吳永彬，趙 欣，韓 靜，李松林，李秀巒

(1.提高采收率國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中油勘探開發(fā)研究院，北京 100083; 2.中油大慶油田有限責(zé)任公司，黑龍江 大慶 163000)

委內(nèi)瑞拉超重泡沫油泡沫強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)研究

吳永彬1，趙 欣2，韓 靜1，李松林1，李秀巒1

(1.提高采收率國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中油勘探開發(fā)研究院，北京 100083; 2.中油大慶油田有限責(zé)任公司，黑龍江 大慶 163000)

超重泡沫油油藏中“泡沫油現(xiàn)象”的決定性因素在于產(chǎn)生泡沫的強(qiáng)度，而泡沫的強(qiáng)度取決于泡沫存在的時(shí)間和產(chǎn)生泡沫的體積。為定量描述泡沫強(qiáng)度的主控因素，自主研制了高溫高壓可視化泡沫強(qiáng)度測試模型，并利用該模型首次開展了不同溫度、溶解氣油比、降壓速度及孔隙尺寸條件下的泡沫強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，高溫條件下泡沫破滅頻率遠(yuǎn)大于生成頻率;原始溶解氣油比小于5 m3/m3，原油中“泡沫油現(xiàn)象”趨于消失;充分發(fā)揮泡沫油作用的最低降壓速度應(yīng)不小于80 kPa/min;多孔介質(zhì)泡沫油實(shí)驗(yàn)趨勢分析表明，實(shí)際油藏中泡沫存在的時(shí)間將遠(yuǎn)長于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)得到的結(jié)果。

泡沫油;原油黏度;生產(chǎn)氣油比;遞減率;溶解氣油比

引言

普通含氣超稠油只存在一個(gè)泡點(diǎn)壓力，因此在天然能量開采過程中，當(dāng)油藏壓力下降到泡點(diǎn)壓力后，原油迅速脫氣，生產(chǎn)氣油比迅速升高，脫氣以后原油黏度急劇上升，因此普通超稠油天然能量開采采收率只有2～5%［1］。而以中石油委內(nèi)瑞拉ORINOCO重油帶MPE－3區(qū)塊為代表的超重油油藏，在天然能量開采過程中，具有“原油黏度高(地下黏度10 000～50 000 mPa·s)、生產(chǎn)氣油比低(20 m3/m3)、原油日產(chǎn)水平高(100～250 t/d)、產(chǎn)量遞減慢(年遞減率12%)”等泡沫油特有的開采特征，充分利用“泡沫油現(xiàn)象”可以得到較高的天然能量開采采收率，預(yù)期采收率可達(dá)到10%以上［2］。

超重泡沫油高產(chǎn)的原因在于其同時(shí)存在2個(gè)泡點(diǎn)，即:擬泡點(diǎn)和泡點(diǎn)，當(dāng)油藏壓力下降到擬泡點(diǎn)后，油層原油中的溶解氣以微氣泡形態(tài)擴(kuò)大并分散在原油中，形成“油包氣”型泡沫分散流，從而明顯降低原油黏度［3－9］。該階段為泡沫油發(fā)揮作用的生產(chǎn)階段，生產(chǎn)氣油比較低。當(dāng)油藏壓力下降到泡點(diǎn)以后，分散在原油中的氣泡聚并形成大氣泡，并從原油中脫離出來形成自由氣，此時(shí)原油迅速脫氣，產(chǎn)量迅速降低。國外大量實(shí)驗(yàn)表明［10－12］，對于整個(gè)天然能量開采的采收率，擬泡點(diǎn)以上的彈性能量開采階段采出程度占20%左右;在擬泡點(diǎn)與泡點(diǎn)之間的泡沫油能量開采階段采出程度占70%左右;而在泡點(diǎn)壓力以下的溶解氣驅(qū)階段，采出程度占10%左右。因此，超重泡沫油的開采主要依靠“泡沫油現(xiàn)象”。

“泡沫油現(xiàn)象”的決定性因素在于泡沫的強(qiáng)度(即泡沫在多因素協(xié)同作用下的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性表征參數(shù))，而泡沫的強(qiáng)度取決于泡沫存在的時(shí)間和產(chǎn)生泡沫的體積。為此，自主研制了高溫高壓泡沫油可視化強(qiáng)度測試模型，利用委內(nèi)瑞拉MPE－3區(qū)塊地層原油，通過系列實(shí)驗(yàn)對溫度、溶解氣油比、降壓速度及孔隙大小等泡沫強(qiáng)度的關(guān)鍵影響參數(shù)進(jìn)行了定量描述，首次系統(tǒng)總結(jié)出不同條件下泡沫的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

高溫高壓泡沫油可視化強(qiáng)度測試模型主要由原油配樣器 注入系統(tǒng) 恒溫箱 可視化實(shí)驗(yàn)本體以及回壓控制系統(tǒng)組成，實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示。注入系統(tǒng)采用ISCO泵抽真空吸入法注入，模型本體尺寸為?46 mm×1 060 mm，內(nèi)部可充填透明鋼化玻璃珠，最高工作壓力為20MPa，最高工作溫度為200℃，模型本體豎直放置于恒溫箱中，從上到下在模型本體左右兩邊設(shè)置8個(gè)連續(xù)交錯(cuò)排列的高溫高壓鋼化玻璃觀察視窗，模型本體上設(shè)置刻度，可適時(shí)讀取泡沫的高度;回壓控制系統(tǒng)由回壓閥、JB－3型手動(dòng)泵、ZR－2型緩沖容器、壓力表、冷卻器等組成，回壓閥最高工作壓力為25 MPa。

圖1 高溫高壓泡沫油可視化強(qiáng)度測試實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ图傲鞒?/p>

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

在一定溫度條件下，回壓控制在原始油藏壓力，將復(fù)配的原油注入充滿甲烷的高壓模型本體，注入0.08 PV原油后，關(guān)閉注入端，以瞬間降壓和線性降壓2種方式降低出口回壓，建立壓差，模型本體內(nèi)的含氣原油由于壓力下降將膨脹產(chǎn)生泡沫，泡沫的增多使得泡沫油的液柱開始升高;隨著出口壓力的不斷下降，當(dāng)壓力下降到泡點(diǎn)與擬泡點(diǎn)之間，由于在此階段泡沫的生成頻率大于破滅頻率，因此泡沫越來越多，泡沫油的液柱高度越來越高;當(dāng)出口壓力下降到泡點(diǎn)以后，泡沫的破滅頻率大于生成頻率，此時(shí)泡沫油液柱的高度逐漸下降，最終回到(或略低于)原始液柱高度。任意時(shí)刻泡沫油液柱的高度減去原始液柱高度即為產(chǎn)生的泡沫的高度，泡沫的存在時(shí)間為液柱開始上升到最后液柱下降到最初水平的時(shí)間。通過改變單因素連續(xù)觀測不同時(shí)刻泡沫的高度，可以量化該因素對泡沫強(qiáng)度的影響程度。

1.3 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)所用原油為MPE－3區(qū)塊O－12小層原油，在油層溫度(50.5℃)下，地面脫氣原油黏度為25 000 mPa·s，密度為0.996 1 g/cm3(在相同溫度條件下，原油密度大于水)，原始溶解氣油比為19 m3/m3，原始油藏壓力下原油體積系數(shù)為1.078，原始油藏壓力為8.5 MPa，擬泡點(diǎn)壓力為5.8 MPa，泡點(diǎn)壓力為4.2 MPa。依據(jù)O－12小層地層水性質(zhì)，實(shí)驗(yàn)用水為NaHCO3水型，總礦化度為12 500 mg/L，HCO3

－含量為2 450 mg/L，Cl－含量為10 350 mg/L，pH值為7.35～7.75。實(shí)驗(yàn)用氣體為甲烷。

依據(jù)取心分析結(jié)果，巖心孔隙度為37%，滲透率為12 000×10－3μm2，油層砂粒為粗砂，因此，為表征孔隙結(jié)構(gòu)，同時(shí)兼顧可視化，利用不同粒徑透明鋼化玻璃珠填充模型本體，開展孔隙尺寸對泡沫油現(xiàn)象的影響實(shí)驗(yàn)，通過玻璃珠由大到小的趨勢，來表征儲(chǔ)集層孔隙由大到小的變化趨勢;為分析單因素對“泡沫油現(xiàn)象”的影響，利用不填充玻璃珠的模型本體，開展不同溫度、不同降壓速度以及不同溶解氣油比的影響規(guī)律實(shí)驗(yàn)。

1.4 實(shí)驗(yàn)步驟

①根據(jù)原始油藏壓力、溫度以及溶解氣油比配油，為實(shí)現(xiàn)甲烷在超重油中更均勻分布，配樣器旋轉(zhuǎn)的時(shí)間在20 d以上;②將模型本體抽真空，恒溫箱溫度控制在原始油藏溫度50.5℃;③從豎直放置的模型本體底部注入甲烷，使得模型本體中充滿甲烷，控制回壓在油藏壓力8.5 MPa;④用配置好的地層油從模型本體底部注入，注入體積0.08 PV (初始液面高度為84.8 mm)，回壓控制在原始油藏壓力8.5 MPa;⑤關(guān)閉模型本體入口，以一定的降壓速度釋放模型本體出口回壓，回壓最低值不低于該溫度條件下的飽和蒸汽壓力(參考實(shí)際油藏井底流壓，本次實(shí)驗(yàn)設(shè)定回壓最低值為2.0 MPa);⑥利用高溫高壓視窗連續(xù)觀測泡沫上升、穩(wěn)定、下降的全過程，連續(xù)記錄不同時(shí)刻泡沫抬升的液面高度;⑦對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行理論分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 溫度的影響

同樣油樣在不同的溫度條件下進(jìn)行瞬間降壓回壓從 直接下降到 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:溫度在60℃以下泡沫油的起泡高度變化不大;當(dāng)溫度高于60℃以后，其起泡高度與溫度呈線性遞減關(guān)系，遞減率為0.360 4 mm/℃(圖2);由此推算，當(dāng)溫度達(dá)到106.76℃時(shí)，降壓過程中無氣泡產(chǎn)生，原油為瞬間脫氣，與普通原油脫氣特征一致。國外相關(guān)分析認(rèn)為［12－14］，低溫、高原油黏度能有效減少氣體分子擴(kuò)散活性，減緩微氣泡聚并成大氣泡的頻率，因此脫氣時(shí)間延長;同時(shí)，高黏度原油黏滯力較大，有效降低了起泡后氣泡的破滅頻率，在氣泡的產(chǎn)生頻率大于破滅頻率條件下，氣泡將不斷生成，因此低溫起泡高度越高，而60℃以下起泡高度變化不大，表明60℃以下的原油黏度已經(jīng)足以產(chǎn)生泡沫油現(xiàn)象。

圖2 不同溫度下超重泡沫油的泡沫動(dòng)態(tài)變化

此外，60℃以下低溫條件下泡沫的穩(wěn)定時(shí)間較長;隨著溫度升高，泡沫的穩(wěn)定時(shí)間急劇下降，原因在于溫度升高，原油黏度降低，黏滯力下降，氣泡破滅頻率大于生成頻率，因此形成的氣泡迅速破滅成為自由氣。

依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，60℃以下原油黏度對“泡沫油現(xiàn)象”無明顯影響，高于60℃以后，將嚴(yán)重影響泡沫有效期。因此對于該超重泡沫油油藏，注蒸汽等熱采方式將無法利用“泡沫油現(xiàn)象”，因此不適宜過早注蒸汽開發(fā)。

2.2 溶解氣油比的影響

溶解氣油比決定著超重泡沫油的氣泡泡沫發(fā)揮作用的時(shí)間，即:泡沫油的能量，因此是影響“泡沫油現(xiàn)象”的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。為此，在相同溫度、相同油藏壓力、均為瞬間降壓方式的條件下，對比實(shí)驗(yàn)了溶解氣油比分別為19、15、10、5 m3/m3的泡沫油氣泡動(dòng)態(tài)變化 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明 隨著溶解氣油比降低，泡沫高度與存在時(shí)間急劇降低，當(dāng)溶解氣油比小于10 m3/m3以后，泡沫的高度及存在時(shí)間降速進(jìn)一步加快，泡沫油現(xiàn)象進(jìn)一步減弱(圖3)。

圖3 不同溶解氣油比超重泡沫油的泡沫動(dòng)態(tài)變化

2.3 降壓速度的影響

在此以前，大量學(xué)者通過一維長巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)得出，“泡沫油現(xiàn)象”在高降壓速度條件下的衰竭實(shí)驗(yàn)中發(fā)生，其采收率比低降壓速度高1倍以上，但尚未對泡沫強(qiáng)度與降壓速度的相關(guān)性開展研究。

為此，分別實(shí)驗(yàn)了5種降壓速度:瞬間降壓(回壓從8.5 MPa直接下降至2.0 MPa)，降壓速度80、60、40 kPa/min及20 kPa/min下降至2 MPa。實(shí)驗(yàn)結(jié)果(圖4)表明，降壓速度越高，泡沫越穩(wěn)定，當(dāng)降壓

圖4 不同降壓速度下超重泡沫油的泡沫動(dòng)態(tài)變化

速度高于80 kPa/min后，泡沫的穩(wěn)定時(shí)間和氣泡高度趨于一致。分析認(rèn)為，泡沫油的泡沫存在時(shí)間取決于氣泡的產(chǎn)生與破滅的頻率。而降壓速度較低時(shí)，分子活性能較低，因此氣泡產(chǎn)生的頻率較低，此時(shí)氣泡破滅頻率相對較高;當(dāng)降壓速度較高時(shí)，則氣泡產(chǎn)生的頻率高于破滅頻率，因此能維持氣泡的動(dòng)

態(tài)穩(wěn)定性 依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果 要充分發(fā)揮泡沫油作用最低降壓速度應(yīng)不小于80 kPa/min。

2.4 多孔介質(zhì)的影響

為了模擬超重泡沫油在多孔介質(zhì)中的氣泡動(dòng)態(tài)產(chǎn)生與破滅規(guī)律，開展了3組實(shí)驗(yàn):向模型本體中裝填粒徑分別為0.2、1.0、10.0 mm的鋼化玻璃珠。并對比分析了4種情況下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果:①未充填玻璃珠;②充填0.2 mm粒徑玻璃珠;③充填1.0 mm粒徑玻璃珠;④充填10.0 mm粒徑玻璃珠。實(shí)驗(yàn)結(jié)果(圖5)表明，充填玻璃珠后，模型出口端回壓同樣從原始油藏壓力8.5 MPa瞬間泄壓到2.0 MPa條件下，相比模型本體中沒有充填玻璃珠的實(shí)驗(yàn)，充填玻璃珠后的模型本體中泡沫的存在時(shí)間明顯延長;隨著玻璃珠粒徑的下降，多孔介質(zhì)中的孔隙尺寸逐漸減小，在越來越接近油藏實(shí)際孔隙大小的趨勢下，泡沫的存在時(shí)間和起泡高度均明顯增加。因此，在實(shí)際油藏天然能量開采過程中，泡沫的存在時(shí)間比室內(nèi)實(shí)驗(yàn)得到的更長。

圖5 不同孔隙尺寸下超重泡沫油的泡沫動(dòng)態(tài)變化

3 結(jié)論

(1)利用自主研制的高溫高壓泡沫油可視化強(qiáng)度測試模型，首次實(shí)現(xiàn)不同參數(shù)對超重泡沫油的影響規(guī)律實(shí)驗(yàn)。

(2)高溫條件下泡沫破滅頻率遠(yuǎn)大于生成頻率，60℃以下原油黏度對“泡沫油現(xiàn)象”無明顯影響，高于60℃以后，將嚴(yán)重影響泡沫有效期。因此注蒸汽等熱采方式將使原油因?yàn)檫^早脫氣而消失“泡沫油現(xiàn)象”，因此不適宜過早注蒸汽開發(fā)。

(3)溶解氣油比決定泡沫油能量及發(fā)揮作用的時(shí)間，當(dāng)溶解氣油比小于5 m3/m3以后，“泡沫油現(xiàn)象 趨于消失

(4)產(chǎn)生“泡沫油現(xiàn)象”的操作關(guān)鍵之一為高壓降速度，要充分發(fā)揮泡沫油作用，最低降壓速度應(yīng)不小于80 kPa/min。

(5)通過不同孔隙尺寸的多孔介質(zhì)泡沫油實(shí)驗(yàn)趨勢分析表明，實(shí)際油藏中泡沫存在的時(shí)間將遠(yuǎn)長于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)得到的結(jié)果。

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Experimental study on foam strength of super－h(huán)eavy foamy oil in Venezuela

WU Yong－bin1，ZHAO Xin2，HAN Jing1，LI Song－lin1，LI Xiu－luan1
(1.State Key Laboratory of Enhanced Oil Recovery，Research Institute of Petroleum Exploration＆Development，PetroChina，Beijing100083，China; 2.Daqing Oilfield Co.，Ltd.，PetroChina，Daqing，Heilongjiang163000，China)

The decisive factor of the“foamy oil phenomenon”in super－h(huán)eavy foamy oil reservoirs is foam strength，which depends on foam existence time and foam volume.In order to quantitatively describe the major control factors on foam strength，a high－temperature－h(huán)igh－pressure(HTHP)visualized test model has been developed and used for the first time to test foam strength under conditions of different temperatures，dissolved gas/oil ratios(GOR)，pressure drop rates and pore sizes.Experimental results indicate that at high temperature，foam extinction rate is much higher than its formation rate;when dissolved GOR is lower than 5 m3/m3，the“foamy oil phenomenon”tends to disappear，the minimum pressure decline rate should not be less than 80 kPa/min to fully exert foamy oil effect;and experimental analysis of foam strength in porous media shows that the foam existence time in actual reservoir will be much longer than laboratory result.

foamy oil;oil viscosity;producing gas/oil ratio;decline rate;dissolved gas/oil ratio

TE121.1

A

1006－6535(2012)03－0093－04

10.3969/j.issn.1006－6535.2012.03.024

20111031;改回日期:20110312

國家科技重大專項(xiàng)“大型油氣田及煤層氣開發(fā)”稠油/超稠油開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)項(xiàng)目(2011ZX05012)

吳永彬(1982－)，男，2005年畢業(yè)于中國石油大學(xué)(北京)石油工程專業(yè)，現(xiàn)為中國石油勘探開發(fā)研究院油氣田開發(fā)工程專業(yè)在讀博士研究生，主要從事稠油/超稠油開發(fā)實(shí)驗(yàn)及油藏工程方面的研究。

編輯張 雁