空气泡沫调驱提高采收率技术研究进展

空气泡沫调驱提高采收率技术 西北大学地质学系研究生作业 摘要：分析空气泡沫在油藏孔隙尺度上的渗流特性和驱油过程。观察分析了空气泡沫的生成、运移、破灭及再生过程以及微观尺度上的驱替过程。研究结果表明，空气泡沫综合了注气、活性水、泡沫三种驱替作用，具有堵塞大孔隙而不堵小空隙、封堵水而不堵油的特点。泡沫可以较好地驱扫残余油，封堵高渗夹层，泡沫与空气交替有效防止气窜，达到调驱的目的。泡沫驱油的微观机理主要体现在不仅扩大了微观波及体积而且提高了微观采油效率。

注空气驱油技术是一项富有创造性的提高采收率技术。注空气驱油气体来源广，不受地域和空间的限制，气源丰富，成本廉价，氧化反应产生的热效应也可增加采收率，但对我国大多非均质薄层、无倾角的水平地层来说，由于气窜和粘性指进，单纯注空气的驱油效率受到限制，并导致氧气窜到油井引起一些安全隐患。利用泡沫能降低水和气的相对渗透率，增加驱油效率和波及系数，可大幅度提高油藏采收率，但是泡沫驱中泡沫稳定性严重影响了泡沫驱的发展, 其影响范围为井筒周围不超过100米的范围, 而且泡沫中表面活性剂易被大量吸附在岩石表面, 增加了泡沫的作业成本。因此，注空气泡沫能充分发挥泡沫和空气驱两种技术的优点，用泡沫作为调剖剂，空气作为驱油剂，既能大规模注入提高地层压力,又能有效避免水窜和气窜问题，从而提高单井产油量、驱油效率以及采收率， 成本很低，安全可靠，具有较强实际应用价值，是非均质强、高含水油藏提高原油采收率最具发展前景的三次采油方式之一。

1 空气泡沫驱技术的起源

泡沫流体应用于油田，在国内外已有40多年的历史。最初的泡沫驱为了防止因注气的气体粘度过低而导致发生过早气窜的现象，只是简单的加活性剂水溶液进行处理。但在实践中由于常规泡沫稳定性较差, 阻碍了它的推广应用。空气 泡沫驱油技术是在常规泡沫驱和注空气驱基础上发展起来的一项三次采油新技术，其主要原理是注空气时空气与原油发生低温氧化反应，产生烟道气形成烟道气驱。空气泡沫驱技术除具有常规泡沫的驱油机理外，还有空气驱时的低温氧化效果。这项新技术集中了注空气驱和普通泡沫驱的双重优点，可在显著提高油层波及体积的同时，也提高已水洗层的驱油效率，从而可大幅度提高采收率，理论上有较高研究价值在实践上有非常重要的指导价值，近年来也越来越受到人们的重视。

2 国内外研究现状

1956年Fried首次对泡沫驱油进行了研究。1958年， Bond等人发表了世界上第一份泡沫驱油的专利。在以后的40多年里，人们对泡沫在钻采上的应用进行了广泛深入的研究。自从美国联合石油公司于1965年开展了泡沫驱油的室内实验以来，泡沫驱油技术在国外已经经历了40多年的发展历史。美国于1976年在伊利诺伊州希金斯油田进行的泡沫驱油矿场试验取得了令人满意的增油效果。国外也有泡沫驱油微观机理研究的相关文献报道，但系统研究注空气泡沫的驱油机理、渗流机理以及大孔道封堵机理未见文献报道。国内的胜利油田、百色油田、延长油矿、中原油田等先后对空气泡沫驱进行了现场试验，效果良好。胜利油田1977- 1978年现场试验泡沫驱油时使用的是空气，2000年又与石油大学合作，在室内进行了相关研究和现场试验前期准备工作。广西百色油田是国内较早运用空气泡沫驱技术，并取得较好经济效益的典范，该油田运用空气泡沫驱技术主要经历了以下三个阶段：1996年开始采用纯空气泡沫驱，利用空气加起泡剂经气液接触后产生空气泡沫，泡沫进入地层孔隙驱替出剩余油，提高采收率； 2001年开展了空气- 泡沫段塞驱油试验，采用空气泡沫- 空气段塞交替注入方式驱替油藏剩余油，是在泡沫驱基础上发展起来的，它综合了泡沫驱和空气驱的优点，既提高了驱替效率，又降低了成本( 相同体积的空气成本为泡沫成本的1/ 8) ；2004年开展泡沫辅助- 空气驱技术，是在空气- 泡沫段塞驱油技术基础上发展起来的，进一步降低了成本。紧接着开展了泡沫辅助- 气水交替注入现场试验，均取得了良好效果。2007年9月延长油矿甘谷驿采油厂与广西百色科特石 油服务公司联合进行了空气泡沫驱矿场试验，在经过2年的试验后，发现该技术不仅可有效增产，还可明显降低油井含水率，具有很好调驱功能。空气泡沫驱技术在中原油田也取得较好效果。截至2009年3月底，中原油田空气泡沫调驱提高采收率技术已在胡12块沙三中8的6- 8层系进行了4个井组现场试验，安全注入空气370余万立方米，试验区可采储量增加了4. 44万吨，井组累计增油2960吨，阶段采收率提高了3. 97个百分点。该技术研究为提高油田高温高盐、高含水、严重非均质油藏的采收率作出了新探索，整体技术达到国内领先水平，其中泡沫体系指标、注空气安全控制技术填补了国内空白。

3 空气泡沫调驱提高采收率机理

空气泡沫调驱是间接地注烟道气驱加泡沫驱。空气泡沫驱不但具有一般注气的作用，而且具有氧化产生的其他效果。空气中的氧气和原油发生放热反映，在油层内生成的CO、CO2、N2和蒸发的轻烃组分等组成的烟道气；泡沫既可以堵水和封堵气窜，又可以提高波及系数与驱油效率。

3.1 空气泡沫宏观驱油机理 低温氧化的反应程度与原油特性、岩石和流体特征、温度和压力有关，从本质上讲，注空气泡沫驱是间接地注烟道气驱加泡沫驱，但又综合了多种驱油机理。对于不同的油藏，各种驱替机理的作用不同。注空气泡沫调驱采油的机理主要有： 1) 泡沫首先进入渗透率高的大孔道，随着注入量的增加，逐步形成堵塞，阻止泡沫进一步流入大孔道，使其更多地进入低渗透小孔道，直到泡沫占据整个岩心孔隙，此后驱动流体较均匀地推进，将大、小孔道(即高、低渗透率岩心) 内的原油全部驱替出来。 2) 起泡剂本身是一种活性很强的阴离子型表面活性剂,能较大幅度地降低油水界面张力，改善岩石表面润湿性，使原来呈束缚状的油通过油水乳化、液膜置换等方式成为可流动的油。 3) 泡沫具有“遇油消泡、遇水稳定”的性能，不消泡时其粘度不降，消泡后粘度降低，从而起到“堵水不堵油”作用，提高驱油效率。 4) 泡沫粘度随剪切速率的增大而减少，在高渗层中粘度大、在低渗层中粘度小，因而泡沫能起到“堵大不堵小”的作用。 5)空气与原油发生LTO(低温氧化)产生烟道气(85%N2 、15%CO2)，烟道气溶解于原油后，原油体积膨胀，使部分残余油从其滞留的空间“溢出”而形成可采出油，并通过驱替/ 萃取作用提高采收率。

3.2 空气泡沫微观渗流机理 空气泡沫调驱微观驱油机理分为泡沫在多孔介质中的形成、破灭、运移研究与亲水和亲油孔隙介质泡沫的驱油过程研究，泡沫的微观驱油作用主要包括泡沫的挤压占据作用，选择性封堵作用，封堵气窜作用，扩大微观波及系数和提高驱油效率，一致粘性指进等。 3.2.1 空气泡沫在多孔介质中的生成 通过观察可以发现空气泡沫体系在多孔介质中的形成机理和常规泡沫形成机理相似。空气泡沫三个孔隙级产生机理是：液膜滞后、缩颈分离和液膜分断。 （1）液膜滞后 液膜滞后是低流速下主要发生在模型入口端的泡沫生成方式。当空气段塞续泡沫液段塞进入模型后，在驱替压力作用下大段塞的气相挤压孔隙介质中的液相，如图 1中图 A、B 所示，由于此时流速不大且液相中有足够表面活性剂，在气相的前沿以及较窄喉道中气相和岩石壁之间会产生新的稳定液膜，当气相前沿进入两个或多个孔喉通道时，受毛管阻力的影响气相便在喉道处断开成为独立的泡沫，如图1 中图 C 所示，即液膜滞后。

图1 液膜滞后实验图 当模型中流速过大，气相在喉道处不会断开成为泡沫而是很快沿大孔道迅速 发生气窜；当液相中表面活性剂的浓度偏低时，生成的泡沫则非常不稳定且很快消失。因此进行空气泡沫驱替时应选择合适的驱替压力控制好流速，进行空气段塞和泡沫液段塞交替注入可以有效避免泡沫液浓度过低的情况。 （2）缩颈分离 缩颈分离是泡沫在孔隙介质中重要的再生机理，当气泡从一个孔隙穿过狭窄的喉道进入另一个孔隙时，随着气泡的扩张，毛细管压力递减，液体产生的压力梯度是液体从周围进入到喉道中，当毛细管压力降到足够低时，液体便回流而充满喉道，气泡则被液体所断开，形成两个气泡，从而产生了泡沫的缩颈分离，详见图。形成缩颈分离要具有两个条件：一是气泡进入的孔隙和喉道半径相差要足够大，从而能够促使液体通过岩石颗粒与气泡之间的狭缝进入到细喉道中；二是两个气泡横跨两个孔隙的时间要足够长，能够使液体有足够的时间回流至岩石与

气泡中间的狭缝而产生分离。 （3）液膜分断 当气体或液体进入到一个已被气泡所占据的孔隙空间时，孔隙空间内的的气泡受到挤压，气泡前缘分别进入到两个喉道，随着压力的不断增加气泡被挤压的越来越窄，最终气泡断开形成两个气泡。如图3

图2 缩颈分离实验图 图3 液膜分断示意图 4.2.2 空气泡沫在多孔介质中的破灭 根据对微观实验图像的观察，空气泡沫的破灭可按照有油和无油两种情况来进行分析，在不同情况下泡沫破灭的主导原因不同。 ①有油情况下空气泡沫的破灭 在驱替前缘原油较多时，形成的液膜壁大部分都很薄，如图4 中图 A 所示，非常不稳定，在渗流优势通道中很容易破裂，如图 4 中图 B 所示。这主要是因为原油的存在使得大量表面活性剂油气水表面迁移到油水界面，从而使得原有泡沫（膜）失去活性剂的保护作用而破裂。

图4 空气泡沫破灭图(含油饱和度高) 图5 空气泡沫破灭图（含油饱和度低）

②无油情况下空气泡沫的破灭 在驱替中部或后部时，多孔介质中的油相变少，液相中的发泡剂浓度相对较高，使得泡沫的表面张力较小，泡沫较稳定。如图 5 所示，此时泡沫破灭的主要方式是气体扩散，在驱替压力的作用下，不断生成的小泡沫破裂合并生成大泡沫。 3.2.3 空气泡沫在多孔介质中的运移 空气泡沫在多孔介质中运移时气相和液相是分开运移的。其中气相可分为被捕集部分和流动部分，捕集和流动都只是气相临时存在的状态；液相则分为液膜