稠油油藏三元復合驅參數優化實驗研究

吳海俊，付美龍，孫 晶，廖月敏，張 瑤

(長江大學，湖北 武漢 430100)

0 引 言

扶余油田扶北2區塊油藏埋深為300～550 m，油層溫度為32.5 ℃[1]。50 ℃時地面脫氣原油黏度為60～100 mPa·s，油層溫度條件下脫氣原油黏度為350 mPa·s，屬于普通稠油[2-3]。該區塊前期實施蒸汽驅時，由于儲層縱向非均質性強，汽竄嚴重，未起到有效提高采收率的目的[4]。前人對稠油油藏蒸汽驅中汽竄問題已有研究：王其偉[5]、劉偉等[6]開展了泡沫驅在非均質地層提高采收率的研究，表明泡沫驅適合滲透率級差范圍應小于15；宮俊峰[7]、駱銘[8]、李德儒[9]、吳正彬等[10]開展了泡沫驅實驗研究，結果表明，泡沫具有擴大油層波及范圍、增大微觀驅油效率的作用；林偉民[11]、張瀚奭[12]等分別在胡12區塊和高淺北區塊進行空氣泡沫驅實驗研究，結果表明，空氣泡沫驅對儲層具有調剖和封堵能力，但存在安全隱患。以減氧空氣+高溫泡沫劑+蒸汽三元復合驅技術機理為依據，根據稠油區塊縱向非均質特征，建立一定滲透率級差的三管并聯模型，開展減氧空氣、高溫泡沫輔助蒸汽驅實驗研究，優選出最佳注入參數。該研究可為稠油油藏以及其他同類型油藏礦場試驗提供理論指導和技術支持。

通過氧氣與原油的接觸，實現了原油的氧化；高溫泡沫對減氧空氣的封堵，導致空氣進入基質發生原油氧化反應，從而改善了原油的流動性能；高溫泡沫對蒸汽的封竄導致蒸汽進入基質，擴大蒸汽加熱油藏的波及體積。結合前期扶北2原油靜動態氧化實驗結果，當空氣中氧含量減至10%時，能保證現場安全生產[13-14]。

1 三元復合驅室內實驗

1.1 實驗條件與材料

實驗溫度為油藏蒸汽驅時的溫度(250 ℃)，回壓為原始地層壓力(5 MPa)。模擬原始地層水pH值為6～7，回注水水質分析數據見表1。扶北2區塊50 ℃地面脫氣原油黏度為105.7 mPa·s，原油密度為0.86 g/cm3，凝固點為21.7 ℃；高溫泡沫劑為0.7%JYG-3(東營精細化學品)+0.3%AP-P8(四川光亞聚合物化工有限公司)；減氧空氣氧含量為10%。采用3根不同滲透率的填砂管模型(表2)模擬實際油藏地層正韻律性，其中，單管模型長度為40 cm，直徑為3.8 cm。

表1 扶北2區塊回注水水質分析數據

1.2 實驗設備及步驟

實驗設備主要包括高壓填砂管、高壓驅替泵、蒸汽發生器、恒溫空氣浴、中間容器、回壓閥以及油水計量裝置等[15]。

表2 3種滲透率級差模型基礎物性參數

實驗步驟：①根據扶北2區塊地層物性制作3根填砂管(表2)，飽和模擬地層水、飽和原油；②根據地層正韻律性組裝高、中、低滲填砂管，放置在250 ℃恒溫箱中，試壓后，設定回壓為5 MPa；③控制相同的注入壓力和注入速度，以1 mL/min的流速注入高溫泡沫劑和減氧空氣，在混合注入方式下需要同時打開相應的中間容器，在注入管線中充分混合高溫泡沫劑和減氧空氣產生泡沫；在交替注入方式下需要分別打開相應的中間容器，依次注入一定量高溫泡沫劑和減氧空氣，在填砂管內部形成泡沫；④設定不同的氣液比、注入方式、注入量和轉注時機，記錄注入壓力、出油量和出液量，后續在不同回壓下轉注蒸汽，繼續觀察實驗，并記錄相關數據；⑤根據高溫泡沫劑封堵汽竄的數據，計算出泡沫阻力因子，評價不同條件下高溫泡沫劑封堵汽竄能力。

2 實驗結果分析

2.1 高溫泡沫氣液比對封堵汽竄的影響

氣液比決定高溫泡沫劑的發泡能力和封堵汽竄效果。氣液比過低導致發泡不充分、泡沫含量低；氣液比過高，易形成氣竄，導致泡沫封堵能力大大降低。氣液比分別設定為1∶1、2∶1、3∶1，注入方式為氣液混合注入，注入泡沫量為0.5倍孔隙體積，實驗結果見圖1。

由圖1可知：在相同的注入方式下，累計注入量大于0.8倍孔隙體積后，高、中、低滲管的阻力因子平穩波動；在氣液比為1∶1時，泡沫封堵汽竄的阻力因子最大，封竄效果最好。其中，高滲管阻力因子達到117.5，中滲管阻力因子達到95.5，低滲管阻力因子達到85.7，都分別大于相同條件下氣液比為2∶1和3∶1的阻力因子。因此，優選出的高溫泡沫氣液比為1∶1。

圖1 不同氣液比在混合注入下阻力因子隨注入量關系

2.2 高溫泡沫注入方式對封堵汽竄的影響

高溫泡沫劑和減氧空氣不同注入方式決定了泡沫在地層條件下的破滅與再生，從而影響后續蒸汽驅過程中封堵汽竄的效果。實驗設定高溫泡沫氣液比為1∶1，高溫泡沫注入量為0.5倍孔隙體積，注入方式分別采取混合注入高溫泡沫劑和減氧空氣(圖1)及交替注入高溫泡沫劑和減氧空氣(圖2)。由圖2可知，在高溫泡沫和減氧空氣交替注入下，當累計注入量為0.8～1.5倍孔隙體積時，3根管的阻力因子平穩波動。其中，高滲管阻力因子達到107.7，中滲管阻力因子為84.5，低滲管阻力因子為74.9，其結果比混合注入高溫泡沫和減氧空氣條件下的阻力因子較小。因此，在相同滲透率模型中注入相同氣液比高溫泡沫，混合注入方式比交替注入方式的泡沫阻力因子大，封堵汽竄效果更好。

圖2 交替注入下的阻力因子

2.3 泡沫劑的注入量對封堵汽竄的影響

泡沫劑注入量過小會導致發泡量小，封堵汽竄強度小；泡沫劑過量又會增加驅替成本。因此，有必要開展高溫泡沫劑最佳注入量的優選實驗。采用高滲單管模型設定氣液比為1∶1，其他實驗條件不變，高溫泡沫劑注入量分別設定為0.10、0.25、0.30倍孔隙體積，后轉注蒸汽驅(圖3)。由圖3可知，高滲管模型的阻力因子隨累計注入量不斷增加并趨于平衡，泡沫體系注入量為0.10、0.25倍孔隙體積時轉注蒸汽后的阻力因子均分別穩定在100.8和121.6，即注入量為0.25倍孔隙體積比注入量為0.10倍孔隙體積的阻力因子高約20%。而注入量為0.30倍孔隙體積再轉注蒸汽后的阻力因子前期快速上升，轉注1.00倍孔隙體積蒸汽后其阻力因子已轉入平穩上升趨勢，和注入量為0.25倍孔隙體積時阻力因子相差很小。綜合經濟成本，優選0.25倍孔隙體積為高溫泡沫劑的最佳注入量。

圖3 泡沫劑的注入量對封堵汽竄的影響

2.4 轉注時機對蒸汽封堵的影響

在不同含水率下注入的高溫泡沫劑受原油消泡和泡沫劑前緣汽竄的綜合影響，含水率低導致原油消泡作用明顯，而含水率高導致注入泡沫劑被水稀釋明顯。通過高滲單管模型在水驅前含水率為0、水驅至含水率分別達到50%、90%的3種情況下，混合注入氣液比為1∶1的高溫泡沫劑和減氧空氣，注入量為0.5倍孔隙體積，再轉注蒸汽驅，測定其泡沫阻力因子的變化規律(圖4)。由圖4可知：在3種轉注時機下，當累計注入量超過0.9倍孔隙體積時，泡沫阻力因子均較穩定；在轉注時機含水率為50%時，高溫泡沫的封竄效果明顯比含水率為0和90%時效果好，含水率為90%時轉注泡沫效果最差；含水率為50%時轉注1.0倍孔隙體積蒸汽后的泡沫阻力因子達到了117.5，且在累計注入量為1.0～1.5倍孔隙體積過程中，泡沫阻力因子略有波動現象。說明當泡沫破裂后氣體向前運移再次和泡沫劑接觸生成泡沫，生成的泡沫有效封堵汽竄且不斷向前運移，進行深部封堵，更大限度地提高注入蒸汽的波及體積。因此，高溫泡沫劑最佳注入時機是含水率為50%。

圖4 轉注時機對蒸汽封堵影響的關系

2.5 不同回壓對蒸汽封堵的影響

在轉注蒸汽驅過程中，隨著蒸汽不斷注入，不同回壓下的阻力因子呈逐漸上升并達到持續平衡的趨勢，蒸汽突破時平衡曲線會劇降，因此，評價高溫泡沫對蒸汽的封竄強度可用平衡趨勢下對應的阻力因子來表征。通過高滲單管模型開展不同回壓下混合注入氣液比為1∶1的高溫泡沫劑和減氧空氣封竄強度實驗，設定回壓分別為3、5、7 MPa(圖5)。由圖5可知：當回壓為3 MPa時，注入量為1.4倍孔隙體積后，阻力因子平衡在108左右；當回壓為5 MPa時，注入量為1.4倍孔隙體積后，阻力因子平衡在120左右；當回壓為7 MPa時，注入量為1.4倍孔隙體積后，阻力因子達到124左右。比較發現，回壓為5、7 MPa時的阻力因子均比3 MPa時的阻力因子大，且波動較小，說明在2種回壓下封堵汽竄效果較好，均形成了穩定的泡沫體系。比較回壓分別為5、7 MPa時的阻力因子、平衡持續時間可知，2種回壓下的封竄強度相當，由于扶北2區塊原始地層壓力為4.4 MPa，減氧空氣+高溫泡沫劑+蒸汽三元復合驅實驗回壓設定為5 MPa。

圖5 不同回壓對蒸汽封堵影響的關系

3 減氧空氣+高溫泡沫劑+蒸汽三元復合驅提高采收率實驗

為了更好地研究三元復合驅提高采收率效果，分別開展滲透率級差為3.20的三管并聯蒸汽驅實驗和減氧空氣+高溫泡沫劑+蒸汽三元復合驅實驗(圖6)。實驗溫度為250 ℃，回壓為5 MPa，流速為1 mL/min，水驅至含水率為50%時轉注蒸汽驅至1.5倍孔隙體積。在相同條件下以氣液比為1∶1混合注入高溫泡沫和減氧空氣，其中，高溫泡沫注入量為0.5倍孔隙體積，在水驅至含水率為50%時轉注蒸汽驅至1.5倍孔隙體積。由圖6可知，轉注蒸汽驅后，當累計注入量為0.8倍孔隙體積時，高滲管采收率為50.1%，中、低滲管采收率分別為30.9%、15.6%；當累計注入量超過0.8倍孔隙體積時，高滲管最終采收率略有增加，為55.8%，中、低滲管采收率保持穩定，分別為32.3%、15.6%，三管最終綜合采收率為34.9%。三元復合驅中注入量為0.3～0.8倍孔隙體積時，高溫泡沫劑優先進入高、中滲管使其采收率均有一定幅度的提升，而低滲管采收率增加緩慢；在累計注入量為0.8～1.5倍孔隙體積時，低滲管采收率開始大幅度提高，為63.2%，高、中滲管采收率分別達到64.3%、63.9%，提高幅度較小，三管最終綜合采收率為63.8%。說明在滲透率級差為3.20時，減氧空氣+高溫泡沫劑+蒸汽三元復合驅能在高滲管中形成有效封堵，改善了中、低滲管的驅油效果，其最終綜合采收率比蒸汽驅提高了28.9個百分點。

圖6 蒸汽驅和三元復合驅的采收率與累計注入孔隙體積倍數的關系

4 結 論

(1) 在非均質地層中，減氧空氣+高溫泡沫劑+蒸汽三元復合驅技術可有效抑制高滲管汽竄，使中、低滲管的原油動用程度增大，采出程度大幅度提高，驅油效果明顯，是有效改善稠油油藏蒸汽驅開發效果的技術。

(2) 通過開展減氧空氣+高溫泡沫劑+蒸汽三元復合驅參數優化實驗，明確了最佳參數：高溫泡沫氣液比為1∶1，采取混合注入高溫泡沫劑和減氧空氣方式，高溫泡沫劑的注入量為0.25倍孔隙體積，最佳注入時機是含水率為50%，回壓保持在5 MPa。

(3) 建立了滲透率級差與采收率的定量關系。在滲透率級差為3.20三管并聯模型中，按照減氧空氣+高溫泡沫劑+蒸汽三元復合驅最佳注入參數進行研究，其最終綜合采收率為63.8%，比單純蒸汽驅提高了28.9個百分點。表明了減氧空氣+高溫泡沫劑+蒸汽三元復合驅技術能在蒸汽驅的基礎上進一步有效提高采收率，在扶北2區塊具有指導現場應用的價值。