复合泡沫体系驱油研究.docx

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复合泡沫体系驱油研究

摘要

大庆油田已进入高含水开发期，注水开发的平均采收率40%计算，还有60%的剩余油有待于用注水开发技术以外的其他技术开采。

开展有效的三次采油技术研究是延长大庆油田开发期，确保油田稳产的需要。

经过“七五”、“八五”攻关，聚合物驱油技术具备了工业化应用的配套能力，三元复合驱也取得了一定效果。

尽管如此，仍有40~50%的剩余油留在地下。

为了挖掘这部分潜力，必须研究比聚合物驱和三元复合驱更好的三次采油方法。

泡沫流体应用于油田，在国内外已有30多年的历史，作为一门新兴技术，泡沫在驱油、含水气井的排水采气、冲砂洗井、钻井、调剖、堵水、酸化、水泥固井及压裂等油气田开发中的诸多方面获得了长足的发展，并取得了肯定的效果。

其流体的组成形式也由单一的（表活剂+气）型发展成（表活剂+聚合物+气）、（表活剂+聚合物，蒸汽）、（表活剂+凝胶+气）和（表活剂+碱+聚合物+气）等多种形式。

进入80年代以来，我国油田泡沫流体应用技术有了重大突破。

大量实践表明，泡沫流体是保护油层、防止油层污染、提高油气产量的重要手段。

泡沫复合驱是在多元复合驱基础上发展起来的，即在注三元体系时，加入天然气产生泡沫，最大限度地提高波及体积，从而可大幅度地提高原油采收率。

本文着重研究泡沫复合体系在非均质岩心上的物理模拟实验，考虑了气液比、驱替速度、岩心渗透率变异系数、原油粘度、体系剪切对泡沫复合体系驱油效果的影响。

研究结果表明：

泡沫复合驱采收率随气液比、驱替速度的增加而增加；当气液比一定时，在Vk=0.6～0.8范围内，随着变异系数的增大，泡沫复合驱在聚驱基础上提高采收率幅度增加，在渗透率变异系数达0.72时其提高采收率幅度最大，表明泡沫体系对非均质油层具有选择性。

通过室内驱油物理模拟实验结果表明泡沫复合体系可大幅度提高原油采收率，在聚驱基础上提高15%-20%。

泡沫复合驱是在三元复合驱和常规泡沫驱基础上发展起来的一项新的三次采油技术，该方法集中了三元复合驱和普通泡沫驱的双重优点，因而提高采收率的幅度很大，有广阔的发展前景。

关键词：

复合泡沫体系驱油；采收率；发泡特性；泡沫稳定性；超低界面张力

Abstract

TheDaqingoilfieldhasbeenonahighwater-cutdevelopmentperiodnow,theaveragewaterdriverecoveryefficiencyis40%OOIP,andthereis60%OOIPleftwhichcanbeusedforotherkindofdevelopmentmethodtoproduce.Studyingthetertiaryrecoverycannotonlyprolongthedevelopmentperiod,butalsocansatisfytherequestofstableproduction.ThroughNationalKeytechnologyR&DProgramduringthe"SeventhandeighthFive-YearPlanPeriod"，polymerfloodingalreadyhastherelatedabilityofindustryapplying,andtheASP-floodinghashadagoodeffect.Nevertheless,thereis40-50%leftinoilreservoir.Inordertodrivethispartofoiloutofthereservoir,weneedtofindanothertertiaryrecoverymethodwhichisbetterthanpolymerfloodingandASP-flooding.Foamfluidwasusedinoilfieldfor30years,asanewtechnology,foamhasachievedrapiddevelopmentandbornegoodresultsinoilfielddevelopment,suchasdrive,drainagegasrecoveryinwater-bearinggaswells,sand-flushing,drilling,profilecontrolandwatershutoff,acidification,cementslurrycementingandfracturingetc.Thecompositionsoffoamfluidaresurfactantandgasatfirst,andthenitbecomesthecompositionsofsurfactant+polymer+gas,orsurfactant+polymer+steam,orsurfactant+gel+gas,orsurfactant+polymer+gas.Fromthe1980s,foamfluidapplicationtechnologyhashadmajorbreakthroughsintheoilfieldsofourcountry.Plentyofpracticeshavesuggestedthatfoamfluidisaimportantmeansforreservoirprotection,preventionofformationdamageandenhancetheproductionofgasandoil.FoamcompositefloodingisatechnologywhichcompoundstheASPandgastoproducefoam,soitcanultimatelyenhancesweptvolume,andcandrasticallyenhanceoilrecovery.Alsoitdevelopedfromcombinationflooding.

ThispaperemphasizesonthelaboratoryphysicalsimulationexperimentonHeterogeneousCorestoresearchfoamcompositesystem,andconsidersgas-liquid-ratio,displacementrate,permeabilitymodulus,crudeoilviscosity,shearingforce’seffectonfoamcompositeflooding.Theresearchresultsmanifestthatfoamcompositefloodingrecoveryisincreasingasgas-liquid-ratioanddisplacementvelocityincreasing;whengas-liquid-ratioisdetermined,whenpermeabilitymodulusisbetween0.6and0.8,therangeofrecoveryincreasesaspermeabilitymodulusisalsoincreasing.Whenpermeabilitymodulusis0.72,therangeofenhancedoilrecoveryreachesthemaximum,thismanifestfoamsystemhasselectivitytoheterogeneousreservoir.Theresultsofthelaboratoryphysicalsimulationexperimentmanifestthatfoamcompositefloodingcanenhanceoilrecoveryonalargescale,itcanincrease9%to15%OOIPafterpolymerflooding.FoamcompositefloodingisanewtertiaryoilrecoverytechnologywhichdevelopedfromtheASP-floodingandfoamflooding,thistechnologyhasmeritsofbothASPfloodingandfoamflooding,soitcanenhanceoilrecoveryonalargescaleandhasaextensivedevelopmentprospect.

Keywords:

Foamcompositeflooding;recovery;foamingbehavior;foamstability;ultralowinterfacialtension

目录

第1章前言1

1.1本文研究的目的和意义1

1.2复合泡沫体系国内外发展及其研究现状1

1.3本文的研究内容4

1.4复合泡沫体系微观驱油机理5

1.5泡沫的基本性质7

第2章起泡剂的筛选14

2.1实验方法14

2.2实验仪器14

2.3实验步骤14

2.4实验结果与分析15

第3章复合泡沫体系影响因素研究18

3.1气液比对泡沫起泡能力的影响18

3.2发泡剂浓度对泡沫起泡能力的影响20

3.3水质矿化度对泡沫起泡能力的影响21

3.4稳泡剂对泡沫起泡能力的影响22

第4章复合泡沫体系渗流特性研究24

4.1岩心渗流实验条件与步骤24

4.2实验结果与分析25

4.3长填砂管复合泡沫体系渗流稳定性研究27

第5章复合泡沫体系驱油效果研究30

5.1实验条件与步骤30

5.2实验结果与分析31

结论37

参考文献38

致谢40

第1章前言

1.1本文研究的目的和意义

流体通过多孔介质的流动称为渗流。

渗流的三大要素包括多孔介质、流体和渗流环境，其中任何一项要素的改变都将会引起渗流规律的变化。

在油田开发过程中，驱油体系不同引起注入流体的变化，因此不同驱油体系对渗流过程影响不同，导致油田提高采收率就不同。

研究新的注入体系驱油机理是科技工作者提高油田开发水平的责任，更是满足国民经济不断增长对能源的需要。

在国内应用聚合物驱油规模最大的是大庆油田，目前新的三次采油技术强碱三元复合驱应用于4个区块工业生产，开始取得一定效果。

尽管如此，仍有40~50%的剩余油残留地下[1-3]。

油田开发面临日趋严峻的挑战，提高石油采收率技术需求越来越迫切，为了挖掘这部分剩余潜力，必须不断研究三次采油新方法新技术。

泡沫流体应用于油田，在国内外已有30多年的历史[4]，作为一门新兴技术，泡沫在驱油、含水气井的排水采气、冲砂洗井、钻井、调剖、堵水、酸化、水泥固井及压裂等油气田开发中的诸多方面获得了长足的发展，并取得了肯定的效果。

其流体的组成形式也由单一的表面活性剂+气型发展成表面活性剂+聚合物+气、表面活性剂+聚合物+蒸汽、表面活性剂+凝胶+气和表面活性剂+碱+聚合物+气等多种形式[5-6]。

进入20世纪80年代以来，油田泡沫流体的应用技术有了重大突破。

大量实践表明，泡沫流体是保护油层、防止油层污染、提高油气产量的重要手段。

在提高石油采收率的研究中，近年来泡沫驱以其独特的渗流和驱油性能越来越受到人们的重视。

一方面，由于泡沫视粘度较大，可以明显改善水油流度比，大大提高宏观波及体积；另一方面，由于界面张力的降低，可以减小残余油饱和度，提高微观驱油效率。

因此，泡沫驱是一种比较有发展前景的三次采油技术[7-9]。

大量室内实验结果表明，泡沫驱可以在聚驱之后提高原油采收率20%左右，成为三次采油新的希望。

1.2复合泡沫体系国内外发展及其研究现状

Fried[1]是最早研究采用泡沫在提高采收率方面增加驱油效率的研究人员。

他的研究指出：

泡沫引起气相相对渗透率迅速降低，进而延缓了气体的突破。

泡沫法提高采收率主要归功于气体渗透率的降低。

他注意到表面活性剂增加了残留气体的饱和度。

其观察表明，气体相对渗透率并非饱和度的单值函数，当阻止流动的界面张力增加时，曲线向左移动，表明了泡沫流动阻力随表面恬性剂浓度的增加而增大。

因此，气体有效渗透率也是一个表面活性剂浓度的多值函数，因此可以认为气体有效渗透率取决于表面张力和表面粘滞力。

他承认弱的泡沫能封阻气流的事实。

在弱泡沫的情况下，他观察到泡沫不断地破灭和再生。

Heller[2-3]等人做了CO2泡沫高温高压驱替实验，发现泡沫流动并不是恒定的流速。

速度越高，流动性增加；表面活性剂浓度增加，泡沫流动性下降，而提高泡沫质量，流动性只稍微下降。

Bond和Bernard[4]将泡沫流动描述为泡沫中液、气的部分流过，主张只有余下的表面活性剂才能以自由相流动。

他们总结说，液体流过孔隙介质是从固定通道运移的，而与泡沫是否存在无关，并且这些通道完全取决于液体饱和度。

这一结论是以Chatenaver的孔道流体理论为基础的。

1958年，Bond等人发表了世界上第一份泡沫驱油的专利。

1963年，Bernard[5-7]在实验室中发现当有泡沫存在时，气驱效果增强。

实验表明，泡沫作为驱替剂，在只含水的松散砂中非常有效；而在只含油的松散砂中却不十分有效；当松散砂含水含油时，泡沫的作用介于两者之间。

初步研究表明，泡沫能提高气驱采油过程中的波及体积，囚为它选择性地降低了油藏中的气体渗透率。

Kolb认为大部分气体被圈闭在孔隙介质中，仅有少部分气体成为游离气体，游离气体可用达西定理描述。

1965年，Bernard[8]等人证明了用泡沫驱油可从线性层状岩心中采收到比传统注水法更多的原油，泡沫形成了圈闭气的高饱和，并间接形成了一个较低的水相渗透率。

而含油含水系统的圈闭气饱和度较只含水系统的要低。

他们表明气体以非连续相流动，油水以游离相流动。

他们得出结论：

无论泡沫是否存在于系统中，对于给定液体饱和度，水的相对渗透率是一样的。

他们重要的发现之一就是：

即使注人0.1－0.5PV的水，泡沫在无表面活性剂水通道中也不会破灭。

1966年，Marsden和Khan[9]认为泡沫的组成部分是同时流过孔隙介质的通道的。

他们的结论同时表明，随着质量提高，泡沫流动性下降。

当然，随着孔隙介质绝对渗透率的下降，流动性下降率也越低；随着表面活性剂浓度的增大，泡沫的表观粘度也增加．Holm不同意这个观测结果，他做了流体实验和目视的研究，以观察孔隙介质存在泡沫时气、液流动机理。

他记录说，泡沫流过多孔介质时不像是做为一个整体。

相反，组成泡沫的气体和液体将分离，泡沫膜破灭，然后重新形成。

当有足够泡沫存在时，泡沫前气体流动停止，液体流动减缓。

因此他认为，驱动泡沫通过油藏是不可行的，但泡沫能通过减缓和阻隔高渗透率层的流动，进而改善非均质油藏注液过程的驱替状况，他观察到质量提高，泡沫的流动性也增强。

他报告说气体不能以连续相流动。

Wang[10]研究了CO2泡沫的驱替效果。

结果表明压力增加，泡沫稳定性增强，而温度增加，泡沫稳定性下降，他总结出无论是原地还是外部产生的CO2泡沫，在与原油接触时，都易于迅速破灭。

进而，他建议只要在注入地层利用泡沫堵塞可渗透层或通道，结果石油采收率都会提高，他还发现超高浓度的表面活性剂形成泡沫遮挡，因此降低了波及效率。

Holm[11]报导了泡沫在选择性堵塞高渗透率通道上的成功应用，继泡沫之后注入气（而非水）会使泡沫堵塞效果更佳。

尽管Bernard等人曾记载过在多次试验中孔隙系统渗透率减至其初始值的10%-15%，但Holm确认为泡沫层下的水会冲淡泡沫溶液，并将它冲掉。

他还认为，当通道的渗透率高时，泡沫的堵塞效果最好。

美国联合石油公司于1965年进行了泡沫驱油室内研究，如圣•兰西斯科实验室的研究结果表明，将泡沫注入油层，可将最后残余油饱和度降到油层孔隙体积的11.8%。

该公司于l965年10月到1967年6月，在伊利诺斯州希金斯油田进行了一次矿场试验。

其结果表明，泡沫驱过程中平均水油比从15降至12，而作对比的其它区块，同期水油比从20增至28a，1976年该公司又在同一油田进行了一个小规模泡沫驱试验，约增油1.9万吨。

此外，Hudgins等人先后在泡沫的远距离推进、泡沫与轻质油的相互作用、多孔介质中泡沫的渗滤原埋、泡沫流度控制等有关机理问题上进行了研究。

我国科技人员从70年代初，己经开始了泡沫驱的研究。

研究内容主要集中在泡沫的稳定性、起泡剂的损失剂其抑制、泡沫驱油机理等问题上，在此基础上开展了矿场探索性试验。

国内于1965年、1971年、1980年先后在玉门、克拉玛依、大庆三个油田进行过矿场试验。

在辽河油田稠油蒸汽吞吐试验中，也曾采用了N2泡沫驱油技术。

到目前为止，泡沫驱已从简单的气加活性剂水溶液，发展为添加多种助剂（主要是稳定剂）的增强泡沫驱，如聚合物、磷酸盐等，都是很好的稳定剂。

以上这些泡沫驱只是普通的活性水加入气体。

1971年至1973年6月，新疆克拉玛依油田在六区检8井组进行试验，采用反七点法井网，用烷基苯磺酸钠作发泡剂，气液比为1：

1，共注入化学剂95.4t，注入泡沫后，高渗透层的吸水量下降，低渗透层的吸水量上升，见效井平均日产量增加48%，含水下降27.7%，有效期26.6个月。

共增产原油9900t，提高采收率6%-8%，这是一次比较成功的尝试。

1991年在辽河油田稠油蒸汽吞吐试验中，也曾采用了氮气泡沫驱油技术，取得了一定的成效[12-15]。

大庆油田北二东泡沫复合驱试验区于1997年2月开始泡沫复合体系的注入。

该试验区位于北二区东部北2-5排92～97井与北2-6排69～72井之间，全区共有试验井16口，其中6口为注入井，2口为生产井，8口是生产观察井。

随着气液交替周期的增加，气窜现象得到有效的控制，油层中形成了泡沫。

产液指数和含水都大幅度下降，油层中明显地形成了含油富集区。

北二东泡沫复合驱全区阶段采出程度为10.64%，中心井区阶段采出程度为10.34%。

中心井区总采出程度达到54.96%。

试验区全区于1998年9月含水降到最低点，全区8口生产井日产液482t，日产油71t，综合含水85.3%，气油比155m4/t，与见效前相比，日产液下降了222t，日产油上升了40t。

综合含水下降了10.3%。

最近，大庆油田将泡沫的调剖作用和聚合物的驱油作用相结合，组成泡沫与聚合物复合驱油体系，取得了矿场试验的成功，在水驱基础上采收率提高30%。

这种复合驱油体系可以将传统的聚合物驱采收率提高20%，比ASP驱油采收率提高10%。

这项试验的成功开创了我国EOR技术的新局面。

孤东油田稠油热采区已进入多轮次吞吐阶段，开发效果变差，高、低渗透层动用差异大，汽、水窜状况日趋严重，部分井注汽压力低，注汽效果差，导致无功采液，无效吞吐，甚至造成水淹[16]。

因此，针对此现状，进行了泡沫调剖技术研究，并在现场进行了4井次的应用试验，取得了明显效果。

措施前平均注汽压力8.8MPa，汽温290℃，措施后平均注汽压力13.3MPa，汽温320℃，与措施前相比，压力上升了4.5MPa，温度上升30℃。

4口井上轮注汽平均日产液11.8m3，日产油3.7t，含水68.7%，措施后平均日产液20.1m3，日产油10t，含水50%。

平均单井日增油6.3t，含水下降18.7%，见油时间由上周期的平均9天下降到4天，平均见油时间提前了5天，至2005年9月共累计生产268天，累计增油1688.4t，平均单井增油422.1t，见到了较好的调剖增油降水效果。

胜利油田先后在三个井组进行泡沫驱试验[17-18]，取得了良好效果：

a．胜坨油田3-5-23井组，位于坨七断块东南部，一口注入井，四口生产井。

以十二烷基苯磺酸钠作发泡剂，三聚磷酸钠为稳泡剂，空气为注入气。

注入时采用基液与空气同时注入，在井筒和地下混合发泡的形式。

自1977年9月6日~1978年1月25日，注泡沫时间4个月，以后继续注水，结果因有两口生产井层位低于注入井而无效，两口生产井层位高于注入井，效果显著，有效期长达3年。

b．草20-10-18井组，有8口生产井，日产液542t，含水90%。

在1994年8月26日~1994年9月17日的20天内，采用非连续注入方式，每天注泡沫5小时。

到1995年5月，井组增油达6000t以上，含水率明显下降，由注泡沫前的90%降至82%~85%，效果显著。

c．草20-9-13井组，同样有8口生产井。

注泡沫前，井组日产液310.1t,含水率90.9%。

以F240-B为发泡剂，注入量18t。

同样用非连续注入方式，在10天时间里，每天注入氮气10小时，截止1995年1月23日，井组日产液309.5t，日产油55.6t，含水率降为81.9%，效果显著。

目前，大庆油田三元复合驱技术已居世界领先，但是，从经济上考虑，泡沫复合驱更具优势。

而且，室内岩心实验结果表明，泡沫复合驱可比二元复合驱提高采收率约10%，更优于普通泡沫驱。

显然，泡沫复合驱集中了三元复合驱和泡沫驱的优点，将成为三次采油新的希望。

1.3本文的研究内容

为了研究复合泡沫体系驱油技术在油田聚合物驱后继续提高采收率的能力，针对泡沫在多孔介质中渗流时，在地层条件下是否稳定，需要进行高压渗流实验。

同时以往研究泡沫体系渗流能力都是在常压条件下进行的，也需要研究复合泡沫体系在地层条件下的渗流特性。

本文采用氮气作为发泡气体，通过室内发泡性能实验，优选出了具有良好泡沫性能的表面活性剂HY-3作为发泡剂，并进行复合泡沫体系影响因素研究，模拟油田高压条件下，进行复合泡沫体系渗流能力和驱油能力研究，主要研究内容如下：

1.3.1发泡剂的筛选

在45℃和常压条件下，通过气流法对10种表面活性剂进行了起泡能力和稳定性研究，并用泡沫综合指数方法进行性能评价，优选出性能较好的发泡剂。

1.3.2复合泡沫体系性能的影响因素研究

主要研究了气液比、发泡剂浓度、水质矿化度、压力、温度、稳泡剂等因素对发泡剂HY-3的起泡能力和稳定性能的影响，并测定了发泡剂在多孔介质中的吸附滞留量。

1.3.3复合泡沫体系在多孔介质中的渗流实验

采用氮气作为发泡气体，阴离子表面活性剂HY-3作为发泡剂，模拟地层温度和压力条件，利用高压泡沫装置研究了复合泡沫体系在多孔介质中的渗流特性。

主要研究了岩心类型、气液比、岩心渗透率、注入速度等因素对泡沫在多孔介质中渗流特性的影响。

1.3.4复合泡沫体系驱油实验

采用氮气作为发泡气体，阴离子表面活性剂HY-3作为发泡剂，聚合物和羧甲基纤维素纳作为稳泡剂，模拟地层温度和压力条件，利用高压泡沫装置研究了复合泡沫体系驱油效果。

主要研究了泡沫段塞组合方式、注入速度、岩心渗透率、温度等因素对复合泡沫体系驱油效果的影响。

1.4复合泡沫体系微观驱油机理

亲水、油孔隙介质内的复合泡沫体系渗流大致可以分为三个带：

（1）前沿地带这个区域的特点是复合体系及油分布较多。

在这种环境下，有