曹飛， 侯吉瑞， 聞?dòng)畛?， 郭臣

(1.中國石油化工股份有限公司西北油田分公司， 烏魯木齊 830011；2.中國石油大學(xué)(北京)非常規(guī)油氣科學(xué)技術(shù)研究院， 北京 102249)

碳酸鹽巖油藏在世界上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的油氣藏中有著重要地位，全球沉積巖中碳酸鹽巖的面積占20%，碳酸鹽巖油藏的油氣儲(chǔ)量占世界總油氣儲(chǔ)量的60%[1]，在世界上共發(fā)現(xiàn)的大型油氣田中，碳酸鹽巖油藏占1/3，碳酸鹽巖油藏具有規(guī)模大、產(chǎn)量高等特點(diǎn)，是世界重要的石油增儲(chǔ)上產(chǎn)領(lǐng)域之一[2]。中國碳酸沉積巖主要分布在塔里木盆地、四川盆地、鄂爾多斯盆地和華北地區(qū)，其中塔河油田的奧陶系油藏是世界上儲(chǔ)量規(guī)模最大的縫洞型碳酸鹽油藏[3]，縫洞型碳酸鹽巖油藏的勘探與開采對中國石油的接替有著非常重要的意義，與常規(guī)裂縫-基質(zhì)型碳酸鹽巖油藏不同的是裂縫-溶洞型碳酸鹽巖油藏主要儲(chǔ)集空間為孔、縫、洞，儲(chǔ)集體非均質(zhì)性強(qiáng)、形態(tài)多樣[4-5]。塔河油田在開發(fā)前期主要靠天然能量進(jìn)行開采[6-7]，后續(xù)進(jìn)行不同方式的水驅(qū)[8-11]，隨著注水替油周期的增加，產(chǎn)出液含水率上升，產(chǎn)油量減少，驅(qū)油效率越來越差。通過借鑒國外的成功案例開展了氮?dú)怛?qū)[12-14]，氣體與原油混合在一起通過重力分異等作用將高部位的剩余油置換出來，但是由于碳酸鹽巖油藏特殊的儲(chǔ)集空間，在進(jìn)行氣驅(qū)時(shí)易導(dǎo)致氣竄，最終導(dǎo)致提高采收率效果較差[15]。泡沫具有很好的流度控制能力，能夠在驅(qū)替過程中選擇性封堵高滲通道，啟動(dòng)次級滲流通道，有效擴(kuò)大波及體積，從而提高采收率[16]，在縫洞型碳酸鹽油藏中有很大的發(fā)展前景。

Bond和Holbrook發(fā)表了世界上第一份泡沫驅(qū)油專利，開啟了泡沫在提高采收率領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)程。隨后Fried通過泡沫驅(qū)替實(shí)驗(yàn)證明了泡沫降低氣體在多孔介質(zhì)中的流動(dòng)速度，擴(kuò)大波及體積的能力。最初研究人員們開展了大量泡沫在砂巖油藏多孔介質(zhì)中的驅(qū)油機(jī)理、數(shù)值模擬和應(yīng)用效果方面的研究。Abbaszadeh 等[17]發(fā)現(xiàn)了增加泡沫強(qiáng)度能夠增加流度控制能力并提高驅(qū)油效果。Al-Maqbali 等[18]明確了泡沫具有促使液流轉(zhuǎn)向進(jìn)而提高采收率的作用。Ferno 等[19]揭示了粗糙的裂縫產(chǎn)生的泡沫具有剪切變稀的特征，并指出氣液混注比段塞式注入效果好。針對泡沫封堵高滲通道、控制氣體流度的能力，研究人員也進(jìn)行了深入的研究，Skauge 等[20]發(fā)現(xiàn)了泡沫的氣體流度控制能力和封堵氣竄的效果。林偉民等[21]通過分析空氣泡沫的儲(chǔ)層封堵能力和調(diào)剖能力，發(fā)現(xiàn)空氣泡沫具有良好的延緩氣竄作用。龔書[22]明確了泡沫能夠有效改善吸氣剖面，封堵高滲透層段，啟動(dòng)低滲透層段，并利用數(shù)值模擬技術(shù)給出了泡沫的最佳注入方案。

后續(xù)研究人員針對縫洞型碳酸鹽巖油藏也開展了相應(yīng)的泡沫驅(qū)實(shí)驗(yàn)與研究。屈鳴等[23-26]針對縫洞型碳酸鹽巖油藏中水竄、氣竄嚴(yán)重，注氣效果差的問題，提出了泡沫輔助氣驅(qū)的縫洞型油藏提高采收率方法，并明確了影響縫洞型油藏中泡沫驅(qū)效果的主要因素，揭示了氮?dú)馀菽?qū)提高采收率的主要機(jī)理是降低油水界面張力以及重力分異作用。

現(xiàn)綜合考慮碳酸鹽巖油藏儲(chǔ)集空間在尺度上的非均質(zhì)性、儲(chǔ)集體類型差異性、儲(chǔ)集體井間展布的隨機(jī)性，建立典型的縫、洞及縫洞組合模式，采用可視化的透明物理材料，設(shè)計(jì)制作可視化裂縫、溶蝕孔洞組合及縫洞混聯(lián)模型，開展不同階段下的泡沫驅(qū)油實(shí)驗(yàn)，研究泡沫在不同模型下的運(yùn)移過程及效果，分析泡沫對不同縫洞結(jié)構(gòu)的動(dòng)用機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)材料與步驟

1.1 物理模型設(shè)計(jì)與制作

為了研究縫洞型油藏不同縫洞結(jié)構(gòu)中泡沫驅(qū)效果及剩余油動(dòng)用機(jī)理，根據(jù)塔河油田碳酸鹽巖油藏三維地質(zhì)數(shù)據(jù)體中的典型裂縫結(jié)構(gòu)及縫洞組合模式特點(diǎn)，基于相似準(zhǔn)則綜合考慮實(shí)驗(yàn)條件后，設(shè)計(jì)制作出3種不同縫洞組合模型，包括溶洞并聯(lián)模型、溶洞混聯(lián)模型和裂縫混聯(lián)模型，如圖1～圖3所示。裂縫混聯(lián)模型主要由3條主裂縫及多條次級裂縫連通組成，主裂縫開度為5 mm，長度為3 cm左右，次級裂縫開度控制在1～5 mm，由不同開度大小組成，長度控制在1～3 cm；溶洞混聯(lián)模型由多個(gè)不同大小的溶洞及裂縫連接而成，溶洞直徑大小控制在1～3 cm，連接溶洞的裂縫開度為1 mm，長度為1 cm左右；溶洞并聯(lián)模型由上下兩個(gè)小溶洞經(jīng)裂縫連通匯聚在一個(gè)大溶洞上并聯(lián)而成，裂縫開度為1 mm，長度為1 cm，大溶洞長5 cm左右，寬3 cm左右，小溶洞長4 cm，寬1 cm左右。由于碳酸鹽巖油藏的基質(zhì)基本不具備滲透能力，因此不考慮基質(zhì)的滲透率，根據(jù)設(shè)計(jì)圖在厚亞克力板材料上采用數(shù)控加工技術(shù)刻蝕出縫洞結(jié)構(gòu)，最后用在刻蝕面上覆蓋一層薄亞克力板并進(jìn)行密封加固處理，制作出二維可視化縫洞組合模型，模型為長10 cm、寬10 cm、厚度 2 cm的正方形透明板。充填模型內(nèi)充填物采用直徑為2 mm的亞克力球以模擬縫洞結(jié)構(gòu)中的充填特征。

圖2 溶洞并聯(lián)模型

圖3 溶洞混聯(lián)模型

1.2 實(shí)驗(yàn)材料及儀器

實(shí)驗(yàn)用油為模擬油，由煤油與液體石蠟配制而成，在25 ℃下黏度為23.9 mPa·s，密度為0.821 g/cm3，為了在可視化條件下便于觀察將其用蘇丹紅染色劑染為紅色。實(shí)驗(yàn)用水為模擬地層水，在實(shí)驗(yàn)室采用去離子水和鹽配制而成，其離子濃度與塔河油田現(xiàn)場地層水相同，在25 ℃下黏度為1 mPa·s，密度為1 g/cm3，為了在可視化條件下便于觀察，將其用亞甲基藍(lán)染色劑染為藍(lán)色。實(shí)驗(yàn)所用氮?dú)鉃榧兌?9%的工業(yè)氮?dú)?，?shí)驗(yàn)所用泡沫為氮?dú)馀菽瑲庖罕葹?∶1，起泡劑為濃度0.3%的十二烷基硫酸鈉，并加入質(zhì)量濃度為0.05%硫化鉬片狀納米材料以增強(qiáng)泡沫穩(wěn)定性。

泡沫驅(qū)物理模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要分為3個(gè)部分：可視化物理模型系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)、圖像及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如圖4所示。其中可視化物理模型系統(tǒng)由面板光源及三種二維可視化物理模型組成；實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)由注入泵(工作壓力為0～30 MPa，流速為0.001～20 mL/min)、氮?dú)鈿夤?、氣體流量控制器、六通閥、泡沫發(fā)生器及裝有泡沫液和模擬地層水的中間容器組成；圖像及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)及圖片處理軟件、采出液計(jì)量裝置、高清攝像機(jī)(最大分辨率為1 080P)。

圖4 物理模擬實(shí)驗(yàn)流程圖

1.3 實(shí)驗(yàn)方法及步驟

在常溫常壓下(25 ℃，0.1 MPa)，利用基于相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)制作的二位可視化物理模擬模型，開展不同開發(fā)階段后的氮?dú)馀菽?qū)物理模擬實(shí)驗(yàn)，以模擬縫洞型油藏中泡沫驅(qū)效果及縫洞結(jié)構(gòu)的動(dòng)用規(guī)律。為了研究泡沫在不同組合模式、不同角度和不同充填程度的縫洞模型中的流動(dòng)規(guī)律和驅(qū)油效果，基于3種二維可視化縫洞組合模型，設(shè)計(jì)了3種不同的物理模擬實(shí)驗(yàn)方法，包括垂直驅(qū)替實(shí)驗(yàn)、水平驅(qū)替實(shí)驗(yàn)、90°高角度驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，如圖5所示，并分別開展了水驅(qū)后泡沫驅(qū)和氣驅(qū)后泡沫驅(qū)實(shí)驗(yàn)研究。

圖5 可視化模型驅(qū)替實(shí)驗(yàn)示意圖

泡沫驅(qū)實(shí)驗(yàn)步驟如下。

步驟1以2 mL/min的注入速度將模型飽和油，盡量將模型內(nèi)的氣體全部排出，記錄模型飽和油體積。

步驟2注入端以2 mL/min的注水強(qiáng)度(或5 mL/min的注氣強(qiáng)度)開展水驅(qū)(或氣驅(qū))實(shí)驗(yàn)，至采出端含水至98%或完全水竄則停止注水，記錄水驅(qū)后采出油的體積。

步驟3注入端轉(zhuǎn)注泡沫，以2 mL/min的注入速度開展氮?dú)馀菽?qū)，當(dāng)采出端不出油時(shí)停止泡沫驅(qū)，記錄泡沫驅(qū)后采出油的體積。

步驟4改變模型放置方式，重復(fù)實(shí)驗(yàn)，并用高清攝像機(jī)記錄實(shí)驗(yàn)過程。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 二維可視化縫洞組合模型泡沫驅(qū)效果

2.1.1 裂縫混聯(lián)模型泡沫驅(qū)效果

基于溶洞并聯(lián)模型開展氣驅(qū)和泡沫驅(qū)的水平驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖6所示。在裂縫混聯(lián)模型氣驅(qū)過程中，氣體由入口端注入后，沿著①—③—④方向向出口端快速突進(jìn)，并形成了優(yōu)勢通道，①—②之間的大裂縫內(nèi)的油也被氣體置換出來，但②—④之間的小裂縫及其他小裂縫內(nèi)的油未被啟動(dòng)，氣體突破后次級裂縫內(nèi)仍存在大量剩余油，最終氣驅(qū)后采收率為36.4%；而在泡沫驅(qū)過程中，由于泡沫優(yōu)異的控制流度能力，泡沫不但對大裂縫具有較好的驅(qū)替效果，也啟動(dòng)了大量的次級裂縫通道，泡沫驅(qū)后絕大部分連通裂縫內(nèi)的油被驅(qū)替出來，最終泡沫驅(qū)后采收率為82.3%，泡沫大大提高了裂縫中的原油采收率。

圖6 裂縫混聯(lián)模型驅(qū)替實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1.2 溶洞并聯(lián)模型泡沫驅(qū)效果

(1) 水平驅(qū)替實(shí)驗(yàn)。基于溶洞并聯(lián)模型開展了水平驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，水驅(qū)過程如圖7(a)所示，注入水從注入端進(jìn)入縫洞結(jié)構(gòu)后，由于油水黏度差異的影響，在大溶洞內(nèi)發(fā)生明顯的指進(jìn)現(xiàn)象，后續(xù)注入水進(jìn)入兩條并聯(lián)的裂縫通道中，并驅(qū)替出縫洞結(jié)構(gòu)中的剩余油，最終水驅(qū)后采收率為62.7%，水驅(qū)后大溶洞內(nèi)剩余大量剩余油。氣驅(qū)過程如圖7(c)所示，由于油氣黏度差異更大，相比于水驅(qū)，氣驅(qū)更容易出現(xiàn)指進(jìn)現(xiàn)象，注入氣從注入端進(jìn)入溶洞后，在大溶洞內(nèi)迅速形成竄流優(yōu)勢通道，后續(xù)氣體進(jìn)入兩條并聯(lián)的裂縫通道中，并驅(qū)替出縫洞結(jié)構(gòu)中的剩余油，最終氣驅(qū)后采收率為48.6%，氣驅(qū)后模型內(nèi)也存在大量的剩余油。圖7(b)為水驅(qū)后泡沫驅(qū)，圖7(d)為氣驅(qū)后泡沫驅(qū)，由于泡沫流動(dòng)控制能力強(qiáng)，能夠抑制流體的黏性指進(jìn)現(xiàn)象，泡沫從注入端注入溶洞后，能夠均勻波及整個(gè)大溶洞，并同時(shí)進(jìn)入兩條并聯(lián)的裂縫通道中，驅(qū)替出縫洞結(jié)構(gòu)中的剩余油，最終水驅(qū)后泡沫驅(qū)采收率達(dá)到94.9%左右，氣驅(qū)后泡沫驅(qū)采收率達(dá)到95.2%。

圖7 水平放置驅(qū)替實(shí)驗(yàn)結(jié)果

(2) 垂直驅(qū)替實(shí)驗(yàn)?；谌芏床⒙?lián)模型開展了垂直驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，水驅(qū)過程如圖 8(a)所示，在重力分異的作用下，注入水進(jìn)入溶洞后沿著溶洞下半部運(yùn)移并出現(xiàn)明顯的指進(jìn)現(xiàn)象，后續(xù)注入水在下半部分的裂縫中形成水流優(yōu)勢通道，水驅(qū)后采收率為32.2%；氣驅(qū)過程中如圖 8(c)所示，注入氣在重力分異的作用下，進(jìn)入溶洞后迅速驅(qū)替出溶洞上半部分的剩余油，并在上半部分的裂縫中形成氣竄優(yōu)勢通道，氣驅(qū)后采收率為44.7%；在進(jìn)行泡沫驅(qū)過程中，由于泡沫具有封堵優(yōu)勢通道，控制流度的能力，對于強(qiáng)非均質(zhì)的縱向上的縫洞結(jié)構(gòu)也具有極好的驅(qū)替效果，能夠有效驅(qū)替水驅(qū)和氣驅(qū)后縫洞結(jié)構(gòu)中存在的大量剩余油，最終水驅(qū)后泡沫驅(qū)采收率為96.3%，氣驅(qū)后泡沫驅(qū)采收率為95.5%。

圖8 垂直放置驅(qū)替實(shí)驗(yàn)結(jié)果

(3)90°高角度驅(qū)替實(shí)驗(yàn)?；谌芏床⒙?lián)模型開展了90°高角度驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，如圖9所示。水的密度小于油，在重力的作用下，從下部注入端注入的水進(jìn)入溶洞后，推動(dòng)油水界面不斷上升，驅(qū)替了溶洞中的油后同時(shí)啟動(dòng)兩個(gè)高角度裂縫?？p洞結(jié)構(gòu)中存在的充填物介質(zhì)，加強(qiáng)了縫洞結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)性，這導(dǎo)致水在縫洞結(jié)構(gòu)中的微觀波及效率較低，水驅(qū)后溶洞結(jié)構(gòu)中存在大量剩余油，水驅(qū)最終采收率為77.6%；由于油氣黏度差異大，且氣體的密度遠(yuǎn)小于油，氣體的黏性指進(jìn)現(xiàn)象嚴(yán)重，氣體從下部注入端注入溶洞后，迅速向上部突進(jìn)并沿著一條高角度裂縫運(yùn)移至采出端，最終形成了一條氣體流動(dòng)優(yōu)勢通道，導(dǎo)致另一條高角度裂縫無法被動(dòng)用，說明氣驅(qū)對高角度裂縫的驅(qū)替效果很差。氣驅(qū)后縫洞結(jié)構(gòu)內(nèi)殘余大量剩余油，最終氣驅(qū)采收率為23.4%；泡沫能夠控制后續(xù)流體流度，在縱向上也能夠?qū)崿F(xiàn)泡沫-油界面的均勻推進(jìn)，同時(shí)具有很好的微觀驅(qū)替效率，對充填縫洞內(nèi)的大量剩余油驅(qū)替效果較好，最終水驅(qū)后泡沫驅(qū)采收率達(dá)到96.8%；泡沫對高滲通道也具有很好的封堵作用，能夠封堵氣竄優(yōu)勢通道，啟動(dòng)其他裂縫通道中的剩余油，對縱向上的高角度縫洞結(jié)構(gòu)有很好的驅(qū)替效果，最終氣驅(qū)后泡沫驅(qū)采收率達(dá)到95.6%。

由于縫洞結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和裂縫角度的多變性，受重力分異作用和黏性指進(jìn)的影響，水驅(qū)和氣驅(qū)在溶洞并聯(lián)結(jié)構(gòu)中的驅(qū)替效果不盡人意，水驅(qū)對于垂直方向的縫洞結(jié)構(gòu)驅(qū)替效果較差，而氣驅(qū)在水平和縱向上的縫洞結(jié)構(gòu)中采收率都低于50%。而泡沫具有極好的流度控制能力和高滲通道封堵能力，能夠有效削弱黏性指進(jìn)，封堵高滲通道，對于水平方向、垂直方向和高角度的裂縫都具有很好的驅(qū)替效果，能夠?qū)⑷芏春土芽p內(nèi)的大部分剩余油置換出，最終采收率都能夠達(dá)到90%以上，提高采收率效果明顯，如圖10所示。

2.1.3 溶洞混聯(lián)模型泡沫驅(qū)效果

(1)水平驅(qū)替實(shí)驗(yàn)。基于溶洞混聯(lián)模型開展了水平驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，如圖11、圖12所示。在充填模型中，水驅(qū)時(shí)的指進(jìn)現(xiàn)象明顯，微觀波及效率較差，水驅(qū)所波及的溶洞內(nèi)存在大量剩余油，充填模型水驅(qū)后采收率為55.8%。未充填模型的水驅(qū)效果更差，未充填模型水驅(qū)后采收率為43.8%；氣驅(qū)過程中，在充填模型中，由于油氣黏度差較大，在驅(qū)替過程中氣體迅速形成優(yōu)勢通道，微觀驅(qū)替效率較差，充填模型氣驅(qū)后采收率為25.1%。而未充填模型中的氣體進(jìn)入溶洞后能夠較好地驅(qū)替溶洞中的剩余油，然后突破裂縫通道進(jìn)入下一個(gè)溶洞，未充填模型氣驅(qū)后采收率為31.2%；泡沫液中的表面活性劑能夠降低界面張力，有效提高了泡沫在縫洞結(jié)構(gòu)中的微觀驅(qū)油效率，同時(shí)泡沫具有調(diào)流轉(zhuǎn)向的能力，在縫洞結(jié)構(gòu)中能夠?qū)崿F(xiàn)均勻驅(qū)替，有效提高采收率。此外，泡沫能夠啟動(dòng)水驅(qū)及氣驅(qū)無法波及的縫洞結(jié)構(gòu)，最終充填模型水驅(qū)后泡沫驅(qū)采收率為61.7%，氣驅(qū)后泡沫驅(qū)采收率為63.3%；未充填模型水驅(qū)后泡沫驅(qū)采收率為62.4%，氣驅(qū)后泡沫驅(qū)采收率為64.9%。

圖11 充填模型水平放置驅(qū)替實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖12 未充填模型水平放置驅(qū)替實(shí)驗(yàn)結(jié)果

(2)垂直驅(qū)替實(shí)驗(yàn)。基于溶洞混聯(lián)模型開展了垂直驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，如圖13、圖14所示。在重力分異的作用下，注入水主要波及縫洞結(jié)構(gòu)的下半部位，注入氣主要波及縫洞結(jié)構(gòu)的上半部位。未充填模型在進(jìn)行水驅(qū)時(shí)，溶洞油水界面不斷上升，到達(dá)連通溶洞之間的裂縫處后油水界面就不再向上移動(dòng)，后續(xù)注入水沿著裂縫進(jìn)入下一個(gè)溶洞，未充填模型水驅(qū)后采收率為34.8%。充填模型水驅(qū)過程中，由于充填物的存在，溶洞非均質(zhì)性強(qiáng)，水驅(qū)波及范圍較未充填模型更大，水驅(qū)失效后充填模型油水界面比未充填模型的更高，最終充填模型水驅(qū)后采收率為45.8%。氣驅(qū)過程中，氣體在充填模型中形成優(yōu)勢通道的速度比未充填模型更快，縫洞結(jié)構(gòu)中充填物的存在加劇了氣體的黏性指進(jìn)現(xiàn)象，最終充填模型氣驅(qū)后采收率為31.2%，未充填模型氣驅(qū)后采收率為42.5%；水驅(qū)后泡沫驅(qū)能夠波及縫洞結(jié)構(gòu)中上部位的剩余油，壓低油水界面，同時(shí)部分泡沫破裂后釋放的氣體能夠啟動(dòng)縫洞結(jié)構(gòu)上部的閣樓油，氣驅(qū)后泡沫驅(qū)可以封堵氣體流動(dòng)優(yōu)勢通道，擴(kuò)大后續(xù)流體波及體積，最終充填模型水驅(qū)后泡沫驅(qū)采收率為66.7%，氣驅(qū)后泡沫驅(qū)采收率為58.9%；未充填模型水驅(qū)后泡沫驅(qū)采收率為68.2%，氣驅(qū)后泡沫驅(qū)采收率為54.8%。

圖13 充填模型垂直放置驅(qū)替實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖14 未充填模型垂直放置驅(qū)替實(shí)驗(yàn)結(jié)果

(3)90°高角度驅(qū)替實(shí)驗(yàn)。基于溶洞混聯(lián)模型開展了90°高角度驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，如圖15、圖16所示。水驅(qū)過程中，水從底部溶洞注入后，逐漸抬升油水界面，驅(qū)替連通溶洞中的剩余油；氣驅(qū)過程中，氣體從底部溶洞進(jìn)入后，迅速沿著縫洞結(jié)構(gòu)向上突進(jìn)，形成了氣竄優(yōu)勢通道，最終充填模型水驅(qū)后采收率為58.2%，氣驅(qū)后采收率為29.8%；未充填模型水驅(qū)后采收率為59.2%，氣驅(qū)后采收率為30.2%，說明在高角度縫洞結(jié)構(gòu)中進(jìn)行水驅(qū)及氣驅(qū)，充填介質(zhì)的存在對驅(qū)替效果影響不明顯。氣驅(qū)后泡沫驅(qū)和水驅(qū)后泡沫驅(qū)受充填介質(zhì)的影響較明顯，充填介質(zhì)的存在能夠使泡沫均勻向上運(yùn)移，提高縱向上的泡沫波及面積。最終充填模型水驅(qū)后泡沫驅(qū)采收率為62.3%，氣驅(qū)后泡沫驅(qū)采收率為55.4%，未充填物模型水驅(qū)后泡沫驅(qū)采收率為61.8%，氣驅(qū)后泡沫驅(qū)采收率為35.8%。

圖15 充填模型90°高角度放置驅(qū)替實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖16 未充填模型90°高角度放置驅(qū)替實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖17對比可知，水驅(qū)在溶洞混聯(lián)結(jié)構(gòu)中的驅(qū)替效果比溶洞并聯(lián)結(jié)構(gòu)要好一些，但氣驅(qū)在溶洞混聯(lián)結(jié)構(gòu)中的驅(qū)替效果很差，大量的氣體進(jìn)入溶洞后迅速沿著裂縫通道竄逸，無法有效波及整個(gè)溶洞?？v向上溶洞的充填程度對于水驅(qū)和氣驅(qū)的驅(qū)替效果，影響較小，但對于泡沫驅(qū)的驅(qū)替效果影響較大，充填程度越高，泡沫驅(qū)效果越好。泡沫對于非均質(zhì)性極強(qiáng)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的縫洞結(jié)構(gòu)具有較好的波及效果，能夠?qū)⒉煌较蚝筒煌嵌鹊娜芏春土芽p內(nèi)的剩余油置換出，提高采收率效果明顯，泡沫驅(qū)無法動(dòng)用的剩余油多數(shù)集中在連通性較差的盲端縫洞中。

圖17 不同驅(qū)替階段采收率

2.2 泡沫驅(qū)動(dòng)用縫洞結(jié)構(gòu)機(jī)理研究

2.2.1 多級裂縫結(jié)構(gòu)的動(dòng)用機(jī)理

通過縫洞組合模型泡沫驅(qū)實(shí)驗(yàn)研究(圖6)，發(fā)現(xiàn)多級裂縫氣驅(qū)過程中，氣體沿著主要的竄流通道(①—③—④)前進(jìn)，對于其他次級裂縫啟動(dòng)的較少；而泡沫驅(qū)啟動(dòng)了絕大部分次級裂縫通道，對于多級裂縫的啟動(dòng)能力較好，有效擴(kuò)大了波及體積，提高了裂縫中的原油采收率。

由布辛列克方程[式(1)]可知，裂縫內(nèi)的流體能否流動(dòng)，取決于壓力梯度是否為正，即單位長度上壓力的變化是否為正。

(1)

圖18 泡沫啟動(dòng)多級裂縫通道示意圖

氣體由于黏度小，在裂縫中流動(dòng)過程中的壓降梯度小，壓力下降較慢，導(dǎo)致②點(diǎn)與④點(diǎn)的壓力差不足以克服②—④間的流動(dòng)阻力，故啟動(dòng)不了②—④間的次級裂縫。相對于氣體而言，泡沫黏度大同時(shí)賈敏效應(yīng)疊加嚴(yán)重，壓降梯度大，在泡沫由①—③—④的過程中泡沫產(chǎn)生的壓力下降快，④點(diǎn)的壓力遠(yuǎn)小于①—②點(diǎn)的壓力，②—④之間的壓力差足以克服②—④間的流動(dòng)阻力，從而啟動(dòng)②—④間的次級裂縫。同樣的情況下，泡沫對于裂縫混聯(lián)模型中的其他次級裂縫也具有很好的啟動(dòng)效果。

因此理論上，在無限提高注入壓力的理想條件下，增大泡沫黏度能夠增大壓降梯度，從而啟動(dòng)所有連通裂縫。實(shí)際礦場注入壓力受限，同時(shí)儲(chǔ)層條件復(fù)雜，流體流動(dòng)阻力影響因素較多，應(yīng)通過增強(qiáng)泡沫的強(qiáng)度和穩(wěn)定性(提高賈敏疊加效應(yīng))，來增強(qiáng)泡沫調(diào)流轉(zhuǎn)向的能力。

2.2.2 溶洞結(jié)構(gòu)的動(dòng)用機(jī)理

在縫洞組合模型泡沫驅(qū)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，泡沫是否能夠驅(qū)替出溶洞內(nèi)的油主要取決于驅(qū)動(dòng)力與流動(dòng)阻力之間的關(guān)系，當(dāng)驅(qū)動(dòng)力大于流動(dòng)阻力時(shí)，泡沫能夠?qū)⑷芏磧?nèi)的油置換出來。

在驅(qū)替縫洞結(jié)構(gòu)中剩余油的過程中主要驅(qū)動(dòng)力為

PD=Pin-Pout

(2)

泡沫與油密度差產(chǎn)生的重力為

ΔPf=(ρo-ρf)gh

(3)

驅(qū)替過程主要受到的阻力為

(4)

式中：Pin為注入端壓力，Pa；Pout為出口端壓力，Pa；ρo為地下原油密度，kg/m3；ρf為泡沫密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；σ為泡沫與油之間的界面張力，mN/m；θ為泡沫與縫壁之間的接觸角，(°)；w為裂縫寬度，m。圖19所示為泡沫動(dòng)用溶洞中剩余油示意圖。

圖19 泡沫動(dòng)用溶洞中剩余油示意圖

定義了溶洞結(jié)構(gòu)中泡沫動(dòng)用能力因子N，用來判斷泡沫能夠啟動(dòng)縫洞結(jié)構(gòu)中的剩余油，其表達(dá)式為

(5)

當(dāng)N>1時(shí)，說明在溶洞結(jié)構(gòu)中，泡沫的驅(qū)動(dòng)力大于流動(dòng)阻力，則泡沫可以將溶洞內(nèi)的原油驅(qū)替出來，反之則無法啟動(dòng)溶洞結(jié)構(gòu)中的剩余油。從式(5)中可以看出，泡沫的密度越小，泡沫與油之間的界面張力越小越有利于泡沫驅(qū)啟動(dòng)溶洞結(jié)構(gòu)，因此可以通過減小泡沫的密度，降低泡沫和油之間的界面張力的方式來提高泡沫在縫洞油藏中的采收率。

3 結(jié)論

(1)縫洞型油藏氣驅(qū)對于水平方向上的縫洞結(jié)構(gòu)驅(qū)替效果極差，泡沫具有極好的流度控制能力和高滲通道封堵能力，能夠有效削弱黏性指進(jìn)，封堵高滲通道，能夠有效地提高縫洞型碳酸鹽巖油藏不同開發(fā)階段后的原油采收率。

(2)由于縫洞結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和裂縫角度的多變性，水驅(qū)和氣驅(qū)對于垂直方向的縫洞結(jié)構(gòu)驅(qū)替效果都較差。泡沫對于非均質(zhì)性極強(qiáng)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的縫洞結(jié)構(gòu)具有較好的波及效果，對于水平方向、垂直方向和高角度的裂縫都具有很好的驅(qū)替效果，同時(shí)縫洞結(jié)構(gòu)的充填程度越高，泡沫驅(qū)的微觀驅(qū)油效果越好，最終物理模擬實(shí)驗(yàn)的采收率都能夠達(dá)到90%以上。

(3)通過增強(qiáng)泡沫的強(qiáng)度和穩(wěn)定性(提高賈敏疊加效應(yīng))，能夠增強(qiáng)泡沫調(diào)流轉(zhuǎn)向的能力。通過減小泡沫的密度，降低泡沫和油之間的界面張力，能夠提高泡沫動(dòng)用溶洞中剩余油的能力，從而進(jìn)一步提高泡沫在縫洞油藏中的采收率。