稠油氮氣泡沫輔助蒸汽驅(qū)可視化實驗研究

吳正彬，劉慧卿，龐占喜，吳 川，高 民

(1.石油工程教育部重點實驗室，北京 102249；2.中國石油大學(北京)，北京 102249；3.中國石油化工股份有限公司，北京 100083)

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稠油氮氣泡沫輔助蒸汽驅(qū)可視化實驗研究

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實驗室，北京 102249；2.中國石油大學(北京)，北京 102249；3.中國石油化工股份有限公司，北京 100083)

針對稠油蒸汽驅(qū)采收率偏低的問題，利用二維物理模擬設(shè)備開展N2泡沫輔助蒸汽驅(qū)可視化實驗研究，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，并對泡沫驅(qū)微觀機理進行了分析。實驗結(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)向進入小孔道，從而擴大油層波及范圍；泡沫驅(qū)結(jié)束后，油層最終波及范圍可達到77.93%，比單純蒸汽驅(qū)提高了31.75個百分點；同時，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)；機理分析；可視化實驗；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]，單純的注汽開發(fā)存在諸多問題，導致蒸汽波及范圍有限。因此，如何改善蒸汽開發(fā)效果是稠油開發(fā)亟待解決的主要問題之一[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，擴大油層的宏觀波及范圍[6-10]。

對于泡沫驅(qū)提高稠油采收率機理的可視化實驗研究，前人往往從泡沫驅(qū)的微觀機理出發(fā)，忽略了泡沫提高油藏宏觀波及的作用，而且實驗?zāi)Ｐ鸵话爿^小(幾個厘米)[11-12]，同時采用一維填砂管模型進行研究，無法直觀地觀察到泡沫在多孔介質(zhì)中的微觀形態(tài)[13-15]。針對蒸汽驅(qū)過程中油層波及范圍有限的問題，利用自制的可視化實驗裝置，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)的微觀機理。

1 實驗

1.1 實驗設(shè)備和材料

稠油泡沫驅(qū)微觀機理可視化實驗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溫控箱，箱體上部有一個固定熱采可視化實驗?zāi)Ｐ偷那度胧酵覆?；另外，在實驗的注入管線上包覆加熱帶控制注入流體的溫度，保證實驗條件。②可視模型。可視模型主要由尺寸相同的2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安裝模擬井，在2塊玻璃之間通過鋪設(shè)玻璃微珠或者陶粒來模擬不同潤濕表面的多孔介質(zhì)，石英玻璃可視區(qū)域為20 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，用來記錄實驗過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時采集裝置，記錄實驗過程中實驗壓力的變化。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。實驗流程如圖1所示。

圖1 可視化實驗流程

實驗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。實驗用油為井樓零區(qū)Ⅲ6層地面脫氣原油，50 ℃時原油黏度為1 502 mPa·s。可視模型制作完成后測得其孔隙度為0.362，滲透率為2.05×10-3μm-3。

1.2 實驗步驟與方法

實驗過程中先進行蒸汽驅(qū)，再進行泡沫驅(qū)。實驗溫度設(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，通過圖像采集記錄整個驅(qū)油過程，并對比注入泡沫前后油層的變化，分析泡沫驅(qū)油的特征機理。為保證流體進入可視模型時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，實驗過程中將恒溫箱以外的管線均包覆電加熱帶，對流體保溫。

具體實驗步驟如下：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，流體在注入過程中分別進行了正注和反注，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度有限，因此，實驗過程中流體以0.2 mL/min的低流量注入。整個驅(qū)油過程用高清攝像錄像裝置記錄，同時記錄各個驅(qū)替階段的產(chǎn)油量、產(chǎn)水量和驅(qū)替壓差。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 平面波及變化

驅(qū)替過程中，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)束時油層受波及的情況，圖中呈樹枝狀的區(qū)域為蒸汽和冷凝物流動的通道。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。但是由于油水黏度的差異，蒸汽驅(qū)過程中存在明顯的黏性指進現(xiàn)象，主流通道兩側(cè)存在大量的剩余油，導致蒸汽驅(qū)的波及范圍有限。此外，主流動通道形成后對于其他方向的流動通道的形成具有很強的抑制作用。蒸汽驅(qū)結(jié)束時，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大，后續(xù)流體不再單純沿主流通道向前推進，而且沿著主流通道兩側(cè)不斷擴展。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。實驗結(jié)果表明，泡沫驅(qū)結(jié)束時油層的波及效率達到了77.93%。

圖2 油層宏觀波及情況

2.2 動態(tài)驅(qū)替特征

圖3反映的是整個驅(qū)替實驗的動態(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。當注入流體孔隙體積倍數(shù)達到0.49時，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，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，說明注入泡沫之后，對油層起到了良好的封堵作用。

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

2.3 微觀機理分析

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)域為原油。從圖中可以看出蒸汽掃過的區(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，繞過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)油的方式是一個典型的非活塞式過程。油層的潤濕性以及油層中孔隙形狀的不同，導致蒸汽或熱水經(jīng)過的區(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)微觀機理分析

封堵高滲區(qū)域是泡沫驅(qū)擴大宏觀波及的主要機理。圖4b反映了泡沫在油層中的運移與封堵情況。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)的擾動和剪切之下，大量分散的小泡沫在喉道處聚集，從而對喉道形成堵塞。隨著泡沫的不斷聚集，氣泡的流動阻力不斷增大，產(chǎn)生賈敏效應(yīng)。當大孔道處的流動阻力大于小孔道的流動阻力時，泡沫則會轉(zhuǎn)向進入小孔道中。蒸汽驅(qū)后的剩余油受到波及，從而擴大油層的波及范圍。

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。乳狀液滴有較強的流動性，在后續(xù)流體的擾動下，乳狀液滴被帶入流動通道后采出，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)過程中出現(xiàn)典型黏性指進現(xiàn)象，熱水沿注采井間向前推進，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，從而擴大油層的波及面積。實驗表明，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個百分點。同時減緩了含水上升速度，延長了生產(chǎn)時間。

(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，促進原油乳化，形成流動性更強的水包油型乳狀液，并被后續(xù)流體帶出，從而增大油層的微觀驅(qū)油效率。

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編輯 朱雅楠

10.3969/j.issn.1006-6535.2016.05.031

20160418；改回日期：20160712

國家自然科學基金 “裂縫型稠油油藏非等溫滲吸機理及動力學模型”(51274212)

吳正彬(1991-)，男，2013年畢業(yè)于中國石油大學(北京)石油工程專業(yè)，現(xiàn)為該校油氣田開發(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