強化空氣泡沫驅在W20斷塊的應用研究

張明龍,湯繼華,周 賢,郝紫嫣,黃 偉

1.中國石油華北油田工程技術部,河北任丘062550

2.中國石油華北油田勘探開發研究院,河北任丘062550

1 空氣泡沫驅概述與油藏概況

空氣泡沫驅是利用空氣加起泡劑經氣液接觸后產生泡沫的原理，在多孔介質中滲流時，以不斷破滅、再生的方式向前推進（如圖1所示），由此實現對儲層中原油進行驅替的技術。由于“賈敏效應”[1-2]，泡沫在地層中的流動阻力增加，可有效封堵大孔道，改變液流方向，防止氣竄產生[3]，有一定的微觀調剖作用[4-5]，具有“堵大不堵小”和“堵水不堵油”的選擇性封堵作用；同時能較大幅度地降低油水界面張力，改變巖石的潤濕性，可顯著提高驅替介質在非均質油層的波及系數，從而提高采收率[6-14]。強化空氣泡沫驅是在泡沫劑中加入穩泡劑，從而大幅改善泡沫的穩定性能，減少泡沫的破滅。其在經過管道、井筒及炮眼的剪切后，仍能有效地進入地層，提高了注入地下泡沫體系的連續性，增強了泡沫對大孔道的封堵能力[15-17]，同時可減少因為泡沫消泡而造成注入壓力的波動。

圖1 泡沫的形成與破滅

W20斷塊構造屬于冀中坳陷霸縣凹陷文安斜坡議論堡鼻狀構造，斷塊受兩條北東向斷層控制，主要含油層位為沙二段頂部的Ⅰ油組，地質儲量151.39×104t。斷塊平均孔隙度22%，平均滲透率50.8×10-3μm2，為中孔、中滲儲層。地層原油黏度8.8 mPa·s，地層溫度80.4℃。目前區塊日產油18.59 t，綜合含水94.59%，采出程度22.14%。先后經歷了注水開發調整及多輪次的調驅，但受調驅體系耐溫性、地層非均質性等因素的影響，調驅效果逐年變差。主力層長期主產主吸，加之邊底水侵入，已經形成優勢水流通道（見圖2），油井普遍高含水，目前弱水驅方向油井見效不明顯，甚至長期見不到注水效果，水驅動用程度逐年降低，嚴重制約斷塊的開發效果。

圖2 水流優勢通道

2 室內實驗

2.1 實驗試劑、儀器與方法

（1）試劑。8種起泡劑為有效物含量在75%以上的陰離子型起泡劑，3種穩泡劑為多糖聚合物、黃原膠、聚丙烯酰胺，實驗用水為W20斷塊過濾采出水，原油為W20斷塊脫水后混合原油，砂為石英砂。

（2）實驗儀器。包括：Ross-miles泡沫測試儀、34BL99型攪拌儀、泡沫驅替裝置。

（3）實驗方法。利用油田采出水與8種起泡劑配置不同泡沫體系，并評價不同起泡劑在不同濃度下的發泡率和析液半衰期，在篩選起泡劑的基礎上添加穩泡劑形成強化泡沫體系，評價強化泡沫體系的熱穩定性、吸附性等，并進行強化泡沫驅油實驗。

2.2 實驗結果分析

2.2.1 起泡劑篩選

8種不同濃度起泡劑的起泡性能及穩定性能如圖3、圖4所示。從圖中可以看出，在質量分數達到0.4%后起泡率和析液半衰期不再上升，趨于平衡，而HTPM-1的起泡率最高，析液半衰期最長，所以選擇HTPM-1作為起泡劑。

圖3 不同質量分數起泡劑的起泡率

圖4 不同質量分數起泡劑下的析液半衰期

2.2.2 穩泡劑篩選

在添加質量分數為0.4%起泡劑HTPM-1的基礎上添加3種不同質量分數的穩泡劑，形成強化泡沫體系，評價在不同質量分數下體系的起泡性能和穩泡性能，實驗結果如圖5、圖6所示。隨著穩泡劑質量分數的增加，強化泡沫體系的起泡率下降，這是因為穩泡劑具有穩定體系結構的多鏈結構，會抑制起泡劑的活性，從而影響起泡率；而析液半衰期隨著穩泡劑質量分數的增加先增大后減小，這是因為具有多鏈結構的穩泡劑會吸附在泡沫表面，形成緊密的混合膜，增加了膜的彈性，降低了起泡劑的吸附速度，從而使形成的泡沫氣泡更穩定[18]，但是過大質量分數的穩泡劑會使多鏈結構因為相互搭接過多而斷裂，因此超過臨界濃度后會影響泡沫的發泡性能和穩定性能，所以穩泡劑質量分數選擇0.03%。

圖5 不同濃度下3種穩泡劑起泡率

圖6 不同濃度下3種穩泡劑析液半衰期

2.2.3 強化泡沫體系的抗老化與抗吸附性能評價

強化泡沫體系在進入地層后，由于地層溫度較高，包裹氣體的泡沫液膜蒸發加劇，加速了液膜破裂速度，另外還會使液膜表面的黏度和彈性降低，液膜強度下降，所以耐高溫老化性能直接影響著強化泡沫的穩定性，從而影響驅油效果。將配制好的配合比為0.4%質量分數HTPM-1+0.03%質量分數多糖聚合物強化泡沫體系放置在80℃（地層溫度）烘箱中恒溫30 d，采用waring攪拌器攪拌1 min，而后測定強化泡沫體系的起泡率和析液半衰期。

當泡沫體系在地層中滲流時，由于它們之間的相互作用，一些分子（或原子、離子）會停留吸附在地層巖石表面上，造成強化泡沫體系穩定性的降低，所以泡沫體系的抗吸附性是影響泡沫體系驅油效率的重要因素之一，同樣將配制好的強化泡沫體系與石英砂振搖混勻，在80℃、振蕩頻率為120次∕min的條件下振蕩24 h，而后分離出吸附后的強化泡沫體系，并測定吸附后體系的起泡率和析液半衰期。以上實驗結果見圖7。

圖7 強化泡沫體系的抗老化性及吸附性評價

從實驗結果看，強化泡沫體系在老化及吸附后，起泡率及析液半衰期均有所下降，但下降幅度不大，仍能維持在較高水平，且沒有沉淀和渾濁現象，因此強化泡沫體系的熱穩定性和抗吸附性較強。

2.2.4 強化泡沫體系的抗壓性能評價

強化泡沫體系進入地層后，在地層壓力及泡沫內部氣體的共同作用下，泡沫會發生破裂，泡沫液的連續性下降，對地層大孔道的封堵效果變差，無法建立有效壓差，影響驅油效率，因此需要對強化泡沫液進行抗壓性能評價。將配制好的強化泡沫體系在80℃條件下注入可視巖心中，考察在3、6、9、12 MPa下泡沫的狀態，結果發現在12 MPa的條件下，泡沫仍能保持較好的起泡及穩泡狀態（見圖8），因此強化泡沫體系具有較好的抗壓性能。

圖8 不同壓力下強化泡沫體系的狀態

2.2.5 氣液比性能評價

當氣∕液比較小即氣體量較少時，溶液生成泡沫所需的氣體量不足，不能形成有效泡沫，泡沫封堵能力較弱；但當氣∕液比過大時，泡沫體系中液體組分越少，越容易引起液體傳輸間斷，從而導致氣體突破而發生氣竄。

在巖心驅替實驗中，考察了不同氣液比時的封堵能力，用阻力因子Z來表征泡沫在巖心中的封堵強度大小，阻力因子越大，氣體發生竄流的機會越少，在介質中封堵的作用就越大，泡沫體系的封堵效果就越好[19-21]。

式中：Z為阻力因子；ΔPfoam為注入泡沫時巖心兩端的壓差，MPa；ΔPbrine為注水時巖心兩端的壓差，MPa。

在地層溫度80℃時，利用滲透率為40.37 mD、孔隙度為17.51%的貝雷巖心進行強化泡沫體系（0.4%起泡劑+0.03%穩泡劑）的驅替實驗，考察不同氣液比的阻力因子，結果見表1。

表1 不同氣液比下的阻力因子

從阻力因子實驗結果可看出，隨著氣液比的增加，阻力因子先增加后減小，最佳氣液比為2∶1，此狀態的強化泡沫體系具有較強的封堵能力，可以滿足泡沫驅提高采收率的技術要求。

2.2.6 室內驅油實驗

利用W20原油配制模擬的地下油，模擬地層溫度80℃，巖心數據包括：貝雷巖芯，尺寸為3.8 cm×38 cm，滲透率40.37 mD，孔隙度17.51%，在水驅階段采收率達到44.8%的極限后進行強化泡沫驅，強化泡沫體系注入后含水率明顯降低，隨著注入體積的增加，采收率繼續增加，強化泡沫驅結束后再水驅至含水98%，強化泡沫驅階段提高采收率8.18%，最終提高采收率為15.46%，驅油效果較好，見圖9。

圖9 強化泡沫驅油實驗曲線

3 泡沫驅數值模擬研究

3.1 模型建立

利用Petrel軟件建立W20斷塊三維地質模型，見圖10，在地質模型的基礎上建立油藏的構造、沉積相和屬性模型，模型縱向上共劃分為8個有效模擬層，目的層三維網格數為328 176個，地質儲量 150.51×104t，模型平均滲透率 53.4×10-3μm2，平均孔隙度21.3%。對W20斷塊的生產歷史進行擬合，見圖11。通過調整油藏連接水體、壓力大小，使得模擬結果能反映油井的真實生產情況，在對單井進行調整的同時，擬合油藏的總體指標，擬合指標主要包括累積產油量、綜合含水率、壓力等。經過合理的參數調整，整體指標和單井與實際生產情況擬合較好，保證了模型計算的可靠性，為強化泡沫驅指標預測提供了較可靠的依據[22-23]。

圖10 斷塊深度屬性模型/m

圖11 斷塊含水量擬合曲線

3.2 數值模擬研究

在建立W20斷塊地質模型的基礎上，利用CMG軟件STARS模塊，開展斷塊強化泡沫驅數值模擬研究。

3.2.1 注入方式選擇

泡沫驅在注入過程中可分為氣、液交替注入和氣、液同時注入，利用數值模擬預測不同注入方式的驅油效果，見圖12。由圖12可見，在注入量為0.18 PV時，氣、液交替注入和氣、液同時注入的效果均優于水驅效果，而氣、液同時注入的效果又優于交替注入，這是由于在交替注入過程中，氣、液未能充分混合形成氣泡，未能發揮泡沫在地層中的封堵作用，造成大量氣體在地層聚集，從而導致過早見氣并形成氣竄，因此注入方式選擇氣、液同注的方式。

圖12 不同注入方式開發效果

3.2.2 注入量優化

對不同注入量進行生產預測（見圖13）結果顯示，隨著注入量的增加，累計產油量逐漸增加，但注入量達到0.18 PV以后，累計產油量增速趨于平緩，增油幅度下降，因此注入量選擇0.18 PV。

圖13 不同注入量時的開發效果

3.3 方案效果預測

利用數值模擬軟件進行W20斷塊強化泡沫驅生產預測，強化泡沫體系注入時間為2.7年，預測生產時間為10年，斷塊實施強化泡沫驅后，累計增油12.7×104t，較預測水驅提高采收率8.4%，日產油最高達到504 t，含水平均下降15%，強化泡沫驅在W20斷塊具有良好的應用前景。

4 現場實施效果

2020年開始在W20斷塊注入強化泡沫體系，截止目前已完成總注入量的45%，斷塊整體表現為液量上升（見表2）一線油井含水有所下降，二三線油井含水暫未開始變化，斷塊注入壓力較水驅上升1.8 MPa，強化泡沫驅在W20斷塊處于持續產生效果中。

表2 強化泡沫驅注入初期效果

5 結論

（1）通過室內實驗研究，篩選出性能較好的起泡劑HTPM-1、穩泡劑多糖聚合物，而質量分數為0.4%HTPM-1+0.03%多糖聚合物的強化泡沫體系具有較強的起泡性能和穩定性能，同時抗老化性、抗吸附性及抗壓性能均能保持較好的水平；強化泡沫體系注入氣液比為2:1時，封堵能力最強，室內驅油實驗結果表明采收率提高了15.46%。

（2）利用數值模擬軟件模擬不同注入方式的采收效果，結果顯示強化泡沫體系注入采用氣液同注的方式效果最好，而注入量在0.18 PV時驅油效果及經濟效益最佳。

（3）現場強化泡沫注入初期，斷塊整體產液量上升，一線油井含水下降，注入壓力較水驅時上升1.8 MPa。