致密储集层空气泡沫驱模拟实验与应用

徐大融，李相方，李元生，于鹏亮，夏　俊，蒋明洁

（中国石油大学石油工程教育部重点实验室，北京102249）

致密储集层空气泡沫驱模拟实验与应用

徐大融，李相方，李元生，于鹏亮，夏俊，蒋明洁

（中国石油大学石油工程教育部重点实验室，北京102249）

致密油藏的开发主要利用储集层原始天然弹性能量，最终采收率一般低于10%.应用空气泡沫驱开发致密油藏，可以补充地层能量以达到提高最终采收率的目的。通过单管岩心和双管岩心实验，研究了空气泡沫驱在致密油藏中的流动特性和驱替效果，考虑了不同影响因素对空气泡沫驱效果的影响。得出最优气液比为3∶1，最优泡沫液段塞为0.05 PV.实例验证表明，空气泡沫驱增油效果明显，15口典型生产井注入前平均月产油198.1 t，注入后为240.0 t，增油幅度达21%；空气泡沫驱控水效果明显，注入前典型生产井平均含水率28.8%，注入后为28.9%，含水率仅增高0.1%.关键词：致密油藏；空气泡沫驱；水驱；驱油效率；提高采收率；单管岩心；双管岩心

致密油作为一种重要的非常规油气资源，自2008年在美国威灵斯顿盆地首次成功实现开发以来，其勘探开发取得了巨大进展。美国是目前全球致密油勘探开发最成功的国家，2010年美国产量突破2.5×107t，使美国持续24年的石油产量下降趋势首次得以扭转[1-5]。

致密油藏表现出储集层厚且连续、超低孔渗、高含水饱和度等特征。以美国巴肯（Bakken）油藏为例，其储集层具有以下特征：①油层分布广泛，威灵斯顿盆地横跨美国和加拿大，富含致密油的巴肯储集层在全盆地均有分布，在美国境内的覆盖范围包含了蒙大拿州局部和达科他州北部；②优质的烃源岩条件，巴肯组上段和下段都是很好的烃源岩，富含有机质，总有机碳含量大于10%，有机质成熟度处在生油窗范围内，镜质体反射率为0.6%～1.0%；③有利的储集层，巴肯组中段孔渗性相对于上段和下段具有一定的优势，能够作为优质储集层，最大厚度为26 m；④属于脆性地层，储集层脆性矿物含量40%左右，比较适合运用水力压裂进行增产改造；⑤巴肯组中段天然裂缝发育，80%的井都钻遇了天然裂缝[6-11]。

美国对致密油藏的开发主要综合利用长水平段水平井和多级封网压裂技术，并合理利用储集层的弹性能。随着技术水平的进步，逐渐形成了以提高钻完井效率为主要目标的“工厂化”开发方式，取得了良好的效果。中国致密油藏的早期开发借鉴了美国的经验，采用井工厂，立足于天然能量进行开发，在松辽盆地青山口组、准噶尔盆地芦草沟组和鄂尔多斯盆地延长组等，多数采用天然能量开发方法，并逐渐沿用类似的“工厂化”开发方式。但是开发实践表明，利用此种开发方式，均存在早期产量高，随后递减很快，经济效益不显著的问题。究其原因，国外油藏条件（如油层厚度、孔隙度、地层压力、气油比、原油黏度等）普遍要比中国油藏好，中国油藏并不具备完全沿用或照搬美国开发经验的基础[12-16]。实际上，国外也大量研究了注气、注水、注泡沫等方法提高致密油采收率，并得出一些重要认识[17-20]。

空气泡沫驱提高采收率方式在常规中高渗油藏中已经得到成功应用，只是在低渗致密油藏中的应用还不广泛。空气泡沫驱在提高油藏驱替效率、降低含水率等方面有其独特的成效。本文就致密油藏采用空气泡沫驱方式开展室内实验研究，以期评价其对致密油藏开发的适应性。

1　实验条件与步骤

（1）实验设备HX-2驱替实验装置；CBS-A程控全自动部分收集器；HXHY-1环压跟踪控制仪；100DX双缸控制泵（syringe pump）；GCS10空气压缩机；ZR-Ⅲ中间容器，压力小于70 MPa，1 000 mL；ZR-Ⅲ中间容器，压力小于50MPa，1000mL；WH-30L电子天枰。

（2）实验条件①实验温度为30℃；②实验用水为研究区（鄂尔多斯盆地延长油田长6致密油层）水样，矿化度42 896.5 mg/L，干燥空气；③实验用油为研究区脱水脱气原油油样，黏度2.5 mPa·s；④泡沫液为0.6%氟碳表面活性剂+0.2%十二烷基羟丙基磷酸酯甜菜碱（无色）+清水；⑤实验用岩心为人造岩心，岩心直径36 mm，岩心长度1 800 mm.

（3）实验步骤①将岩心负压饱和地层水24 h后，置入岩心夹持器中加压充注饱和4 h；②加压饱和脱水脱气原油，至岩心中饱和流体不再流出为止；③将饱和流体的岩心接入单管岩心驱油实验装置；④恒流量注入实验用水，记录含油饱和度随时间的变化规律；⑤达到实验要求含油饱和度后，恒流量交替注入泡沫液和干燥空气，记录含油饱和度变化规律；⑥重复步骤①和②，然后将饱和流体的岩心接入双管岩心驱油实验装置；⑦重复步骤④和⑤；⑧记录试验数据，实验结束。

2　实验数据与结果分析

2.1单管岩心空气泡沫驱实验

（1）水驱至含水率为98%后泡沫驱效果评价在30℃的条件下，将不同渗透率的岩心（1块取自致密储集层，2块取自常规储集层）以0.4 mL/min的注水速度进行水驱，至岩心产出流体含水率达到98%时改空气泡沫驱。采用注一段泡沫液再注一段空气的注采方式，气液比为3∶1.实时记录含油饱和度的变化（表1），并计算对应的驱油效率（图1）。

表1　单管岩心不同渗透率空气泡沫驱实验结果

由图1可知，水驱至含水率为98%时含油饱和度达到稳定，转注泡沫之后进一步提高了驱替效率；渗透率高的岩心，驱替效果更好。

图1　单管岩心水驱至含水率为98%后空气泡沫驱实验

水驱和空气泡沫驱的最终驱油效率都随着渗透率的增大而增大；相同渗透率条件下，水驱比空气泡沫驱的驱油效率低，实验中致密储集层空气泡沫驱效果比较明显，最终提高驱油效率达19.6%.

（2）水驱至固定含油饱和度后泡沫驱效果评价

为了获得空气泡沫驱油效率与含油饱和度的关系，在30℃的条件下，将岩心以0.4 mL/min的注水速度水驱至实验要求的含油饱和度然后交替注入泡沫液和干燥空气，岩心渗透率均低于1 mD，气液比为3∶1，随时间记录驱油效率（表2，图2）。

表2　单管岩心不同含油饱和度空气泡沫驱实验结果

从图2的变化关系可以看出，空气泡沫驱的驱油效率随着含油饱和度的增加而呈降低的趋势。分析原因认为，干燥空气与泡沫液在储集层中生成泡沫是在水相区域，油相区域泡沫含量减少，因此在水相区域封堵喉道，达到堵水不堵油的效果；随着含油饱和度的增加，泡沫在油相区域中的生泡效果变差，封堵能力降低，因此提高驱油效率的幅度随之降低。

图2　单管岩心水驱至固定含油饱和度后空气泡沫驱实验

2.2双管岩心空气泡沫驱实验

（1）储集层非均质条件下水驱至实验要求的含油饱和度后泡沫驱效果评价在30℃的温度下，以恒定速度注入实验用水，至含水率达到98%，然后交替注入泡沫液和干燥空气，气液比为3∶1，实时记录驱油效率（图3，表3）。

图3　双管岩心水驱至实验要求的含油饱和度后空气泡沫驱实验

从表3可以看出，层间非均质油藏岩心水驱驱油效率比单管岩心实验的普遍要低，说明油藏岩心中的较大孔喉对两相流动的影响较大。注入的水会首先进入大孔喉，并迅速突破出口端，因此岩心的水相相对渗透率升高，一方面导致开始产水，另一方面水相突破导致油相相对渗透率降低，产油困难。

表3　双管岩心不同渗透率级差空气泡沫驱实验结果

在层间非均质性的基础上，进一步考虑双管岩心的变异系数，对致密油藏层内非均质性进行研究。通过对不同驱替方式下驱油效率的提高，观察变异系数对驱油效率的影响。

从图4可以看出，随着变异系数的增大，即储集层非均质越来越大，水驱驱油效率降低，分析原因认为，水驱过程中，水首先进入高渗透岩心，突破后形成高渗层优势通道，低渗透岩心中的原油几乎未被驱替出来，驱替效率主要取决于高渗透岩心的驱油效率，造成水驱驱油效率比单管实验时小很多，变异系数小，驱油效率也相对较高。

（2）储集层非均质条件下水驱至固定含油饱和度后泡沫驱效果评价为了获得双管岩心空气泡沫驱油效率与含油饱和度的关系，在30℃的条件下，将岩心以0.4 mL/min的注入速度水驱，至双管岩心分别达到实验要求的含油饱和度然后进交替注入泡沫液和干燥空气，气液比为3∶1，记录驱油效率随时间的变化（表4，图5）。

从图5可以看出，含油饱和度对岩心驱油效率有一定的影响，含油饱和度越大，提高驱油效率幅度越小。

图4　双管岩心驱油效率与变异系数的关系

驱油效率随含油饱和度的增加而减小，说明泡沫较好地封堵了高渗孔隙，使低渗孔隙的波及系数增加，总体上可提高驱油效率，证明了泡沫是一种堵水而不堵油的选择性堵剂。

2.3单管岩心与双管岩心实验结果对比分析

单管岩心实验中发现，致密岩心中应用空气泡沫驱的驱油效率受到岩心渗透率的影响较大，在双管岩心实验中，渗透率级差对驱油效率的影响较大。因此推论，在实际现场应用中，渗透率的分布情况对空气泡沫驱的使用效果影响最大。在同时存在高渗和低渗通道的情况下，空气泡沫驱会优先进入高渗通道，因此水驱转空气泡沫驱的时机应在注入水完全形成水窜通道之前。

表4　双管岩心不同含油饱和度空气泡沫驱实验结果

图5　双管岩心水驱至固定含油饱和度后空气泡沫驱实验

同时，在单管岩心和双管岩心实验中都发现，水驱后转空气泡沫驱的驱油效率受到剩余油饱和度影响较小，因此水驱转空气泡沫驱的时机应在水驱达到预期效果之后，以便充分发挥不同注驱方式的作用。

3　致密油空气泡沫驱机理讨论

3.1致密储集层相对常规储集层毛细管压力作用显著

（1）致密储集层孔喉半径分布广泛采集现场实际岩心，进行压汞测试，实验设备为Micromeritics公司9320压汞仪，实验最高压力204 MPa，测量喉道半径为0.006～360 μm.实验方法和数据处理方法参照SY/T 5346—2005《岩石毛管压力曲线的测定》。

在同一口井同一深度，垂直90°横向取心，岩心基础孔渗参数如下。

1号岩心基础参数：岩心长度6.378 cm，岩心直径2.512 cm，气测渗透率0.369 mD，孔隙度7.035%．

2号岩心基础参数：岩心长度5.054 cm，岩心直径2.51 cm，气测渗透率0.162 5 mD，孔隙度5.961%.

根据压汞实验结果可知，致密岩心的实际孔喉半径分布不均匀。在同一口井同一深度所取岩心，基础孔渗参数存在明显差别；压汞曲线中，进汞饱和度和退汞饱和度虽然相近，但是所得的喉道半径分布存在明显差别（图6—图9）。

图6　1号岩心压汞实验毛细管压力曲线

图7　1号岩心压汞实验喉道半径分布曲线

广泛分布的孔喉半径，导致了致密岩心中的毛细管压力分布同样不均匀，同时由于致密油藏的狭小喉道，导致致密油藏的毛细管压力与常规油藏中存在量级差异，因此毛细管压力是致密油藏开发中不可忽略的重要影响因素。

（2）致密储集层广泛分布的孔喉尺度引起差异较大的毛细管压力由于致密油藏储集层微观非均质性导致的不同毛细管压力作用，因此在水驱过程中，储集层中的大孔隙的油首先被动用，小孔隙中的油由于毛细管压力作用，在小压差下难以动用；大孔隙中的油被水驱出之后，形成水相流动通道，严重时造成水窜，导致含水率上升。

图8　2号岩心压汞实验毛细管压力曲线

图9　2号岩心压汞实验喉道半径分布曲线

研究区主要采用不规则反九点井网，注水区采出程度达到6.9%，综合含水率高达82.4%，油藏动用程度很低，还有较大开发潜力，但是单一注水已经明显无法满足开发需求，主要原因就是现场条件下注水压差已经无法再动用储集层中较小孔隙内的原油。

（3）致密储集层差异较大的毛细管压力影响空气泡沫驱效果致密油藏应用空气泡沫驱，泡沫在水相区域内不断聚集成泡，不断增加水窜通道中的两相毛细管压力，随着水窜通道不断被气相毛细管压力封堵，迫使水相进入更为细小的孔隙中，流动阻力增大，注驱压力上升，从而动用小孔隙中的原油，最终提高采收率。由于空气泡沫驱的主要目的是封堵较大孔喉的水窜通道，主要驱油流体仍然是空气，因此并不需要注入大量的泡沫液，只需要注入足够的段塞就能够满足开发需求。

3.2致密储集层空气泡沫驱效果对气液比很敏感

在致密储集层中使用空气泡沫驱，气液比是关键的影响因素。在本实验中，由于注入量较小，岩心尺度有限，因此未发生压力过高，甚至达到实验设备上限的状况。但是在实际开发过程中，过于频繁地交替注入空气与泡沫液，将在近井地带重复形成封堵，不仅不能提高油藏的采收率，反而会提高注入压力，严重时影响生产安全。因此空气泡沫驱在使用时，应根据现场情况选取最优的气液比。

3.3致密储集层空气泡沫驱需要提供较高的注入压力

空气泡沫驱的主要提高采收率机理就是封堵已形成水窜通道的大孔隙，而后驱替小孔隙中的剩余油。因此，不管如何调节气液比，更高的注入压力都是提高采收率的必要条件。所以致密储集层中应用空气泡沫驱需要提供更高的注入压力，以满足其提高采收率的需要。

4　现场实例验证

研究区主要含油层位为三叠系延长组长6油层组。长6储集层平均孔隙度7.9%，平均渗透率0.82 mD，为特低渗储集层。孔隙类型主要为粒间孔和溶蚀孔，局部发育微裂缝。整个油藏孔隙度变异系数0.343 5，突进系数1.70，级差2.16，渗透率变异系数0.44，非均质系数1.47，突进系数6.39，级差3.86，具有较强的非均质性。

研究区2002年大规模上产，采用不规则反九点井网同步注水开发。2007年9月引进空气泡沫驱油技术，目前有注水站1座，配水间13座，注水井107口（含16口注空气、泡沫液井），水驱控制面积17.84 km2，水驱动用储量874.36×104t（其中空气泡沫驱面积1.4 km2，储量68.62×104t），动用程度53.64%.

截至2015年6月，研究区累计注入空气71394.65m3（折算到地下体积），注入泡沫液13 599.45 m3，注水123 923 m3，年采油速度为0.70%，采出程度为10.47%．

由此可见，空气泡沫驱增油效果明显。15口典型生产井注入前平均月产油198.1 t，注入后平均月产油240.0 t，增油幅度21%；空气泡沫驱控水效果明显。注入前典型生产井平均含水率28.8%，注入后平均含水率28.9%，截至目前含水率仅增高0.1%.

5　结论

（1）泡沫液和空气段塞交替的注入方式驱油效果优于直接泡沫驱。在驱替实验中，气液比为1∶1时和气液比为3∶1时的最终驱油效率较为接近，但从经济上考虑，推荐气液比为3∶1，因为交替段塞过小，形成泡沫过多，重复封堵水相通道，造成浪费。

（2）泡沫液段塞为0.05 PV的泡沫液和空气交替段塞驱油效果最好，现场施工宜采用小段塞模式，或是大段塞驱替后再进行小段塞驱替，也能进一步提高采收率。

（3）致密油藏中采用提高采收率措施的主要目标在于提高致密储集层中大孔喉的毛细管压力，迫使后续的注入流体进入更细小的孔喉中，驱替更多的原油，达到提高采收率的目的。

（4）通过室内实验证明，泡沫驱能够有效提高致密岩心的驱替效率，尤其是在水驱之后的提高驱油效率显著，在实际开发中可以作为一种后续开发方式。本次未进行裂缝性岩心的实验，泡沫驱在天然裂缝和人工裂缝油藏中的适用条件还有待进一步研究。

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（编辑叶良）

Air Foam Flooding in Tight Reservoirs:Simulation Experiment and Application

XU Darong,LI Xiangfang,LI Yuansheng,YU Pengliang,XIA Jun,JIANG Mingjie
(MOE Key Laboratory of Petroleum Engineering,China University of Petroleum,Beijing 102249,China)

The original natural elastic energy of reservoirs are main energies for tight reservoir development and the ultimate recovery fac⁃tor is generally less than 10%.Air foam flooding can replenish energy for tight reservoir development to improve the ultimate recovery fac⁃tor.Based on experiments with single⁃barreled cores and double⁃barreled cores,the paper studies flow characteristics and displacement ef⁃fect in tight reservoirs by air foam flooding,discusses the influences of different factors on the air foam flooding effect and concludes that the optimal gas⁃liquid ratio is 3:1 and the optimal size of foam liquid slug is 0.05 PV.The results show that the air foam flooding can obvi⁃ously improve oil production and good water control effect can be gained.Taking 15 typical producers as examples,the average oil produc⁃tion per month is 198.1 t and 240.0 t before and after injection,respectively,and the oil production is increased by 21%;the average water cut is 28.8%and 28.9%before and after injection,respectively,and the water cut only increases by 0.1%.

tight reservoir;air foam flooding;waterflooding;oil displacement efficiency;EOR;single⁃barreled core;double⁃barreled core

TE357.435

A

1001-3873（2016）06-0697-06

10.7657/XJPG20160612

2016-01-13

2016-05-09

陕西省科技厅重大专项（2011KTZB-04）

徐大融（1988-），男，山东聊城人，博士研究生，油气开发，（Tel）010-89732793（E-mail）darong8899@126.com