渗透率级差对油层实际气液比的影响*

黄先科，殷庆国，李 蔺，李华斌，2，郭程飞，4

（1．成都理工大学能源学院，四川 成都 610059；2.油气藏地质及开发工程国家重点实验室（成都理工大学），四川 成都 610059；3.中国石油吐哈油田公司工程技术研究院，新疆 鄯善 838200；4.中国石化中原油田普光分公司，四川 达州 636155；5.吐哈油田勘探公司，新疆 鄯善 838200）

泡沫驱因具有原料来源广、成本低、制备容易等特点而被广泛关注。然而关于矿场泡沫驱成败的关键因素却鲜有报道，根据流度比公式可知，影响流度的主要因素为泡沫黏度，黏度越高的体系波及效率越高，驱油效果越好。在高渗层，泡沫流度小于地层原油流度时，泡沫可有效封堵高渗层，反之泡沫驱失效［1-3］。在实际地层中，泡沫体系气相和液相在多孔介质中的流速不同，地层各小层实际吸气/液量占比，并非是地表注入的理想气液比，泡沫体系达不到理想视黏度，难以封堵高渗层或者启动低渗层［4-7］。因此，为了规避笼统注入给泡沫驱带来的风险性，在同一压力系统下，笔者研究气液两相渗流特征与渗透率级差之间的关系，探讨不同渗透率级差地层对气液比的影响规律。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

起泡剂XHY-6D，有效物含量35%，成都华阳兴华化工厂；稳泡剂黄原胶XG，相对分子质量3.6×106，固含量91%，任丘市长兴石油化工有限公司；实验用水为模拟地层水，矿化度160000 mg/L，主要离子质量浓度（单位mg/L）：Ca2+7200、Na+55230、Cl-91321；气体为空气，成都天源气体制造有限公司。

DV-Ⅲ旋转黏度计，美国BROOKFIELD 公司；Mettler Toledo 分析天平，无锡市赛维商贸有限公司；电热恒温箱，上海市凯测实验设备有限公司；驱替装置：平流泵、手摇泵、压力表、中间容器、六通阀、管线等，江苏海安石油科研仪器有限公司。

1.2 实验方法

利用2 m 长、直径3.8 cm 的并联填砂管岩心开展双管驱替实验。具体实验步骤如下：

（1）利用高压自动压实装置填制平均渗透率为75.2×10-3数82.2×10-3μm2（鲁克沁地层平均渗透率）的岩心（根据不同渗透率范围，改变加砂次数及压制压力）。

（2）将填砂管高渗管置放于恒温箱顶部、低渗管置放于恒温箱底部（考虑到油层的重力分离作用以及鲁克沁油层的反韵律特征，室内试验模拟反韵律的作用非常有限）。

（3）先对每支填砂管岩心饱和地层水、饱和原油；然后进行水驱，直至并联岩心出口端无油产出时止，填砂管物理模型参数见表1。岩心出口端回压阀压力固定为20.0 MPa。按气/起泡剂溶液体积流量1∶1交替注入空气及模拟地层水。直至注采达到平衡（压力恒定或注入速度等于产出速度）驱替。

（4）记录高渗管及低渗管的产液量、产气量（入口端压力表量程确定为35.0 MPa，使驱替实验尽量模拟地层高压驱替状态。驱替速度为2.0 m/d左右，气体或水的注入速度41.0数42.0 mL/h）。实时记录不同渗透率级差岩心的气液比数据，高渗管、低渗管产液量，产气量以及高渗管进口端压力数据。

（5）驱替实验结束，综合分析高低渗管原油采收率、含油饱和度等因素，得出渗透率级差对气液比的影响规律。

表1 双管并联填砂管物理模型参数

2 结果与讨论

目前，鲁克沁试验区块实行1∶1气液比，在地表笼统注入，油层温度为80℃，对应空气黏度为0.0211 mPa·s，起泡剂溶液黏度1.899 mPa·s。室内首先进行水驱驱油实验，当水驱含水率达到98%时，使注入压力稳定在20 MPa后进行气液交替泡沫驱驱替实验，按气液体积流量比1∶1 交替注入空气及质量分数为0.1%的起泡剂溶液（0.1 PV 起泡剂+0.1 PV氮气交替注入）。注采达到平衡后（压力恒定或注入速度等于产出速度）观察不同渗透率级差的高、低渗管的产气量、产液量以及气液比变化规律。

2.1 Kmax/Kmin=3.4时的气液比变化规律

当渗透率级差为3.4 时，交替注入发泡剂溶液及气体，高低渗管产气量、产液量及气液比变化规律如图1所示。泡沫段塞注入量在0.1 PV 时，高渗管和低渗管的载液速率由0 mL/h分别上升为26.00 mL/h和14.00 mL/h，此时起泡剂溶液主要在高渗管中形成窜流通道，低渗管分流量相对较低。泡沫段塞注入量为0.15 PV 时，高渗管的载液速率为20.00 mL/h，载气速率为6.40 mL/h，高渗管瞬时气液比为0.32；而低渗管的载液速率为13.60 mL/h，低渗管未见气，泡沫体系对高渗管起到了较好的封堵调剖效果，高低渗管的载液速率差异变小。这主要是由于高渗管中起泡剂溶液与气体混合，形成了相对稳定的泡沫，渗流阻力明显增大，而低渗管由于未见气，渗流阻力增加不明显，基本不形成或只形成少量泡沫。当泡沫段塞注入量为0.20 PV 时，高渗管的载液速率为13.00 mL/h，载气速率为8.90 mL/h，高渗管瞬时气液比为0.68；而低渗管的载液速率为8.10 mL/h，低渗管开始见气，载气速率为6.90 mL/h，低渗管瞬时气液比为0.85。这是由于高低渗管渗流阻力的进一步增加，强化了泡沫体系的封堵调剖效果，造成高低渗管分流量差异进一步减小，但总体上，高渗管的分流量高于低渗管的分流量。泡沫段塞注入量为0.25 PV 时，高低渗管载气液速率趋于稳定，高渗管稳定载气速率为11.17 mL/h，稳定载液速率为13.44 mL/h，稳定气液比为0.83；低渗管稳定载气速率为6.59 mL/h，稳定载液速率为8.83 mL/h，最终稳定气液比为0.74。

图1 高低渗管产气液速率及气液比变化规律曲线（Kmax/Kmin=3.4）

2.2 Kmax/Kmin=6.2时的气液比变化规律

当渗透率级差Kmax/Kmin为6.2 时，交替注入发泡剂溶液及气体，高低渗管产气量、产液量及气液比变化规律如图2所示。泡沫段塞注入量在0.05 PV时，高渗管和低渗管的载液速率由0 mL/h分别上升为28.00 mL/h 和12.00 mL/h，此时起泡剂溶液主要在高渗管中形成窜流通道，低渗管的分流量相对较低。泡沫段塞注入量为0.15 PV 时，高渗管的载液速率为17.00 mL/h，载气速率为9.00 mL/h，高渗管瞬时气液比为0.53；而低渗管载液速率为14.00 mL/h，低渗管未见气。当泡沫段塞注入量为0.20 PV时，高渗管载液速率为16.00 mL/h，载气速率为11.00 mL/h，高渗管瞬时气液比为0.69；而低渗管的载液速率为11.00 mL/h，低渗管开始见气，载气速率为2.30 mL/h，低渗管瞬时气液比为0.21。泡沫段塞注入量为0.25 PV时，高、低渗管载气液速率趋于稳定，高渗管稳定载气速率为12.34 mL/h，稳定载液速率为15.63 mL/h，稳定气液比为0.79；而低渗管稳定载气速率为4.37 mL/h，稳定载液速率为7.66 mL/h，最终稳定气液比为0.57。

图2 高低渗管产气液速率及气液比变化规律曲线（Kmax/Kmin=6.2）

2.3 Kmax/Kmin=9.6时的气液比变化规律

当渗透率级差Kmax/Kmin为9.6 时，交替注入发泡剂溶液及气体，高低渗管产气量、产液量及气液比变化规律如图3所示。泡沫段塞注入量在0.05 PV时，高渗管和低渗管的载液速率由0 mL/h分别上升为30.00 mL/h 和10.00 mL/h，此时起泡剂溶液主要在高渗管中形成窜流通道，低渗管分流量相对较低。随着泡沫段塞中气相的注入，泡沫段塞注入量为0.15 PV 时，高渗管载液速率为20.00 mL/h，载气速率为9.30 mL/h，高渗管瞬时气液比为0.47。而低渗管载液速率为10.70 mL/h，低渗管未见气。当泡沫段塞注入量为0.20 PV 时，高渗管载液速率为15.00 mL/h，载气速率为14.30 mL/h，高渗管瞬时气液比为0.95；而低渗管载液速率为10.00 mL/h，低渗管开始见气，载气速率为8.10 mL/h，低渗管瞬时气液比为0.81。泡沫段塞注入量为0.25 PV 时，高低渗管的载气液速率趋于稳定，高渗管的稳定载气速率为14.27 mL/h，稳定载液速率为16.17 mL/h，稳定气液比为0.88；低渗管的稳定载气速率为3.83 mL/h，稳定载液速率为5.73 mL/h，最终稳定气液比为0.67。

图3 高低渗管产气液速率及气液比变化规律曲线（Kmax/Kmin=9.6）

2.4 Kmax/Kmin=14.6时的气液比变化规律

当渗透率级差为14.6 时，交替注入发泡剂溶液及气体，高低渗管产气量、产液量及气液比变化规律如图4所示。泡沫段塞注入量为0.1 PV 时，高渗管和低渗管的载液速率由0 mL/h分别上升为32.00 mL/h 和8.00 mL/h，此时起泡剂溶液主要在高渗管中形成窜流通道，而低渗管分流量相对较低。泡沫段塞注入量为0.15 PV 时，高渗管的载液速率为21.00 mL/h，载气速率为12.40 mL/h，高渗管瞬时气液比为0.59；而低渗管的载液速率为6.60 mL/h，低渗管未见气。当泡沫段塞注入量为0.20 PV 时，高渗管的载液速率为17.00 mL/h，载气速率为15.30 mL/h，高渗管的瞬时气液比为0.90；而低渗管载液速率为4.50 mL/h，低渗管开始见气，载气速率为3.20 mL/h，低渗管瞬时气液比为0.71。泡沫段塞注入量为0.25 PV时，高低渗管载气液速率趋于稳定，高渗管稳定载气速率为17.34 mL/h，稳定载液速率为17.24 mL/h，稳定气液比为1.01；低渗管稳定载气速率为2.76 mL/h，稳定载液速率为2.66 mL/h，最终稳定气液比为1.04。

图4 高低渗管产气液速率及气液比变化规律曲线（Kmax/Kmin=14.6）

2.5 Kmax/Kmin=29.6时的气液比变化规律

当渗透率级差Kmax/Kmin为29.6时，交替注入发泡剂溶液及气体，高低渗管产气量、产液量及气液比变化规律如图5所示。泡沫段塞注入量为0.05 PV时，高渗管和低渗管的载液速率由0 mL/h分别上升为36.00 mL/h和4.00 mL/h，此时起泡剂溶液主要在高渗管中形成窜流通道，而低渗管分流量相对较低。泡沫段塞注入量为0.15 PV 时，高渗管的载液速率为23.00 mL/h，载气速率为15.10 mL/h，高渗管的瞬时气液比为0.67；而低渗管的载液速率为1.90 mL/h，低渗管未见气。当泡沫段塞注入量为0.20 PV时，高渗管的载液速率为18.60 mL/h，载气速率为16.80 mL/h，高渗管瞬时气液比为0.90；而低渗管载液速率为0.80 mL/h，低渗管开始见气，载气速率为3.80 mL/h，低渗管瞬时气液比为4.75。泡沫段塞注入量为0.25 PV时，高低渗管载气液速率趋于稳定，高渗管的稳定载气速率为19.11 mL/h，稳定载的液速率为17.63 mL/h，稳定气液比为1.08；低渗管的稳定载气速率为2.37 mL/h，稳定载液速率为0.89 mL/h，最终稳定气液比为2.66。

图5 高低渗管产气液速率及气液比变化规律曲线（Kmax/Kmin=29.6）

2.6 Kmax/Kmin=38.4时的气液比变化规律

当渗透率级差Kmax/Kmin为38.4时，交替注入发泡剂溶液及气体，高低渗管产气量、产液量及气液比变化规律如图6所示。泡沫段塞注入量为0.1 PV时，高渗管和低渗管的载液速率由0 mL/h分别上升为38.00 mL/h和2.00 mL/h，此时起泡剂溶液主要在高渗管中形成窜流通道，而低渗管分流量相对较低。泡沫段塞注入量为0.15 PV 时，高渗管的载液速率为23.00 mL/h，载气速率为15.10 mL/h，高渗管的瞬时气液比为0.66。而低渗管载液速率为1.90 mL/h，低渗管未见气。当泡沫段塞注入量为0.20 PV时，高渗管的载液速率为20.00 mL/h，载气速率为18.70 mL/h，高渗管的瞬时气液比为0.94；而低渗管的载液速率为0.60 mL/h，低渗管开始见气，载气速率为0.70 mL/h，低渗管瞬时气液比为1.17。泡沫段塞注入量为0.25 PV 时，高低渗管的载气液速率趋于稳定，高渗管的稳定载气速率为19.76 mL/h，稳定载液速率为18.25 mL/h，稳定气液比为1.08；低渗管稳定载气速率为1.75 mL/h，稳定载液速率为0.24 mL/h，最终稳定气液比为7.29。

图6 高低渗管产气液速率及气液比变化规律曲线（Kmax/Kmin=38.4）

2.7 Kmax/Kmin=88.3时的气液比变化规律

当渗透率级差Kmax/Kmin为88.3时，交替注入发泡剂溶液及气体，高低渗管产气量、产液量及气液比变化规律如图7所示。泡沫段塞注入量为0.05 PV时，高渗管和低渗管的载液速率由0 mL/h分别上升为38.00 mL/h和2.00 mL/h，此时起泡剂溶液主要在高渗管中形成窜流通道，而低渗管分流量相对较低。泡沫段塞注入量为0.15 PV 时，高渗管的载液速率为23.00 mL/h，载气速率为16.10 mL/h，高渗管的瞬时气液比为0.70；而低渗管的载液速率为0.90 mL/h，低渗管未见气。当泡沫段塞注入量为0.20 PV 时，高渗管的载液速率为20.00 mL/h，载气速率为18.10 mL/h，高渗管的瞬时气液比为0.90；而低渗管的载液速率为0.10 mL/h，低渗管开始见气，载气速率为1.80 mL/h，低渗管的瞬时气液比为18.00。泡沫段塞注入量为0.25 PV 时，高低渗管的载气液速率趋于稳定，高渗管的稳定载气速率为19.96 mL/h，稳定载液速率为18.32 mL/h，稳定气液比为1.09；低渗管的稳定载气速率为1.68 mL/h，稳定载液速率为0.04 mL/h，最终稳定气液比为42.00。

图7 高低渗管产气液速率及气液比变化规律曲线（Kmax/Kmin=88.3）

2.8 不同渗透率级差下气液比变化规律

不同渗透率级差的高、低渗管的稳定产气、产液速率见表2，气体流量以按气体方程换算至高压条件下的体积流量。

根据表2可得到不同渗透率级差的高、低渗管的实际气液比变化曲线（图8），同时，当达到注采平衡时，相较于注入压力，高、低渗管泡沫驱的封堵压差变化如图9所示。

当渗透率级差在1.0数14.6 的范围内，随着级差的增大，高渗管的载气速率和载液速率增高，而低渗管的载气速率和载液速率降低，但变化幅度相对不大。当渗透率级差在14.6数38.4 的范围内，随着渗透率级差的增大，高渗管的载气速率和载液速率急剧上升，而低渗管的载液速率和载气速率急剧下降。当渗透率级差在38.4数88.3 的范围内，随着级差的增大，高渗管、低渗管的载液速率、载气速率的上升幅度和下降幅度均较为缓慢，在渗透率级差为88.3时，大量的气、液沿着高渗层流动，低渗层载气速率仅为1.68 mL/h，载液速率仅为0.04 mL/h，此时，低渗层处于泡沫驱启动极限，产生严重的所谓“气走气路、水走水路”的现象。

图8 高低渗管产气液速率及气液比变化规律曲线

图9 高低渗管产气液速率及气液比变化规律曲线

当渗透率级差在1.0数14.6 的范围内，油层相对均匀，高渗管的气液比先下降至0.79再缓慢上升至1.01，变化幅度不大；而低渗管的气液比先下降至0.57，再上升至1.04。当渗透率级差在1.0数8.2 的范围内，高渗管内气液两相在岩石的剪切作用下生成高黏度的泡沫体系，封堵压力大于水驱压力，有效封堵高渗层，从而改善地层非均质性；低渗管的气液比由0.96下降至0.66，载气液量占比由0.5下降至0.3。虽然低渗管实际气液比偏离理想气液比，导致泡沫液膜强度下降，但低渗管的相对吸水及吸气量较为理想，能形成理想的泡沫数量从而启动低渗层，低渗管封堵压力由31.40 MPa 下降至25.20 MPa，此时，泡沫驱启动低渗层，气液两相生成泡沫，在孔喉中收缩、扩张以及卡断变形来剥离油膜，从而提高低渗层的采收率。当渗透率级差在8.2数14.6的范围内，低渗管的气液比由0.66上升到1.04，低渗管实际气液比虽然接近理想气液比，但相对吸液及吸气量不尽理想，远远低于高渗管，仅为0.14，此时，低渗管的封堵压力差进一步降低，由25.20 MPa 下降至23.40 MPa，低于注入压力。这表明低渗管的载气液量过低，导致泡沫数量变少，再加上泡沫遇油消泡的特性，起泡剂分子大量进入原油中，降低油水界面张力，提高低渗层的采收率［8-10］。

表2 高低渗管稳定载气液速率及实际气液比数据

当渗透率级差在14.6数38.4 的范围内，随着级差的增大，非均质性变得更为严重，高渗管的气液比由1.04 上升至1.01，载气液量占比由0.86 上升至0.95，大量气、液沿着高渗层流动，尽管高渗管泡沫体系的黏度较高，但已不能理想地改善吸水及吸气剖面，低渗管载气液量占比由0.14 下降至0.08，同时，由于气相较于液相，流速不同，气相优先进入低渗层，气液比由1.04上升至7.29，严重偏离理想气液比1∶1，初步产生“气走气路，液走液路”现象，导致泡沫稳定性极差，低渗管压力差进一步下降，此时，主要依靠起泡剂溶液降低界面张力的特性，提高低渗管的采收率。

当渗透率级差在38.4数88.3 的范围内，高黏度的泡沫体系已经不能有效封堵高渗透率层，高渗管封堵压力差进一步下降，大量的水、气沿着高渗层流动，低渗层载气液量占比由0.08下降至0.04，气液比由7.29上升至42.00，低渗层吸气量仅为1.68 mL/h，吸水量为0.04 mL/h，低渗管产生明显的“气走气路，液走液路”现象，此时，低渗管由于载气液量过低，几乎只吸气，不吸液，泡沫驱难以启动低渗层位，主要提高高渗层的驱油效率，进而提高采收率。

泡沫驱结束后，高低渗管泡沫驱提高采收率结果见表3。由表3可知，当渗透率级差在1.0数14.6的范围内，渗透率级差较低，油层相对均匀，此时泡沫体系的较高黏度及较好的封堵性，对于调整高低渗管的吸液、吸气能力的作用及效果能充分体现，泡沫驱能有效启动低渗层，提高低渗层采收率，超过2.30%。当渗透率级差在14.6数38.4 的范围内，尽管泡沫体系的黏度及封堵率较高，但注入的大量起泡剂溶液及气体进入高渗层，主要提高高渗层的洗油效率，进一步提高高渗层采收率，而低渗层由于载气液量过低，气液比严重失衡，开始出现“气走气路，液走液路”现象，主要由起泡剂溶液降低界面张力来提高采收率，泡沫驱效果变差，当渗透率级差在38.4数88.3的范围内，明显出现“气走气路，液走液路”现象，难以提高低渗层采收率，仅为0.40%，泡沫驱相对于低渗层位失效。

表3 泡沫驱油、高低渗管提高采收率数据

3 结论

鲁克沁试验区块平均渗透率为75.64×10-3μm2，通过研究油层渗透率级差对油层气液比的实际影响，探讨空气泡沫驱在该条件下“气走气路、水走水路”的反应特征，详细分析、讨论其地下形成泡沫情况以及“气走气路、水走水路”是否存在或存在的程度。在渗透率极差在1数14.6 的范围内，低渗管层能形成足量泡沫，有效启动低渗层位；在渗透率极差在14.6数38.4 的范围内，低渗层载气液量占比明显下降，气液比开始偏离理想气液比，出现“气走气路、水走水路”现象，此时，主要依靠起泡剂溶液降低界面张力提高低渗层采收率；在渗透率极差在38.4数88.3 的范围内，明显出现“气走气路、水走水路”现象，再加上载气液量占比极低，泡沫驱难以启动低渗层位。