低滲透油藏泡沫驅油機理及應用現狀研究

張作安

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低滲透油藏泡沫驅油機理及應用現狀研究

張作安

（東北石油大學 教育部提高油氣采收率重點實驗室， 黑龍江 大慶 163368）

低滲透油氣藏在世界范圍內分布范圍廣，儲量大，在新探明儲量中占得比例越來越大，是全球油氣資源增產的主要來源，合理高效的開發低滲透油藏中的油氣資源，是未來面臨的主要問題。泡沫驅油作為繼水驅、氣驅之后新的驅油方式，結合了氣體和泡沫的優點，以獨特的優勢越來越得到人們的重視，是低滲透油藏提高采收率的又一個重要途徑。分析了泡沫驅相對于其他驅油方式的優勢，概述了泡沫驅油的驅油機理，簡要分析了空氣泡沫驅、氮氣泡沫驅各自特點，對泡沫驅油在國內外油田的應用現狀做了介紹。對泡沫驅油存在的問題做了闡述，并提出了泡沫驅油的發展方向。

低滲透；泡沫驅；空氣；氮氣；提高采收率

隨著國內石油需求量越來越大，國內油田的產量早已滿足不了市場的需求。據統計，我國大約60%的石油都需要依賴于進口，這嚴重制約著我國的經濟發展。我國很多大油田都面臨著優質三采資源匱乏，含水率持續上升的問題。低滲透油藏在我國分布廣泛，在各大油田均有分布，油氣資源十分豐富，開采潛力巨大。但由于低滲透油藏孔隙度低、滲透率低、非均質性嚴重、等不利因素的影響，造成采收率低，開采成本高等一系列問題。聚合物驅作為一種成熟的三次采油技術，在中高滲透儲層應用廣泛，并取得了很好的驅油效果，但由于聚合物濃度高、粘度大，使得注入困難而無法在低滲透油藏中得到有效應用。常規注水開發是提高采收率的傳統方式，但由于儲層吸水能力差，需要很高的注入壓力，對技術和設備提出了很高的要求，除此之外，低滲油藏巖石吼道細小，造成很嚴重的賈敏效應，綜合這些因素的影響，導致水驅效率低，使得大量的油氣資源滯留在空隙中不能采出。 氣驅是提高低滲透油藏常用的方法，常用的注入氣體有空氣、氮氣和二氧化碳等。注氣可以維持油藏的壓力，還可以改善流度比，但是注氣采油也有它自身的缺陷， 氣竄現象會直接影響采收率的大小，有效控制和減輕氣竄的影響是提高氣驅采收率的關鍵技術。所以常規利用聚合物、復合物等方法提高石油開采量的方式已經不能滿足現場的實際需求，急需開發出一種更為經濟高效的采油技術。泡沫驅油以其自身良好的封堵性和對油水的選擇性，是一項應用前景很好的三次采油方式［1-5］。

1 泡沫驅油機理

泡沫同時具有擴大波及體積和提高驅油效率的能力。泡沫驅是利用各種氣體（空氣、氮氣、二氧化碳等）與泡沫劑混合形成泡沫，然后利用泡沫自身的特點驅替原油的驅替方法，泡沫具有選擇性封堵、堵高不堵低、堵水不堵油的特點。泡沫的這些特點使泡沫驅油技術在油田開發中擁有廣闊的應用前景。

1.1 補充地層壓力，形成氣體超覆作用

注入的泡沫在運移過程中會有部分破裂現象發生，氣泡破裂后，氣體在重力分異作用下會從孔道底部上升到頂部形成氣頂，給油藏增加了氣驅的能量，這部分能量有助于將注水無法波及到的剩余油替換出來，從而提高采收率。由于氣體有很好的流動性和膨脹性，在能量釋放時可以很好的助排、解堵、驅替，將原油更好的驅替出來。

1.2 堵水不堵油，堵大不堵小

泡沫具有選擇性封堵作用，具有堵水不堵油的特性。它在低滲透層、含油飽和度高的地方不容易產生氣泡，并慢慢溶于原油中，不堵塞孔道，形成氣驅和水驅的雙重作用，利于原油的運移。它在滲透率相對較高、含油飽和度低的地方容易產生氣泡，滲流阻力增大，降低水相滲透率，從而提高了驅油效率。從而形成了堵水不堵油，堵大不堵小的效果。

1.3 降低油水界面張力，改變巖石潤濕性

起泡劑本身是一種起泡效果很好的表面活性劑，可以很好的降低油水界面張力，在低滲透油藏中，可以減少油氣通過狹窄孔喉的阻力，有利于油氣在孔道中的運移。除此之外，表面活性劑可以將巖石表面由親油轉變為親水，降低原油在巖石表面的粘附量，提高驅油效率。

1.4 乳化、降粘、攜帶作用

泡沫在孔道運移過程中，不僅僅可以改變巖石潤濕性，還可以將原油不斷地乳化，使原油從巖石表面不斷地被抽提、剝離，最終形成大油滴，并被不斷地攜帶出去。泡沫具有降粘的作用，隨著注入壓力的不斷升高，部分注入氣體溶解于原油當中，使原油粘度降低，隨著壓力的增加，原油中溶解的氣體越多，粘度降低效果越明顯，原油更容易被驅替至井底［6,7］。

2 不同氣體泡沫驅研究概況

2.1 空氣泡沫驅

空氣泡沫驅油技術是一種以空氣作為驅替介質的驅油方法。空氣來源廣，成本低，安全性能好。空氣泡沫驅的一個重要原理就是低溫氧化反應，當空氣被注入到地層，空氣中的氧氣與油層中的烴類化合物發生氧化反應，能夠使烴類物分子的部分不穩定鍵斷裂，氧氣促使鍵裂解的過程中會產生大量的熱量，促使原油發生自燃，形成高溫火驅過程。除此之外，燃燒產生的大量二氧化碳和空氣中剩下的氮氣會形成氣驅，維持油層壓力，增強驅油效果。

2.2 氮氣泡沫驅

氮氣泡沫驅油技術是一種以氮氣作為驅替介質的驅油方法。氮氣具有密度小，氣源廣，價格低，腐蝕輕，視粘度高等特點。氮氣泡沫驅具有堵大不堵小、堵水不堵油、上浮作用、彈性膨脹等作用。與單純氣驅相比，氮氣泡沫驅油可以有效的延長氣體突破時間，減輕氣竄對驅油的不利影響，對非均質地層有很好的調剖作用。

除了應用較廣泛的空氣泡沫驅和氮氣泡沫驅之外，二氧化碳泡沫驅技術發展在近幾年發展迅速，但由于國內二氧化碳氣源少的緣故，在各大油田的應用受到限制。天然氣泡沫驅提高采收率效果較好，但存在著安全隱患大、成本高等問題，在油田的應用較少。

3 泡沫驅油技術應用現狀

國外很早就開始了泡沫驅的研究工作，早在1958 年， Bond 和 Holbrook通過對泡沫的研究，第一次提將泡沫引入到油氣提高采收率領域。1961 年，Fried進行了泡沫驅替研究,發現泡沫可以大幅度提高氣體的黏度,在油藏孔道中可對氣體進行比較強的流度控制。隨后泡沫驅油引起了人們的廣泛關注，在數值模擬、室內實驗方面都做了大量研究工作，驅油效果普遍較好，證明該技術的應用前景非常廣闊。

1963 年 Bernand 等發現在只含油的砂巖中注入泡沫比在只在含有水的砂巖中注入泡沫驅替效果差，總結出泡沫能夠明顯降低氣相滲透率，提高波及面積，最終提高采收率。在 1965 年Bernand 等人又進一步將泡沫驅油與水驅做對比實驗，通過實驗發現泡沫驅可以明顯提高采收率，驅油效果比水驅好，原因是泡沫不僅可以擴大波及體積，而且具有提高驅油效率的能力。

20世紀80年代，美國加州克恩河等油田開辟了多個蒸汽泡沫驅試驗，其主要目的就是調整吸水剖面， 減輕氣竄的影響，試驗取得了很好的效果。1994 年俄羅斯在老格魯茲油田進行了泡沫礦場應用試驗，挪威、英國在北海油田進行了泡沫驅油試驗，驅油效果顯著。在開采常規稠油過程中，應用泡沫技術可以明顯降低稠油的粘度，防止重力超覆，改善流度比，可以提高采收率10%左右。目前在開采稠油過程中，泡沫技術在起泡劑起泡性能的篩選，現場作業等方面形成了相對比較完整的配套技術，應用范圍越來越廣泛。

1983 年，Mobil 公司開始研究二氧化碳泡沫驅油的工作。并進行了大量的礦場試驗。試驗結果發現二氧化碳泡沫驅具有良好的選擇封堵性能，調剖效果顯著，能夠明顯提高生產井的產量，提高最終采收率，達到了預期的效果［8-10］。

相比于國外，我國的泡沫驅驅油室內實驗和礦場實驗起步較晚，但在泡沫驅油機理等方面研究比較多，在現場也得到了應用，我國已經在玉門、大慶、勝利等油田進行了泡沫驅油試驗，取得了較好的試驗效果。

1965 年，玉門油田最早進行泡沫驅油試驗。在石油溝油田和玉門老君廟油田進行了10 井次的礦場試驗，其中6次效果比較顯著。

2010年曲晗等人通過大量的氮氣泡沫驅室內實驗，發現泡沫驅采收率隨著表面活性劑濃度增加而提高，但表面活性劑濃度超過0.3%(wt)時，提高采收率幅度變小，這說明當表面活性劑濃度為0.3%時是最合理的，既能最大限度提高采收率，又可以減少成本。泡沫注入0.4 PV比注入0.3 PV提高采收率幅度不到1%，所以最合理的注入 PV 數是0.3 PV。

2011年張建麗通過對空氣泡沫驅微觀驅油機理實驗研究，發現發泡體系隨溫度升高，泡沫綜合性能呈下降趨勢，隨著含油飽和度的增大，發泡體系性能呈現下降趨勢。

2012年耿小燼通過對泡沫驅采收率機理的研究，發現當氣液比在5附近時,泡沫驅油效果最佳，為最佳氣液比值；泡沫注入量越多，提高采收率程度越高，但是考慮到成本的問題，應該選取合理的注入量；原油黏度較高時，泡沫驅油效果較好，因為泡沫可以明顯降低原油的粘度［11-14］。

4 泡沫驅油存在的問題和研究方向

4.1 泡沫驅機理研究還不夠深入

泡沫是一種穩定性差的體系，其在多孔介質中的運移規律和機理研究還停留在實驗室階段，與真實地層中實際運移規律相差很大，認識十分有限，尤其是泡沫的生成、破滅、運移規律的研究。這需要研制新的設備和利用新的方法，與其他學科緊密結合，才能對泡沫驅的驅油機理更深層次的認識，更好的將泡沫驅推廣應用。

4.2 泡沫的發泡劑配方有待完善

泡沫體系的起泡性能和穩泡性能是評價泡沫體系性能的主要指標。泡沫起泡性能直接決定了驅油效果，起泡性能越好，產生的氣泡越多，驅油效果越好。泡沫的穩定性是泡沫體系的最重要指標，泡沫穩定性能差會導致泡沫體系在地層的運移過程中發生破裂，驅替距離短、有效時間短，驅油效果受到限制。而起泡性能和穩泡性能較好的泡沫體系成本較高，不適合現場大規模應用。泡沫復合驅是維持泡沫穩定的一種方式，雖然采收率得到了提高，但聚合物和堿的加入同時帶來了很多問題，加入高分子聚合物后，體系粘度增加，注入困難，在高溫油藏、高鹽油藏也難以實施。加入堿后，導致產出液乳化嚴重，會嚴重腐蝕井筒和設備，影響油井產能。同時聚合物和堿的加入也增加了成本。新型起泡劑和穩泡劑的研制。研制生成氣泡量大、氣泡穩定性好、低界面張力、在巖石表面吸附滯留量小的起泡劑是泡沫驅最重要的研究內容，同時也要考慮起泡劑和穩泡劑的配伍性，它們與地層水的配伍性等，這需要在化學劑合成領域做出突破。

4.3 泡沫驅現場應用問題

目前還沒有形成一套合理的施工參數，目前的礦場試驗大多采取氣液同注或交替注入的方式，泡沫生成數量和氣泡穩定性能并沒有達到理想的效果，除此之外，合理的段塞大小、注氣速度、表面活性劑濃度等都會影響生成泡沫的數量和質量，影響驅油效果。通過室內試驗和現場施工，逐步形成一套合理高效的生產標準。更加合理高效的利用現有技術提高最終采收率。

5 結論

泡沫驅油作為繼水驅、氣驅之后新的驅油方式，結合了氣體和泡沫的優點，以獨特的優勢越來越得到人們的重視，是低滲透油藏提高采收率的又一個重要途徑。可以很好地擴大波及體積和驅油效率，具有堵水不堵油，堵大不堵小的特性，而且降低油水界面張力，改變巖石潤濕性，同時具有乳化、降粘、攜帶的作用，從而提高最終采收率。雖然泡沫驅還有許多問題存在，但通過技術創新，新型起泡劑、穩泡劑的合成，新設備的應用，在油田的應用規模必定會越來越大。目前我國的泡沫驅水平距世界先進水平還有一定差距，在礦場的應用十分有限，尤其在低滲油藏應用較少，急需要開發出一套與之匹配的泡沫驅技術，早日實現泡沫驅油的大規模應用，從而緩解我國石油緊缺的現狀。

［1］ 石亞琛, 戈薇娜, 孫超, 李進. 空氣泡沫驅驅油機理與實驗研究[J]. 當代化工, 2016 (12)：2852-2855.

［2］ 徐峰，吳向紅，郭肖，等．低滲透油藏泡沫驅影響因素分析［Ｊ］．科學技術與工程，2014，14（26）：210－213．

［3］ 馮寶俊，等．大慶油田水氣交替注入提高采收率礦場試驗［Ｍ］．大慶：石油工業出版社，1995．

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［10］賀永潔．空氣泡沫驅在甘谷驛油田的應用研究[D]．西安石油大學,2005.

［11］曲晗．氮氣泡沫驅機理研究及實驗[D]．東北石油大學,2010.

［12］耿小燼．泡沫驅提高石油采收率技術機理研究[D]. 中國地質大學, 2012.

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［14］李豪浩．混氣表面活性劑驅實驗研究[D]. 中國石油大學, 2008.

Study on the Mechanism and Application of Foam Flooding in Low Permeability Reservoirs

（Key Laboratory of Enhancing Oil and Gas Recovery, Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163368, China）

TheLow permeability oil and gas reservoirs has a wide range of distribution in the world, and large reserves, it accounts for more and more proportion in the new reserves, it is the main source of global oil and gas resources, reasonable and efficient development of low permeability reservoir is the main problem in the future. Foam flooding, as a new way of the displacement after water flooding and gas driving, combines with the advantages of the gas and foam, getting more and more people's attention because of its unique advantages, it is an important way to enhance oil recovery in low permeability reservoirs. In this paper, compared with other oil displacement methods，the advantages of foam flooding were analyzed, and the mechanism of oil flooding was summarized. The characteristics of air bubble flooding and nitrogen bubble flooding were briefly analyzed, application of foam flooding in oil fields at home and abroad was introduced. Some problems in the foam flooding were described, and the development direction of foam flooding was discussed.

Low permeabilityFoam flooding；Air；Nitrogen；Enhanced oil recovery

TE357

A

1671-0460（2017）08-1693-03

2017-06-09

張作安（1989-），男，山東省日照市人，碩士研究生，研究方向：提高采收率。E-mail：1261864469@qq.com。