泡沫驅(qū)技術(shù)研究與應(yīng)用進(jìn)展

李兆敏, 徐正曉, 李賓飛, 王 飛, 張宗檁, 楊輝宇, 余光明

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院,山東青島 266580; 2.青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,山東青島 266061;3.青島科技大學(xué)地質(zhì)能源研究院,山東青島 266061; 4.中國(guó)石化勝利油田分公司,山東東營(yíng) 257000;5.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司勘探開發(fā)研究院，陜西西安 710018)

作為世界上形成的三次采油技術(shù)系列之一,泡沫驅(qū)已逐漸成為油氣田廣泛使用的提高采收率方法。泡沫驅(qū)提高原油采收率的作用機(jī)制主要為增大波及體積和提高洗油效率,對(duì)于驅(qū)替過程中氣竄、水竄的防治具有重要意義,同時(shí)泡沫液中的表面活性物質(zhì)可以降低油水界面張力,調(diào)整油水流度比。泡沫流體由于其獨(dú)特的性質(zhì)在油氣田開發(fā)方向得到了廣泛應(yīng)用,最早可以追溯到20世紀(jì)50年代,其在一定程度上可以實(shí)現(xiàn)“堵大不堵小、堵水不堵油”,因而被稱為“智能流體”,并且開發(fā)了許多相關(guān)理論指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。近年來,隨著國(guó)內(nèi)油氣田進(jìn)入中后期開發(fā)階段,斷塊、低滲、稠油等難開發(fā)油藏的比重有所增加,泡沫流體在此類油藏的開發(fā)應(yīng)用中日益廣泛。由于多種因素的制約,國(guó)外泡沫驅(qū)的研究主要集中在流動(dòng)機(jī)制及相關(guān)影響因素的研究上,相比較而言礦場(chǎng)試驗(yàn)較少,國(guó)內(nèi)泡沫驅(qū)研究從室內(nèi)到現(xiàn)場(chǎng)更加豐富,泡沫驅(qū)已從單一的氣加活性劑水溶液形式,發(fā)展成添加多種助劑的復(fù)合泡沫驅(qū),并且取得了較好的效果[1-2]。筆者在依據(jù)國(guó)內(nèi)外泡沫驅(qū)研究的基礎(chǔ)上,對(duì)影響泡沫驅(qū)效果的主要因素及決定泡沫性能的關(guān)鍵因素進(jìn)行詳述,總結(jié)常用泡沫流動(dòng)模型以及礦場(chǎng)泡沫注入方式,結(jié)合油田應(yīng)用實(shí)例對(duì)泡沫驅(qū)進(jìn)行分析對(duì)比,對(duì)不同類型泡沫驅(qū)的特點(diǎn)及存在的問題進(jìn)行闡述,并基于前人的研究成果提出泡沫驅(qū)發(fā)展的建議與展望。

1 泡沫室內(nèi)研究及流動(dòng)模擬

1.1 泡沫穩(wěn)定性

泡沫劑或表面活性劑的選擇和應(yīng)用是實(shí)施泡沫技術(shù)的關(guān)鍵,通過篩選出合適的泡沫劑可以改善起泡性能和泡沫穩(wěn)定性。目前油田常用的表面活性劑主要有陰離子型、非離子型和兩性表面活性劑。陰離子表活劑由于其來源廣泛、發(fā)泡性能優(yōu)異、成本低廉等優(yōu)點(diǎn),在石油化工領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,但其有效性受到高溫和高礦化度的限制。非離子表面活性劑在水中不發(fā)生電離,并且由于具有親水基團(tuán)(如含氧基團(tuán))而具備良好的耐鹽性,當(dāng)達(dá)到濁點(diǎn)時(shí),非離子表面活性劑(如乙氧基化表面活性劑)的水溶液通常表現(xiàn)出相分離,超過濁點(diǎn)后則會(huì)導(dǎo)致性能變差。即便如此,部分非離子表面活性劑由于具有相對(duì)較高的濁點(diǎn)而在一定程度上受溫度和鹽度的影響較小。兩性表面活性劑主要包括甜菜堿和咪唑啉,其在發(fā)泡性和耐鹽性方面具有顯著性能。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)通常將不同類型的表面活性劑復(fù)配成混合體系,這可以彌補(bǔ)單一表面活性劑的缺陷,從而表現(xiàn)出更好的性能。產(chǎn)生這種有益效果的主要原因是動(dòng)態(tài)吸附的改變,表面張力和臨界膠束濃度的降低[3-4]。

影響泡沫驅(qū)提高采收率的主要因素是泡沫體系的穩(wěn)定性及封堵性能[5]。在儲(chǔ)層條件下泡沫的產(chǎn)生和穩(wěn)定存在許多挑戰(zhàn),儲(chǔ)層溫度、高礦化度和巖石對(duì)表面活性劑的吸附等苛刻條件可能導(dǎo)致泡沫生成的效果較差,直接影響到驅(qū)替過程中的波及效率。泡沫必須保持足夠穩(wěn)定才能有效地發(fā)揮作用,而研究表明,單純使用表面活性劑并不足以產(chǎn)生持久穩(wěn)定的泡沫[6]。為了提高表面活性劑的性能,現(xiàn)已提出將包含合適化學(xué)添加劑的表面活性劑組合物用于穩(wěn)定泡沫,常用化學(xué)添加劑包括有機(jī)化合物、電解質(zhì)、細(xì)碎顆粒、聚合物和液晶等[7]。

堿性電解質(zhì)是較常用的一種添加劑,Farzaneh[8]研究了氫氧化鈉、碳酸鹽、硼酸鹽3種堿性物質(zhì)在原油存在條件下對(duì)二氧化碳泡沫的穩(wěn)定性影響,結(jié)果表明碳酸鹽和硼酸鹽促使泡沫穩(wěn)定產(chǎn)生且硼酸鹽優(yōu)于碳酸鹽,而氫氧化鈉會(huì)降低泡沫的穩(wěn)定性。聚合物添加劑可以有效地改善發(fā)泡性能,最近有學(xué)者通過將十二烷基硫酸鈉(SDS)與改性丙烯酸烷基酯交聯(lián)聚合物(HMPAA)混合,在氣水界面形成疏水網(wǎng)絡(luò),從而增強(qiáng)泡沫的穩(wěn)定性[9]。Xu等[10]在最近的研究中,評(píng)價(jià)了添加三乙醇胺(TEA)、三元共聚丙烯酰胺(AVS)、聚丙烯酰胺(HPAM)及N70K-T后幾種表面活性劑混合物的起泡性以及穩(wěn)定性,優(yōu)選出AOS/AVS/N70K-T混合體系。一些學(xué)者近期著力于研究離子液體(IL)在強(qiáng)化采油過程中作為替代常用化學(xué)物質(zhì)的能力,表面活性劑在IL存在下的表面活性交替受其離子部分與IL之間發(fā)生的一些相互作用的影響,由于能夠在多種鹽度和溫度下降低油/水界面張力,IL也被推廣為新型表面活性劑,除了常見類型的IL之外,基于共晶的ILs近年來也引起了研究人員的興趣[11]。

納米粒子的使用在一定程度上起到了表面活性劑的替代作用,通過在界面處產(chǎn)生強(qiáng)烈吸附,以在惡劣的儲(chǔ)層條件下穩(wěn)定泡沫,因此得到了廣泛研究。近幾年,SiO2納米顆粒是較熱的穩(wěn)泡研究對(duì)象,由于SiO2是豐富的天然材料,因此通常認(rèn)為SiO2納米顆粒是一種環(huán)保型添加劑[12]。

未經(jīng)處理的納米SiO2一般表現(xiàn)出親水性,針對(duì)親水性納米顆粒的穩(wěn)泡機(jī)制,Horozov[13]提出過3種假設(shè)方式,親水性顆粒滲入液體薄膜后作為單層橋接顆粒、作為緊密堆積的雙層顆粒和作為網(wǎng)絡(luò)顆粒聚集在薄膜內(nèi)部。高度單分散的親水性納米顆粒,具有非常低的多分散指數(shù),這使泡沫薄膜的排液較為緩慢。而從粒子分離能量層面進(jìn)行分析,在界面分離半徑為R的顆粒所需的能量取決于接觸角(θ)和界面的表面張力(γow)。如果粒徑非常小(小于幾微米),則可忽略重力和浮力效應(yīng),將顆粒從界面移動(dòng)到溶液所需的能量(E)和接觸角余弦絕對(duì)值呈負(fù)相關(guān)。對(duì)于θ<30°(高親水性顆粒)或θ> 150°(高疏水性顆粒),這種分離能量將非常低,這意味著這些顆粒不能穩(wěn)定泡沫。該假設(shè)表明高度親水的SiO2顆粒不易在界面穩(wěn)定,另有研究人員研究了納米粒子的各種尺寸對(duì)多孔介質(zhì)中泡沫產(chǎn)生的影響。Kim等[14]用非離子表面活性劑測(cè)試了不同SiO2納米粒子的穩(wěn)泡性能,并且發(fā)現(xiàn)較小的顆粒會(huì)產(chǎn)生更穩(wěn)定的泡沫,這是由于較小納米顆粒具有更強(qiáng)的擴(kuò)散性和更高的界面濃度。

SiO2納米顆粒穩(wěn)泡的缺點(diǎn)之一是其表面帶負(fù)電荷,這妨礙了疏水性的調(diào)節(jié)。國(guó)外多名學(xué)者報(bào)道了通過混合表面改性的SiO2納米顆粒和陰離子表面活性劑來協(xié)同穩(wěn)定泡沫的研究[15]。Sun等[16]將改性疏水SiO2納米顆粒引入到泡沫體系中,研究其與表面活性劑的協(xié)同穩(wěn)泡作用機(jī)制以及氣液界面流變性質(zhì),發(fā)現(xiàn)在適量的濃度下,表面活性劑分子吸附到顆粒表面后可以增強(qiáng)顆粒表面的活性,有助于顆粒在氣液界面上的吸附,改變了顆粒的界面層結(jié)構(gòu),從而使擴(kuò)張黏彈模量增強(qiáng),增強(qiáng)泡沫的穩(wěn)定性。

通過化學(xué)處理對(duì)納米顆粒進(jìn)行表面改性有時(shí)會(huì)很昂貴。在某種條件下,通過在顆粒表面原位吸附活性物質(zhì)來改變其性質(zhì)可能是行之有效的,一些學(xué)者已經(jīng)探索了利用表面活性劑和納米顆粒之間的協(xié)同作用產(chǎn)生泡沫的潛力及增強(qiáng)泡沫穩(wěn)定性的能力[17-19],Zhang等[20]分別使用了親水性鋰皂石顆粒及SiO2納米顆粒與表面活性劑四乙二醇單十二烷基醚的混合物進(jìn)行泡沫評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn),并且發(fā)現(xiàn)在某些條件下泡沫穩(wěn)定性增強(qiáng)。Worthen等[21]使用未改性的親水SiO2納米顆粒和辛基酰胺丙基甜菜堿(CAPB)產(chǎn)生穩(wěn)定且黏稠的CO2泡沫,且驗(yàn)證了親水SiO2納米顆粒不能單獨(dú)穩(wěn)定泡沫。

另有一些研究者進(jìn)行了其他類型納米顆粒穩(wěn)定泡沫的研究。Binks等[22]通過混合CaCO3納米顆粒和硬脂酰乳酸鈉表面活性劑穩(wěn)定了泡沫。Lü等[23]制得了由廉價(jià)PM穩(wěn)定的CO2泡沫,且系統(tǒng)研究了燃煤PM和山茶籽渣中皂苷在穩(wěn)定CO2泡沫中的協(xié)同作用機(jī)制。Yang等[24]系統(tǒng)地研究了疏水改性氧化鋁(AlOOH)納米顆粒對(duì)泡沫的穩(wěn)定作用,采用異丙苯磺酸鈉(SC)對(duì)納米粒子進(jìn)行改性,生成泡沫后發(fā)現(xiàn)納米粒子與SC之間存在競(jìng)爭(zhēng)效應(yīng)。另有研究比較了SiO2、Fe2O3、Al2O3、CuO、TiO2納米顆粒作為表面活性劑添加物對(duì)起泡性以及穩(wěn)泡性的影響,發(fā)現(xiàn)添加Al2O3納米顆粒的效果最好,其次是SiO2,二者皆可產(chǎn)生穩(wěn)定的泡沫,而Fe2O3由于易發(fā)生聚集導(dǎo)致其穩(wěn)泡性能較差[25]。

1.2 泡沫模型

對(duì)于泡沫的模擬,從70年代到現(xiàn)在一直有大量國(guó)外學(xué)者進(jìn)行研究,國(guó)內(nèi)學(xué)者研究相對(duì)較少。提出的泡沫流動(dòng)模型主要有以下幾種:

(1)非牛頓流體模型。在考慮泡沫可壓縮性的基礎(chǔ)上,Ikoku等[26]提出了將泡沫流體作為冪律流體進(jìn)行處理的滲流模型。除此之外延伸發(fā)展的包括賓漢流體、H-B模型等,都是將泡沫流體作為單相進(jìn)行處理。

(2)氣液模型。該模型中將泡沫看作氣液兩相,主要包括考慮含油條件的黑油模型。Marfoe等[27]提出了利用黑油模型模擬泡沫在多孔介質(zhì)中流動(dòng)的方法。

(3)滲流阻力因子模型。Chou[28]基于統(tǒng)計(jì)網(wǎng)格模型和滲流理論提出了泡沫模擬的滲流阻力因子模型。首先定義阻力因子的概念,得到泡沫阻力因子隨著泡沫質(zhì)量的增加而降低,即氣體流量增加,阻力因子下降,液體流量增加,阻力因子上升。且?guī)r石滲透率越大,泡沫阻力因子越大,殘余油的存在對(duì)泡沫產(chǎn)生的影響較小,但會(huì)導(dǎo)致阻力因子和圈閉氣體含量降低。

(4)總量平衡模型。Falls等[29]考慮了泡沫流動(dòng)中泡沫結(jié)構(gòu)對(duì)于滲流的影響,根據(jù)氣泡總量隨著生成破滅處于平衡狀態(tài)而提出。此模型是目前使用范圍最廣的模型,后續(xù)學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了一系列擴(kuò)展研究。Friedmann等[30]在質(zhì)量守恒和泡沫總量平衡的基礎(chǔ)上,考慮到泡沫視黏度和有效滲透率,模擬了泡沫在多孔介質(zhì)中的產(chǎn)生、聚并、圈閉和對(duì)流,得到了泡沫結(jié)構(gòu)在多孔介質(zhì)中的分布。Kovscek等[31]利用泡沫總量平衡模型,結(jié)合常規(guī)的油藏?cái)?shù)值模擬,由總量平衡模型的一般性,擴(kuò)展到整個(gè)油藏尺度,并將泡沫結(jié)構(gòu)變化考慮為流動(dòng)阻力的變化,并將泡沫總量平衡模型的應(yīng)用推廣到三維情況,進(jìn)行了模擬計(jì)算,結(jié)果表明,氣相相對(duì)滲透率和有效黏度受泡沫結(jié)構(gòu)控制,泡沫能降低氣相流度,泡沫可以在巖心深處產(chǎn)生,但傳播較慢。Bertin等[32]利用總量平衡的理論提出了另外一種可以替代總量平衡關(guān)系的模型,該思想是利用泡沫產(chǎn)生處的多孔介質(zhì)的巖石物性來計(jì)算泡沫結(jié)構(gòu),再用泡沫結(jié)構(gòu)來表征泡沫流度,得到的結(jié)果與總量平衡模型吻合并且所需參數(shù)較少。

此外還有基于分流理論的一些特殊模型，如臨界毛管力模型[33]、孔隙網(wǎng)絡(luò)模型[34]、泡沫超覆及排液模型[35]等，而基于泡沫結(jié)構(gòu)最有效的模擬是Saye等[36]提出的多尺度模型，其利用水平集、多尺度分析等方法成功模擬了泡沫液膜的重排、排液和破裂演變過程。Wang等[37]基于分形理論提出了泡沫結(jié)構(gòu)演變模型，將泡沫流體結(jié)構(gòu)定量化，并在此基礎(chǔ)上分析了泡沫運(yùn)移中結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化特征。

迄今為止,在泡沫流動(dòng)建模技術(shù)部分,沒有任何單一泡沫模型能夠在各種條件下適用于多孔介質(zhì)中的所有泡沫實(shí)驗(yàn),因此將實(shí)驗(yàn)室或礦場(chǎng)數(shù)據(jù)擬合到建模參數(shù)中對(duì)于泡沫模型的建立及驗(yàn)證變得尤為重要,而對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)條件也應(yīng)從短距離運(yùn)移擴(kuò)展到長(zhǎng)距離運(yùn)移、從一維實(shí)驗(yàn)擴(kuò)展到多維實(shí)驗(yàn)。由于模型之間差異較大,每種模型的參數(shù)擬合方法也不盡相同,在泡沫驅(qū)油的過程中,同樣需要基于實(shí)際研究數(shù)據(jù),建立合適的假設(shè)條件,結(jié)合泡沫流動(dòng)機(jī)制,充分考慮原油對(duì)于泡沫穩(wěn)定性及流動(dòng)性的影響等多種主控因素。

2 泡沫驅(qū)在油氣田開發(fā)中的應(yīng)用

2.1 泡沫注入方式

在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中,泡沫的注入方式與實(shí)驗(yàn)室相比更加多樣化,可以歸結(jié)為5種類型[38]:

(1)預(yù)成型泡沫注入。該方法是在多孔介質(zhì)外部形成泡沫,通過在地表的泡沫發(fā)生器中或者在泡沫液注入管柱向下流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生,此種方式的特點(diǎn)是注入泡沫的質(zhì)量和強(qiáng)度方便調(diào)控。

(2)共注入泡沫。該方法是通過將氣體和表面活性劑混注,在距離注入井較近的地層內(nèi)形成泡沫。這種方法也被稱為泡沫原位生成法,該方法需要兩根注入管柱同時(shí)工作,一根用于氣相注入,一根用于表面活性劑溶液的注入[39]。

(3)表面活性劑交替氣體(SAG)的泡沫注入。在該方法中,氣體和表面活性劑連續(xù)注入,在多孔介質(zhì)內(nèi)部形成泡沫,在SAG期間,表面活性劑溶液被氣體排動(dòng),因此該方法也被稱為“排水泡沫”注入法。該方法產(chǎn)生的泡沫不受進(jìn)入?yún)^(qū)域的限制,只要?dú)怏w與已注入的表面活性劑溶液接觸,就可以產(chǎn)生泡沫[40]。

(4)溶解表面活性劑的泡沫注入。研究表明,一些表面活性劑可以溶解在超臨界二氧化碳中[41]。該方法僅需要將超臨界二氧化碳注入到儲(chǔ)層中,當(dāng)遇到地層水之后就可以產(chǎn)生泡沫。

(5)分層注入泡沫。在該方法中,氣體和表面活性劑溶液同時(shí)但不在同一位置注入,常應(yīng)用于水平井中,且垂直井中也可實(shí)施。一般是從下部水平井注入氣體,從上部水平井注入表面活性劑,水氣由于密度差會(huì)出現(xiàn)重力分異,氣體和表面活性劑在上下水平井之間的地層區(qū)域接觸并產(chǎn)生泡沫[42]。

起泡方式直接影響著最大起泡能力,多種影響因素導(dǎo)致起泡體積和泡沫穩(wěn)定性受到一定限制。在油氣田開發(fā)過程中,現(xiàn)場(chǎng)注入工藝研究較少且室內(nèi)研究工作質(zhì)量不高,導(dǎo)致泡沫注入方式及參數(shù)選擇不能為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)提供可靠的基礎(chǔ)。目前常用的起泡劑與氣體交替注入方式并不是泡沫生成的最佳工藝,具體的泡沫注入方式應(yīng)根據(jù)油藏實(shí)際類型進(jìn)行靈活選擇。

2.2 礦場(chǎng)泡沫驅(qū)類型

2.2.1 空氣泡沫驅(qū)

空氣泡沫驅(qū)以空氣作為驅(qū)油劑,在注入過程中補(bǔ)充地層能量,以泡沫作為調(diào)剖劑,調(diào)整吸水剖面,有效控制流度,擴(kuò)大波及體積,同時(shí)其液相中的表面活性劑可降低油水界面張力,改善巖石表面潤(rùn)濕性,提高洗油效率。空氣泡沫驅(qū)不僅綜合了空氣驅(qū)和泡沫驅(qū)的優(yōu)點(diǎn),還具備低溫氧化驅(qū)油機(jī)制,間接實(shí)現(xiàn)煙道氣驅(qū)以及熱效應(yīng)采油[43-44]。

目前,空氣泡沫驅(qū)在中高滲油田的實(shí)施技術(shù)已相對(duì)成熟,國(guó)內(nèi)多個(gè)油田先后實(shí)施了空氣泡沫驅(qū),取得了較好的效果。中原油田針對(duì)胡12區(qū)塊開展了相關(guān)研究,進(jìn)行了空氣泡沫室內(nèi)模擬驅(qū)替試驗(yàn),分析了空氣泡沫的提高采收率機(jī)制以及其與原油之間的氧化特性,定量評(píng)價(jià)了空氣泡沫對(duì)非均質(zhì)嚴(yán)重地層的適用性[45]?？諝馀菽?qū)在特低滲低溫油藏中的應(yīng)用較少,延長(zhǎng)甘谷驛油田具有“低孔、低滲、低產(chǎn)能”的特征,其唐80區(qū)塊于2008年1月開展注空氣泡沫驅(qū)油先導(dǎo)試驗(yàn)研究,截至2012年11月底累積注入泡沫液8 283 m3,注空氣泡沫至今,受益油井累積增產(chǎn)2 107.01 t,控水增油效果明顯[46-47]。處于鄂爾多斯盆地的試驗(yàn)區(qū),主力油層以長(zhǎng)6為主,屬于淺層低滲油藏,2013年10月開始對(duì)某井組進(jìn)行空氣泡沫驅(qū)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),至2014年5月綜合含水率由98%下降至54%,累積增油164.7 m3,這表明空氣泡沫驅(qū)在低滲透油藏中同樣具有良好的應(yīng)用性[48]。位于吐哈盆地的魯克沁油田非均質(zhì)性嚴(yán)重,注水效果差,結(jié)合玉東區(qū)塊現(xiàn)狀開展了室內(nèi)空氣泡沫驅(qū)物理和數(shù)值模擬研究,礦場(chǎng)試注試驗(yàn)的成功,為空氣泡沫驅(qū)在超深層稠油油藏的應(yīng)用提供了技術(shù)支撐[49]。對(duì)于海上油田空氣泡沫驅(qū),海水、空氣泡沫等對(duì)管線、光纜、設(shè)備、井筒的腐蝕一直是制約實(shí)施的安全隱患[50]。在空氣泡沫驅(qū)各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié),由于空氣中氧氣的存在會(huì)誘發(fā)很多風(fēng)險(xiǎn)因素,例如管道的爆裂、泄露以及腐蝕等[51-52]。針對(duì)空氣泡沫驅(qū)存在的安全性問題,延長(zhǎng)油田開展了相關(guān)的腐蝕防護(hù)研究[53]。蔣海巖等[54]針對(duì)空氣泡沫驅(qū)油的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)性分析,建立了雙層風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系以及評(píng)估模型,可以基于此采取相應(yīng)的安全技術(shù)措施。

2.2.2 氮?dú)馀菽?qū)

為延緩注氣前緣突破、提高氣驅(qū)開發(fā)經(jīng)濟(jì)性,氮?dú)馀菽?qū)進(jìn)一步發(fā)展了表面活性劑交替氣體技術(shù),兼具氮?dú)怛?qū)和表面活性劑驅(qū)的特性,具備獨(dú)特的流變性和封堵性[55-56]。氮?dú)馀菽?qū)的機(jī)制主要有:向地層注入氮?dú)饪梢云溲a(bǔ)充能量并維持儲(chǔ)層壓力,大量的氮?dú)饩哂幸欢ǖ膹椥耘蛎浤?可以在氣舉、助排等方面發(fā)揮良好作用;泡沫具有一定的選擇性封堵作用,能夠?qū)邼B層進(jìn)行有效封堵,在中、低滲透帶易形成氣、水驅(qū)雙重作用,有利于殘余油的運(yùn)移;泡沫破滅后,氮?dú)馀c地層水、原油之間易發(fā)生相互作用形成乳狀液,從而使原油降黏,調(diào)整水油流度比,驅(qū)替效率增加;由于氮?dú)馀c儲(chǔ)層流體存在密度差異,會(huì)出現(xiàn)流體間的重力分異現(xiàn)象,容易形成非混相驅(qū),擴(kuò)大縱向波及體積,增加可動(dòng)油飽和度,進(jìn)而提高采收率[57]。

氮?dú)馀菽鄬?duì)空氣泡沫來說含氧量極少,在很大程度上緩解了空氣泡沫驅(qū)過程中的氧化腐蝕問題,然而在泡沫驅(qū)油過程中同樣會(huì)出現(xiàn)氣竄現(xiàn)象[58]。有學(xué)者結(jié)合室內(nèi)氮?dú)馀菽?qū)替模擬試驗(yàn)提出產(chǎn)氣率上升指數(shù)的概念,確定出臨界氣竄點(diǎn),對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)具有一定的指導(dǎo)意義[59]。近年來,由于氮?dú)鈦碓磸V泛且制備方法趨于成熟,氮?dú)馀菽?qū)在國(guó)內(nèi)多個(gè)油田如吐哈油田魯克沁區(qū)塊[60]、吉林大老爺府油田及新木油田[61-62]等進(jìn)行成功應(yīng)用并取得了良好的效果。氮?dú)馀菽?qū)下步的主要應(yīng)用方向?yàn)榈獨(dú)馀菽o助蒸汽驅(qū)和氮?dú)鈴?qiáng)化泡沫驅(qū)。新疆克拉瑪依油田九區(qū)于2003年進(jìn)行稠油蒸汽吞吐開采,2011年轉(zhuǎn)蒸汽驅(qū),2012年選取8個(gè)井組進(jìn)行蒸汽泡沫驅(qū)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),至2013年累積增油970.8 t,吸汽剖面得到明顯改善[63]。河南下二門油田自投入開發(fā)以來,調(diào)剖效果隨著調(diào)剖輪次的增多越來越不明顯,采用氮?dú)鈴?qiáng)化泡沫深部調(diào)驅(qū)進(jìn)行先導(dǎo)試驗(yàn),5個(gè)月后試驗(yàn)區(qū)含水率下降,累積增油922.1 t,肯定了氮?dú)鈴?qiáng)化泡沫驅(qū)的深部調(diào)驅(qū)作用[64]。中石化河南油田分公司勘探開發(fā)研究院建立了適合氮?dú)馀菽?qū)油藏的篩選標(biāo)準(zhǔn),對(duì)雙河油田聚合物驅(qū)后轉(zhuǎn)氮?dú)鈴?qiáng)化泡沫驅(qū)的可行性進(jìn)行了預(yù)測(cè)[65]。由此可見,針對(duì)氮?dú)馀菽?qū)而言,制定一套行之有效的油藏選用標(biāo)準(zhǔn)具有重要的意義。

2.2.3 其他泡沫驅(qū)

國(guó)內(nèi)油田在泡沫驅(qū)開發(fā)過程中對(duì)空氣泡沫和氮?dú)馀菽倪x用較多,而其他類型的泡沫驅(qū)雖然應(yīng)用相對(duì)較少,但也表現(xiàn)出一定的應(yīng)用潛力。

二氧化碳泡沫驅(qū)油的機(jī)制和氮?dú)馀菽?qū)具有相似之處,不同點(diǎn)在于二氧化碳泡沫破滅后,其氣相在一定條件下能夠與原油多次接觸達(dá)到混相,降低原油黏度,并且能夠萃取出輕質(zhì)組分原油,在提高采收率的基礎(chǔ)上貫徹了碳捕集、利用與封存(CCUS)的理念。國(guó)內(nèi)二氧化碳?xì)庠摧^少,因此需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件對(duì)二氧化碳泡沫驅(qū)的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行綜合決策。

天然氣泡沫驅(qū)是以天然氣作為氣相分散在表面活性劑中進(jìn)行驅(qū)替,其除了具備普通泡沫驅(qū)的機(jī)制外,還因天然氣在原油中良好的溶解性使得原油黏度降幅明顯,然而由于天然氣在注入的過程中存在問題較多,對(duì)設(shè)備和安全性要求較高,因此天然氣泡沫驅(qū)在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和礦場(chǎng)應(yīng)用中較少。

稠油油藏常用開采方式為蒸汽吞吐、蒸汽驅(qū)以及蒸汽輔助重力泄油(SAGD)等,而這些熱力開采過程存在著蒸汽竄流的問題,對(duì)生產(chǎn)效果和經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)生不利影響。近年來,蒸汽驅(qū)堵竄技術(shù)一直是開發(fā)和應(yīng)用的熱點(diǎn),采用泡沫流體在蒸汽驅(qū)過程中調(diào)整油層吸汽剖面,擴(kuò)大蒸汽波及系數(shù),對(duì)解決汽竄和蒸汽超覆問題具有顯著的效果,這促進(jìn)了蒸汽泡沫驅(qū)的發(fā)展[66-67]。

隨著油藏開發(fā)難度的增大,儲(chǔ)層物性相對(duì)來說逐漸變差,基于此,強(qiáng)化泡沫驅(qū)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,該技術(shù)是在泡沫體系中加入聚合物,通過聚合物來增強(qiáng)泡沫體系的表觀黏度、液膜的厚度及彈性,從而提高了泡沫的起泡能力,延長(zhǎng)了泡沫的析液半衰期,改善了普通泡沫穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)。同時(shí),聚合物增強(qiáng)了泡沫體系的阻力系數(shù)和界面活性,降低了地層中發(fā)泡劑的吸附損失[68-70]。

在泡沫驅(qū)的應(yīng)用過程中,泡沫劑的選取對(duì)于開采效果至關(guān)重要。由于地層流體溶解性存在差異,使得泡沫體系的篩選條件不同,且氣體成分對(duì)泡沫穩(wěn)定性的影響機(jī)制不同。相對(duì)來說,氮?dú)馀菽姆€(wěn)定性較好,二氧化碳泡沫的穩(wěn)定性較差且?guī)缀醪皇鼙砻婊钚詣舛扔绊?空氣泡沫穩(wěn)定性介于二者之間,其主要原因是二氧化碳和氧氣的擴(kuò)散速度大于氮?dú)?導(dǎo)致液膜強(qiáng)度變差使泡沫破滅速度加快。制約當(dāng)前蒸汽泡沫驅(qū)發(fā)展的主要因素是抗溫抗鹽泡沫劑的研發(fā)[71],針對(duì)此問題,國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了廣泛研究,將具有抗溫性能的陰離子表面活性劑磺酸鹽和具有抗鹽能力的非離子表面活性劑醇醚類基團(tuán)結(jié)合在一起,實(shí)現(xiàn)抗溫抗鹽的目的[72-73]。另外一個(gè)關(guān)鍵問題是在蒸汽驅(qū)替過程中,隨著蒸汽潛熱的釋放,其汽相會(huì)凝析冷卻,導(dǎo)致泡沫破滅消失,研究表明,伴隨非凝析氣的注入會(huì)降低蒸汽的冷凝并有助于泡沫保持形態(tài)[74]。在一些非均質(zhì)性嚴(yán)重的、高溫高鹽的稠油油藏中,選用性能卓越、價(jià)格低廉的泡沫劑,采用蒸汽泡沫驅(qū)的方式能夠顯著降低汽竄問題。

3 問題與展望

(1)泡沫驅(qū)機(jī)制相關(guān)的研究仍然不足,泡沫在實(shí)驗(yàn)多孔介質(zhì)中的滲流規(guī)律與實(shí)際地層狀態(tài)存在一定的差距,關(guān)于泡沫的產(chǎn)生、運(yùn)移、滯留、聚并、破滅等研究依舊停留在實(shí)驗(yàn)層面,如何使得泡沫在長(zhǎng)距離運(yùn)移破滅后重新生成泡沫將會(huì)是下一步研究的難點(diǎn)。泡沫具有良好的調(diào)剖能力,然而由于起泡劑和原油間的界面張力相對(duì)較高導(dǎo)致其在洗油能力上表現(xiàn)較差,因此需要在發(fā)展常規(guī)泡沫驅(qū)的基礎(chǔ)上強(qiáng)化其洗油效率,從而進(jìn)一步提高泡沫驅(qū)采收率。

(2)泡沫室內(nèi)評(píng)價(jià)良好,然而在高溫、高礦化度的油藏條件下穩(wěn)定性差,會(huì)減少施工作業(yè)的有效期以及增產(chǎn)效果,同時(shí)存在地面注氣壓力過大、地下泡沫注入量偏低等問題。因此應(yīng)該結(jié)合現(xiàn)場(chǎng),加大技術(shù)研發(fā)的力度,在研制出性能優(yōu)異的新型發(fā)泡劑和穩(wěn)泡劑的同時(shí)優(yōu)化泡沫注入工藝,進(jìn)一步控制泡沫在非常規(guī)油藏條件下的生成、穩(wěn)定、滲流、驅(qū)油等問題。

(3)泡沫驅(qū)的數(shù)值模擬技術(shù)有待提高,泡沫的評(píng)價(jià)、運(yùn)移等都缺少對(duì)泡沫結(jié)構(gòu)的定量化描述,即使在總量平衡模型中,也是以經(jīng)驗(yàn)參數(shù)替代。此外,泡沫的模擬手段雖已成熟,但仍限制在開放空間,對(duì)于狹窄空間或多孔介質(zhì)中的復(fù)雜結(jié)構(gòu),缺少有效的直觀模擬結(jié)果。泡沫滲流模型的研究較為廣泛,但結(jié)合泡沫應(yīng)用,特別是井筒、地層耦合模型還有待完善。

(4)在泡沫礦場(chǎng)應(yīng)用方面,尋找廉價(jià)氣源是解決開發(fā)經(jīng)濟(jì)性問題的關(guān)鍵,泡沫基本用于調(diào)節(jié)氣竄,然而特低滲透油藏并不適合開展泡沫技術(shù)。國(guó)內(nèi)各大油田一般應(yīng)用較廣泛的為空氣泡沫驅(qū)和氮?dú)馀菽?qū),然而空氣泡沫驅(qū)過程中由于氧的存在易引起氧化腐蝕等問題;近年來二氧化碳泡沫驅(qū)技術(shù)發(fā)展迅速,但由于國(guó)內(nèi)二氧化碳?xì)庠摧^少,其在油田的應(yīng)用受到了制約;天然氣泡沫驅(qū)提高采收率效果較好,但存在著安全可控性差、成本高等問題,在油田的應(yīng)用也較少;在一些進(jìn)行熱采的稠油油藏中,作為輔助作用的蒸汽泡沫驅(qū)應(yīng)用較多;而針對(duì)地層條件較為苛刻以及海上的一些油藏,強(qiáng)化泡沫驅(qū)是主要的應(yīng)用措施。