吉木薩爾頁巖油藏注氣吞吐泡沫防竄實驗研究

吳曉峰，盛家平，熊曉菲

（中國石油大學（北京）非常規(guī)油氣科學技術研究院，北京 102249）

隨著國際油氣資源形勢的不斷變革，各國積極參與和深入研究非常規(guī)能源，2008 年威利斯頓盆地Bakken 致密油實現(xiàn)規(guī)?；_發(fā)，強力逆轉了北美石油產(chǎn)量持續(xù)走低的趨勢［1］。中國的頁巖油、頁巖氣等非常規(guī)油氣資源的開發(fā)潛力巨大［2-3］，探究其開發(fā)方式顯得尤為重要。中國頁巖油氣資源量豐富，以準噶爾盆地吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組頁巖油勘探效果最為顯著［4-7］。吉木薩爾頁巖油儲層物性差，屬于特低滲透儲層，納米級孔喉占比大，以微細孔喉為主，排驅壓力平均約為4 MPa，滲流條件偏差，不壓裂無產(chǎn)能。開發(fā)試驗初見成效，水平井大規(guī)模壓裂后產(chǎn)能遞減快，采收率一般低于5%，提高采收率潛力巨大。

對于頁巖油藏，氣驅和注氣吞吐是提高其采收率手段。SHENG 對頁巖儲層進行注氣與注水對比，發(fā)現(xiàn)氣驅波及體積遠大于水驅，提出頁巖儲層中注氣提高采收率方法的主要機理是維持壓力，而注氣吞吐具有最高的產(chǎn)油潛力［8］。由于頁巖油藏儲層的特殊性，常規(guī)的開采方式及評價標準等并不適用，主要的開發(fā)方式建立在儲層壓裂改造之后，而壓裂技術會形成大量的壓裂裂縫，與此同時，頁巖油藏普遍發(fā)育不同開度的天然裂縫，水力壓裂過程中較高的壓力在形成人工裂縫的同時會使部分天然裂縫打開。在某些程度上，裂縫對儲層滲透率及產(chǎn)能的貢獻明顯［9］。張樹翠等開展了頁巖儲層非均質性及各向異性影響水力壓裂裂紋擴展規(guī)律的研究［10］?？紤]到頁巖油基質物性差，為實現(xiàn)基質孔隙原油的充分動用［11］，目前頁巖油藏井距一般為100～200 m，壓裂規(guī)模越來越大，鄰井之間縫網(wǎng)交錯疊置，造成注入氣體很容易沿著裂縫竄逸，氣體遇到裂縫后主要沿裂縫流動對基質中的原油動用程度低，一旦形成氣竄，注入壓力增幅減緩，注氣體積增大，造成注入氣體的浪費，導致氣體無效循環(huán)，甚至會影響到鄰井生產(chǎn)，嚴重降低了開發(fā)效果［12］。

泡沫是一種氣液兩相體系，具有“堵大不堵小、堵水不堵油”的選擇性封堵性能，以及擴大宏觀掃油面積和微觀波及體積、提高洗油效率等作用機理［13-15］。1956 年，F(xiàn)RIED 最早通過室內(nèi)泡沫驅研究以及現(xiàn)場試驗應用，發(fā)現(xiàn)泡沫能迅速降低氣相相對滲透率，延緩了氣體的突破，進而提高原油采收率［16］。之后的幾十年里，外國學者先后開展了空氣泡沫、氮氣泡沫、二氧化碳泡沫等室內(nèi)實驗和礦場應用評價。ROMERO 等進行了孔隙尺度的可視化實驗，研究了泡沫在多孔介質中的流動［17］。DI等使用納米二氧化碳開展二氧化碳泡沫驅油研究，大幅度提升了原油采收率［18］。SINGH 等采用共同注入的方式將發(fā)泡劑和氮氣注入Berea 砂巖，形成了納米顆?！砻婊钚詣┡菽?9］。中國學者對泡沫在油田開發(fā)中的應用研究愈加細致。王玉斗等對泡沫滲流機理及其模型的研究［20］。張作安概述了泡沫驅油的驅油機理，并提出了泡沫驅油的發(fā)展方向［21］。杜朝鋒等就長慶油田低滲透油藏開展室內(nèi)實驗，原油采收率提高了6.85%［22］。萬雪對泡沫的氣液比和段塞組合進行了優(yōu)化［23］。李松巖等提出超臨界CO2泡沫能有效增加裂縫中的滲流阻力，控制流體在裂縫中的竄流［24］。鄒高峰等開展了低界面張力的超微CO2泡沫的制備方式優(yōu)選［25］。劉雙星等考察了氣泡粒徑對驅油用泡沫體系的穩(wěn)定性和在多孔介質中滲流特征的影響［26］。HAO 等提出將N2泡沫用于非均質邊水油藏來解決CO2吞吐開采過程中的水竄問題［27］。

目前對于頁巖油藏中應用泡沫來解決注氣吞吐中的氣竄問題仍鮮有關注，為此筆者選取吉木薩爾頁巖油藏巖心，在對頁巖巖心進行注氣吞吐開采的基礎上，基于巖心尺度研究了裂縫巖心在注氣吞吐過程中的氣竄規(guī)律，將泡沫注入裂縫巖心，探究其在裂縫巖心中抑制氣竄的作用效果，以明確頁巖油藏注氣吞吐過程中泡沫防竄封堵能力，并分析了其對裂縫性頁巖油藏的提高采收率潛力。

1 實驗器材與方法

1.1 材料與儀器

實驗材料包括陰離子起泡劑α-烯烴磺酸鈉（AOS，艾科試劑有限公司生產(chǎn)）、十二烷基苯基磺酸鈉（SDBS，麥克林試劑有限公司生產(chǎn)）和十二烷基硫酸鈉（SDS，麥克林試劑有限公司生產(chǎn)），陽離子起泡劑為十六烷基三甲基溴化銨（CTAB，麥克林試劑有限公司生產(chǎn)）；實驗用水為模擬地層水，根據(jù)吉木薩爾頁巖油藏某區(qū)塊地層水組成配制；實驗用油為新疆地面脫氣原油與煤油按照一定比例配制的模擬油，其密度約為0.845 g/cm3，氣源為高純氮氣（純度＞99.9%，來自北京城信順興氣體原料銷售公司）。

實驗儀器包括XHF-DY 型高速攪拌器、ZYB-2型真空加壓飽和裝置、烘箱、METTLER-TOLEDO ME204E 型電子天平、UPUMP-100D 型恒速恒壓驅替泵、V-0.67/8 空氣壓縮機、Brooks5850E 氣體流量控制器、巖心夾持器、手搖泵、壓力傳感器和數(shù)據(jù)采集等。

實驗采用吉木薩爾頁巖油藏某區(qū)塊巖心（表1），由于實際取心時很難獲得帶有裂縫的巖心，本實驗通過線切割方式在巖心軸線位置進行切割獲得人工裂縫，將切割后的兩部分巖心合并即可獲得帶有裂縫的巖心模型。

表1 實驗用巖心參數(shù)Table1 Core parameters for experiments

1.2 實驗方法

1.2.1 起泡劑篩選實驗

針對泡沫體系性能的評價有諸多方法［28-32］，目前普遍應用Waring Blender 法來實現(xiàn)泡沫的生成和評價［33］，起泡劑性能主要通過起泡能力和穩(wěn)定性來進行評價，即最大起泡體積和泡沫的析液半衰期。

實驗步驟主要包括：①使用100 mL配制好的模擬地層水，將其倒入燒杯，加入定量的起泡劑，通過磁力攪拌達到充分混合，實驗用起泡劑分別為AOS，SDBS，SDS 和CATB。②打開XHF-DY 型高速攪拌器電機，設定轉速為8 000 r/min，攪拌時間為3 min，充分起泡。③攪拌結束后立即讀取泡沫的最大起泡體積，即可判斷出起泡劑的起泡能力。④同時記錄液體從泡沫中析出一半所需要的時間，即泡沫的析液半衰期，就可以判斷出泡沫的穩(wěn)定性。⑤換不同濃度的其余試劑重復上述過程。

考慮泡沫起泡能力和析液半衰期對泡沫性能的綜合影響，引入泡沫的綜合指數(shù)FCI［34］概念，其計算公式為：

1.2.2 裂縫巖心氣竄實驗

實驗步驟主要包括：①選用長度分別約為50和100 mm 的2 種裂縫巖心（Y-1 和Y-2）進行對比，將其放在80 ℃的烘箱中烘干6 h。②將烘干后的巖心裝入巖心夾持器，為了減小巖心夾持器中裂縫位置的影響，放置巖心時確保人工裂縫的斷面保持水平，通過手搖泵施加圍壓，圍壓設定為10 MPa。③在巖心夾持器左端連接Brooks5850E 氣體流量控制器來控制注氣速度，設定范圍為0.5～4 mL/min。④巖心夾持器兩端連接壓力傳感器來記錄巖心兩端壓差，通過對比不同長度、不同注氣速度下的巖心壓差曲線，來探究裂縫巖心的氣竄規(guī)律。實驗裝置如圖1所示。

圖1 裂縫巖心氣竄規(guī)律實驗裝置Fig.1 Experimental device for gas channeling law in fractured cores

1.2.3 裂縫巖心泡沫封堵實驗

實驗步驟主要包括：①選用制備好的長度約為100 mm的裂縫巖心Y-3，將其放在80 ℃的烘箱中烘干6 h。②將烘干后的巖心冷卻一段時間，稱其干重，保證質量差在合理范圍。③將巖心放入ZYB-2型真空加壓飽和裝置進行抽真空（圖2），時間為8 h，抽真空結束后，對巖心進行飽和油，每隔0.5 h 加壓5 MPa，直至壓力升至30 MPa，飽和時間為48 h。④將飽和完油的巖心使用電子天平進行稱重，即濕重，保證質量差在合理范圍。⑤將巖心裝入巖心夾持器，放置巖心時確保人工裂縫的斷面保持水平，通過手搖泵施加圍壓為10 MPa。⑥在氣液的注入方式上，諸多學者認為氣液同注的方式要優(yōu)于氣液交替注入［24，35-36］，所以本實驗采用氣液同注的方式將泡沫注入裂縫巖心，注液速度為2 mL/min，注氣速度分別為1，2 和4 mL/min，從而得到不同氣液比分別為1∶2，1∶1 和2∶1，記錄巖心兩端的壓差，觀察不同氣液比下的封堵規(guī)律和效果，得到最佳氣液比（圖3）。⑦使用上述步驟得到的最佳氣液比，選用巖心Y-4 進行氣體突破實驗，得到氣體突破泡沫封堵時的壓力和時間。

圖2 真空加壓飽和裝置Fig.2 Vacuum pressure saturation device

圖3 裂縫巖心泡沫封堵規(guī)律實驗裝置Fig.3 Experimental device for foam plugging law in fractured cores

1.2.4 泡沫封堵提高采收率潛力實驗

選取巖心Y-5 和巖心Y-6，開展裂縫巖心注氣吞吐和泡沫輔助注氣吞吐對比實驗，注氣速度保持一致，泡沫通過氣液同注的方式注入裂縫巖心，注入時間為2 min，采用最佳氣液比，其余條件不變，進行5 個輪次的注氣吞吐實驗，通過對比巖心每個輪次的周期采收率和總采收率，對比沒有注入泡沫和注入泡沫后的采出程度，從而明確泡沫防竄對于頁巖注氣吞吐的提高采收率應用潛力。

2 結果分析

2.1 起泡劑篩選及穩(wěn)定性評價

對比AOS，SDBS，SDS 和CATB 等4 種起泡劑的起泡能力和穩(wěn)泡能力，由實驗結果（圖4，圖5）可知，相同條件下，4 種起泡劑的起泡體積各不相同，但均在300 mL 以上，其中SDBS 的起泡能力最好，AOS，SDS 和CATB 的起泡體積接近。4 種起泡劑的析液半衰期相差較大，其中起泡表現(xiàn)較好的SDBS析液半衰期最短，AOS 的析液半衰期較長一些，泡沫穩(wěn)定性相對較好。按照（1）式計算得出4 種起泡劑的泡沫綜合指數(shù)（圖6），綜合比較各起泡劑的性能，可以得出：質量分數(shù)為0.4%的AOS 起泡劑的泡沫穩(wěn)定性最佳，故擬采用質量分數(shù)為0.4%的AOS作為起泡劑。

圖4 起泡劑起泡體積Fig.4 Foaming volumes of foaming agents

圖5 起泡劑析液半衰期Fig.5 Half lifes of foaming agents

圖6 起泡劑泡沫綜合指數(shù)Fig.6 Composite indexes of foaming agents

2.2 裂縫巖心氣竄實驗

裂縫巖心注氣時，氣竄導致巖心兩端壓差不會持續(xù)增大，最終會存在很小的壓差。由長短裂縫巖心不同注氣速度下的巖心兩端壓差（圖7）可知，注氣速度為0.5～1 mL/min 時，長巖心和短巖心的壓差相近，但隨著注氣速度的增大，壓差差距增大；在發(fā)生氣竄時，不同長度的裂縫巖心會有不同壓差，長裂縫巖心氣竄規(guī)律更易觀察，為了更好地探究裂縫巖心泡沫封堵的效果，后續(xù)評價實驗均采用長度為100 mm的巖心。

圖7 裂縫巖心注氣時壓差對比Fig.7 Comparison between pressure differences during gas injection in fractured cores

2.3 裂縫巖心泡沫封堵實驗

在注氣階段，由于氣竄導致巖心兩端的壓差很??；注入泡沫后，對比不同氣液比下的封堵壓差，可以看出氣液比為1∶1 時封堵壓差呈線性增加，封堵壓差大于氣液比為1∶2 時的封堵壓差，且在時間為85 min 后大于氣液比為2∶1 的封堵壓差，可以獲得較好的封堵效果（圖8），所以氣液比選定為1∶1。

圖8 不同氣液比的封堵壓差Fig.8 Plugging pressure differences with different gas-liquid ratios

在沒有注入泡沫時，裂縫巖心注入氣體時間大約為18 min 時巖心兩端的壓差不再發(fā)生變化，說明氣體突破形成穩(wěn)定的氣竄通道（圖8）；在注入泡沫后，裂縫巖心兩端的壓差明顯增大，封堵壓差增至6.67 MPa，氣體突破時間為265 min（圖9），相比于形成氣竄通道的時間，氣體突破時間增加了13.72 倍，說明泡沫起到了防止氣體竄流的作用，在注氣吞吐過程中采用泡沫進行封堵具有可行性。

圖9 氣體封堵壓力和時間Fig.9 Gas plugging pressure and time

2.4 泡沫封堵提高采收率潛力實驗

從圖10 采收率結果可知，巖心Y-5 和巖心Y-6的注氣吞吐過程中，隨著輪次的進行，周期采收率逐漸遞減，其中前3 輪次的周期采收率對總采收率的貢獻較為突出。若沒有泡沫封堵，氣體沿裂縫竄流，導致注入壓力較低，巖心Y-5的前3輪周期采收率分別為4.06%，2.46%和1.33%，后2輪周期采收率越來越小，分別為0.82%和0.28%，5 輪次注氣吞吐的總采收率為僅為9.24%。當巖心Y-6 注入泡沫后，由于泡沫的封堵作用，將氣體注入裂縫后，采收率明顯提升，前3 輪次的周期采收率分別提高了3.06%，1.62%和0.95%，第4 和第5 輪次分別提高了0.3%和0.18%。由此可見，進行泡沫封堵后總采收率從9.24%增至15.82%，采收率提高了6.58%。

圖10 注氣吞吐和注氣吞吐+泡沫周期采收率對比Fig.10 Comparison of cyclic recoveries factor between huff-n-puff gas injection and huff-n-puff gas injection with foam

因此，在注氣吞吐過程中，注泡沫可有效抑制氣竄，為注入氣體進入巖心基質提供了有利條件，有效提高了裂縫性頁巖油藏注氣吞吐的采收率。

3 結論

分析裂縫對頁巖油藏注氣吞吐開發(fā)的影響，指出氣體防竄對裂縫性頁巖油藏注氣開發(fā)的必要性，在此基礎上提出將泡沫注入裂縫進行封堵，分析了泡沫防竄對裂縫性頁巖油藏采收率的影響，評價注氣吞吐中泡沫防竄的提采效果。對比各起泡劑，篩選出質量分數(shù)為0.4%的AOS起泡劑綜合性能最佳。采用氣液同注方式將泡沫注入裂縫，裂縫巖心兩端壓差增至6.67 MPa，氣體突破時間增加了13.72 倍，說明泡沫起到了防止氣體竄流的作用，在注氣吞吐過程中采用泡沫進行封堵具有可行性。泡沫封堵可有效提高頁巖油藏吞吐采收率，經(jīng)過5 個輪次的吞吐總采收率提高6.58%，說明泡沫封堵在裂縫性頁巖油藏中具有提高采收率的潛力。

符號解釋

FCI——泡沫綜合指數(shù)，mL·min；

——泡沫的析液半衰期，min；

Vmax——泡沫體系的最大起泡體積，mL。