海上稠油邊底水油田氮氣泡沫驅(qū)技術(shù)試驗研究與應(yīng)用

黃榮貴，黃曉東，唐曉旭

（中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津300452）

海上稠油邊底水油田氮氣泡沫驅(qū)技術(shù)試驗研究與應(yīng)用

黃榮貴，黃曉東，唐曉旭

（中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津300452）

目前渤海海上稠油邊底水油田經(jīng)過長期注水開發(fā)，指進(jìn)現(xiàn)象嚴(yán)重，竄流通道導(dǎo)致注入水低效循環(huán)的現(xiàn)狀，油田的主要矛盾及對策：由于地層非均質(zhì)性、油水黏度差異導(dǎo)致主力層注水水竄，波及體積小，油藏采出程度低，注水調(diào)驅(qū)（擴(kuò)大水驅(qū)波及體積）勢在必行。本文通過對秦皇島32-6油田的油藏研究，結(jié)合氮氣泡沫調(diào)驅(qū)篩選原則，通過針對性的研究，建立了適合秦皇島32-6油田氮氣泡沫調(diào)驅(qū)的氮氣泡沫體系，同時應(yīng)用物理模擬和數(shù)值模擬結(jié)果，結(jié)合秦皇島32-6油田油藏地質(zhì)特點，進(jìn)行氮氣泡沫調(diào)驅(qū)工藝方案研究與優(yōu)化，開展了氮氣泡沫控水技術(shù)的室內(nèi)研究和礦場先導(dǎo)試驗。結(jié)果表明：氮氣泡沫控水技術(shù)能夠有效封堵稠油邊底水油田開發(fā)中后期疏松砂巖形成的大孔道，改變液流方向，提高注入水利用率，擴(kuò)大注入水波及體積，達(dá)到穩(wěn)油控水的目的，能夠顯著改善水驅(qū)開發(fā)效果。

稠油；非均質(zhì)性；調(diào)剖；氮氣泡沫；波及體積；采收率

氮氣泡沫驅(qū)油控水是一種利用氮氣與泡沫劑混合形成泡沫作為驅(qū)油介質(zhì)的驅(qū)油控水方法。如果在同時注入聚合物、堿等化學(xué)劑時可形成泡沫復(fù)合驅(qū)。泡沫在地層中有較高的視黏度，且具有“遇油消泡、遇水穩(wěn)定”的特性，它在含水飽和度較高的部位具有較高的滲流阻力，迫使注入流體驅(qū)動水驅(qū)時未波及或弱波及區(qū)域的原油，從而擴(kuò)大波及體積；同時，泡沫劑本身為表面活性劑，可在一定程度上降低油水界面張力，也可提高驅(qū)油效率。因此，泡沫驅(qū)油技術(shù)能夠有效地提高原油采收率，它有可能成為我國繼聚合物驅(qū)油技術(shù)之后的又一主力提高原油采收率技術(shù)之一［1，2］。

氮氣泡沫改善水驅(qū)提高采收率技術(shù)，在陸地油田已經(jīng)取得良好的應(yīng)用效果，但針對海上油田的系統(tǒng)深入研究與應(yīng)用才剛起步［3-5］。海上油田的油藏環(huán)境和生產(chǎn)條件獨特，如海上平臺生產(chǎn)作業(yè)空間受限，繞絲篩管礫石充填防砂完井，大井距，長井段，一套井網(wǎng)多層開采，強(qiáng)注強(qiáng)采措施既不利于水驅(qū)，又加劇了油藏非均質(zhì)及水指進(jìn)程度等［10］。鑒于海上油田的上述特點，陸地油田成功的氮氣泡沫驅(qū)技術(shù)及經(jīng)驗不能滿足海上油田作業(yè)要求，需深入開展適合海上油田特點的改善水驅(qū)技術(shù)研究及應(yīng)用，提高海上油田采收率［11］。

本文通過對秦皇島32-6油田的油藏研究，結(jié)合氮氣泡沫調(diào)驅(qū)篩選原則，確定了D5井組作為目標(biāo)井組，通過針對性的研究，建立了適合秦皇島32-6油田氮氣泡沫調(diào)驅(qū)的氮氣泡沫體系，同時應(yīng)用物理模擬和數(shù)值模擬結(jié)果，結(jié)合秦皇島32-6油田油藏地質(zhì)特點，進(jìn)行氮氣泡沫調(diào)驅(qū)工藝方案研究與優(yōu)化，為海上油田提高采收率提供新的技術(shù)手段，以提高油田最終采收率。

1　聚合物微球室內(nèi)性能評價實驗研究

泡沫體系是氮氣泡沫驅(qū)的主要工作液，它是氮氣泡沫驅(qū)主要影響因素之一。氮氣泡沫驅(qū)的泡沫體系應(yīng)同時具有良好的起泡和穩(wěn)泡能力。單一的起泡劑具有較好的起泡能力，但穩(wěn)泡能力較差，因此，在現(xiàn)場施工過程中需要加入穩(wěn)泡劑來提高泡沫的穩(wěn)定性，提高泡沫體系的綜合性能。本章主要從起泡劑的起泡與穩(wěn)泡性能和穩(wěn)泡劑穩(wěn)泡性能兩個方面進(jìn)行研究。

不同類型的起泡劑和穩(wěn)泡劑的適應(yīng)性有較大的差別，一般來說，油田用起泡劑和穩(wěn)泡劑主要有以下要求：（1）起泡劑起泡性能好，即泡沫基液與氣體接觸后，泡沫體積膨脹倍數(shù)高；（2）穩(wěn)泡劑穩(wěn)泡性能好，半析水期時間長；（3）與其他流體配伍性良好，抗鹽能力強(qiáng)，且具有一定的抗油能力；（4）用量少，成本低。

本文通過一系列室內(nèi)實驗，評價篩選出合適的起泡劑和穩(wěn)泡劑，形成適合秦皇島32-6油田油藏條件的強(qiáng)化泡沫體系。

1.1氮氣泡沫體系靜態(tài)實驗研究

靜態(tài)實驗主要是通過Waring Blender法評價起泡劑和穩(wěn)泡劑的綜合性能，優(yōu)選出合適的起泡劑和穩(wěn)泡劑。起泡劑實驗中選擇了礦場應(yīng)用或廠家推薦的6種綜合能力高的起泡劑，分別命名為QP-1、QP-2、QP-3、QP-4、QP-5和QP-6，通過對6種起泡劑篩選評價，選擇和推薦適用于秦皇島32-6油田用的起泡劑。穩(wěn)泡劑實驗通過對現(xiàn)場用WP-1、WP-2、WP-3、WP-4四種系列聚合物的篩選評價，優(yōu)選適合秦皇島32-6油田的穩(wěn)泡劑。

實驗儀器包括：Waring攪拌器、布氏黏度計、Texas500型懸滴界面張力儀、Haake RS-600流變儀、恒溫水浴、秒表、玻璃棒、1 000 mL量筒等。

起泡劑實驗內(nèi)容包括：配伍性實驗、起泡能力實驗、穩(wěn)泡能力實驗、熱穩(wěn)定性實驗、靜態(tài)吸附實驗、耐油性能實驗、耐鹽性能實驗、界面張力實驗和濃度確定實驗等。

穩(wěn)泡劑實驗內(nèi)容包括：溶解時間實驗、水不溶物實驗、黏濃關(guān)系實驗、黏鹽關(guān)系實驗、黏溫關(guān)系實驗、流變性實驗、泡沫綜合性能實驗和濃度確定實驗等。

經(jīng)過多組實驗，得到了四種泡沫溶液體系，每種配方如下：

泡沫體系PM-1：（700～1 000）mg/L穩(wěn)泡劑WP-1 +0.3%起泡劑QP-5；

泡沫體系PM-2：（1 200～1 500）mg/L穩(wěn)泡劑WP-2+0.3%起泡劑QP-5；

泡沫體系PM-3：（700～1 000）mg/L穩(wěn)泡劑WP-1 +0.3%起泡劑QP-4；

泡沫體系PM-4：（1 200～1 500）mg/L穩(wěn)泡劑WP-2+0.3%起泡劑QP-4。

綜合上面的一系列實驗，在氮氣泡沫驅(qū)動態(tài)實驗中，選擇泡沫體系PM-1作為驅(qū)替體系（見表1）。

表1　PM-1體系主要性能表

2　氮氣泡沫體系動態(tài)實驗研究

2.1實驗用品

2.1.1模擬地層水的配制配制秦皇島32-6油田D16井模擬地層水，礦化度為2 497 mg/L。

2.1.2模擬原油的配制秦皇島32-6油田產(chǎn)出的原油經(jīng)電脫水后，用脫水原油與煤油按5∶1的比例稀釋，63℃下的黏度為70 mPa·s，此黏度與秦皇島32-6油田地層條件下原油的黏度相當(dāng)。

2.1.3配制泡沫劑PM-1體系用0.3%起泡劑QP-5、700 mg/L的穩(wěn)泡劑WP-1和模擬地層水配成PM-1體系。

2.1.4準(zhǔn)備填砂管巖心

（1）單巖心實驗用40目～60目石英砂填充，雙巖心高滲巖心管用40目～60目石英砂填充，低滲巖心管用200目和40目～60目的石英砂按照5∶1的比例混合后填充。

（2）測定巖心長度及直徑，填砂后稱重，然后放入烘箱中老化12 h，同時連接流動實驗裝置。

（3）在1 mL/min的流速下用地層水飽和巖心，記錄壓差，直至壓差穩(wěn)定。

（4）計量飽和后巖樣的濕重，根據(jù)已測得的巖樣的干重，計算飽和巖樣的孔隙體積和孔隙度，計算滲透率。

（5）需要飽和油時，將飽和水后的巖心繼續(xù)飽和油。驅(qū)替流速0.5 mL/min，當(dāng)巖心末端見有連續(xù)油滴，且壓力穩(wěn)定時，停泵，記錄壓差，稱量飽和油后的填砂管質(zhì)量，測量飽和油密度，計算飽和巖心的含油飽和度。

2.1.5氣體的選擇氣源選擇高壓氣瓶氮氣。

2.1.6實驗溫度設(shè)定本次實驗溫度設(shè)定為63℃。

2.1.7注入方式氮氣泡沫交替注入和氮氣泡沫混合注入。

2.2實驗設(shè)備

動態(tài)實驗主要使用的實驗儀器和設(shè)備包括高功能化學(xué)驅(qū)物理模擬系統(tǒng)、恒速泵、中間容器、壓力表、空氣壓縮機(jī)、泡沫發(fā)生器、沉降罐、氮氣氣瓶等。實驗流程（見圖1）。

由實驗結(jié)果看出，水驅(qū)后轉(zhuǎn)聚合物驅(qū)、氮氣泡沫驅(qū)和強(qiáng)化氮氣泡沫驅(qū)均會提高原油的采收率。水驅(qū)后轉(zhuǎn)聚合物驅(qū)，驅(qū)油效率從43.6%提高到56.5%，提高了12.9%；水驅(qū)后轉(zhuǎn)單一氮氣泡沫驅(qū)，驅(qū)油效率從43.6%提高到58.1%，提高了14.5%；水驅(qū)后轉(zhuǎn)強(qiáng)化氮氣泡沫驅(qū)，驅(qū)油效率從43.6%提高到65.2%，提高了21.6%，試驗結(jié)果（見表2），由表2可以看出，強(qiáng)化氮氣泡沫驅(qū)提高采收率最大，其次分別是單一氮氣泡沫驅(qū)和聚合物驅(qū)。

分析原因主要是：氮氣泡沫驅(qū)中生產(chǎn)的泡沫能進(jìn)入更多的孔隙空間，波及體積更大，所以采收率的增加值要大于聚合物驅(qū)，而強(qiáng)化泡沫驅(qū)含有聚合物，相當(dāng)于是聚合物驅(qū)和氮氣泡沫驅(qū)的復(fù)合驅(qū)，采收率增加值最大。

（1）通過氮氣泡沫體系的動態(tài)實驗表明：由靜態(tài)評價優(yōu)選出的PM-1泡沫體系，在秦皇島32-6油藏條件下，具有良好的封堵能力及耐沖刷性能，同時具有一定程度的耐油性能。

圖1　泡沫驅(qū)油并聯(lián)巖心實驗流程圖

表2　不同驅(qū)油方式的對比實驗數(shù)據(jù)表

（2）氮氣泡沫調(diào)驅(qū)注入?yún)?shù)實驗表明：在氣液比1∶1，注入速度為2 mL/min，注入段塞0.3 PV，注入方式混合注入條件下，氮氣泡沫體系具有最優(yōu)增油能力。

（3）氮氣泡沫驅(qū)油性能實驗表明：氮氣泡沫體系具有優(yōu)先封堵高滲層，啟動低滲層性能，強(qiáng)化泡沫驅(qū)的驅(qū)油效果高于單一泡沫驅(qū)和聚合物驅(qū)。具體的實驗結(jié)果（見表3）。

表3　氮氣泡沫動態(tài)實驗結(jié)果匯總表

2.3數(shù)值模擬及方案設(shè)計優(yōu)化研究

氮氣泡沫驅(qū)數(shù)值模擬研究以公司研究院所建立的油田南區(qū)Eclipse黑油模型為基礎(chǔ)，采用CMG-Stars模擬器進(jìn)行模擬研究。通過數(shù)模對不同的驅(qū)替體系、注入方式、段塞大小、氣液比、注入速度、注入濃度和轉(zhuǎn)注時機(jī)等進(jìn)行了優(yōu)化。

秦皇島32-6油田南區(qū)數(shù)值模擬研究，得出以下結(jié)論：

（1）從驅(qū)油效果和經(jīng)濟(jì)效益上來說，秦皇島32-6油田南區(qū)D5、D11、D16井區(qū)具備進(jìn)行強(qiáng)化氮氣泡沫調(diào)驅(qū)的油藏條件。

（2）數(shù)值模擬研究推薦體系注入方案為：前置段塞［700 mg/L聚合物＋0.5%起泡劑］注入20 d，注液速度1 200 m3/d，主段塞為氮氣和［700 mg/L聚合物＋0.3%起泡劑］混合注入，注入時間1 a，氣液比1：1，注氣速度600 m3/d，注液速度600 m3/d（見表4）。

表4　單井注入強(qiáng)化體系結(jié)算結(jié)果統(tǒng)計表

2.4施工工藝參數(shù)設(shè)計

（1）施工井組：D5、D11、D16井組。

（2）注入層位：Nml-3油組注入。

（3）注入方式：①混合注入，油管注氣，環(huán)空注液，連續(xù)注入；②交替注入，油管注氣，環(huán)空注液，氣液交替周期10 d。

（4）注入壓力：根據(jù)初期注水情況以及注泡沫配注量考慮，注液最高注入壓力＜12 MPa，注氣最高注入壓力＜20 MPa，注入過程中根據(jù)壓力變化情況以及油藏要求調(diào)整注入量。

（5）注入時間：1 a。

（6）段塞濃度設(shè)計：①前置段塞：注入水（700 mg/L聚合物WP-1＋0.5%泡沫劑QP-5）；②主段塞：注入水（700 mg/L聚合物WP-1＋0.3%泡沫劑QP-5），氮氣。

（7）注入速度及注入量設(shè)計：D5、D11、D16井組段塞注入量及注入速度（見表5）、藥劑用量（見表6）。

表5　注入速度及用量設(shè)計表

表6　注入藥劑用量表

3　聚合物微球在海上稠油油田的礦場實踐

聚合物微球在線深度調(diào)剖技術(shù)先后在中海油南海油田和渤海油田等礦場多個井組進(jìn)行試驗，現(xiàn)場試驗表明，采取注聚合物微球深度調(diào)剖后，微球可以調(diào)節(jié)（降低）高滲條帶的滲透率，可以連續(xù)膨脹及并逐級運移到地層深部，對高滲條帶的注入水不斷改向擴(kuò)大波及體積，現(xiàn)場注采井組取得了比較明顯的效果，是一項有效的深部調(diào)驅(qū)技術(shù)（見圖2）。

圖2　海上油田聚合物微球調(diào)驅(qū)作業(yè)施工簡圖

3.1注入氮氣泡沫后注水井動態(tài)/壓力變化情況

注水井D16的壓力變化（見圖3）顯示了典型的見效特征，注入微球后壓力逐漸上升1.2 MPa左右，說明注入氮氣泡沫后具有一定的封堵作用。措施之前該井注入量穩(wěn)定在740 m3/d，2011年11月初調(diào)整了注入量，由740 m3/d調(diào)整為705 m3/d，注入壓力在6.8 MPa左右。由于配注量的調(diào)整，對于曲線圖的見效特征有一定的影響。

圖3　D16井注入情況曲線圖

措施過程中由于前期設(shè)備維修壓力有小幅波動，恢復(fù)正常后注入壓力穩(wěn)步提升并穩(wěn)定在7.9 MPa。措施期間注水井視吸水指數(shù)得到改善，注入壓力明顯提升，由措施前注入壓力6 MPa升高到8 MPa（見圖4）。

圖4　D16視吸水指數(shù)

措施結(jié)束后注入壓力最低下降到5 MPa左右后穩(wěn)步提升，目前該井注入壓力正在逐步回升中（見圖5）。

圖5　D16井措施期間及結(jié)束之后注入情況曲線圖

3.2受益井分析

井組內(nèi)D12、D13、D15、C17和D07五口生產(chǎn)井受效明顯，并在二線井中發(fā)現(xiàn)D07井受效明顯。

D16井組中D18、D19、C9、C24井受效情況不明顯，其中D18受邊水影響，C9、C24小層不對應(yīng)，D19井由于之前供液量不足現(xiàn)在在增油量上還沒有很好的體現(xiàn)（見表7）。

表7　D16井組注入氮氣泡沫后增油量統(tǒng)計

從表7可以看出，注入氮氣泡沫后，井組內(nèi)不同的油井見效時間和見效期長短有較大差異。尤其是D07井，注入氮氣泡沫后有效期長達(dá)將近7個月，含水仍在持續(xù)下降，增油降水效果顯著。井組內(nèi)原主要水竄方向上都有明顯的降水或降液效果。從見效速度和累計見效時間看，小規(guī)模下氮氣泡沫注入，主要作用于優(yōu)勢滲流條帶，為局部調(diào)驅(qū)的效果。

4　氮氣泡沫驅(qū)在海上稠油油田的礦場實踐總結(jié)

氮氣泡沫驅(qū)技術(shù)是提高采收率的一項新技術(shù)，從室內(nèi)研究及現(xiàn)場礦場實驗結(jié)果看，該項技術(shù)能在水驅(qū)、聚驅(qū)基礎(chǔ)上，有效的提高原油采收率。通過對秦皇島32-6油田油藏、氮氣泡沫體系、注入?yún)?shù)、泡沫驅(qū)數(shù)值模擬、設(shè)備及工藝方案等內(nèi)容的優(yōu)化研究，建立了適合秦皇島32-6油田目標(biāo)井組的氮氣泡沫驅(qū)工藝技術(shù)，為礦場實施取得良好效果提供了技術(shù)保障。

該項目通過研究和先導(dǎo)性試驗，主要取得如下結(jié)論及認(rèn)識：

（1）秦皇島32-6油田油藏及氮氣泡沫驅(qū)選井選層研究表明：D5、D11、D16井注采井網(wǎng)較為完善，注采對應(yīng)關(guān)系明確，注入壓力較低，主力油組剩余油飽和度高，具體氮氣泡沫驅(qū)挖掘潛力，因此確定D16井組為先導(dǎo)實驗井組，待取得一定效果后再擴(kuò)大至C區(qū)，以達(dá)到區(qū)域綜合調(diào)整的目的。

（2）氮氣泡沫體系靜態(tài)評價實驗結(jié)果表明：由起泡劑QP-4、QP-5、穩(wěn)泡劑WP-1、WP-2組成的泡沫體系，具備良好的起泡、穩(wěn)泡能力，在油藏溫度、礦化度條件下，其穩(wěn)定性、吸附量，均能滿足現(xiàn)場施工要求。

（3）氮氣泡沫驅(qū)動態(tài)實驗研究結(jié)果表明：由靜態(tài)實驗優(yōu)選的泡沫體系在地層條件下具有良好的選擇封堵性、耐沖刷性；從水驅(qū)，聚合物驅(qū)、單一泡沫驅(qū)和強(qiáng)化泡沫驅(qū)的對比實驗看，強(qiáng)化氮氣泡沫驅(qū)提高采收率最大，在氣液比1：1、混合注入條件下，強(qiáng)化泡沫驅(qū)比水驅(qū)提高采收率21.6%，比單一泡沫驅(qū)提高7.1%，比聚合物驅(qū)高8.7%；從強(qiáng)化泡沫不同注入方式對比實驗看，混合注入效果優(yōu)于交替注入。

（4）數(shù)值模擬研究結(jié)果表明：從驅(qū)油效果和經(jīng)濟(jì)效益上來說，秦皇島32-6油田南區(qū)D16井區(qū)具備進(jìn)行強(qiáng)化氮氣泡沫調(diào)驅(qū)的可能，經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)較好。

（5）配套設(shè)備篩選及工藝方案設(shè)計結(jié)果表明：現(xiàn)有的平臺空間、水電氣、油料、吊車等條件，可滿足一套柴驅(qū)、一套全電驅(qū)、一套配聚設(shè)備的現(xiàn)場應(yīng)用，現(xiàn)有注入能力可達(dá)到三個井組的氮氣泡沫驅(qū)注入要求。

（6）從D16井氮氣泡沫驅(qū)礦場先導(dǎo)性試驗結(jié)果來看，投入產(chǎn)出比能達(dá)到1：6，充分說明氮氣泡沫驅(qū)技術(shù)能夠起到有效封堵稠油邊底水油田開發(fā)中后期疏松砂巖形成的大孔道，改變液流方向，提高注入水利用率，擴(kuò)大注入水波及體積，達(dá)到穩(wěn)油控水的目的，能夠顯著改善水驅(qū)開發(fā)效果。

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The Bohai offshore heavy oil and bottom water oilfield indoor experimental research and application of nitrogen foam flooding technology

HUANG Ronggui，HUANG Xiaodong，TANG Xiaoxu
（CNOOC China Limited Tianjin Branch，Tianjin 300452，China）

The Bohai offshore heavy oilfield after a long period of water injection development，edge-bottom water fingering phenomenon is serious，channeling circulation way lead to the present situation of the injected water inefficient circulation，oilfield the main contradictions and countermeasures，because the formation heterogeneity，oil/water viscosity differences lead to main layer water injection water channeling，swept volume is small，low degree of reservoir，water flooding displacement（enlarge sweep volume water drive）is imperative.This article through to research of Qinhuangdao 32-6 oilfield reservoir，and combining with nitrogen foam displacement selection principle，through targeted research，Qinhuangdao 32-6 oilfield has been established nitrogen foam flooding of nitrogen foam system，application of physical simulation and numerical simulation results at the same time，the combination of Qinhuangdao 32-6 oilfield reservoir geological characteristics，for nitrogen foam flooding process research and optimization，a technique of nitrogen foam water control indoor research and field pilot test.Results show that the nitrogen bubble water control technology can effectively block edge of heavy oil development of loose sand formation in the second half of the bottom water oilfield development macroscopic throats，change flow direction，to improve the utilization rate of injected water，sweep volume expansion of injected water，and achieve the goal of stabilizing oil water control，can significantly improve water flooding development effect.

heavy oil；heterogeneity；profile modification；nitrogen foam；sweep volume；recovery

TE357.46

A

1673-5285（2016）09-0034-07

10.3969/j.issn.1673-5285.2016.09.008

2016－07-18

中國海洋石油總公司“十二五”重大科技專項“海上在生產(chǎn)油氣田挖潛增效技術(shù)研究”部分成果，項目編號：CNOOCKJ125ZDXM06LTD。

黃榮貴（1981-），工程師，2005年畢業(yè)于重慶科技學(xué)院石油工程專業(yè)，現(xiàn)主要從事海上油氣田采油工藝和油氣水處理技術(shù)的研究和應(yīng)用工作，郵箱：huangrg@cnooc.com.cn。