吳正彬，劉慧卿，龐占喜，吳 川，高 民

(1.石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249；2.中國(guó)石油大學(xué)(北京)，北京 102249；3.中國(guó)石油化工股份有限公司，北京 100083)

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稠油氮?dú)馀菽o助蒸汽驅(qū)可視化實(shí)驗(yàn)研究

吳正彬1，2，劉慧卿1，2，龐占喜1，2，吳 川3，高 民1，2

(1.石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249；2.中國(guó)石油大學(xué)(北京)，北京 102249；3.中國(guó)石油化工股份有限公司，北京 100083)

針對(duì)稠油蒸汽驅(qū)采收率偏低的問(wèn)題，利用二維物理模擬設(shè)備開(kāi)展N2泡沫輔助蒸汽驅(qū)可視化實(shí)驗(yàn)研究，得到了泡沫注入前后油層波及情況以及泡沫驅(qū)的微觀圖像，并對(duì)泡沫驅(qū)微觀機(jī)理進(jìn)行了分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：由于油水黏度的差異，注采井間容易出現(xiàn)黏性指進(jìn)現(xiàn)象，從而產(chǎn)生明顯的汽竄通道，油層波及范圍有限；泡沫驅(qū)過(guò)程中，泡沫占據(jù)多孔介質(zhì)中的大孔道，使后續(xù)流體發(fā)生轉(zhuǎn)向進(jìn)入小孔道，從而擴(kuò)大油層波及范圍；泡沫驅(qū)結(jié)束后，油層最終波及范圍可達(dá)到77.93%，比單純蒸汽驅(qū)提高了31.75個(gè)百分點(diǎn)；同時(shí)，泡沫的乳化作用能夠有效地剝離多孔介質(zhì)中的殘余油，從而增大微觀驅(qū)油效率。

稠油；蒸汽驅(qū)；泡沫驅(qū)；機(jī)理分析；可視化實(shí)驗(yàn)；物理模擬

0 引 言

常規(guī)的熱力采油方法以注蒸汽為主，如蒸汽吞吐、蒸汽驅(qū)、SAGD等[1-3]，單純的注汽開(kāi)發(fā)存在諸多問(wèn)題，導(dǎo)致蒸汽波及范圍有限。因此，如何改善蒸汽開(kāi)發(fā)效果是稠油開(kāi)發(fā)亟待解決的主要問(wèn)題之一[4-5]。大量研究表明，泡沫驅(qū)是提高采收率的有效措施。泡沫流體具有較大的視黏度以及選擇性封堵特性，能夠改善油層的吸汽剖面，擴(kuò)大油層的宏觀波及范圍[6-10]。

對(duì)于泡沫驅(qū)提高稠油采收率機(jī)理的可視化實(shí)驗(yàn)研究，前人往往從泡沫驅(qū)的微觀機(jī)理出發(fā)，忽略了泡沫提高油藏宏觀波及的作用，而且實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵话爿^小(幾個(gè)厘米)[11-12]，同時(shí)采用一維填砂管模型進(jìn)行研究，無(wú)法直觀地觀察到泡沫在多孔介質(zhì)中的微觀形態(tài)[13-15]。針對(duì)蒸汽驅(qū)過(guò)程中油層波及范圍有限的問(wèn)題，利用自制的可視化實(shí)驗(yàn)裝置，直觀地再現(xiàn)了蒸汽驅(qū)竄流通道的形成，分析了蒸汽驅(qū)剩余油產(chǎn)生的原因以及泡沫驅(qū)的微觀機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和材料

稠油泡沫驅(qū)微觀機(jī)理可視化實(shí)驗(yàn)裝置主要由溫控裝置、可視模型、圖像采集裝置、壓力采集裝置以及流體注入和采集裝置5部分組成。具體包括：①溫控裝置。溫控裝置主體為一個(gè)溫控箱，箱體上部有一個(gè)固定熱采可視化實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷那度胧酵覆?；另外，在?shí)驗(yàn)的注入管線上包覆加熱帶控制注入流體的溫度，保證實(shí)驗(yàn)條件。②可視模型?？梢暷Ｐ椭饕沙叽缦嗤?塊石英玻璃片(280 ℃下承壓3 MPa)粘接而成，在其中一塊玻璃片上打貫穿孔用來(lái)安裝模擬井，在2塊玻璃之間通過(guò)鋪設(shè)玻璃微珠或者陶粒來(lái)模擬不同潤(rùn)濕表面的多孔介質(zhì)，石英玻璃可視區(qū)域?yàn)?0 cm×20 cm。③圖像采集裝置。主要是高清攝像裝置，置于可視模型上方，用來(lái)記錄實(shí)驗(yàn)過(guò)程中油層受波及的情況以及流體微觀上的變化。④壓力采集裝置。在模型注入端安裝壓力實(shí)時(shí)采集裝置，記錄實(shí)驗(yàn)過(guò)程中實(shí)驗(yàn)壓力的變化。⑤流體注入和采集裝置。主要包括恒壓恒速泵、中間容器、秒表、量筒等。實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示。

圖1 可視化實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)材料與試劑主要包括粒徑為40目的玻璃微珠和質(zhì)量濃度為0.5%的發(fā)泡劑溶液。實(shí)驗(yàn)用油為井樓零區(qū)Ⅲ6層地面脫氣原油，50 ℃時(shí)原油黏度為1 502 mPa·s?？梢暷Ｐ椭谱魍瓿珊鬁y(cè)得其孔隙度為0.362，滲透率為2.05×10-3μm-3。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟與方法

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中先進(jìn)行蒸汽驅(qū)，再進(jìn)行泡沫驅(qū)。實(shí)驗(yàn)溫度設(shè)置為30 ℃，蒸汽溫度為250 ℃，流體注入速度為0.2 mL/min。利用可視化二維平板模型，通過(guò)圖像采集記錄整個(gè)驅(qū)油過(guò)程，并對(duì)比注入泡沫前后油層的變化，分析泡沫驅(qū)油的特征機(jī)理。為保證流體進(jìn)入可視模型時(shí)的溫度以及防止采出液在模型出口端發(fā)生凝結(jié)而不利于采集，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中將恒溫箱以外的管線均包覆電加熱帶，對(duì)流體保溫。

具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：①將模型介質(zhì)飽和地層水；②將模型中飽和原油；③用蒸汽驅(qū)替原油至模型出口不出油，形成殘余油飽和度；④向模型中同時(shí)注入N2和發(fā)泡劑溶液(泡沫)，待模型出口端不出油為止。為保證模型均勻飽和流體，流體在注入過(guò)程中分別進(jìn)行了正注和反注，即改變注入端和出口端，再次飽和流體。由于粘接可視模型中2塊石英玻璃片的高溫玻璃膠的強(qiáng)度有限，因此，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中流體以0.2 mL/min的低流量注入。整個(gè)驅(qū)油過(guò)程用高清攝像錄像裝置記錄，同時(shí)記錄各個(gè)驅(qū)替階段的產(chǎn)油量、產(chǎn)水量和驅(qū)替壓差。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 平面波及變化

驅(qū)替過(guò)程中，油層波及范圍變化如圖2所示，其中圖2a為注入蒸汽和油層冷凝物到達(dá)采出端之前的狀態(tài)，圖2b、c分別為蒸汽驅(qū)結(jié)束和泡沫驅(qū)結(jié)束時(shí)油層受波及的情況，圖中呈樹(shù)枝狀的區(qū)域?yàn)檎羝屠淠锪鲃?dòng)的通道。從圖2a、b可以看出，隨著注入量的增加，蒸汽不斷地向前推進(jìn)。但是由于油水黏度的差異，蒸汽驅(qū)過(guò)程中存在明顯的黏性指進(jìn)現(xiàn)象，主流通道兩側(cè)存在大量的剩余油，導(dǎo)致蒸汽驅(qū)的波及范圍有限。此外，主流動(dòng)通道形成后對(duì)于其他方向的流動(dòng)通道的形成具有很強(qiáng)的抑制作用。蒸汽驅(qū)結(jié)束時(shí)，油層的波及效率為46.18%，即使在蒸汽波及區(qū)域內(nèi)，仍有部分原油由于蒸汽的繞流而滯留于油層之內(nèi)。

注入泡沫之后，油層平面波及范圍顯著擴(kuò)大，后續(xù)流體不再單純沿主流通道向前推進(jìn)，而且沿著主流通道兩側(cè)不斷擴(kuò)展。另外，由于泡沫具有較高的視黏度，可以作為一種良好的驅(qū)替流體，使得近井地帶(注入端)的殘余油被清洗得較為徹底(圖2c)，從而增大微觀驅(qū)油效率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，泡沫驅(qū)結(jié)束時(shí)油層的波及效率達(dá)到了77.93%。

圖2 油層宏觀波及情況

2.2 動(dòng)態(tài)驅(qū)替特征

圖3反映的是整個(gè)驅(qū)替實(shí)驗(yàn)的動(dòng)態(tài)特征。由圖3可知，在蒸汽驅(qū)初期，隨著蒸汽的不斷注入，采出程度逐漸升高。當(dāng)注入流體孔隙體積倍數(shù)達(dá)到0.49時(shí)，蒸汽發(fā)生突破，含水率快速上升，驅(qū)替壓差下降到296 kPa之后趨于穩(wěn)定，而采出程度緩慢上升，最后達(dá)到32.7%。轉(zhuǎn)泡沫驅(qū)后，出口端含水率快速降低至61.0%，表明注入泡沫之后，油層中出現(xiàn)了分流的現(xiàn)象，大量的驅(qū)替流體轉(zhuǎn)向蒸汽驅(qū)未波及到的區(qū)域，擴(kuò)大了油層波及效率。如前文所述，與單純蒸汽驅(qū)相比，轉(zhuǎn)泡沫驅(qū)結(jié)束之后，油層的最終波及范圍增加了31.75%。同時(shí)，轉(zhuǎn)泡沫輔助蒸汽驅(qū)之后，驅(qū)替壓差大幅上升并最終穩(wěn)定在519 kPa，說(shuō)明注入泡沫之后，對(duì)油層起到了良好的封堵作用。

圖3 含水率、驅(qū)替壓差與瞬時(shí)產(chǎn)油量隨注入體積的變化關(guān)系

2.3 微觀機(jī)理分析

2.3.1 蒸汽驅(qū)剩余油的形成

圖4所示的是蒸汽驅(qū)局部微觀圖像，圖中白球狀是玻璃微珠，黑色區(qū)域?yàn)樵?。從圖中可以看出蒸汽掃過(guò)的區(qū)域，剩余油的產(chǎn)生可以分為2種類型：一是在壓力以及黏滯力等外力作用下，蒸汽沿著阻力最小的方向突進(jìn)，繞過(guò)阻力較大的小孔道群，從而形成繞流殘余油，如圖4a中的區(qū)域A所示。這是由于在可視模型的制作中，多種因素導(dǎo)致模型存在微觀非均質(zhì)性，從而使得油層的微觀結(jié)構(gòu)并不均一；另一方面，由于油水黏度的差異，水驅(qū)油的方式是一個(gè)典型的非活塞式過(guò)程。油層的潤(rùn)濕性以及油層中孔隙形狀的不同，導(dǎo)致蒸汽或熱水經(jīng)過(guò)的區(qū)域驅(qū)油仍然不徹底，從而形成殘余滯留油，如圖4a中的區(qū)域B所示。

圖4 蒸汽驅(qū)剩余油、泡沫封堵及原油乳化微觀示意圖

2.3.2 泡沫驅(qū)微觀機(jī)理分析

封堵高滲區(qū)域是泡沫驅(qū)擴(kuò)大宏觀波及的主要機(jī)理。圖4b反映了泡沫在油層中的運(yùn)移與封堵情況。由圖4b可知，隨著發(fā)泡劑溶液的不斷注入，油層中泡沫不斷生成。在多孔介質(zhì)的擾動(dòng)和剪切之下，大量分散的小泡沫在喉道處聚集，從而對(duì)喉道形成堵塞。隨著泡沫的不斷聚集，氣泡的流動(dòng)阻力不斷增大，產(chǎn)生賈敏效應(yīng)。當(dāng)大孔道處的流動(dòng)阻力大于小孔道的流動(dòng)阻力時(shí)，泡沫則會(huì)轉(zhuǎn)向進(jìn)入小孔道中。蒸汽驅(qū)后的剩余油受到波及，從而擴(kuò)大油層的波及范圍。

原油乳化是泡沫驅(qū)提高微觀驅(qū)油效率的重要機(jī)理之一，圖4c反映的是注入發(fā)泡劑溶液之后乳狀液滴的形成，圖中紅色區(qū)域顯示玻璃珠表面的殘余油變?yōu)槿闋钜旱蔚男螒B(tài)。由圖4c可知，蒸汽驅(qū)過(guò)后，多孔介質(zhì)中的玻璃微珠上仍附著有一定的殘余油。由于發(fā)泡劑本身就是一種表面活性劑，能夠有效降低油水界面張力，促使原油形成水包油型乳狀液。乳狀液滴有較強(qiáng)的流動(dòng)性，在后續(xù)流體的擾動(dòng)下，乳狀液滴被帶入流動(dòng)通道后采出，從而增大微觀驅(qū)油效率。

3 結(jié) 論

(1) 由于油水黏度的差異，蒸汽驅(qū)過(guò)程中出現(xiàn)典型黏性指進(jìn)現(xiàn)象，熱水沿注采井間向前推進(jìn)，產(chǎn)生明顯的主流通道，主流通道兩側(cè)存在大量剩余油。蒸汽驅(qū)油層波及范圍有限，波及效率為46.18%。

(2) 泡沫首先進(jìn)入主流通道并占據(jù)大孔道，在賈敏效應(yīng)的作用下大量氣泡在喉道處聚集，使得后續(xù)流體發(fā)生轉(zhuǎn)向，從而擴(kuò)大油層的波及面積。實(shí)驗(yàn)表明，蒸汽驅(qū)后轉(zhuǎn)泡沫輔助蒸汽驅(qū)，油層最終的波及效率為77.93%，比單純蒸汽驅(qū)提高率31.75個(gè)百分點(diǎn)。同時(shí)減緩了含水上升速度，延長(zhǎng)了生產(chǎn)時(shí)間。

(3) 注入油層的發(fā)泡劑本身就是一種表面活性劑，能夠有效降低油水界面張力，促進(jìn)原油乳化，形成流動(dòng)性更強(qiáng)的水包油型乳狀液，并被后續(xù)流體帶出，從而增大油層的微觀驅(qū)油效率。

[1] 劉文章.普通稠油油藏二次熱采開(kāi)發(fā)模式綜述[J].特種油氣藏，1998，5(2)：3-9.

[2] CLOSMANN P J， SEBA R D. Laboratory tests on heavy oil recovery by steam injection [J]. Society of Petroleum Engineers Journal，1983，23(3)：417-426.

[3] 東曉虎，劉慧卿，張紅玲，等.稠油油藏注蒸汽開(kāi)發(fā)后轉(zhuǎn)蒸汽驅(qū)實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬[J].油氣地質(zhì)與采收率，2012，19(2)：50-53.

[4] 鄭強(qiáng)，劉慧卿，高超，等.淺層稠油油藏氮?dú)馀菽?qū)主控因素分析[J].特種油氣藏，2015，22(1)：137-141.

[5] 王琳娜，王亞洲，龐占喜，等.薄層稠油油藏蒸汽吞吐轉(zhuǎn)蒸汽驅(qū)的選區(qū)新方法[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2012，12(15)：3747-3750.

[6] 張民，王增林，楊勇，等.稠油蒸汽驅(qū)微觀驅(qū)油效果影響因素分析[J].特種油氣藏，2015，22(3)：89-92.

[7] 曹仁義，周焱斌，熊琪，等.低滲透油藏平面波及系數(shù)評(píng)價(jià)及改善潛力[J].油氣地質(zhì)與采收率，2015，22(1)：74-77，83.

[8] HIRASKI G J. The steam-foam process[J]. Journal of Petroleum Technology， 1989， 41(5)： 449-456.

[9] 陸先亮，陳輝，欒志安，等.氮?dú)馀菽羝?qū)油機(jī)理及實(shí)驗(yàn)研究[J].西安石油學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2003，18(4)：49-52.

[10] 呂廣忠，朱桂芳，張建喬，等.氮?dú)馀菽羝?qū)物理模擬及數(shù)值模擬研究[J].石油鉆采工藝，2007，29(4)：75-79.

[11] 李雪松，王軍志，王曦.多孔介質(zhì)中泡沫驅(qū)油微觀機(jī)理研究[J].石油鉆探技術(shù)，2009，37(5)：109-113.

[12] OWETE O S， BRIGHAM W E. Flow behavior of foam： a porous micromodel study[J]. SPE Reservoir Engineering， 1987， 2(3)： 315-323.

[13] 呂廣忠，劉顯太，尤啟東，等.氮?dú)馀菽羝?qū)油室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究[J].石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2003，27(5)：50-53.

[14] 李愛(ài)芬，唐健健，陳凱，等.泡沫在不同滲透率級(jí)差填砂管中的調(diào)驅(qū)特性研究[J].巖性油氣藏，2013，25(4)：119-122，128.

[15] 呂春陽(yáng)，趙鳳蘭，侯吉瑞，等.泡沫驅(qū)前調(diào)剖提高采收率室內(nèi)實(shí)驗(yàn)[J].油氣地質(zhì)與采收率，2015，22(5)：69-73，78.

編輯 朱雅楠

10.3969/j.issn.1006-6535.2016.05.031

20160418；改回日期：20160712

國(guó)家自然科學(xué)基金 “裂縫型稠油油藏非等溫滲吸機(jī)理及動(dòng)力學(xué)模型”(51274212)

吳正彬(1991-)，男，2013年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)(北京)石油工程專業(yè)，現(xiàn)為該校油氣田開(kāi)發(fā)專業(yè)在讀博士研究生，主要從事稠油熱采方面的研究。

TE345

A

1006-6535(2016)05-0126-04