80 h，這表明加入的聚合物和Na2O·nSiO2能提升泡沫的穩(wěn)定性。這是因為HPAM側(cè)鏈含有大量酰胺基，易形成氫鍵產(chǎn)生吸附作用；而Na2O·nSiO2水解后會生成無機(jī)凝膠，—Si—O—Si—鍵同樣有很強(qiáng)的吸附能力，氫鍵和—Si—O—Si—鍵共同作用在液膜表面，提高了泡沫調(diào)剖體系的穩(wěn)定性［16-18］。

圖2 不同泡沫調(diào)剖體系的泡沫體積隨時間的變化（130 ℃）

2.2 流變性能

低滲透儲層具有極其復(fù)雜的地下環(huán)境，當(dāng)泡沫液注入地層后，尺寸不一的孔隙、喉道、壁面會對泡沫產(chǎn)生擠壓、碰撞、切割等作用，部分泡沫破裂，泡沫的黏度隨之降低，封堵能力減弱，因此泡沫的強(qiáng)度是決定其能否發(fā)揮封堵作用的關(guān)鍵［19-20］。通過流變儀測試了不同復(fù)合泡沫調(diào)剖體系的流變性能，結(jié)果如圖3 所示。隨著剪切速率的增加，泡沫調(diào)剖體系的表觀黏度不斷降低。隨著聚合物濃度的增加，對氣泡的吸附能力增強(qiáng)，氣泡開始接觸和碰撞，并受到強(qiáng)烈的擠壓開始變形，因此在受到剪切作用時，聚合物濃度更高的泡沫調(diào)剖體系能產(chǎn)生更大的流動阻力，宏觀上即表現(xiàn)出更高的黏度和更強(qiáng)的穩(wěn)定性。復(fù)合泡沫調(diào)剖體系具有很強(qiáng)的抗剪切能力，當(dāng)剪切速率高達(dá)1000 s-1時，聚合物濃度為2、3、4 g/L的復(fù)合泡沫調(diào)剖體系黏度分別為33、50、64 mPa·s。

圖3 不同泡沫調(diào)剖體系的流變性能

2.3 封堵性能

泡沫調(diào)剖體系處于油藏內(nèi)部時，泡沫在不同位置受到不同的剪切力作用。在滲透率很低的致密孔隙中，剪切力的作用效果極強(qiáng)，大量氣泡變形破裂，整體呈現(xiàn)出“低滲透區(qū)域發(fā)泡少，幾乎不發(fā)泡”的特點。而在高滲透區(qū)域時，泡沫受到的剪切效應(yīng)較弱，發(fā)泡能力未被過多削弱，因而呈現(xiàn)出很強(qiáng)的封堵能力。泡沫的這一特性在宏觀上即表現(xiàn)為選擇性封堵作用，迫使氣體轉(zhuǎn)向流動到低滲透區(qū)域，滲透到地層深處，進(jìn)一步擴(kuò)大氣體的波及范圍。

先向巖心中注入2 PV 的空氣，再注入1 PV 的復(fù)合泡沫調(diào)剖體系（聚合物濃度為2 g/L），然后再注入2 PV的空氣，注入過程中注入壓力隨注入體積的變化見圖4。注入性實驗分為3個階段：第1個階段注入空氣，當(dāng)注入1 PV 的空氣時氣體開始突破，壓差迅速下降；第2階段在注入2 PV空氣之后轉(zhuǎn)1 PV的復(fù)合泡沫調(diào)剖體系，隨著復(fù)合泡沫調(diào)剖體系的注入，壓差不斷上升，未出現(xiàn)注不進(jìn)現(xiàn)象；第3 階段繼續(xù)再注2 PV 空氣，壓差繼續(xù)上升，且明顯高于第一階段。復(fù)合泡沫調(diào)剖體系進(jìn)入巖心后在大孔隙生成大量氣泡，形成封堵作用，促使該區(qū)域滲透率降低，而聚合物水解后產(chǎn)生強(qiáng)烈吸附作用，生成的無機(jī)凝膠通過—Si—O—Si—鍵作用于巖石表面形成涂層，使得滲流阻力進(jìn)一步增大，氣泡和聚合物的耦合效應(yīng)致使后續(xù)驅(qū)替空氣轉(zhuǎn)向低滲透區(qū)域，深入未動用儲層，擴(kuò)大波及范圍［21］。

圖4 注入過程中壓力隨注入體積的變化

兩個氣測滲透率分別為37.37×10-3和33.46×10-3μm2的巖心，注入復(fù)合泡沫調(diào)剖體系后，氣測滲透率分別降為0.57×10-3和0.41×10-3μm2，復(fù)合泡沫調(diào)剖體系對巖心的封堵率分別達(dá)到98.47%和98.77%，封堵效果良好。

注入調(diào)剖劑的本質(zhì)是促使非均質(zhì)儲層變得相對均質(zhì)，調(diào)剖劑注入后分布是否均勻，能否有效作用于整個基質(zhì)對后續(xù)驅(qū)油效果有重要影響。對注入調(diào)剖劑后的兩塊巖心進(jìn)行了CT掃描，結(jié)果如圖5所示?？梢郧宄匕l(fā)現(xiàn)，調(diào)剖劑在巖心斷面及整體表面均有分布，尤其在大孔隙處，形成了有效的封堵。由此可見，該調(diào)剖劑能夠在巖心內(nèi)部進(jìn)行有效滲流，并作用于巖心內(nèi)部，整體上具有較好的封堵效果。

圖5 注入調(diào)剖劑后兩塊巖心的CT掃描照片

2.4 提高采收率效果

空氣流動性極強(qiáng)，驅(qū)替過程中容易沿高導(dǎo)流通道竄流，造成生產(chǎn)時間過短，波及效率較低，整體驅(qū)油效率不高。氣驅(qū)-水氣交替驅(qū)和氣驅(qū)-調(diào)驅(qū)劑驅(qū)-氣驅(qū)過程中驅(qū)油效率和注入壓力隨注入體積的變化見圖6。隨著空氣注入量的增加，注入壓力逐漸升高，當(dāng)注入量達(dá)到1 PV 左右時，注入壓力達(dá)到峰值，之后氣體突破，注入壓力迅速下降，產(chǎn)油量不再上升，氣驅(qū)驅(qū)油效率為36%左右。為確保實驗的準(zhǔn)確性，在氣體突破之后仍繼續(xù)注入空氣至2 PV，而后分別進(jìn)行氣水交替和注入調(diào)剖體系驅(qū)替實驗。

氣水交替是目前應(yīng)用較為廣泛的一種驅(qū)替方式［22］，可以明顯改善驅(qū)替前緣，提高波及效率。水相在毛細(xì)管力的作用下進(jìn)入小孔隙將油相置換出來，氣相通過膨脹萃取作用促使原油向下游運移，同時氣水交替能夠提升氣體黏度，改善流度比，起到一定的封竄效果。當(dāng)連續(xù)氣驅(qū)轉(zhuǎn)為氣水交替后，注入壓力明顯升高，峰值為1680 kPa，氣竄得到抑制，同時原油不斷產(chǎn)出，注入量為2.7 PV 時生產(chǎn)結(jié)束，最終驅(qū)油效率為46.83%，相比空氣驅(qū)驅(qū)油效率提高了10.14%。

氣驅(qū)后先注入1 PV 的復(fù)合泡沫調(diào)剖體系再進(jìn)行空氣驅(qū)，相比氣水交替，復(fù)合泡沫調(diào)剖體系同樣能夠改善流度比，但增黏效果卻遠(yuǎn)大于水，封堵能力更強(qiáng)［23-24］。注復(fù)合泡沫調(diào)剖體系后轉(zhuǎn)氣驅(qū)階段注入壓力不斷上升，峰值為1380 kPa，生產(chǎn)時間被延長至2.9 PV，最終驅(qū)油效率為51.55%，較空氣驅(qū)驅(qū)油效率提高15.81%。與注入氣水交替不同的是，泡沫調(diào)剖體系能通過選擇性封堵降低高滲透通道的滲透率，促使后續(xù)氣驅(qū)過程中空氣進(jìn)入未被波及的區(qū)域，最終使得宏觀波及效率和微觀驅(qū)油效率同時提高。

氣水交替與泡沫調(diào)剖體系均能抑制氣竄，延長生產(chǎn)時間。但相較而言，泡沫調(diào)剖體系的驅(qū)油效果明顯更好。分析認(rèn)為氣水交替使得注入空氣量相對減少，空氣的低溫氧化效應(yīng)也相應(yīng)減弱，因此驅(qū)油效果受到限制。同時氣水交替的壓差峰值（1680 kPa）高于注泡沫調(diào)剖體系后轉(zhuǎn)氣驅(qū)的壓差峰值（1380 kPa），表明氣水交替的注入難度較大。從生產(chǎn)時間來看，氣水交替延長生產(chǎn)時間至2.7 PV，而注泡沫調(diào)剖體系延長生產(chǎn)時間至2.9 PV，這是因為泡沫的選擇性封堵使空氣的運移路程變長，在多孔介質(zhì)中滯留和與原油接觸作用的時間延長。本次實驗溫度高達(dá)130 ℃，普通泡沫在高溫下極易分解，作用效果變差，而復(fù)合泡沫調(diào)剖體系克服了這一缺點，且同時兼有聚合物增黏和泡沫驅(qū)調(diào)剖的雙重優(yōu)勢，聚合物的吸附作用使調(diào)剖體系的黏度遠(yuǎn)大于普通泡沫，泡沫穩(wěn)定性更高，封堵能力更強(qiáng)。因此泡沫能充分發(fā)揮選擇性封堵作用，占據(jù)層間大部分大孔隙，迫使氣體轉(zhuǎn)向進(jìn)入中低滲透儲層，擴(kuò)大了波及范圍，使更多小孔隙中的原油被驅(qū)替出來。

3 結(jié)論

復(fù)合泡沫調(diào)剖體系中聚合物水解后形成的氫鍵和—Si—O—Si—鍵，產(chǎn)生強(qiáng)烈吸附作用，降低了表面張力，提升了泡沫的穩(wěn)定性，并使體系呈現(xiàn)出更高的黏度和更強(qiáng)的抗剪切能力。

復(fù)合泡沫調(diào)剖體系對滲透率約35×10-3μm2的巖心封堵率高達(dá)98%以上，能很好地抑制氣竄；該體系在巖心內(nèi)形成了有效流動，并對大孔道形成封堵，能夠作用于整個巖心，改善非均質(zhì)性。

在氣體突破后氣水交替方式可提高驅(qū)油效率10.14%；而采用注復(fù)合泡沫調(diào)剖體系再轉(zhuǎn)氣驅(qū)提高驅(qū)油效率15.81%，調(diào)剖效果明顯優(yōu)于氣水交替。