氮氣泡沫調驅技術在新疆油田Y區塊的適用性研究*

王 健，黃偉豪，趙云海，張 宇，王丹翎，張莉偉

（1.西南石油大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，四川成都 610500；2.中國航油集團新疆石油有限公司，新疆烏魯木齊 830000；3.中國石油西南油氣田公司工程技術研究院，四川成都 610017；4.中海石油（中國）有限公司深圳分公司，廣東深圳 518054；5.中國石油新疆油田分公司工程技術研究院，新疆克拉瑪依 834000）

0 前言

我國大部分油田已進入高含水甚至特高含水階段，產出液的含水量高，給油田開發造成了極大的困難。因此，如何進一步大幅度提高原油采收率、保持油田高效穩產是油田開發面臨的主要問題。泡沫驅油技術已成為我國老油田進一步改善高含水階段開發效果以及提高采收率的重要手段。新疆Y油藏是一個中孔中滲油藏，儲層非均質性較強，滲透率范圍在1×10-3～477.91×10-3μm2，孔隙度在5.92%～30.88%之間，平均原始地層壓力為9.26 MPa，油藏溫度為20 ℃。該油藏地層水的礦化度較高，注入水礦化度為18 240 mg/L。截至目前，該油藏主體開發區含水高，采出程度為18.1%。低產、低效和油井含水率高導致油藏采出程度偏低，在注水開發過程中壓力保持程度低，僅為69.1%。因此，常規的聚合物驅、弱凝膠調驅等提高采收率技術在該油藏難以發揮增能和調驅的雙重作用，而氮氣泡沫驅則優勢凸顯。氮氣泡沫可改善流度比，能有效增加高滲透層的滲流阻力，提高低滲透層原油的動用程度；氮氣能夠補充地層壓力，起到增壓作用，具有增能和調驅的雙重作用，提高采收率潛力較大［1］。本文針對Y油藏的強非均質性特征以及開發剖面動用程度低、含水高的特點，篩選了適合注入水配液的氮氣泡沫體系配方，評價了該泡沫體系的油藏適應性、在油藏溫度及壓力條件下的性能和細菌對泡沫性能的影響，研究泡沫的流變性，開展物理模擬分析該泡沫體系在不同滲透率級差下的驅油效果。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

實驗用油為地層原油，油藏溫度（20 ℃）下的黏度為22.16 mPa·s；模擬注入水，礦化度為18 240 mg/L，K+＋Na+3589、Ca2+1429、Mg2+49、Cl-13500、SO42-2380、HCO3-792；氮氣，純度為99.2%，四川廣漢勁力氣體有限公司；陰離子型起泡劑QP-1、QP-2，陽離子型起泡劑QP-3、QP-4，非離子型起泡劑QP-5、QP-6，兩性離子型起泡劑QP-7、QP-8，山東優索化工科技有限公司；穩泡劑分別選用2 種增強表面吸附分子間的相互作用的WP-1、WP-2 和提高泡沫原液液相黏度的WP-3、WP-4，四川成都科龍化工試劑廠；殺菌劑選用強還原性的有機化合物SW、SE，四川成都科龍化工試劑廠。

高溫高壓泡沫工作液性能測試裝置，耐壓為30 MPa，耐溫為200 ℃，腔體高度為100 cm，內徑為5 cm，海安石油科研儀器有限公司；BH-2型氣體增壓系統、HLB-10/40型恒流泵、多功能巖心流動實驗裝置，成都巖心科技有限公司；HAAKE MARS Ⅲ型流變儀，賽默飛世爾科技有限公司。

1.2 實驗方法

（1）泡沫性能評價實驗

將起泡劑溶液倒入吳茵攪拌器，高速攪拌1 min，評價常溫常壓下泡沫體系的泡沫性能，記錄泡沫體積V0，測量泡沫半衰期t1/2，按式（1）計算泡沫綜合指數I［2，5-6］：

在高溫高壓泡沫工作液性能測試裝置內通入N2以排凈裝置內的空氣；再向裝置內泵入100 mL的起泡劑溶液；然后將裝置加熱至油藏溫度（20 ℃），利用氣體增壓泵充入N2至油藏壓力；高速攪拌1 min，評價地層溫度、壓力條件下泡沫體系的泡沫性能，記錄泡沫體積，測量泡沫半衰期，計算泡沫綜合指數。

（2）流變性能測試

使用N2氣源，在油藏條件下利用高溫高壓泡沫工作液性能測試裝置將兩種氮氣泡沫體系（0.2%QP-1+0.4%QP-4 和0.2%QP-1+0.4%QP-4+0.04%WP-3+25 mg/L SW）攪拌起泡，在出口端取出氮氣泡沫。將氮氣泡沫置于流變儀內，在油藏溫度20 ℃、不同剪切速率（0.01～100 s-1）下測試氮氣泡沫的黏度。采用流變儀在實驗頻率范圍為0.1～10 Hz下進行頻率掃描，研究氮氣泡沫的彈性模量（G′）和黏性模量（G′′）隨頻率的變化。

（3）分流實驗

測量人造巖心的長度、直徑及干重基本參數；在巖心流動實驗裝置中并聯高、低滲透巖心，以0.30 mL/min 的流速向高、低滲巖心中飽和水，等到壓力穩定后記錄壓差，稱取巖心的濕重，并計算巖心的孔隙體積、孔隙度和滲透率；以0.03 mL/min 的流速向高、低滲透巖心中注入起泡劑溶液和N（2注入量1.2 PV，氣液比1∶1）；以0.30 mL/min 的恒速進行后續注水，記錄不同注入體積時高、低滲透巖心的出水量，計算分流率。實驗溫度為20 ℃。

（4）驅替實驗

在分流實驗后，以0.05 mL/min 的恒速向高、低滲透巖心中飽和油，記錄出水量，計算原始含油飽和度；以0.30 mL/min 的流速對巖心水驅至巖心不出油為止，計算水驅采收率；以0.30 mL/min 恒速向并聯巖心中注入1.2 PV的起泡劑溶液和N（2氣液比1∶1），計算泡沫驅采收率；以0.30 mL/min 的恒速后續水驅至出口端不出油，計算后續水驅采收率。

2 結果與討論

2.1 泡沫性能評價

2.1.1 起泡劑優選

根據對8 種起泡劑的優選實驗，篩選出泡沫性能較好的陰離子型起泡劑QP-1、陽離子型起泡劑QP-4 和兩性離子型起泡劑QP-8。其中QP-4溶液的起泡性能最好，質量分數為0.5%的QP-4溶液的起泡體積達到830 mL；QP-1 和QP-4 溶液的泡沫半衰期最長，在質量分數為0.5%時，泡沫半衰期分別為187和146 min。因此，考慮將QP-4分別與QP-1和QP-8進行復配［3］，進一步濃度優化，篩選出起泡性能好且半衰期長的氮氣泡沫體系。在地層溫度20 ℃、常壓條件下，起泡劑QP-4分別與起泡劑QP-1和QP-8的復配體系的起泡體積和泡沫半衰期見表1和表2。

表1 QP-1+QP-4復配體系的泡沫性能

表2 QP-4+QP-8復配體系的泡沫性能

實驗結果表明，隨著QP-4 用量的增大，QP-1+QP-4 復配體系的起泡體積增大，QP-4 表現出突出的起泡能力。0.1%QP-1+0.5%QP-4復配體系的起泡體積最大，達到540 mL，但泡沫半衰期僅有62 min，泡沫綜合指數為25 110 mL·min；0.2% QP-1+0.4%QP-4 復配體系的起泡體積為500 mL，泡沫半衰期為115 min，泡沫綜合指數為43 125 mL·min，泡沫性能最佳。隨著QP-4用量的增大，QP-8+QP-4復配體系的起泡體積增大，但泡沫半衰期減小。0.1%QP-8+0.5% QP-4 復配體系的起泡體積最大，達到760 mL，但泡沫半衰期僅為22 min，泡沫綜合指數為12 540 mL·min；0.1%QP-8+0.1%QP-4復配體系的泡沫半衰期最大，達到107 min，但起泡體積僅有350 mL，泡沫綜合指數為28 088 mL·min。因此綜合分析實驗結果，最終確定泡沫復配體系配方為0.2%QP-1+0.4%QP-4。

2.1.2 穩泡劑優選

向0.2%QP-1+0.4%QP-4復配起泡劑溶液中分別加入不同濃度的4 種穩泡劑，考察穩泡劑用量對泡沫體系起泡體積和半衰期的影響，計算綜合指數，結果見表3。

表3 不同濃度穩泡劑對起泡體積和半衰期的影響

在泡沫體系中加入了穩泡劑，隨著穩泡劑用量的增大，泡沫體系的起泡體積略有下降，但下降幅度并不明顯；泡沫半衰期呈現上升趨勢。WP-1 用量由0.01%增至0.08%時，泡沫半衰期僅從115 min增至了135 min；加入WP-3 穩泡劑后起泡體積下降最少，減少了75 mL，泡沫半衰期達到149 min，增大了32 min，泡沫綜合指數從44 752 mL·min 增至48 611 mL·min。WP-3穩泡劑的效果最好，當WP-3用量在0.03%～0.05%的范圍內半衰期上升幅度最顯著，綜合考慮穩泡劑的穩泡效果和經濟因素，選取WP-3 作為后續實驗泡沫體系的穩泡劑，用量為0.04%。

2.1.3 殺菌劑的優選

對現場注入水樣的相關檢測結果表明，注入水中存在有大量的細菌群落，包括腐生菌、FB、SRB和TTGB 等，導致泡沫體系在地下的起泡能力和穩定性受到一定不利影響。

采用現場的實際注入水配制0.2%QP-1+0.4%QP-4+0.04%WP-3 的泡沫體系，分別加入25 mg/L和50 mg/L 的殺菌劑SW 和SE，在油藏溫度下老化不同時間取出測定其泡沫性能，結果見圖1。

圖1 不同老化時間下殺菌劑對泡沫性能的影響

使用現場注入水配制的泡沫體系，隨老化時間的延長其泡沫性能顯著降低。分析其原因是由于在長時間的老化過程中，由于菌類物質的降解作用，表面活性劑分子的活性減弱，泡沫變得不穩定而易破裂。在泡沫體系中加入一定量的殺菌劑可除去部分降低泡沫性質的菌群，抑制菌類物質對泡沫性質的影響。其中殺菌劑SW 的效果最好，在泡沫體系配方中加入25 mg/L的SW后，泡沫性能提升幅度最大，老化60 d 后起泡體積為385 mL，半衰期為105 min。

2.1.4 油藏條件下的泡沫性能

在油藏溫度（20 ℃）、壓力（9.26 MPa）條件下，對比評價了用現場注入水配制的泡沫體系0.2%QP-1+0.4%QP-4+0.04%WP-3+25 mg/LSW 和0.2%QP-1+0.4%QP-04 的起泡性能。0.2% QP-1+0.4%QP-4 體系折算后的起泡體積為475 mL，泡沫半衰期為124 min，綜合指數為44 175 mL·min；而0.2%QP-1+0.4%QP-4+0.04%WP-3+25 mg/L SW體系折算后的起泡體積為530 mL，泡沫半衰期為167 min，綜合指數為66 382 mL·min。由此可見，在油藏條件下，0.2%QP-1+0.4%QP-4+0.04%WP-3+25 mg/L SW泡沫體系的泡沫性能更好，形成的泡沫濃密且穩定。

2.2 流變性能

2.2.1 剪切稀釋性

在20 ℃下，兩種氮氣泡沫體系（0.2% QP-1+0.4%QP-4 和0.2%QP-1+0.4%QP-4+0.04%WP-3+25 mg/L SW）的黏度隨剪切速率的變化見圖2。從圖2 可以看出，在油藏溫度下，隨著剪切速率的增大，兩種氮氣泡沫的黏度均大幅減小，表現出典型的剪切稀釋性。這是因為泡沫是非牛頓流體，在剪切應力的作用下，泡沫會發生形變，且剪切速率越大泡沫所受到的剪切應力越強，導致泡沫發生破裂，黏度下降。同時，在較低剪切速率下，穩泡劑的加入對泡沫體系的黏度有較為明顯的提升，但隨著剪切速率的增大兩種泡沫的黏度變得基本無差別。穩泡劑的加入而會使泡沫體系在地層中發生的黏度變化，不會對泡沫在地層內的滲流情況造成影響。泡沫體系的剪切稀釋特性有助于增強其在油層近井地帶（高剪切速率）的流動性和遠井地帶（低剪切速率）的調驅能力，從而擴大波及效率、實現深部調驅，達到提高原油采收率的目的［4，9］。

圖2 氮氣泡沫黏度隨剪切速率的變化

2.2.2 黏彈性

黏彈性為流體黏性及彈性的綜合性質，分別用黏性模量（G′′）和彈性模量（G′）來表示泡沫流體黏性和彈性的大小［8］。兩種氮氣泡沫的彈性模量和黏性模量隨頻率的變化見圖3。

圖3 氮氣泡沫的彈性模量和黏性模量隨頻率的變化

從圖看出，在0.1～10 Hz的頻率范圍內，兩種氮氣泡沫的G′和G′′均隨著頻率升高而呈現上升的趨勢。在同一頻率下，兩種氮氣泡沫的G′′均大于G′，G′′/G′＞1，因此泡沫表現出較好的黏性行為，并具有一定的彈性行為。加入穩泡劑后泡沫的G′和G′′均增大。在多孔介質的流動過程中，泡沫的黏性起主要作用，并能夠增強泡沫體系的穩定性，有利于采收率的進一步提高。

2.3 氮氣泡沫在高低滲透巖心中的選擇封堵性能

4 組不同滲透率級差巖心的基本參數見表4。分別在不同滲透率級差的巖心中進行水驅-泡沫驅-后續水驅，驅替過程中高低滲透層的分流率見圖4。

表4 雙并聯巖心基本參數

圖4 不同滲透率級差（2.92～11.53）巖心驅替過程中的分流率

在不同滲透率級差條件下，水驅時高滲透巖心的分流率均大于低滲透巖心的，且隨滲透率級差的增大，高滲透巖心分流率增大而低滲透巖心分流率降低，水驅階段注入水主要通過高滲透巖心滲流；泡沫驅階段，高滲透巖心的分流率明顯下降，低滲透巖心的分流率增加，說明氮氣泡沫對高滲透巖心具有選擇性封堵能力，注入的泡沫體系會優先進入高滲透巖心，在巖心中充分起泡使得高滲透巖心的滲流阻力增大；后續水驅階段，隨著注入水的進入，高滲透巖心中的泡沫會被部分驅替出來，使得高滲透巖心的分流率逐漸增大，低滲透巖心的分流率逐漸降低。在滲透率級差為2.92時，泡沫對高滲透巖心有較好的封堵效果，使得高低滲透巖心的分流率發生了明顯的變化，低滲透巖心的分流率超過高滲透巖心。然而，隨著滲透率級差的增加，泡沫對高滲透巖心的封堵效果逐漸減弱，高低滲透率巖心的分流率變化幅度也逐漸減小。

2.4 氮氣泡沫的驅油效果

不同滲透率級差條件下氮氣泡沫的驅油效果見表5。在水驅階段，滲透率級差為2.92、5.25 和8.67時，低滲透巖心均能夠有效啟動，驅油效率隨著滲透率級差的增大而逐漸降低；當滲透率級差為11.53時，低滲透巖心沒有啟動。并且高滲透巖心的驅油效率顯著高于低滲透巖心的驅油效率。

表5 不同滲透率級差條件下氮氣泡沫的驅油效果

在泡沫驅和后續水驅階段，高滲透巖心的驅油效率從滲透率級差2.92 時的20.74%增大到滲透級差11.53 時的26.88%，而低滲透巖心的驅油效率隨著滲透率級差的增大先增加后減小，在滲透率級差為8.67 時，泡沫驅和后續水驅的驅油效率達到最大，為44.97%。在滲透率級差為2.92～8.67 的范圍內，低滲透巖心的提高驅油效率均大于高滲透巖心。因此，提高高滲透巖心驅油效率主要以“驅”為主，提高低滲層驅油效率主要以“調”為主。想要有效地提高較高滲透率級差并聯巖心中低滲透巖心的驅油效率，必須有效地提高泡沫對高滲透巖心的封堵能力，但如果滲透率級差過大，泡沫的封堵效果就會大幅降低。

3 結論

氮氣泡沫強化體系（0.2% QP-1+0.4% QP-4+0.04%WP-3+25 mg/L SW）具有良好的油藏適應性，在油藏溫度、壓力下的起泡體積最高為530 mL，半衰期為167 min，綜合指數66 382 mL·min。

氮氣泡沫的黏度表現出典型的剪切稀釋性，穩泡劑的加入對泡沫體系的黏度有較為明顯的提升，但隨著剪切速率的增大變得基本無差別。在0.1～10 Hz 的頻率范圍內，氮氣泡沫的彈性模量和黏性模量均隨著頻率升高而呈現出上升的趨勢，且黏性模量均高于彈性模量，表現出較好的黏性行為，并具有一定的彈性行為。

氮氣泡沫對高滲透巖心具有選擇性封堵能力，但隨滲透率級差增大，封堵能力減弱。在滲透率級差為2.92～8.67 的范圍內，氮氣泡沫驅提高低滲透巖心的驅油效率均大于高滲透巖心低滲透巖心。