紅河油田空氣泡沫驅實驗

馬興芹，劉岳龍，張永剛，符偉兵

（1.中國石化東北油氣分公司 科技處，吉林 長春 130062； 2.中國石化華北分公司 工程技術研究院，河南 鄭州450006）

0 引言

紅河油田是典型低滲透油藏，儲層物性差，采用天然能量開采，采收率低，因此補充能量開采是高效、經濟開采的必由之路.紅河油田儲層具有雙重介質特性，使注水“非竄即淹”，調剖無效[1].

與水相比，注氣的滲流阻力遠低于注水的，氣更容易注入地層，氣驅是解決致密超低滲油藏注水困難、有效補充地層能量的方式之一，在中低滲透油藏有一定應用，如長慶的西峰油田、甘谷驛油田唐80井區等[2－5].空氣泡沫驅自20世紀50年代以來得到快速發展，在中高滲儲層的中原油田、百色油田等取得較好應用效果.實施空氣泡沫驅油的關鍵因素是驅油效率和安全性.于洪敏、侯勝明、Clara C等研究表明，當地層溫度高于80℃時，低溫氧化反應較快，可大幅降低空氣中O2的體積分數，提高空氣驅的安全性，同時低溫氧化反應生成大量的熱和CO2，提高驅油效率[6－8].王其偉、Greaves M、Ren S R等研究空氣泡沫驅油效率，認為泡沫在地層的穩定性、抗油性和低吸附性方面至關重要[9－11].紅河油田是典型的裂縫性超低滲儲層，具備實施空氣泡沫驅的基本條件[12－14]，地層溫度為65～72℃，地層水具有高鈣高鹽特點.筆者開展紅河油田長8儲層注空氣泡沫驅實驗，為該油田實施注空氣泡沫驅提供依據，也為類似中低溫特低滲透油田提高采收率提供參考.

1 地質及開發概況

紅河油田位于鄂爾多斯盆地天環坳陷南部，油藏埋深為2 250m，地層溫度為65～72℃，地層壓力為20MPa，平均滲透率為0.4×10－3μm2，平均孔隙度為10.8%，天然裂縫發育，無自然產能，是典型的低孔超低滲裂縫性儲層，油井以壓裂方式建產.水平井開發初期，開發效果較好，平均單井日產油達14.2t.由于整體采用天然能量開發，生產過程中能量不足、產量遞減快.通過注水補充能量試驗，發現注入水沿裂縫水竄，注水效果不好；通過調剖封堵裂縫試驗發現，由于儲層巖性致密，孔喉半徑小，滲流阻力大，導致新的微裂縫張開，注入水沿裂縫水竄現象依然嚴重，未實現預期效果.

2 原油氧化實驗

在模擬油藏條件下，原油與空氣發生氧化反應是空氣泡沫驅油實驗的關鍵[6－7]，產出氣中O2的體積分數決定空氣驅的安全性.以紅河油田HH373井組原油作為樣品，在溫度為60、80℃和壓力為15、25 MPa條件下，開展靜態低溫氧化實驗和動態氧化實驗.

2.1 空氣對原油的氧化能力

測試空氣對紅河油田原油的氧化能力，將50mL原油置于充滿空氣的200mL密閉反應器中，在溫度為60、80℃和壓力為15、25MPa條件下，保持恒溫120h，每隔12h取一次氣樣，分析氣組分體積分數變化，進而確定單位質量原油在單位時間內消耗O2的速度.

分析氧化前后產出氣體組分（見表1），在原始地層條件下原油與空氣發生低溫氧化反應，反應速率為（0.025～0.110）×10－5mol（O2）／（h·g）（oil），經過熱力學推導[7]，得出原油與空氣低溫氧化反應的熱效應為444.30kJ／mol，活化能為59.96kJ／mol，遠低于輕油氧化反應的活化能范圍（小于98.00kJ／mol）[15]，說明原油氧化反應速率較快，反應容易進行.

表1 不同溫度壓力下原油與空氣氧化反應后氣體組分Table 1 Oil oxidation reaction of gas composition changes different temperature and pressure

對比原油氧化前后全烴質量分數（見圖1），原油氧化后低碳烷烴C9～C13的質量分數明顯高于氧化前的，中高碳數烷烴的質量分數減少，且隨溫度增加，氧化后低碳烷烴的質量分數增加明顯；表明原油與空氣發生氧化反應，使原油中的長鏈烴被氧化，斷裂生成短鏈烴，且溫度越高，原油的氧化活性越好，反應越徹底.

圖1 原油樣品氧化前后全烴質量分數Fig.1 Comparison of total hydrocarbon content in crude oil before and after LTO oxidation

在地層條件下紅河油田原油與空氣發生氧化反應，產生熱能、CO2、H2O及含O2的烴類化合物；這些反應產物組成驅替氣，或與原油產生混相，促使地層中原油膨脹與蒸發，將原油采出.因此，紅河油田的空氣驅機理主要包括氧化機理、煙道氣驅機理、混相驅機理、膨脹機理及熱采機理[6－8].

2.2 氣體突破時O2的體積分數

由于原油中含有天然氣，混合后可能發生爆炸，開展空氣驅現場試驗要考慮注空氣的安全性.原油靜態氧化實驗表明，反應120h后O2的體積分數仍較高（大于10%）.原因是靜態氧化實驗時間短，氧氣未被完全消耗.開展原油動態氧化實驗，利用長管填砂均質模型，測試紅河油田HH373井組油樣，在溫度為60、80℃和壓力為15、25MPa條件下，連續注入空氣，在模型出口每隔12h取一次氣樣，分析原油氧化后氣體組分（CO2、O2）的變化，模擬地層連續注入空氣的過程，評估原油耗氧.

表2 原油氧化實驗時產出氣體體積分數Table 2 Produced content gas breakthrough

圖2 氣體突破時間與O2體積分數關系曲線Fig.2 The oxygen content after gas breakthrough

分析氣體突破時O2的體積分數（見表2），產出氣體中O2的體積分數在1.34%～3.81%之間，遠低于現場施工的安全參考范圍（5%～8%）[16].實際油藏條件下，注采井距一般大于300m，注入空氣中的O2基本在油層內被完全消耗掉；各油田現場試驗表明，原油與空氣氧化后，O2的體積分數較低.因此，實際油藏條件下，注空氣的安全性可以得到保障.

在氣體突破后，繼續采集產出氣體，分析O2及CO2的體積分數變化，結果見圖2.由圖2可以看出，氣體突破12h前，產出氣中O2的體積分數增速較快，超過現場施工安全參考范圍的上限（8%）；氣體突破12h后產出氣中O2的體積分數增速減緩.原因是氣體突破后，不斷注入的空氣沿阻力最小方向流動，使驅油面積減小，參與原油氧化的空氣相對減少，產出氣中O2的體積分數緩慢增加.在相同系統壓力下，氣體突破后產出氣中O2的體積分數隨溫度增加而降低；在相同溫度下，氣體突破后產出氣中O2的體積分數隨系統壓力的增加而減小.因此，在紅河油田開展空氣泡沫驅現場試驗時，應嚴格控制注入壓力，防止發生“氣竄”，同時關注氣體突破后12h內O2的體積分數，保證施工安全性.

3 泡沫體系優選實驗

油田使用的起泡劑類型很多，不同類型起泡劑適應的油藏環境也不相同.泡沫體系評價的目的是評估在紅河油田高礦化度（7×104mg／L）、高Ca2＋（1×104mg／L）地層水條件下，不同質量分數的發泡劑、穩泡劑，以及助劑復配后的起泡能力、發泡體積、半衰期等指標達到最優狀態時的配比，以確定泡沫體系組成；并評價油藏條件下泡沫體系使用濃度、耐溫性能、耐油性能和封堵能力等.

模擬紅河油田流體性質，根據GB／T 13173－2008《表面活性劑／洗滌劑實驗方法》，分析不同質量分數α－烯烴磺酸鹽、AS、SDS、ABS等起泡劑的泡沫半衰期、起泡體積優化組合，確定各表面活性劑的最佳復配比例，配制適合紅河油田的HH－1泡沫體系.實驗用模擬地層水礦化度為7×104mg／L，鈣離子質量濃度為1×104mg／L.

3.1 質量濃度

在模擬地層水中進行不同質量濃度HH－1泡沫體系的起泡性和穩泡性實驗，實驗溫度為80℃，結果見表3.由表3可以看出，隨HH－1泡沫體系質量濃度增加，泡沫高度和半衰期有不同程度的增加.這是由于隨溶液起泡劑質量濃度增大，液膜表面吸附的表面活性劑量增大，液膜的表面黏度增大，排水速率和透氣性減小，泡沫的起泡性和穩定性增加[13].當泡沫體系質量濃度達到0.25mg／L時，泡沫最大高度為270mm，反應時間為3min時泡沫高度為265mm；與泡沫體系質量濃度為0.30mg／L時相比，泡沫高度增幅減緩.質量濃度增加對起泡劑的表面張力影響較小，因此實驗優選HH－1泡沫體系的質量濃度為0.25mg／L.

表3 泡沫體系質量濃度優選結果Table 3 Foam concentration system optimization

3.2 耐溫性

溫度對泡沫體系穩定性影響較大.采用Waring－Blender攪拌法評價HH－1泡沫體系的耐溫性能，測量溫度為50、60、70、80℃時泡沫體系的起泡性能及穩泡性能，實驗結果見圖3（a）.

圖3 不同溫度和老化時間下泡沫體系的起泡性能和半衰期Fig.3 Foaming properties and the stability of foam system at different temperatures and ageing time

由圖3（a）可以看出，當溫度從50℃升高到80℃時，HH－1泡沫體系的泡沫體積隨溫度的升高而增大，說明地層溫度越高，越有利于泡沫體系的發泡.隨著溫度升高，泡沫體系的穩定性有變差趨勢，溫度為50℃時，泡沫半衰期為103min；80℃時，泡沫半衰期為80min，基本滿足紅河油田驅油的要求.

為分析老化時間對HH－1泡沫體系穩定性的影響，進行不同老化時間的穩泡性能影響實驗，結果見圖3（b）.由圖3（b）可以看出，當溫度為80℃時，96h后HH－1泡沫體系的半衰期達到80min以上，泡沫體積仍維持在870mL以上，說明老化時間對HH－1泡沫體系的起泡性能及穩泡性能影響較小.

泡沫體系耐溫性能實驗結果表明，在溫度小于80℃、老化時間小于96h時，HH－1泡沫體系的泡沫體積及半衰期變化較小，具有良好的耐溫性.

3.3 耐油性

泡沫體系具有“遇油消泡”特性.為保證泡沫的運行距離，要求泡沫體系具有一定的耐油性.紅河油田原油含水率在60%～90%之間，選擇含油率為50%、30%、20%的93＃汽油的HH－1泡沫體系，根據GB／T 13173－2008《表面活性劑／洗滌劑實驗方法》，評價80℃溫度時的耐油性能，實驗結果見表4.由表4可以看出，含油率對HH－1泡沫體系的性能影響較大.當樣品不含油時，初始泡沫高度為190mm；當含油率由20%上升到50%時，初始泡沫高度由160mm降低為140mm，表明發泡能力受到抑制.隨含油率上升，半衰期受到影響更大，當含油率為20%時，半衰期由初始的86min降為8min，約為不含油時的10%.HH－1泡沫體系僅在含水率高的區域具有較大的阻力，“遇油消泡”而阻力減小，形成油流通道.

由表4還可以看出，隨著含油率的增大，HH－1泡沫體系的起泡性能、穩定性有所下降，但并未完全消泡，具有一定的起泡性和穩泡性.因為壓力越大，泡沫越穩定，紅河油田地層壓力為20MPa，所以在儲層內泡沫的穩定時間比常壓下的長得多，說明文中優選泡沫體系具有一定的耐油性，其穩定性足以維持到驅油過程結束.

表4 不同含油率對泡沫體系性能的影響Table 4 Foaming properties and the stability of foam system at different oil content

3.4 封堵能力

泡沫的阻力因子是評價泡沫體系封堵能力的重要指標，阻力因子越大，氣體發生竄流的機會越少，在介質中封堵作用越大，泡沫體系封堵效果越好[17].紅河油田天然裂縫發育，壓裂投產使裂縫更加錯綜復雜，前期注水表現出“非竄即淹”現象.注氣的滲流阻力只有注水的1／6～1／4，現場應用時要求泡沫體系具有較高的封堵能力和較長的封堵有效期.

圖4 阻力因子與累計注入孔隙體積倍數關系Fig.4 The resistance factor and the total injection volume relationship

根據紅河油田儲層的物性特征，制作長度為27.5 cm，直徑為3.8cm，孔隙度為20.88%，水相滲透率為10.62×10－3μm2，孔隙體積為71mL的人造柱狀石英砂膠結巖心，按照行業標準SY／T 5672－1993《注蒸汽用高溫起泡劑評定方法》，在一維管式模型上進行氣液比為1∶1的HH－1泡沫體系阻力因子測定實驗，結果見圖4.

由圖4可以看出，隨著累計注入孔隙體積的增加，阻力因子先緩慢增大；當累計注入孔隙體積倍數在1.5～2.5PV時阻力因子增長迅速，進而趨于穩定；在累計注入孔隙體積倍數為3.0PV時，阻力因子最大，空氣與泡沫交替注入的阻力因子約為150，約為空氣與水交替注入的2倍，說明優選的泡沫體系具有較強封堵作用.

4 長巖心空氣泡沫驅油實驗

為分析HH－1泡沫體系對紅河油田空氣泡沫驅油效率的影響，通過長巖心空氣泡沫驅油實驗，按照模擬地層水、空氣泡沫、模擬地層水的順序驅油，測試不同注入速度、泡沫段塞長度等注入參數條件下對應的驅油效率，為現場方案的制定提供依據.

圖5 不同注入速度時累計采收率與累計注入孔隙體積倍數關系曲線Fig.5 Curve of oil displacement efficiency and the total injection volume in different rates

實驗所用巖心為紅河油田天然巖心拼接而成，地層水礦化度為7×104mg／L，鈣離子質量濃度為1.3×104mg／L，實驗溫度為70℃，原油樣品為紅河油田脫水原油.

4.1 累計采收率與注入速度的關系

保持空氣泡沫段塞體積及注入孔隙體積不變，分別采用0.029 1、0.058 2、0.176 0m／d的注入速度以水驅方式驅油；當含水率達到98%時，分段注入體積為1.0PV的空氣泡沫段塞；再水驅至含水率為98%.對比不同注入速度下累計采收率與累計注入孔隙體積倍數的關系，結果見圖5.

由圖5可以看出，隨著注入速度的增加，無論是純水驅、空氣泡沫驅，還是空氣泡沫驅后水驅的累計采收率均呈增加趨勢.當注入速度為0.029 1、0.058 2、0.176 0m／d時，單純水驅時累計采收率分別為24.02%、29.58%、32.8%，空氣泡沫驅后水驅的累計采收率分別為40.73%、46.60%、48.94%，較單純水驅時的累計采收率平均增幅為16.36%.隨著注入速度增大、巖心孔隙壓力升高，孔隙泡沫體積增大、穩定性增強，進而增強泡沫體系對孔喉和裂縫的封堵作用；同時，由于泡沫具有洗油作用，累計采收率增幅隨注入速度的增大而增大.注入速度的提高也造成氣體突破時間提前，現場實施時需要采用數模方法確定合理經濟的注入速度[17].

圖6 不同注入段塞量時注入孔隙體積與驅油效率關系曲線Fig.6 Curve of oil displacement efficiency and the total injection pore volume in different injection slug

4.2 累計采收率與空氣泡沫段塞的關系

為研究空氣泡沫段塞體積對空氣泡沫驅的增油效果，當水驅至含水率達到98%后，以0.176 0m／d的注入速度分別注入總量為1.0和0.6PV的空氣泡沫段塞，再水驅至含水率為98%，根據實驗結果繪制累計注入孔隙體積倍數與累計采收率關系曲線（見圖6）.

由圖6可以看出，當注入速度相同時，前期單純注水的累計采收率基本相同，當注入段塞累計孔隙體積倍數為0.6PV、轉為注空氣泡沫驅后累計采收率較水驅時的增加6.52%，再轉水驅后最終累計采收率增幅為11.22%；當注入段塞累計孔隙體積倍數為1.0PV、轉為注空氣泡沫驅后累計采收率較水驅時的增加11.37%，再轉水驅后最終累計采收率增幅為16.14%.增加空氣泡沫段塞體積，泡沫越充分，泡沫段的長度越長，作用范圍越大，越能有效地降低空氣流度，延長空氣突破時間，從而加大洗油效率和提高空氣泡沫驅的驅油效率.

5 結論

（1）紅河油田原油與空氣可發生速率較快的低溫氧化反應，反應溫度越高，原油的氧化活性越好，反應越徹底.氣體突破時產出氣中O2體積分數低于現場施工安全參考范圍，注空氣的安全性可以得到保障.在相同系統壓力下，產出氣中O2的體積分數隨溫度增加而降低；在相同溫度下，產出氣中O2的體積分數隨系統壓力的增加而減小.

（2）隨泡沫體系質量濃度增加，泡沫高度和半衰期有不同程度的增加，質量濃度增加對起泡劑的表面張力影響較小，優選得到質量濃度為0.25%的HH－1泡沫體系.溫度在80℃以下、老化時間小于96h時，HH－1泡沫體系的泡沫體積及半衰期變化較小，具有良好的耐溫性.隨著含油率的增大，HH－1泡沫體系的起泡性能、穩定性有所下降，但并未完全消泡，表明文中HH－1泡沫體系具有一定的耐油性.隨著累計注入孔隙體積倍數的增加，阻力因子先緩慢增大，當累計注入孔隙體積倍數在1.5～2.5PV時阻力因子增長迅速并趨于穩定表明HH－1的泡沫體系具有較強封堵作用.

（3）隨著注入速度增加，巖心孔隙內壓力升高，泡沫體積增大、穩定性增強，泡沫體系對孔喉和裂縫的封堵作用增強；同時，由于泡沫具有洗油作用，累計采收率增幅隨注入速度的增大而增大.增加空氣泡沫段塞體積，能有效地降低空氣流度，延長空氣突破時間，加大洗油效率和提高空氣泡沫驅的驅油效率.

（References）：

[1]楊紅斌，吳飛鵬，李淼，等.低滲透油藏自適應弱凝膠輔助氮氣泡沫復合調驅體系[J].東北石油大學學報，2013，37（5）：78－84.Yang Hongbin，Wu Feipeng，Li Miao，et al.Composite profile control of self－adaption weak gel assisted nitrogen foam in low permeability reservoir[J].Journal of Northeast Petroleum University，2013，37（5）：78－84.

[2]楊朝蓬，高樹生，汪溢寧，等.氮氣泡沫體系封堵性能評價方法[J].東北石油大學學報，2012，36（5）：86－87.Yang Zhaopeng，Gao Shusheng，Wang Yining，et al.Evaluation method for plugging performance by nitrogen foam system[J].Journal of Northeast Petroleum University，2012，36（5）：86－87.

[3]王杰祥，來軒昂，王慶，等.中原油田注空氣驅油實驗研究[J].石油鉆探技術，2007，35（2）：5－7.Wang Jiexiang，Lai Xuan＇ang，Wang Qing，et al.Experimental studies of displacement using air injection in Zhongyuan oilf ield[J].Petroleum Drilling Techniques，2007，35（2）：5－7.

[4]Teramoto T，Uematsu H，Takabayashi K，et al.Air－Injection EOR in highly water－saturated light－oil reservoir[C].SPE 100215，2006.

[5]曹維政，羅琳，張麗平，等.特低滲透油藏注空氣、N2室內實驗研究[J].大慶石油地質與開發，2008，27（2）：113－117.Cao Weizheng，Luo Lin，Zhang Liping，et al.Laboratory experiment on air injection and nitrogen injection in extra－low permeability reservoir[J].Petroleum Geology ＆ Oilfield Development in Daqing，2008，27（2）：113－117.

[6]于洪敏，任韶然，左景欒，等.注空氣泡沫低溫氧化工藝提高采收率試驗[J].中國石油大學學報：自然科學版，2009，33（2）：94－98.Yu Hongmin，Ren Shaoran，Zuo Jingluan，et al.Experiment of improved oil recovery by air foam injection low temperature oxidation process[J].Journal of China University of Petroleum：Edition on Natural Science，2009，33（2）：94－98.

[7]候勝明，劉印華，于洪敏，等.注空氣過程輕質原油低溫氧化動力學[J].中國石油大學學報：自然科學版，2011，35（1）：169－173.Hou Shengmin，Liu Yinhua，Yu Hongmin，et al.Kinetics of low temperature oxidation of light oil in air injection process[J].Journal of China University of Petroleum：Edition on Natural Science，2011，35（1）：169－173.

[8]Clara C.Laboratory studies for light oil air injection projects：Potential application in Handil field[C].SPE 54377，1999.

[9]王其偉.泡沫驅油發展現狀及前景展望[J].石油鉆采工藝，2013，35（2）：94－97.Wang Qiwei.Present situation and development prospect of foam flooding[J].Oil Drilling ＆Production Technology，2013，35（2）：94－97.

[10]Greaves M，Ren S R，Rathbone R R，et al.Improved residual light oil recovery by air injection（LTO process）[J].Journal of Canadian Petroleum Technology，2000，39（1）：57－61.

[11]Ren S R，Greaves M，Rathbone R R.Oxidation kinetics of North Sea light crude oils at reservoir temperature[J].Chemical Engineering Research and Design，1999，77（A5）：385－394.

[12]周丹.甘谷釋油田空氣泡沫驅油適應性研究[D].西安：西北大學，2011.Zhou Dan.Study on the adaptability of air foam flooding in Ganguyi oilfield[D].Xi＇an：Northwest University，2011.

[13]黃海.低滲透油藏空氣泡沫驅提高采收率實驗及應用研究[D].西安：西北大學，2012.Huang Hai.Experimental study on improving oil recovery by air／air－foam flooding in low permeable reservoir[D].Xi＇an：Northwest university，2012.

[14]陳弓啟，王曉輝，莫磊，等.空氣泡沫驅采油技術在特低滲透油藏的應用[J].石油化工應用，2013，32（8）：22－26.Chen Gongqi，Wang Xiaohui，Mo Lei，et al.Application of air－foam flooding in extra low permeability reservoir[J].Petrochemical Industry Application，2013，32（8）：22－26.

[15]陳振亞，牛保倫，湯靈芝，等.原油組分低溫氧化機理和反應活性實驗研究[J].燃料化學學報，2013，41（11）：1336－1342.Chen Zhenya，Niu Baolun，Tang Lingzhi，et al.Experimental study of low temperature oxidation mechanism and activity of oil components[J].Journal of Fuel Chemistry and Technology，2013，41（11）：1336－1342.

[16]于洪敏，左景欒，任韶然，等.注空氣采油油井產出氣體燃爆特性[J].中國石油大學學報：自然科學版，2010，34（6）：99－103.Yu Hongmin，Zuo Jingluan，Ren Shaoran，et al.Explosion characteristics of oil well produced gas by air injection for improved oil recovery[J].Journal of China University of Petroleum：Edition on Natural Science，2010，34（6）：99－103.

[17]吳信榮，林偉民，江春河，等.空氣泡沫調驅提高采收率技術[M].北京：石油工業出版社，2010：234.Wu Xinrong，Lin Weimin，Jiang Chunhe，et al.Study of improved oil recovery through air foam flooding[M].Beijing：Petroleum Industry Press，2010：234.