空气泡沬驱油机理及注入方式.docx

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空气泡沬驱油机理及注入方式

三、泡沫与泡沫驱油

对投入开发的油藏，剩余油的分布有以下几种分布方式存在：

不连续状的油珠存在于孔隙中间部位；低渗区孔隙存在大部分未启动油；亲水岩石个别孔隙中也存在油膜状态的剩余油；亲油岩石表现粘附油。

原油采收率为波及效率与洗油效率的乘积；因此，提高采收率主要有二个途径，一是提高波及系数，主要是通过加入聚合物来减少驱替液的流度而达到目的；二是提高洗油效率，主要方法是改变岩石表面的润湿性和减少毛细管现象的不利影响，一般利用表面活性剂。

泡沫驱是提高采收率的方法中最有发展前途的三次采油方法之一，空气泡沫驱既能显著地提高波及系数，又能提高洗油效率。

1、泡沫的物理特性

①压缩性：

泡沫是由以液膜壁分开的气泡组成，泡沫总体积中气体部分体积含量称为泡沫质量，液体部分的体积含量称为泡沫湿度；通常泡沫质量的变化范围是50-99%。

若泡沫质量低于50%，这种水-气混合物的状态是液体中悬浮着气泡和没有气泡的单一流体。

由于气体的存在，这种流体可以压缩。

泡沫的液体部分本质上是不可压缩的，而气体部分是可以压缩的，所以这种流体为半压缩体。

②流变性：

泡沫是一种假塑性流体，在低剪切速率下具有很高的表观粘度，但其粘度随剪切速率的增加而降低。

在一定剪切速率下，泡沫的表观粘度随泡沫质量的增加而升高。

③稳定性：

泡沫具有十分巨大的气液界面面积，因而有较高的表面自由能。

从热力学角度看，泡沫是不稳定体系，自由能具有自发减少的倾向；导致泡沫的逐渐破灭，直至气、液完全分离；然而体系中表面活性剂的存在，大大降低了气液之问的界面张力；使泡沫具有了相对的暂时稳定性。

泡沫稳定性通常是以一定数量的泡沫样品在单位时间内的排出液量来量度的。

排出液量越多，则泡沫越不稳定。

泡沫稳定性与泡沫质量和体系中的液相粘度有关。

泡沫质量越高，泡沫稳定性越好；液相粘度增加，可增加液膜的机械强度，因而稳定性变好。

但是，如果液相粘度过高，不仅阻碍气体在液相中的分散，而且不利于活性剂分子在液膜中的移动，体系在受到物理和机械作用时，便会产生严重的降解。

这时，泡沫稳定性是随泡沫质量的升高而降低的。

④油敏性：

泡沫的油敏性反映泡沫与油类接触时的稳定性特征。

泡沫在空气中静置时，一般在30-50分钟后才能排出全部液体，而当与油类接触时，只需几分钟即可将液量全部排出。

可以说，无论用何种表面活性剂配制的泡沫，接触油类后稳定性总是降低的。

2、泡沫在多孔介质中的渗流特性

泡沫在多孔介质中渗流时表现出以下独特的渗流特性：

①泡沫在渗流时不断地破灭与再生；

泡沫在多孔介质内渗流时，并不是以连续相的形式通过介质孔隙的，而是不断地破灭与再生，气体在泡沫破灭、再生过程中向前运动，液体则通过气泡液膜网络流过孔隙介质；液体是连续相，气体是非连续相。

孔隙介质的作用像一个可变的滤器，泡沫的两相以不同的速度在孔隙介质中移动，气体比液体移动得快。

②泡沫在孔隙介质中具有很高的视粘度，视粘度随介质孔隙度的增大而升高；

泡沫在多孔介质中渗流时，其视粘度（表观粘度或有效粘度）比活性水和气体的粘度都高得多，并随介质孔隙度（或渗透率）的增大而升高。

泡沫是假塑性流体，粘度随剪切应力的增加而降低。

孔道大则流速低，剪切应力小，因而视粘度较高。

泡沫的这种特性，不利于它在大孔道中的流动，而有利于在小孔道中的流动，非常适合于非均质油层驱油。

③泡沫在含油孔隙介质中稳定性变差，并随介质含油饱和度的升高而降低；

泡沫在含油孔隙介质中的稳定性，可通过不同含油饱和度多孔介质中泡沫带的形成，泡沫的运行速度与距离，泡沫的破灭与再生情况以及压力等方面的观察来对比分析。

实验证明，随介质含油饱和度的增加，泡沫稳定性明显变差，泡沫运行距离相对缩短。

但是，驱油试验表明，进入有残余油存在的多孔介质的泡沫，在继后的水驱过程中并不很快消失，需要注入数十倍孔隙体积的水才能排尽。

这说明泡沫的稳定性足以维持到驱油过程结束。

3、泡沫驱油实验

①泡沫驱油效果

泡沫驱油直接观察：

在饱和油的平面非均质模型中，泡沫首先进入高渗透大孔道，随着注入量的增多，逐步形成堵塞，阻止泡沫进一步流入大孔道，迫使泡沫更多地进入低渗透小孔道驱油，直到泡沫进入整个岩心孔隙，此后驱动流体便能比较均匀地推进，将大小孔道（即高、低渗透率岩心）内的原油全都驱扫。

②驱油效果及原因分析

泡沫能有效地改善驱动流体在非均质油层中的流动状况（流度比），提高注入流体的波及效率，油层非均质越严重，对泡沫驱油越有利。

岩石绝对渗透率越大，泡沫液粘度越大，因为当渗透率较低时，孔隙较小，泡沫容易受挤压而破裂，因而粘度较小；在渗透率较高的介质中的泡沫能降低较强的相对气体的运移。

有泡沫时，地层的含气饱和度上升比无泡沫时慢，并且气相推进的前缘比较平缓，不易产生指进，地层的气相压力上升比较慢，注采井压力梯度比较大，这表明流动阻力大。

泡沫的粘度随着结构的变细（即泡沫密度）的变大而增大，即较小的泡沫产生较大阻力，进而产生较大的粘度。

产生上述效果的原因在于泡沫在多孔介质内的渗流特性，泡沫首先进入流动阻力较小的高渗透大孔道，由于泡沫在大孔道中流动时有较高的视粘度，流动阻力随泡沫注入量的增加面增大，当增大到超过小孔道中的流动阻力后，泡沫便越来越多地流入低渗透小孔道。

泡沫能流入小孔道的原因还有：

泡沫在小孔道中流动时视粘度低，小孔道中含油饱和度高，泡沫稳定性差。

两种因素的作用结果最终导致泡沫在高、低渗透率油层内均匀推进，波及效率扩大泡沫还具有一定洗油能力。

因而泡沫驱油能大幅度提高采收率。

4、泡沫驱油的动态特征

室内试验表明，当连续注入泡沫时，无论使用何种起泡剂，产出物的顺序都是相同的。

①气体突破

泡沫在孔隙介质中渗流时，气体比液体流动得快，泡沫前缘与原油接触后发生部分降解，可导致气体向驱替前缘突破。

②油带突破

泡沫驱油的效果主要产生在气体突破后大量原油产出的这一阶段。

③泡沫驱出共生水带

表面活性剂降低了地层水与气体之间的界面张力，使毛管力发生了变化，加之泡沫粘度高的作用，可使残余水饱和度降到低于束缚水饱和度，部分束缚水被驱替出来，在油带之后形成一个共生水带。

④泡沫带突破

泡沫带的突破，意味着驱油效果基本消失，在其后的油水同产阶段中，大量产水，产油很少。

四、空气泡沫调驱的主要机理

空气-泡沫驱提高采收率技术创造性地将空气驱和泡沫驱有机地结合起来，是一项近年来在注空气法采油和泡沫驱油技术基本上发展起来的一项三次采油新技术。

用泡沫剂作为调剖剂，空气作为驱油剂，本着“边调边驱”的原则，具有调剖和驱油的双重功能，克服了注空气驱“气窜”的缺点。

把空气作为泡沫和气驱的一种气体资源，来源充分，取之不尽，并且综合成本低，具有较强的实际应用价值。

关于空气-泡沫驱油的基理，目前在学术界的认识也是复杂的、多方面的。

但在特低温油藏这方面的经验较少。

根据下寺湾油田的实际，结合学术界对泡沫驱油基理的研究，对特低温油藏空气泡沫驱油机理探析论述。

1、提高地层能量保持地层压力，增加弹性油能量；

空气注入到油藏时，维持地层压力或提高地层压力，起到补充和保持地层能量，缓解弹性驱所造成的地层能量递减。

2、稀释降粘；

在地层压力条件下，空气能部分溶解于原油，使原油膨胀，降低原油粘度。

同时空气溶解使原油体积膨胀，膨胀油将水挤出孔隙空间，使排驱的油相相对渗透率高于吸吮时的水相相对渗透率，发生相对渗透率转换，有利于油流流动环境。

3、堵水不堵油；

泡沫具有“遇油消泡、遇水稳定”的性能，它在含油饱和度高的油层部位易溶于油，不起泡，不堵塞孔隙孔道，提高油相渗透率；而在水层中能够发泡、增粘，降低水相渗透率，从而有效地提高波及系数及驱油效率。

4、泡沫具有“堵大不堵小”的功能，即优先进入高渗透大孔道，泡沫削弱气指进作用，提高波及系数；

泡沫在多孔介质中有独特的渗流特性，其视粘度比活性水和气体的粘度都高的多，并随介质孔隙度（或渗透率）的增大而升高，泡沫是假塑性流体，粘度随剪切应力的增加而降低，泡沫遇油后稳定性降低，这些特性不利于泡沫在油层大孔道内的流动，而有利于在油层小孔道内的流动，因而它能有效地提高驱替液在非均质油层内的波及效率。

5、活性起泡剂具有洗油作用，提高驱油效率；

起泡剂本身是一种活性很强的阴离子型表面活性剂，能较大幅度降低油水界面张力，改善岩石表面润湿性，使原来呈束缚状的油通过油水乳化、液膜置换等方式成为可动油，泡沫能有效的改善驱动液体在非均质油层内的流动状况（流度比），提高注入流体的波及效率。

油层非均质越严重，对泡沫驱油越有利。

6、调剖作用；

一是泡沫对高渗透带的选择性封堵：

高渗透带阻力小，气体会优先进入，占据孔隙的大部分空间，减少液相的饱和度，从而降低液相的流动能力；二是泡沫对高含水层的选择性封堵：

泡沫对含油饱和度比较敏感，在含油饱和度低的地方，能形成稳定的强泡沫，产生有效的封堵；三是泡沫封堵后能产生液流转向作用：

在高含水层和高渗透带产生有效封堵后，注入水产生液流转向作用，扩大波及体积，提高驱油效率；四是泡沫中的气组分在气泡破裂后产生重力分异，上升到渗透率更低的，注入水难以到达的油层顶部，扩大了波及体积，提高了驱油效率。

由于空气泡沫调驱技术作用机理是多方面的和复杂性的，还需要在今后进一步研究。

五、空气-泡沫驱油的注入方式

空气泡沫驱油的注入方式有多种，注入方式与泡沫的产生方式密切相关，广义上讲，“泡沫的产生”和“泡沫的注入方式”可以互换。

泡沫产生方式常用的有以下几种：

1、在地面利用泡沫发生器产生；

2、通过管柱向下运移过程中产生；

3、在孔眼处产生，需要两根管柱，一根用来注入气体，另一根用来注入表面活性剂溶液；

4、共注入泡沫，在表面活性剂溶液和空气共同注入过程中，在孔隙介质的入口部分就地产生泡沫；在共注入过程中，表面活性剂不断地被注入或随气体和水注入（半连续注入）。

5、交替注入，通过交替注入表面活性剂溶液和空气而产生，在表面活性剂和气体交替泡沫注入过程中，当气体在油藏驱替表面活性剂溶液时产生泡沫，这种泡沫也称作“排替泡沫”，排替泡沫不仅在孔隙介质的入口部分产生，而且在流动环境下，在气体与表面活性剂侵入的任何地方接触都可产生，只要超过三种因素（表面活性剂，气体和运动）的最小临界量即可。

为了形成泡沫，充足的气体和表面活性剂需要一定程度的搅拌。

这种搅拌可通过孔隙中两相流动的剪切作用而产生，如果两种流体一种没有或不充足，那么泡沫就不能形成。

因此，为了维持泡沫，就需要连续地剪切和不断地补充表面活性剂溶液和气体，或者所形成的泡沫是长半衰期泡沫（非弹性泡沫）。

因此，要成功地利用泡沫，必须解决以下几个问题：

①泡沫是应用于生产井还是注入井；

②当泡沫用于生产井时，除非准备大量泡沫否则在目的层可能出现搅拌剪切不充分和表面活性剂供应不充足的问题，因此，长半衰期泡沫至关重要的，因为在这种情况下，维持泡沫注入能力和长距离传播并不重要；

③当泡沫用于注入井时，选择它的最关键的因素是如何保持长距离传送；

④表面活性剂的选择必须以具有代表性的原形条件下进行的室内试验为基础。

六、空气泡沫驱油的技术优势

1、空气泡沫驱油既能显著提高波及效率，又可提高驱油效率，因而它比气驱、活性水驱以及水驱等更为有效，是三次采油的一种有效方法，对于低渗透储层、正韵律储层可以大大提高采收率，比注水效果好得多。

2、空气泡沫既能提高波及系数又能提高驱油效率，在一般情况下，泡沫驱油可提高采收率1O～25%左右而且油层非均质性越严重，对泡沫驱油越有利。

3、注空气泡沫调驱油是一项富有创造性的提高采收率新技术。

空气来源广，不受地域和空间限制，气源丰富、成本低廉。

该技术充分发挥了空气驱和泡沫驱两种技术的优点。

4、注空气泡沫采油技术适用的油藏范围较广，但主要用于注水开发效果差的低渗透油藏及进入注水开发后期的各类油藏。

七、空气泡沫驱油的影响因素

1、空气中的氧气是腐蚀性的非惰性气体，在工艺上可能存在防腐问题。

2、油层存在裂缝时，如何防止气窜是一个难题。

3、当气液比低时，在多孔介质中形成的泡沫相对孤立，宏观表现为泡沫体系的封堵效果差。

气液比高时，由于很高的气体饱和度和较薄的泡沫液膜，导致泡沫稳定性下降，部分区域出现气体窜流，也影响封堵调剖性能的发挥。

4、空气泡沫、水交替驱油方式下，气水交替周期是最大的影响因素，随着气水交替注入时间的增加，驱油效率变差。

5、适当的矿化度可以降低泡沫剂分子极性基团之间的静电斥力，增加泡沫的稳定性；过高的矿化度尤其是过高的钙镁离子浓度，使泡沫剂的极性集团附近形成离子团簇，大大降低了泡沫剂分子的规则排布，从而降低泡沫体系在多孔介质中封堵调剖能力。

6、注入方式，连续注入方式可以保证油层中形成的泡沫流连续推进，但消耗量过大，一般采用段塞式。

但是段塞大小及停注间隔时间要进行优选，以求得油层中泡沫流不致中断消失。

一般采用小段塞混注方式为佳。

7、空气泡沫驱油的不安全性

对伴生气油藏，空气一泡沫驱油技术中的不安全性问题一直是学术界关注的焦点。

实践也证明，注空气的整个过程存在着风险，从空气压缩机、地面管线、注入井到油藏、生产井和采油设备，每一个环节都要采取相应的安全技术措施，主要防止空气在注入及产出过程中的爆炸问题。