滲透率級差對油層實際氣液比的影響*

黃先科，殷慶國，李 藺，李華斌，2，郭程飛，4

（1．成都理工大學能源學院，四川 成都 610059；2.油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室（成都理工大學），四川 成都 610059；3.中國石油吐哈油田公司工程技術研究院，新疆 鄯善 838200；4.中國石化中原油田普光分公司，四川 達州 636155；5.吐哈油田勘探公司，新疆 鄯善 838200）

泡沫驅因具有原料來源廣、成本低、制備容易等特點而被廣泛關注。然而關于礦場泡沫驅成敗的關鍵因素卻鮮有報道，根據流度比公式可知，影響流度的主要因素為泡沫黏度，黏度越高的體系波及效率越高，驅油效果越好。在高滲層，泡沫流度小于地層原油流度時，泡沫可有效封堵高滲層，反之泡沫驅失效［1-3］。在實際地層中，泡沫體系氣相和液相在多孔介質中的流速不同，地層各小層實際吸氣/液量占比，并非是地表注入的理想氣液比，泡沫體系達不到理想視黏度，難以封堵高滲層或者啟動低滲層［4-7］。因此，為了規避籠統注入給泡沫驅帶來的風險性，在同一壓力系統下，筆者研究氣液兩相滲流特征與滲透率級差之間的關系，探討不同滲透率級差地層對氣液比的影響規律。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

起泡劑XHY-6D，有效物含量35%，成都華陽興華化工廠；穩泡劑黃原膠XG，相對分子質量3.6×106，固含量91%，任丘市長興石油化工有限公司；實驗用水為模擬地層水，礦化度160000 mg/L，主要離子質量濃度（單位mg/L）：Ca2+7200、Na+55230、Cl-91321；氣體為空氣，成都天源氣體制造有限公司。

DV-Ⅲ旋轉黏度計，美國BROOKFIELD 公司；Mettler Toledo 分析天平，無錫市賽維商貿有限公司；電熱恒溫箱，上海市凱測實驗設備有限公司；驅替裝置：平流泵、手搖泵、壓力表、中間容器、六通閥、管線等，江蘇海安石油科研儀器有限公司。

1.2 實驗方法

利用2 m 長、直徑3.8 cm 的并聯填砂管巖心開展雙管驅替實驗。具體實驗步驟如下：

（1）利用高壓自動壓實裝置填制平均滲透率為75.2×10-3數82.2×10-3μm2（魯克沁地層平均滲透率）的巖心（根據不同滲透率范圍，改變加砂次數及壓制壓力）。

（2）將填砂管高滲管置放于恒溫箱頂部、低滲管置放于恒溫箱底部（考慮到油層的重力分離作用以及魯克沁油層的反韻律特征，室內試驗模擬反韻律的作用非常有限）。

（3）先對每支填砂管巖心飽和地層水、飽和原油；然后進行水驅，直至并聯巖心出口端無油產出時止，填砂管物理模型參數見表1。巖心出口端回壓閥壓力固定為20.0 MPa。按氣/起泡劑溶液體積流量1∶1交替注入空氣及模擬地層水。直至注采達到平衡（壓力恒定或注入速度等于產出速度）驅替。

（4）記錄高滲管及低滲管的產液量、產氣量（入口端壓力表量程確定為35.0 MPa，使驅替實驗盡量模擬地層高壓驅替狀態。驅替速度為2.0 m/d左右，氣體或水的注入速度41.0數42.0 mL/h）。實時記錄不同滲透率級差巖心的氣液比數據，高滲管、低滲管產液量，產氣量以及高滲管進口端壓力數據。

（5）驅替實驗結束，綜合分析高低滲管原油采收率、含油飽和度等因素，得出滲透率級差對氣液比的影響規律。

表1 雙管并聯填砂管物理模型參數

2 結果與討論

目前，魯克沁試驗區塊實行1∶1氣液比，在地表籠統注入，油層溫度為80℃，對應空氣黏度為0.0211 mPa·s，起泡劑溶液黏度1.899 mPa·s。室內首先進行水驅驅油實驗，當水驅含水率達到98%時，使注入壓力穩定在20 MPa后進行氣液交替泡沫驅驅替實驗，按氣液體積流量比1∶1 交替注入空氣及質量分數為0.1%的起泡劑溶液（0.1 PV 起泡劑+0.1 PV氮氣交替注入）。注采達到平衡后（壓力恒定或注入速度等于產出速度）觀察不同滲透率級差的高、低滲管的產氣量、產液量以及氣液比變化規律。

2.1 Kmax/Kmin=3.4時的氣液比變化規律

當滲透率級差為3.4 時，交替注入發泡劑溶液及氣體，高低滲管產氣量、產液量及氣液比變化規律如圖1所示。泡沫段塞注入量在0.1 PV 時，高滲管和低滲管的載液速率由0 mL/h分別上升為26.00 mL/h和14.00 mL/h，此時起泡劑溶液主要在高滲管中形成竄流通道，低滲管分流量相對較低。泡沫段塞注入量為0.15 PV 時，高滲管的載液速率為20.00 mL/h，載氣速率為6.40 mL/h，高滲管瞬時氣液比為0.32；而低滲管的載液速率為13.60 mL/h，低滲管未見氣，泡沫體系對高滲管起到了較好的封堵調剖效果，高低滲管的載液速率差異變小。這主要是由于高滲管中起泡劑溶液與氣體混合，形成了相對穩定的泡沫，滲流阻力明顯增大，而低滲管由于未見氣，滲流阻力增加不明顯，基本不形成或只形成少量泡沫。當泡沫段塞注入量為0.20 PV 時，高滲管的載液速率為13.00 mL/h，載氣速率為8.90 mL/h，高滲管瞬時氣液比為0.68；而低滲管的載液速率為8.10 mL/h，低滲管開始見氣，載氣速率為6.90 mL/h，低滲管瞬時氣液比為0.85。這是由于高低滲管滲流阻力的進一步增加，強化了泡沫體系的封堵調剖效果，造成高低滲管分流量差異進一步減小，但總體上，高滲管的分流量高于低滲管的分流量。泡沫段塞注入量為0.25 PV 時，高低滲管載氣液速率趨于穩定，高滲管穩定載氣速率為11.17 mL/h，穩定載液速率為13.44 mL/h，穩定氣液比為0.83；低滲管穩定載氣速率為6.59 mL/h，穩定載液速率為8.83 mL/h，最終穩定氣液比為0.74。

圖1 高低滲管產氣液速率及氣液比變化規律曲線（Kmax/Kmin=3.4）

2.2 Kmax/Kmin=6.2時的氣液比變化規律

當滲透率級差Kmax/Kmin為6.2 時，交替注入發泡劑溶液及氣體，高低滲管產氣量、產液量及氣液比變化規律如圖2所示。泡沫段塞注入量在0.05 PV時，高滲管和低滲管的載液速率由0 mL/h分別上升為28.00 mL/h 和12.00 mL/h，此時起泡劑溶液主要在高滲管中形成竄流通道，低滲管的分流量相對較低。泡沫段塞注入量為0.15 PV 時，高滲管的載液速率為17.00 mL/h，載氣速率為9.00 mL/h，高滲管瞬時氣液比為0.53；而低滲管載液速率為14.00 mL/h，低滲管未見氣。當泡沫段塞注入量為0.20 PV時，高滲管載液速率為16.00 mL/h，載氣速率為11.00 mL/h，高滲管瞬時氣液比為0.69；而低滲管的載液速率為11.00 mL/h，低滲管開始見氣，載氣速率為2.30 mL/h，低滲管瞬時氣液比為0.21。泡沫段塞注入量為0.25 PV時，高、低滲管載氣液速率趨于穩定，高滲管穩定載氣速率為12.34 mL/h，穩定載液速率為15.63 mL/h，穩定氣液比為0.79；而低滲管穩定載氣速率為4.37 mL/h，穩定載液速率為7.66 mL/h，最終穩定氣液比為0.57。

圖2 高低滲管產氣液速率及氣液比變化規律曲線（Kmax/Kmin=6.2）

2.3 Kmax/Kmin=9.6時的氣液比變化規律

當滲透率級差Kmax/Kmin為9.6 時，交替注入發泡劑溶液及氣體，高低滲管產氣量、產液量及氣液比變化規律如圖3所示。泡沫段塞注入量在0.05 PV時，高滲管和低滲管的載液速率由0 mL/h分別上升為30.00 mL/h 和10.00 mL/h，此時起泡劑溶液主要在高滲管中形成竄流通道，低滲管分流量相對較低。隨著泡沫段塞中氣相的注入，泡沫段塞注入量為0.15 PV 時，高滲管載液速率為20.00 mL/h，載氣速率為9.30 mL/h，高滲管瞬時氣液比為0.47。而低滲管載液速率為10.70 mL/h，低滲管未見氣。當泡沫段塞注入量為0.20 PV 時，高滲管載液速率為15.00 mL/h，載氣速率為14.30 mL/h，高滲管瞬時氣液比為0.95；而低滲管載液速率為10.00 mL/h，低滲管開始見氣，載氣速率為8.10 mL/h，低滲管瞬時氣液比為0.81。泡沫段塞注入量為0.25 PV 時，高低滲管的載氣液速率趨于穩定，高滲管的穩定載氣速率為14.27 mL/h，穩定載液速率為16.17 mL/h，穩定氣液比為0.88；低滲管的穩定載氣速率為3.83 mL/h，穩定載液速率為5.73 mL/h，最終穩定氣液比為0.67。

圖3 高低滲管產氣液速率及氣液比變化規律曲線（Kmax/Kmin=9.6）

2.4 Kmax/Kmin=14.6時的氣液比變化規律

當滲透率級差為14.6 時，交替注入發泡劑溶液及氣體，高低滲管產氣量、產液量及氣液比變化規律如圖4所示。泡沫段塞注入量為0.1 PV 時，高滲管和低滲管的載液速率由0 mL/h分別上升為32.00 mL/h 和8.00 mL/h，此時起泡劑溶液主要在高滲管中形成竄流通道，而低滲管分流量相對較低。泡沫段塞注入量為0.15 PV 時，高滲管的載液速率為21.00 mL/h，載氣速率為12.40 mL/h，高滲管瞬時氣液比為0.59；而低滲管的載液速率為6.60 mL/h，低滲管未見氣。當泡沫段塞注入量為0.20 PV 時，高滲管的載液速率為17.00 mL/h，載氣速率為15.30 mL/h，高滲管的瞬時氣液比為0.90；而低滲管載液速率為4.50 mL/h，低滲管開始見氣，載氣速率為3.20 mL/h，低滲管瞬時氣液比為0.71。泡沫段塞注入量為0.25 PV時，高低滲管載氣液速率趨于穩定，高滲管穩定載氣速率為17.34 mL/h，穩定載液速率為17.24 mL/h，穩定氣液比為1.01；低滲管穩定載氣速率為2.76 mL/h，穩定載液速率為2.66 mL/h，最終穩定氣液比為1.04。

圖4 高低滲管產氣液速率及氣液比變化規律曲線（Kmax/Kmin=14.6）

2.5 Kmax/Kmin=29.6時的氣液比變化規律

當滲透率級差Kmax/Kmin為29.6時，交替注入發泡劑溶液及氣體，高低滲管產氣量、產液量及氣液比變化規律如圖5所示。泡沫段塞注入量為0.05 PV時，高滲管和低滲管的載液速率由0 mL/h分別上升為36.00 mL/h和4.00 mL/h，此時起泡劑溶液主要在高滲管中形成竄流通道，而低滲管分流量相對較低。泡沫段塞注入量為0.15 PV 時，高滲管的載液速率為23.00 mL/h，載氣速率為15.10 mL/h，高滲管的瞬時氣液比為0.67；而低滲管的載液速率為1.90 mL/h，低滲管未見氣。當泡沫段塞注入量為0.20 PV時，高滲管的載液速率為18.60 mL/h，載氣速率為16.80 mL/h，高滲管瞬時氣液比為0.90；而低滲管載液速率為0.80 mL/h，低滲管開始見氣，載氣速率為3.80 mL/h，低滲管瞬時氣液比為4.75。泡沫段塞注入量為0.25 PV時，高低滲管載氣液速率趨于穩定，高滲管的穩定載氣速率為19.11 mL/h，穩定載的液速率為17.63 mL/h，穩定氣液比為1.08；低滲管的穩定載氣速率為2.37 mL/h，穩定載液速率為0.89 mL/h，最終穩定氣液比為2.66。

圖5 高低滲管產氣液速率及氣液比變化規律曲線（Kmax/Kmin=29.6）

2.6 Kmax/Kmin=38.4時的氣液比變化規律

當滲透率級差Kmax/Kmin為38.4時，交替注入發泡劑溶液及氣體，高低滲管產氣量、產液量及氣液比變化規律如圖6所示。泡沫段塞注入量為0.1 PV時，高滲管和低滲管的載液速率由0 mL/h分別上升為38.00 mL/h和2.00 mL/h，此時起泡劑溶液主要在高滲管中形成竄流通道，而低滲管分流量相對較低。泡沫段塞注入量為0.15 PV 時，高滲管的載液速率為23.00 mL/h，載氣速率為15.10 mL/h，高滲管的瞬時氣液比為0.66。而低滲管載液速率為1.90 mL/h，低滲管未見氣。當泡沫段塞注入量為0.20 PV時，高滲管的載液速率為20.00 mL/h，載氣速率為18.70 mL/h，高滲管的瞬時氣液比為0.94；而低滲管的載液速率為0.60 mL/h，低滲管開始見氣，載氣速率為0.70 mL/h，低滲管瞬時氣液比為1.17。泡沫段塞注入量為0.25 PV 時，高低滲管的載氣液速率趨于穩定，高滲管的穩定載氣速率為19.76 mL/h，穩定載液速率為18.25 mL/h，穩定氣液比為1.08；低滲管穩定載氣速率為1.75 mL/h，穩定載液速率為0.24 mL/h，最終穩定氣液比為7.29。

圖6 高低滲管產氣液速率及氣液比變化規律曲線（Kmax/Kmin=38.4）

2.7 Kmax/Kmin=88.3時的氣液比變化規律

當滲透率級差Kmax/Kmin為88.3時，交替注入發泡劑溶液及氣體，高低滲管產氣量、產液量及氣液比變化規律如圖7所示。泡沫段塞注入量為0.05 PV時，高滲管和低滲管的載液速率由0 mL/h分別上升為38.00 mL/h和2.00 mL/h，此時起泡劑溶液主要在高滲管中形成竄流通道，而低滲管分流量相對較低。泡沫段塞注入量為0.15 PV 時，高滲管的載液速率為23.00 mL/h，載氣速率為16.10 mL/h，高滲管的瞬時氣液比為0.70；而低滲管的載液速率為0.90 mL/h，低滲管未見氣。當泡沫段塞注入量為0.20 PV 時，高滲管的載液速率為20.00 mL/h，載氣速率為18.10 mL/h，高滲管的瞬時氣液比為0.90；而低滲管的載液速率為0.10 mL/h，低滲管開始見氣，載氣速率為1.80 mL/h，低滲管的瞬時氣液比為18.00。泡沫段塞注入量為0.25 PV 時，高低滲管的載氣液速率趨于穩定，高滲管的穩定載氣速率為19.96 mL/h，穩定載液速率為18.32 mL/h，穩定氣液比為1.09；低滲管的穩定載氣速率為1.68 mL/h，穩定載液速率為0.04 mL/h，最終穩定氣液比為42.00。

圖7 高低滲管產氣液速率及氣液比變化規律曲線（Kmax/Kmin=88.3）

2.8 不同滲透率級差下氣液比變化規律

不同滲透率級差的高、低滲管的穩定產氣、產液速率見表2，氣體流量以按氣體方程換算至高壓條件下的體積流量。

根據表2可得到不同滲透率級差的高、低滲管的實際氣液比變化曲線（圖8），同時，當達到注采平衡時，相較于注入壓力，高、低滲管泡沫驅的封堵壓差變化如圖9所示。

當滲透率級差在1.0數14.6 的范圍內，隨著級差的增大，高滲管的載氣速率和載液速率增高，而低滲管的載氣速率和載液速率降低，但變化幅度相對不大。當滲透率級差在14.6數38.4 的范圍內，隨著滲透率級差的增大，高滲管的載氣速率和載液速率急劇上升，而低滲管的載液速率和載氣速率急劇下降。當滲透率級差在38.4數88.3 的范圍內，隨著級差的增大，高滲管、低滲管的載液速率、載氣速率的上升幅度和下降幅度均較為緩慢，在滲透率級差為88.3時，大量的氣、液沿著高滲層流動，低滲層載氣速率僅為1.68 mL/h，載液速率僅為0.04 mL/h，此時，低滲層處于泡沫驅啟動極限，產生嚴重的所謂“氣走氣路、水走水路”的現象。

圖8 高低滲管產氣液速率及氣液比變化規律曲線

圖9 高低滲管產氣液速率及氣液比變化規律曲線

當滲透率級差在1.0數14.6 的范圍內，油層相對均勻，高滲管的氣液比先下降至0.79再緩慢上升至1.01，變化幅度不大；而低滲管的氣液比先下降至0.57，再上升至1.04。當滲透率級差在1.0數8.2 的范圍內，高滲管內氣液兩相在巖石的剪切作用下生成高黏度的泡沫體系，封堵壓力大于水驅壓力，有效封堵高滲層，從而改善地層非均質性；低滲管的氣液比由0.96下降至0.66，載氣液量占比由0.5下降至0.3。雖然低滲管實際氣液比偏離理想氣液比，導致泡沫液膜強度下降，但低滲管的相對吸水及吸氣量較為理想，能形成理想的泡沫數量從而啟動低滲層，低滲管封堵壓力由31.40 MPa 下降至25.20 MPa，此時，泡沫驅啟動低滲層，氣液兩相生成泡沫，在孔喉中收縮、擴張以及卡斷變形來剝離油膜，從而提高低滲層的采收率。當滲透率級差在8.2數14.6的范圍內，低滲管的氣液比由0.66上升到1.04，低滲管實際氣液比雖然接近理想氣液比，但相對吸液及吸氣量不盡理想，遠遠低于高滲管，僅為0.14，此時，低滲管的封堵壓力差進一步降低，由25.20 MPa 下降至23.40 MPa，低于注入壓力。這表明低滲管的載氣液量過低，導致泡沫數量變少，再加上泡沫遇油消泡的特性，起泡劑分子大量進入原油中，降低油水界面張力，提高低滲層的采收率［8-10］。

表2 高低滲管穩定載氣液速率及實際氣液比數據

當滲透率級差在14.6數38.4 的范圍內，隨著級差的增大，非均質性變得更為嚴重，高滲管的氣液比由1.04 上升至1.01，載氣液量占比由0.86 上升至0.95，大量氣、液沿著高滲層流動，盡管高滲管泡沫體系的黏度較高，但已不能理想地改善吸水及吸氣剖面，低滲管載氣液量占比由0.14 下降至0.08，同時，由于氣相較于液相，流速不同，氣相優先進入低滲層，氣液比由1.04上升至7.29，嚴重偏離理想氣液比1∶1，初步產生“氣走氣路，液走液路”現象，導致泡沫穩定性極差，低滲管壓力差進一步下降，此時，主要依靠起泡劑溶液降低界面張力的特性，提高低滲管的采收率。

當滲透率級差在38.4數88.3 的范圍內，高黏度的泡沫體系已經不能有效封堵高滲透率層，高滲管封堵壓力差進一步下降，大量的水、氣沿著高滲層流動，低滲層載氣液量占比由0.08下降至0.04，氣液比由7.29上升至42.00，低滲層吸氣量僅為1.68 mL/h，吸水量為0.04 mL/h，低滲管產生明顯的“氣走氣路，液走液路”現象，此時，低滲管由于載氣液量過低，幾乎只吸氣，不吸液，泡沫驅難以啟動低滲層位，主要提高高滲層的驅油效率，進而提高采收率。

泡沫驅結束后，高低滲管泡沫驅提高采收率結果見表3。由表3可知，當滲透率級差在1.0數14.6的范圍內，滲透率級差較低，油層相對均勻，此時泡沫體系的較高黏度及較好的封堵性，對于調整高低滲管的吸液、吸氣能力的作用及效果能充分體現，泡沫驅能有效啟動低滲層，提高低滲層采收率，超過2.30%。當滲透率級差在14.6數38.4 的范圍內，盡管泡沫體系的黏度及封堵率較高，但注入的大量起泡劑溶液及氣體進入高滲層，主要提高高滲層的洗油效率，進一步提高高滲層采收率，而低滲層由于載氣液量過低，氣液比嚴重失衡，開始出現“氣走氣路，液走液路”現象，主要由起泡劑溶液降低界面張力來提高采收率，泡沫驅效果變差，當滲透率級差在38.4數88.3的范圍內，明顯出現“氣走氣路，液走液路”現象，難以提高低滲層采收率，僅為0.40%，泡沫驅相對于低滲層位失效。

表3 泡沫驅油、高低滲管提高采收率數據

3 結論

魯克沁試驗區塊平均滲透率為75.64×10-3μm2，通過研究油層滲透率級差對油層氣液比的實際影響，探討空氣泡沫驅在該條件下“氣走氣路、水走水路”的反應特征，詳細分析、討論其地下形成泡沫情況以及“氣走氣路、水走水路”是否存在或存在的程度。在滲透率極差在1數14.6 的范圍內，低滲管層能形成足量泡沫，有效啟動低滲層位；在滲透率極差在14.6數38.4 的范圍內，低滲層載氣液量占比明顯下降，氣液比開始偏離理想氣液比，出現“氣走氣路、水走水路”現象，此時，主要依靠起泡劑溶液降低界面張力提高低滲層采收率；在滲透率極差在38.4數88.3 的范圍內，明顯出現“氣走氣路、水走水路”現象，再加上載氣液量占比極低，泡沫驅難以啟動低滲層位。