微泡沫与普通泡沫注入性及调剖能力对比

史胜龙 王业飞 温庆志

1.青岛大地新能源技术研究院 2.中国石油大学(华东)石油工程学院 3.北京大学 4.北京大学工程科学与新兴技术高精尖创新中心

由于泡沫调驱技术具有同时提高波及系数和洗油效率的特点，已成为油田开发中后期提高采收率的重要手段之一[1-2]。但由于泡沫存在注入性、稳定性差，施工成本高，无法运移至地层深部等问题，导致现场泡沫调驱效果不理想[3]。国内外研究人员以玻璃珠填制的填砂管[4]、T型微通道[5]、水力聚焦微流装置[6]作为泡沫发生器，通过改变气液流速、发泡器尺寸、温度、压力等因素制备出气泡平均直径为10～100 μm的微泡沫体系，认为微泡沫具有气泡微细、良好的稳定性和可变形性的特点，可对微观非均质模型形成一定的封堵、调剖作用，并推测微泡沫具有深部调驱的潜力。多数研究者用微观模型研究泡沫形态、直径影响因素及封堵、调剖能力[7-9]，但有关用填砂管、岩心等物模装置研究微泡沫性能的报道较少。与普通泡沫相比，微泡沫是否具有良好的注入性、能否用于油藏深部调驱还值得研究探索。因此，在之前研究的基础上[3,8]，分别以填砂管发泡器和普通泡沫发生器制备微泡沫和普通泡沫，通过多测压点长填砂管和并联填砂管对比研究了微泡沫和普通泡沫注入性和调剖能力的差异，并借助可视化非均质模型对比研究了普通泡沫和微泡沫的封堵机制及改善微观非均质能力，对微泡沫体系调驱性能提供研究基础，为油藏深部调驱探索新的途径。

1 实验部分

1.1 主要材料和仪器

(1) 主要材料：起泡剂为甜菜碱表面活性剂SL1，有效物质量分数33%，成都华阳兴华化工厂；矿化度为200 572 mg/L的模拟地层水，其中，Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-质量浓度分别为66 000 mg/L、11 000 mg/L、550 mg/L、123 022 mg/L；气体为N2，纯度99.9%(φ)，青岛天源气体公司。实验中起泡液均为2 000 mg/L的SL1溶液。

(2) 主要仪器：恒压恒速泵；高压气体质量流量计；填砂管(规格为Φ2.5 cm×30 cm，Φ2.5 cm×80 cm，长填砂管具有4个测压点，分别位于入口、距离入口25 cm、50 cm处和出口处，并用p1、p2、p3、p4表示)；两种泡沫发生器，分别为普通泡沫发生器及规格为Φ0.4 cm×15 cm填砂管发泡器，填砂管内填直径为0.125～0.150 mm玻璃珠；高温高压可视化微观模型夹持器；带有CCD的体式显微镜；两种微观模型如图1所示，分别为“线型”微观模型(白色区域为流动通道，宽度为2.5 mm)，非均质微观模型(高渗区域圆柱直径为0.48 mm，圆柱间距0.09 mm，低渗区域圆柱直径为0.16 mm，圆柱间距0.045 mm，白色区域为流动通道)。

1.2 实验方法

1.2.1微泡沫微观驱替

采用“线型”微观模型观察微泡沫与普通泡沫的微观形态，非均质微观模型研究微泡沫和普通泡沫的封堵机制和微观调剖能力，实验温度90 ℃，回压6 MPa，气液体积比1∶2，实验步骤为：①将微观模型置于高温高压可视化夹持器中；②以0.02 mL/min的流量向“线型”微观模型中注入一定孔隙体积的微泡沫或普通泡沫；③在视野内选取200个以上气泡，用显微镜观察微泡沫或普通泡沫静置0.5 h过程中形态的变化；④重复步骤①～②，将“线型”微观模型换为非均质微观模型，对比观察微泡沫和普通泡沫在模型高渗、低渗区域的波及情况，分析两种泡沫的封堵机制。

1.2.2微泡沫注入性

采用Φ2.5 cm×80 cm填砂管，实验温度90 ℃，回压6 MPa。其步骤如下：①用石英砂填制填砂管，饱和模拟地层水，测量填砂管孔隙体积；②用起泡剂溶液饱和填砂管发泡器，将气体、起泡剂溶液以1∶2的气液体积比、1 mL/min的流量同时注入填砂管发泡器产生微泡沫；③当一定孔隙体积的微泡沫注入填砂管后，再以1 mL/min的流量转后续水驱，记录驱替过程中各测压点的压力；④重复步骤①～③，将②中填砂管发泡器改成普通泡沫发生器，产生普通泡沫，对比分析微泡沫与普通泡沫的注入性。

1.2.3微泡沫调剖能力

采用渗透率级差为5左右的2根Φ2.5 cm×30 cm并联填砂管，合注分采，实验温度90 ℃，回压6 MPa，气液比1∶2。其步骤为：①以2 mL/min的流量向并联填砂管中注入1 PV模拟地层水；②以相同的速度向并联填砂管中持续注入微泡沫，记录注微泡沫过程中岩心分流量分注入孔隙体积倍数的变化，当并联岩心分流量趋于稳定后，停止实验；③重复步骤①～②，将②中注入的微泡沫改为普通泡沫，对比分析微泡沫与普通泡沫的调剖能力。

2 结果与讨论

2.1 微泡沫微观驱替

2.1.1微泡沫与普通泡沫微观形态

图2为微泡沫和普通泡沫静置不同时间的微观形态。微泡沫的平均气泡直径小于100 μm，有一定厚度的增黏水层，气泡以独立的球体、点接触的方式存在，肉眼观察，微泡沫呈白色乳状液状态。静置0.5 h后，观察视野内的气泡逐渐变大，个数减少，气泡仍保持较规则的圆球状，多数气泡的直径仍小于100 μm，体系仍呈乳状液状态，稳定性较好。随着静置时间进一步延长，微泡沫平均气泡直径大于100 μm，气泡由点接触变成面接触，微泡沫溶液由乳液状逐渐转变为泡沫状，最终转变为普通泡沫。普通泡沫发生器制备出的普通泡沫，气泡较大，液膜较薄，直径大于100 μm，气泡聚集在一起，以椭球形或多面体形存在。由于填砂管发泡器长度较大，直径较小，气体和起泡剂溶液在多孔介质中混合的剪切作用较强，混合更加充分，形成泡沫的气泡直径较小。而普通泡沫发生器的长径比较小，气液只在发泡器的环形空间内进行混合，剪切作用较弱，导致泡沫的气泡直径较大。

2.1.2微泡沫与普通泡沫微观调剖

图3为微泡沫驱替过程中微观模型前部的微观图片。注微泡沫前期，微泡沫为不连续的球形气泡，主要通过模型的高渗区域，流经模型低渗区域的气泡个数较少。这是由于微泡沫平均气泡直径小于高渗区域孔喉直径，微泡沫受高渗孔喉的约束较小，对孔喉的封堵作用较弱。因此，前期微泡沫主要波及阻力较小的高渗区域(见图3(a)、图3(b))。随着注入量的增加，多个气泡通过叠加滞留作用，在高渗区域孔喉处堆积封堵，致使微泡沫在高渗区域的流动阻力增加，多数气泡依靠“直接通过”或“弹性变形”的方式开始向模型低渗区域流动，少量气泡以“气泡陷入”方式封堵小孔喉，并呈“细纹理状”分布(见图3(c))。虽然依靠多个气泡叠加作用产生封堵作用的强度有限，高渗区域物理堆积的气泡易被冲散，但微泡沫在流动过程中会不断重复暂堵、运移的过程，使后续微泡沫由高渗孔喉向低渗孔喉发生液流转向，低渗区域的波及体积随着微泡沫注入量的增加逐渐增大。当注入3 PV微泡沫后，微观模型低渗区域的波及程度得到显著改善(见图3(d))。

普通泡沫驱替过程中模型前部的微观图片见图4。与注微泡沫相比，普通泡沫在高、低渗区域的运移速率较为一致，在相同泡沫注入量条件下，普通泡沫封堵能力较强，微观调剖效果较好。这是由于普通泡沫的平均气泡直径大于高渗区域孔喉直径，气泡变形通过孔喉时的流动阻力较大，具有更强抵抗后续流体冲刷的能力，在高渗区域产生的贾敏效应进一步增强，使后续进入低渗小孔喉的气泡个数增多，波及效果更好。

2.2 微泡沫注入性

借助带有多测压点的长填砂管模型(填砂管的渗透率为0.2 μm2左右)，研究微泡沫在多孔介质中的运移与分布，并与普通泡沫的注入性进行对比，结果如图5所示。注微泡沫初期，入口端压力p1迅速升高，微泡沫先在填砂管入口端形成封堵。当微泡沫注入量增加至0.3 PV、0.5 PV时，填砂管测压点p2、p3开始起压，微泡沫逐渐向地层深部运移(由于p4代表回压，故始终保持6 MPa不变)。注微泡沫结束时，填砂管沿程3段的压差分别为0.22 MPa、0.39 MPa、0.41 MPa，填砂管后部的压差最大，表明微泡沫注入性较好，在填砂管沿程的分布较为均匀，并且可在地层深部产生较好的封堵作用。后续水驱时，各测压点压力先迅速降低，然后缓慢下降，注入2 PV模拟水后，填砂管各段仍保持一定的封堵压差，表明微泡沫有较好的耐水冲洗能力。

注普通泡沫时，p1和p2的压力上升明显，且随着泡沫注入量的增加，相邻测压点压差逐渐增大。注普通泡沫结束时，填砂管沿程3段的压差分别为1.45 MPa、0.57 MPa、0.17 MPa，填砂管后部压差很小，说明普通泡沫没有在填砂管深部产生封堵，主要在填砂管的中前部起较强封堵作用。后续水驱时，各测压点压力先上升，然后以波动状降低，也表现出较好的残余封堵能力。与普通泡沫相比，微泡沫的平均气泡直径较小，其注入性和地层深部封堵能力更好。

2.3 微泡沫调剖能力

为对比微泡沫和普通泡沫的调剖能力，将渗透率极差为5的2根填砂管并联(其中高渗填砂管的渗透率为0.2 μm2左右)，模拟储层非均质性。记录微泡沫和普通泡沫注入过程高、低渗填砂管分流率随注入量的变化，结果如图6所示。水驱时，注入水主要从流动阻力较低高渗填砂管产出，低渗填砂管的分流率始终保值较小值。转注微泡沫后，由于细微气泡通过孔喉时变形产生的阻力及气泡间堆积产生的累加封堵，高渗、低渗岩心的分流量出现交点，表现出一定的调剖作用。注入普通泡沫，低渗填砂管的分流率迅速增大，当注入量为1 PV时，高、低渗填砂管的分流率曲线出现交点，继续增大注入量会出现高、低渗分流率反转现象，说明普通泡沫优先对高渗水流通道形成有效封堵，使后续流体转向进入低渗通道，有效改善非均质地层的吸水剖面。后续水驱初期，低渗填砂管的分流率高于高渗管，说明普通泡沫的耐水冲洗能力较强，可长时间保持同步分流的调剖效果，调剖能力优于微泡沫。

3 结 论

(1) 微观驱替实验中，微泡沫平均气泡直径小于高渗区域孔喉直径，气泡受孔喉的约束较小，其主要通过多个气泡叠加作用在高渗区域孔喉处形成堆积封堵，后续气泡以“直接通过”或“弹性变形”的方式流入低渗区域，少量气泡以“气泡陷入”方式封堵小孔喉，但高渗区域物理堆积的微泡沫易被冲散，导致其封堵强度较弱，调剖作用有限。 与微泡沫相比，普通泡沫的平均气泡直径大于高渗孔喉直径，气泡通过孔喉时的流动阻力较大，封堵能力较强，气泡主要通过“弹性变形”和“液膜分异”作用进入孔喉。在相同泡沫注入量条件下，普通泡沫微观调剖效果更好。

(2) 微泡沫在填砂管沿程产生的压差分布较为均匀，其注入性和深部封堵能力优于普通泡沫。

(3) 普通泡沫的耐水冲洗能力较强，可长时间保持同步分流的调剖效果，调剖能力优于微泡沫。

(4) 微泡沫具有提高高温高盐油藏采收率的潜力。

参考文献

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