低滲透儲(chǔ)層CO2泡沫體系的篩選與性能評(píng)價(jià)

劉　麗， 萬　雪， 楊　坤， 李　靜， 皮彥夫

(東北石油大學(xué) 提高油氣采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 大慶 163318)

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低滲透儲(chǔ)層CO2泡沫體系的篩選與性能評(píng)價(jià)

劉麗， 萬雪， 楊坤， 李靜， 皮彥夫

(東北石油大學(xué) 提高油氣采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 大慶 163318)

針對(duì)低滲透油田開發(fā)過程中存在的注水困難、水淹程度高、注入水利用效率較低以及注氣開采易發(fā)生氣竄的問題，通過大量的室內(nèi)物理模擬實(shí)驗(yàn)與測(cè)試，為吉林油田某低滲透區(qū)塊CO2泡沫驅(qū)優(yōu)選出最佳的CO2泡沫體系，并對(duì)體系的穩(wěn)定性、發(fā)泡性、可注入性及滲透率適用范圍等進(jìn)行了特性評(píng)價(jià)。研究結(jié)果表明,三種發(fā)泡劑均具有良好的發(fā)泡性能和穩(wěn)定性，且均在可注入的范圍內(nèi)；當(dāng)溫度從45 ℃升到100 ℃時(shí)，泡沫體系的半衰期急劇減小，穩(wěn)定性能均變差；三種泡沫體系中FP388發(fā)泡性最好，綜合性能最優(yōu)。

低滲透；發(fā)泡性；穩(wěn)定性；可注入性；室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

目前,大部分油田進(jìn)入高含水開發(fā)期，注水開發(fā)過程中出現(xiàn)的矛盾日益加劇，水驅(qū)開發(fā)效果變差，原油產(chǎn)量偏低[1-2]。因此，迫切需要在三次采油階段采取有效措施改善區(qū)塊開發(fā)效果，提高采收率。注CO2可降低溫室效應(yīng)，有利于環(huán)保，而且CO2提高原油采收率成本低、成效高[3]；泡沫具有低摩阻、低濾失、低密度、高黏度、攜帶能力強(qiáng)、返排能力強(qiáng)、對(duì)儲(chǔ)層傷害小等優(yōu)點(diǎn)[4-7]，并具有“堵大不堵小，堵水不堵油”的特點(diǎn)[8]。因此，CO2泡沫驅(qū)是一種環(huán)保高能的驅(qū)油方式。

目前，市面上已有一些相關(guān)的試劑，但是為了滿足吉林油田某低滲透區(qū)塊CO2泡沫驅(qū)的礦場(chǎng)試驗(yàn)需求，有必要進(jìn)行CO2泡沫驅(qū)配方體系的研制及篩選，旨在優(yōu)選出經(jīng)濟(jì)技術(shù)效果最好的CO2泡沫配方體系。

1　試驗(yàn)區(qū)基本情況

試驗(yàn)區(qū)為吉林油田某低滲透區(qū)塊，該區(qū)塊油層壓力平均23.11 MPa，油層溫度平均為97.3 ℃；地層水礦化度為11 737.7 mg/L，氯離子質(zhì)量濃度4 481.6 mg/L，水型為NaHCO3型，pH在7左右。區(qū)塊目前水淹井增多，注入水利用效率較低，部分油井地層壓力較低，產(chǎn)液、油量呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)。單層低滲透油藏開發(fā)目前面臨著難以控制的大面積水淹，需要采取有效措施改善區(qū)塊開發(fā)效果，提高采收率。

綜合考慮以上情況，選定的CO2泡沫體系必須滿足抗高溫、抗鹽、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。

2　實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)設(shè)備：空氣壓縮機(jī)、高壓氣瓶(內(nèi)裝有高壓CO2氣體作為氣源使用)、泡沫發(fā)生裝置、活塞容器、巖心夾持器、平流泵和ISCO泵、塑料管線和鋼管線、恒溫箱、六通及壓力表、飽和地層水儀器、氣體計(jì)量裝置。

實(shí)驗(yàn)溫度：45、75、100 ℃(依據(jù)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)條件和區(qū)塊油層溫度而定)。

3　CO2泡沫體系的篩選

3.1發(fā)泡劑

能否形成長期穩(wěn)定的泡沫，關(guān)鍵在于發(fā)泡劑(即表面活性劑)的選擇。研究結(jié)果表明[9-13]，陽離子型表面活性劑在砂巖儲(chǔ)層巖石表面的吸附非常嚴(yán)重，是不可取的；陰離子型表面活性劑在碳酸鹽巖石表面的吸附量高，而在砂巖表面的吸附量很低，適用于砂巖油層；非離子表面活性劑在碳酸鹽巖石表面的吸附量很少，而在砂巖表面的吸附量相當(dāng)嚴(yán)重，比較適合碳酸鹽油層。

針對(duì)油田區(qū)塊低滲透儲(chǔ)層的特點(diǎn)，本文主要研究了中國石油集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院自主研制的陰離子型和陰非兩性型發(fā)泡劑樣品4種，通過測(cè)定其發(fā)泡體積Vf、半衰期t1/2和綜合指數(shù)FCI等參數(shù)，進(jìn)行泡沫配方體系的篩選，測(cè)定結(jié)果見表1。

表1　4種發(fā)泡劑的發(fā)泡性和泡沫穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果

注：測(cè)試中所用的發(fā)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%。

由表1可以看出，在所有樣品中，由于氟碳陰非兩性型發(fā)泡劑中的氟原子的半徑比陰非兩性型發(fā)泡劑中氫原子的半徑大，而且F—C鍵能高，很難被破壞。因此氟碳陰非兩性型發(fā)泡劑FP388表現(xiàn)出相對(duì)的優(yōu)勢(shì)，發(fā)泡體積最大，半衰期最長，綜合指數(shù)FCI最大；同時(shí)，綜合考慮到經(jīng)濟(jì)成本及適應(yīng)性，F(xiàn)P246和FP275也作為候選，分別對(duì)這3種發(fā)泡劑進(jìn)行性能評(píng)價(jià)。

3.2穩(wěn)泡劑

穩(wěn)泡劑通過與發(fā)泡劑的相互作用和提高液相黏度對(duì)體系的發(fā)泡能力產(chǎn)生影響[14]。本文收集了穩(wěn)泡劑樣品6個(gè)，通過測(cè)定其與發(fā)泡劑FP388組成的泡沫體系的發(fā)泡體積Vf、半衰期t1/2和綜合指數(shù)FCI進(jìn)行優(yōu)選，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2　加入不同穩(wěn)泡劑后FP388的發(fā)泡性和泡沫穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果

注：測(cè)試中所用的發(fā)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%，穩(wěn)泡劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為0.1%。

由表2可以看出，6種穩(wěn)泡劑的加入使體系的排液半衰期均有不同程度的增加，其中WP125增加幅度最大；同時(shí)加入穩(wěn)泡劑后，除了WP110使發(fā)泡體積有所增加外，其余體系的發(fā)泡體積均有所降低。因此，綜合考慮后，根據(jù)綜合指數(shù)的增加幅度，最后優(yōu)選出WP125作為穩(wěn)泡劑。

綜合考慮成本及適應(yīng)性，優(yōu)選出的3種泡沫體系的特性參數(shù)見表3。

表3　優(yōu)選的泡沫體系的發(fā)泡性和泡沫穩(wěn)定性

4　CO2泡沫體系的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

泡沫穩(wěn)定性是泡沫最重要的一個(gè)性質(zhì)，用半衰期來評(píng)定。目前普遍認(rèn)為泡沫的衰變機(jī)理是：泡沫中液體的流失，氣體透過液膜擴(kuò)散。增強(qiáng)泡沫穩(wěn)定性，有利于泡沫在更大范圍應(yīng)用。

目前提高泡沫穩(wěn)定性主要采取兩種方式，一種是在發(fā)泡劑溶液中加入活性物質(zhì)，通過協(xié)同作用增強(qiáng)吸附分子間相互作用，增大液膜表面強(qiáng)度；另一種方式是在發(fā)泡劑溶液中加入增黏劑，提高液相黏度，增大液膜的彈性，延長泡沫的半衰期。本文篩選的穩(wěn)泡劑WP125為星形聚合物，屬于第二種。

4.1實(shí)驗(yàn)步驟

(1) 按氣液體積比30∶1算出20 mL發(fā)泡劑溶液所需要的CO2氣體體積(即600 mL)；

(2) 將配制好的發(fā)泡劑溶液和CO2氣體同時(shí)注入放置有1 200×10-3μm2的高滲巖心的巖心夾持器中，經(jīng)過一段時(shí)間的混合作用，將形成的泡沫接入到量程為50 mL的量筒中；

(3) 將裝有泡沫的量筒分別放置在常壓下溫度為室溫、45、75、100 ℃的恒溫箱中，測(cè)定CO2泡沫體系的半衰期。

4.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

三種發(fā)泡劑的半衰期實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。由表4中的半衰期數(shù)據(jù)可以看出，常壓下，溫度高于室溫時(shí)，三種泡沫體系的半衰期都隨溫度的升高而降低。CO2泡沫體系的穩(wěn)定性隨著溫度的升高，半衰期急劇降低，穩(wěn)定性變差；且在溫度從45 ℃到100 ℃，泡沫的半衰期下降較快，穩(wěn)定性能變化較大；質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同的三種發(fā)泡劑溶液，在相同的溫度時(shí)，F(xiàn)P275的半衰期最大，即泡沫穩(wěn)定性最好；只在室溫的條件下，F(xiàn)P246的穩(wěn)定性與FP388相當(dāng)，但在溫度升高時(shí)，F(xiàn)P246的穩(wěn)定性變化較快，在三種發(fā)泡劑中，F(xiàn)P246形成的泡沫穩(wěn)定性最差；隨著溫度增加，F(xiàn)P388和FP275的穩(wěn)定性差異逐漸減小。

表4　三種發(fā)泡劑的半衰期實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

5　CO2泡沫體系的發(fā)泡性評(píng)價(jià)

對(duì)發(fā)泡劑的發(fā)泡性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，一般是以發(fā)泡劑的最大發(fā)泡體積來測(cè)定，最大發(fā)泡體積值越大，說明發(fā)泡劑的發(fā)泡性能越好。最大發(fā)泡體積是指一定條件下泡沫體系所能生成的最大的泡沫體積。

5.1實(shí)驗(yàn)步驟

(1) 按氣液體積比30∶1算出20 mL發(fā)泡劑溶液所需要的CO2氣體體積(即600 mL)；

(2) 將20 mL的表面活性劑溶液倒入測(cè)定發(fā)泡體積的裝置中，該裝置是具有刻度線的細(xì)長試管。然后經(jīng)過平流泵的驅(qū)替作用，以3 mL/min的速度將CO2氣體從裝置底端驅(qū)進(jìn)；

(3) 實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，計(jì)量在泡沫發(fā)生裝置中產(chǎn)生的泡沫體積，即為該泡沫體系的最大發(fā)泡體積。

5.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

不同類型泡沫體系的發(fā)泡體積不同，分別測(cè)定了三種泡沫體系在常溫常壓下的最大發(fā)泡體積Vf。其中，F(xiàn)P388體系的Vf為780 mL，F(xiàn)P246體系的Vf為772 mL，F(xiàn)P275體系的Vf為761 mL?？梢?，F(xiàn)P388體系的發(fā)泡體積最大，但三者的差距不大，最大發(fā)泡體積差值僅為19 mL，說明三種發(fā)泡體系均具有良好的發(fā)泡性能。而FP388體系的發(fā)泡體積最大的原因則是由于FP388為氟碳陰非兩性型發(fā)泡劑，其氟原子的半徑比陰非兩性型發(fā)泡劑(FP246、FP275)中氫原子的半徑大，因此FP388體系的發(fā)泡性能最好。

6　CO2泡沫體系的可注入性與滲透率適用范圍評(píng)價(jià)

由于泡沫體系自身的特殊性，在低滲透儲(chǔ)層中，若采用泡沫驅(qū)方式，則可能需要很大的啟動(dòng)壓力。結(jié)合發(fā)泡性和穩(wěn)定性研究，本實(shí)驗(yàn)優(yōu)選FP388為發(fā)泡劑形成的CO2泡沫體系進(jìn)行低滲儲(chǔ)層可注入性與滲透率的適用范圍研究。

6.1實(shí)驗(yàn)步驟

(1) 首先稱量小巖心柱的干重；

(2) 然后將小巖心放入抽真空的儀器中，并倒入適量規(guī)定濃度的地層水，進(jìn)行巖心的抽空飽和水，時(shí)間約為2 h；

(3) 停止真空泵，取出小巖心并稱量濕重，計(jì)算巖心的孔隙體積及孔隙度；

(4) 將巖心放入小巖心夾持器中，并連接到CO2泡沫體系的發(fā)生裝置上，并在出口端放置回壓閥(環(huán)壓為35 MPa，回壓為8 MPa)，進(jìn)行泡沫的恒速注入(流量0.1 mL/min)，出口端出液后，記錄入口端的穩(wěn)定壓力。

6.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

針對(duì)不同滲透率級(jí)別的巖心進(jìn)行的可注入實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果見表5。

表5　低滲巖心泡沫驅(qū)注入壓力

由表5可以看出，當(dāng)巖心出口端回壓和流速一定時(shí)，隨著巖心滲透率的降低，入口端所需壓力不斷增加；當(dāng)巖心滲透率達(dá)到0.3×10-3μm2時(shí)，入口端壓力臨近區(qū)塊的地層破裂壓力(約39 MPa)，故滲透率適用下限為0.3×10-3μm2。試驗(yàn)區(qū)的平均滲透率在10×10-3μm2左右，因此FP388泡沫體系可注入，考慮到發(fā)泡性最強(qiáng)的FP388泡沫體系若可注入，則另外兩種泡沫體系也可注入。

7　結(jié)論

(1) 在發(fā)泡劑篩選評(píng)價(jià)時(shí)，最優(yōu)選方案為發(fā)泡劑的發(fā)泡體積和半衰期均最高者，其次為發(fā)泡體積最高、半衰期較高，方案較多情況較復(fù)雜時(shí)則選擇發(fā)泡體積和泡沫綜合指數(shù)FCI均為最高者。因此優(yōu)選的發(fā)泡劑為 FP388，其具有最好的發(fā)泡性能和最高的泡沫綜合指數(shù)FCI。

(2) 穩(wěn)泡劑的篩選評(píng)價(jià)時(shí)，最優(yōu)選方案為加入穩(wěn)泡劑后的體系半衰期增幅和發(fā)泡體積均為最高者，其次為半衰期增幅最高、發(fā)泡體積較高，方案較多情況較復(fù)雜時(shí)則選擇半衰期增幅和泡沫綜合指數(shù)FCI增幅均為最高者。因此本文優(yōu)選的穩(wěn)泡劑為WP125，其半衰期增幅和泡沫綜合指數(shù)FCI增幅均為最高。

(3) 通過可注入性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，確定優(yōu)選出的泡沫體系的滲透率適用下限為0.3×10-3μm2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于試驗(yàn)區(qū)的平均滲透率(10×10-3μm2)，因此優(yōu)選出的泡沫體系可注入目的儲(chǔ)層。

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(編輯王亞新)

The CO2Foam System Selection and Performance Evaluation of Low Permeability Reservoirs

Liu Li, Wan Xue, Yang Kun, Li Jing, Pi Yanfu

(KeyLaboratoryofOilandGasRecoveryofEducationMinistry，NortheastPetroleumUniversity,DaqingHeilongjiang163318，China)

There are many problems in the development process of the low permeability oilfields including water injection difficulty, high water flooded degree, low utilization efficiency of injected water and gas channeling of gas injection. Through a large number of laboratory physical simulation experiments and tests, the best CO2-foam system was selected out for a low permeability blocks CO2-foam flooding in Jilin oil field. The stability, foaminess, injectivity and applicable scope of the permeability of three systems were conducted. The results showed that the three kinds of foam agent all had good foaminess and stability, and all of them could be injected within the range. When the temperature rose from 45 ℃ to 100 ℃, the half-life of foam systems sharply reduced, and the stability of them turned bad. In the three foam systems, FP388 was the optimal one which had best foaminess and comprehensive performance.

Low permeability; Foaminess; Stability; Injectivity; Laboratory experiment

1006-396X(2016)04-0062-04投稿網(wǎng)址：http://journal.lnpu.edu.cn

2016-05-06

2016-06-03

黑龍江省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(E2016016)；中國石油科技創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(2015D-5006-0214)。

劉麗(1979-)，女，博士，副教授，從事油氣田開發(fā)與提高采收率技術(shù)研究；E-mail：liuliduoduo@163.com。

TE357

Adoi:10.3969/j.issn.1006-396X.2016.04.013