氮氣泡沫體系注入性能評價研究

王 熙，孫林濤，楊力生，郝明耀，張 卓，皇海權

（中國石油化工股份有限公司河南油田分公司勘探開發研究院，河南南陽 473132）

泡沫驅油是一種用泡沫作為驅油介質的驅油方法。實驗證明，泡沫視黏度高，可明顯改善流度比，增大高滲層流動阻力，發揮低滲層作用，封堵調剖能力強[1，2]；遇水穩定、遇油破滅的特性增加了封堵的選擇性，堵水不堵油[3，4]；泡沫劑作為優良的活性劑，能降低油水界面張力，提高洗油效率。

泡沫流體由于其獨特的滲流與驅油特征，在調剖堵水及驅油方面起到了越來越重要的作用，廣泛受到人們的重視，而室內實驗對泡沫性能的評價研究主要集中在泡沫發泡能力和穩定性兩方面[5，6]，已經取得了許多重要認識，但是，針對泡沫體系注入性能的評價研究報道較少，因此，本文對泡沫體系的注入和封堵性能進行研究，為相關室內實驗評價工作提供一條思路。

1 實驗部分

1.1 主要儀器設備

注入系統:由高溫高壓注入泵、中間容器、管閥件組成，可將各種流體按一定流量注入到模型內。

模擬系統:由長巖心夾持器、泡沫發生器、高壓觀察窗（工作壓力:35 MPa）、恒溫箱、環壓泵、回壓系統等組成。

測量系統:包括壓力測量、溫度測量等。

自動控制:計算機自動控制注入泵的流量，注入氣液比，環壓泵自動跟蹤內壓，（可變更為其他最佳方案），恒溫箱加熱恒溫等。

其他儀器:真空泵、電子天平、壓力表、磁力攪拌器、黏度計、量筒等。

1.2 實驗材料及實驗條件

泡沫注入性評價所用的實驗材料及實驗基本條件如下（特別說明除外）。

巖心：人造巖心（規格為2.5×8 cm），滲透率分別為200 mD、600 mD、1 000 mD；實驗水質：雙河陳化污水；泡沫劑：ZK-1（泡沫劑1）濃度為0.4 %；氣源：空氣；注入方式：氣液共注；氣液比：1：1；注入速度：0.5 mL/min；實驗溫度：80 ℃；回壓設計：6 MPa。

2 實驗結果與討論

2.1 不同注入介質的注入性

實驗選取滲透率為600 mD（2.5×8 cm）左右的人造膠結巖心，分別評價四種注入介質的封堵性能，四種注入介質分別是空氣、陳化污水、泡沫及聚合物溶液，溫度為80 ℃，詳細的注入條件（見表1），實驗結果（見圖1）。其中一塊巖心先注水，然后注泡沫，最后注空氣，所以滲透率相同。注入泡沫時以200 mD 滲透率的1.5 cm 短巖心為泡沫發生器，采取氣液共注的方式，泡沫劑濃度均為0.4 %，注入速度為0.5 mL/min，氣液比為1：1，回壓6 MPa，溫度為80 ℃。

圖1 中可以看到，注陳化污水時注入壓力最小，說明沒有形成有效的滲流阻力；注泡沫后再注空氣，隨著空氣的注入，壓力在某一點快速下降，表明發生氣竄，但最終壓力大于注水壓力，表明有一定量泡沫在多孔介質中滯留；注聚后再注水，雖然注聚時壓力上升較大，但注水后注入壓力也隨之快速下降，最終壓力大于單獨注水和注泡沫劑后再注氣，表明形成了一定的殘余阻力；注泡沫時壓力有較大的上升，后再注水壓力也沒有明顯下降，表明泡沫在孔隙中形成了穩定阻力，這將有利于非均質油藏中長期發揮調堵作用。

雖然注入速度不同，但聚合物和泡沫均能在多孔介質中形成一定的滲流阻力，有利于改善油層的非均性，提高波及體積并提高驅油效率。

2.2 滲透率對泡沫注入性能影響

表1 不同介質注入性評價注入條件

圖1 不同注入介質的注入曲線

實驗考察了不同滲透率下的泡沫注入性。由于雙河IV上油組的非均質性較嚴重，空氣滲透率為0.17 μm2～1.02 μm2，平均為0.63 μm2，因此實驗選擇的高中低滲透率接近油藏的最高、最低及平均值。

人造膠結巖心，滲透率分別為257 mD、609 mD、919 mD（2.5×8 cm），并以200 mD 滲透率的1.5 cm 短巖心為泡沫發生器，采取氣液共注的方式，泡沫劑濃度均為0.4%，注入速度為0.5 mL/min，氣液比為1：1，溫度為80 ℃，回壓6 MPa，后注水的注入速度為0.5 mL/min，實驗結果如下。

2.2.1 低滲巖心注入性能 低滲所選的巖心滲透率為257 mD，注水基本壓差為0.008 1 MPa，巖心入口段壓力變化曲線（見圖2）。

圖2 中看，低滲巖心泡沫注入后，進口端壓力呈波浪式上升趨勢，注入6 倍孔隙體積（PV）時注入壓力達到6.3 MPa，并且仍然有上升趨勢，出口端可以觀察到大量泡沫被驅出；轉注水后，壓力仍然呈現階梯式下降，至6 PV 后逐漸恒定，最終保持在6.26 MPa。

2.2.2 中滲巖心注入性能 中滲所選的巖心空氣滲透率為609 mD，注水基本壓差為0.007 8 MPa，巖心入口段壓力變化曲線（見圖3）。

圖2 低滲巖心泡沫注入曲線

圖3 中滲巖心泡沫注入曲線

圖3 結果看，中滲巖心注入泡沫后，巖心入口壓力隨著PV 數的增加也呈波浪式遞增趨勢，但波動幅度遠小于低滲巖心；轉注水后，壓力有小幅度的下降，但仍保持在較高水平，表明泡沫的殘余阻力較大。

2.2.3 高滲巖心注入性能 高滲所選的巖心滲透率為919 mD，注水基本壓差為0.006 3 MPa，巖心入口段壓力變化曲線（見圖4）。

圖4 中結果顯示：高滲巖心中泡沫注入時，注入過程中的波動現象明顯改善，與中低滲相比穩定性更強，入口壓力持續均勻上升，速率較慢；轉注水后，壓力進一步上升，且平穩，始終保持在較高的壓力水平。

高中低三種滲透率巖心的泡沫注入曲線（見圖5）。計算得到了三組巖心阻力系數分別為：低滲（257 mD）巖心的RF 為3、中滲（609 mD）巖心的RF 為7.5、高滲（919 mD）巖心的RF 為28.5，從阻力系數的結果也可以看到，在相同的注入條件下，隨著滲透率的增加，阻力系數越來越大，表明泡沫具有堵大不堵小的特點。

2.3 氣液比對泡沫注入性影響

圖4 高滲巖心泡沫注入曲線

圖5 不同滲透率巖心泡沫注入曲線

實驗選取滲透率為600 mD（2.5×8 cm）左右的人造膠結巖心，以200 mD 滲透率的1.5 cm 短巖心為泡沫發生器，采取氣液共注的方式，泡沫劑濃度均為0.4 %，注入速度為0.5 mL/min，溫度為80 ℃，回壓6 MPa，實驗結果（見表2 和圖6）。

圖6 不同氣液比與RF 關系曲線

圖6 中可以看到，氣液比大于1：1 后，RF 達到較大值，但進一步增加氣液比，增加值明顯變小，當氣液比達到8：1 時RF 隨之降低，因此實際應用時適宜選擇氣液比在1：1～4：1。

2.4 注入速度對注入性影響

實驗選取滲透率為600 mD（2.5×8 cm）左右的人造膠結巖心，以200 mD 滲透率的1.5 cm 短巖心為泡沫發生器，采取氣液共注的方式，泡沫劑濃度均為0.4 %，氣液比為8：1，溫度為80 ℃，常壓實驗，注入性實驗結果（見圖7）。

圖7 中顯示的速度為液體速度，實際注入速度（氣液總合）分別為2.25 mL/min、4.5 mL/min、6.75 mL/min、9 mL/min，由于常壓下氣體的壓縮性，隨著注入壓力的增加，實際流量將有一定的下降。

表2 氣液比對泡沫注入性影響結果表

圖7 不同注入速度下泡沫注入性曲線

圖7 中結果可以看出，注入速度越大，注入壓力上升速度越快，注入速度大于0.5 mL/min 后的注入曲線均產生明顯的突破點即達到某一壓力后突然出現下降，且速度越快，突破點越早出現，可能是泡沫中的氣體突破所致。

2.5 泡沫注入穩定性評價

實驗選取滲透率為632 mD（2.5×8 cm）的人造膠結巖心，以200 mD 滲透率的1.5 cm 短巖心為泡沫發生器，采取氣液共注的方式，泡沫劑ZK-1，泡沫劑濃度均為0.4 %，注入速度為0.5 mL/min，氣液比為1：1，溫度為80 ℃，常壓，實驗結果（見圖8）。后注水注入速度為0.5 mL/min。

從圖8 結果可以看到，隨著泡沫的注入壓力漸漸上升，表明泡沫形成了一定滲流阻力；壓力的上升是一個漸進的過程，在巖心出口端產生泡沫后仍有壓力上升，表明泡沫在多孔介質中的滲流阻力有一個積聚過程，可能是泡沫在高滲通道和孔喉處積聚、泡沫尺寸壓縮等原因引起。

圖8 泡沫劑的泡沫注入性曲線

圖9 兩層非均質巖心的泡沫注入性曲線

注入壓力在注水20 PV 后雖有下降，但仍保持在較高值，表明泡沫在多孔介質中有較好穩定性和滯留能力，這有利于泡沫發揮長期有效的作用。

從阻力系數與殘余阻力系數看，注入15 倍PV 時的阻力系數為20.6，而后續注30 倍PV 時的殘余阻力系數為19.0，仍保持在較高的值，也說明泡沫在多孔介質中有較好穩定性和滯留能力，可以長期有效地發揮作用。

2.6 非均質巖心中的注入性評價

實驗選取滲透率為221 mD 和987 mD（2.5×8 cm）的人造膠結巖心，以200 mD 滲透率的1.5 cm 短巖心為泡沫發生器，采取氣液共注的方式，泡沫劑濃度均為0.4 %，注入速度為0.5 mL/min，氣液比為1：1，溫度為80 ℃，回壓6 MPa，實驗結果（見圖9）。

圖9 結果可以看出，隨著泡沫的注入，低滲巖心的分水率漸漸上升，高滲巖心的分水率隨之下降，最終達到基本一致，表明泡沫有效地調整了油藏的非均質性，這樣的一種屬性可以有效地啟動中低滲透層的原油，達到提高采收率的目的。

3 結論與認識

從以上泡沫注入性評價中可以得到以下認識：

（1）注入泡沫可以有效地建立地層的滲流阻力，并有明顯的改善地層非均質能力，可提高波及體積。

（2）泡沫在地層中有較好的耐沖刷性和穩定性，殘余阻力保持率較高，表明有長效性。

（3）高的RF 值合適的氣液比應在1：1～4：1，在進一步的驅油實驗中選擇氣液比為1：1。