国外蒸汽泡沫驱矿场实施效果

宫宇宁，王宇豪，朱舟元

（1.中国石油 辽河油田分公司 勘探开发研究院，辽宁 盘锦 124000；2.中国石化 石油机械股份有限公司 江钻公司，武汉 430000；3.中国石油大学（北京）安全与海洋工程学院，北京 102249）

蒸汽泡沫驱主要利用耐高温起泡剂降低界面张力，使蒸汽和热水在地层中原位产生泡沫，降低气体的表观流动能力，从而达到提高蒸汽驱或蒸汽吞吐波及效率，并提高蒸汽驱采收率的目的[1]。20世纪70年代—90 年代，蒸汽泡沫驱广泛应用于北美和南美的普通稠油和超稠油油藏的蒸汽驱及蒸汽吞吐开发，其在提高采收率方面效果显著。近年来，中国蒸汽泡沫驱的室内研究、矿场试验和应用呈迅速上升趋势。因此，研究和总结国外蒸汽泡沫驱的经验对中国稠油油藏高效开发具有重要的意义。

本文分析总结了18 个国外稠油油田区块蒸汽泡沫驱的动静态数据和矿场实施效果，并从蒸汽温度、蒸汽干度、起泡剂类型、起泡剂质量分数、注入时机和起泡剂注入方式6 个方面对蒸汽泡沫驱实施效果的影响进行了分析。

1 蒸汽泡沫驱矿场实施效果

稠油油藏水驱效果不显著，只能通过蒸汽吞吐、蒸汽驱等热采的方式进行开采[2-3]。本文分析的均为蒸汽吞吐或蒸汽驱约10 a 之后转为蒸汽泡沫驱的油田区块，因此，可认为蒸汽泡沫驱是蒸汽驱或者蒸汽吞吐的接替方式。这些油田区块目的层大多埋藏较浅，为300～800 m，埋藏较深的是位于美国加州的Cat Canyon 油田，目的层埋深为1 051～1 318 m[4]；油藏地层压力一般较小，约0.6～2.0 MPa；蒸汽吞吐或蒸汽驱后蒸汽加热区地层温度较高，一般为200～300 ℃；油藏储集层均为砂岩，局部含有高孔高渗汽窜条带或低渗泥岩；储集层孔隙度较大，约30.0%；渗透率也较大，多数为500～2 000 mD；原油均为稠油、特稠油或超稠油；原油地面条件下的黏度较大，大多为100～10 000mPa·s，其中，加拿大阿尔伯塔省的Athabasca 油砂的原油黏度高达2 000 000 mPa·s[5]（表1）。

表1 国外蒸汽泡沫驱油田区块基础信息Table 1.Summary of basic information of foreign oilfields developed by steam foam flooding

（1）美国加州Midway-Sunset 油田 在1985 年之前的近50 a内，蒸汽驱是提高该油田稠油采收率的最成功的开采方式，其蒸汽驱产量达57 034.00 m3/d[6-7]。尽管蒸汽驱的经济效益显著，但由于高渗条带造成蒸汽过早突破或由于蒸汽超覆作用，未能波及到的原油量亦然可观。为了提高蒸汽波及效率，在一些区块开始注入起泡剂使蒸汽转向没有波及到的区域，从而提高采收率。15A 区块是第一个进行先导试验的区域，26C 区块是第二个进行先导试验的区域，均取得了较好的改善效果。Dome-Tumbador区块包含4个反五点井组，在经历了7 a的蒸汽驱之后，蒸汽超覆现象严重。为了解决这个问题，自1985 年开始实施蒸汽泡沫驱。原油产量由原来的135.00 m3/d提高至168.00 m3/d，注入井注入压力提高为原来的1.29 倍。4 a 内累计注入起泡剂为2.960×106kg，累计增油量为19.66×105m3，起泡剂质量/累计增油量为15.056 kg/m3，增产效果好。

（2）美国加州Kern River 油田 该油田的Mecca、Bishop 和McManus 208 区块进行了蒸汽泡沫驱试验[8-10]。Mecca 区块储集层地质复杂，非均质性较强，蒸汽超覆现象严重。该区块包括4 个反五点井组，经历了9 a 蒸汽吞吐和10 a 蒸汽驱。1980 年，开始实施蒸汽泡沫驱，向油层中注入质量分数为0.5%的起泡剂和干度为50%的蒸汽，连同氮气和水一起注入地层。2 a 后，在注入了0.3 PV 起泡剂后，该区块原油产量从15.93 m3/d 增长为59.74 m3/d，此后保持高采油速率直到注蒸汽结束。Mecca 区块蒸汽泡沫驱历时55个月，累计注入起泡剂为6.300×105kg，累计增油量为3.120×104m3，约为原始地质储量的14.0%。Bishop区块储集层同样复杂，3 层不连续的页岩隔层穿插在储集层中，非均质性强。该区块包括4 个反五点井组，与Mecca 区块不同的是，该区块经历了19 a 蒸汽吞吐和1 a蒸汽驱。从1982年开始，该区块以Mecca区块同样的注入方式注入蒸汽泡沫，44个月内累计注入起泡剂为5.620×105kg。Bishop 区块蒸汽泡沫驱效果不好，累计增油量为1.310×104m3，为原始地质储量的5.5%。McManus 208 区块储集层发育高渗汽窜条带，该区块具有1 个反五点井组，注入蒸汽温度为200 ℃。累计注入起泡剂为2.520×105kg，累计增油量为596.000 m3，起泡剂质量/累计增油量为422.819 kg/m3，增产效果较差。

（3）美国加州Guadalupe 油田 该油田储集层为高孔高渗储集层，初期采用蒸汽驱开采，经过长期注蒸汽，注汽井和生产井之间形成了优势通道[11]。为了减弱蒸汽窜进现象，1984年，油田进行了10个月的蒸汽泡沫驱试验，蒸汽干度为75%，1.167×105kg起泡剂被注入到4口井中。注入井注入压力提高1.38～1.72 MPa，8 口生产井累计增油量为4.680×103m3，起泡剂质量/累计增油量约24.936 kg/m3。

（4）美国加州Cymric 油田 1991 年5 月，开始注入蒸汽泡沫，7 个月累计注入起泡剂为227.000 kg，质量分数为0.32%，蒸汽干度为82%[12]。蒸汽泡沫驱初始的4 个月内，监测到注入井注入压力并没有升高，推测可能是由于地层中没有足够的液态水而无法生成大量稳定的蒸汽泡沫，于是将蒸汽干度降为56%，注入井注入压力迅速升高0.27 MPa。在蒸汽泡沫驱结束时，注入井注入压力升高0.48 MPa。生产井的流体温度下降也说明蒸汽泡沫封堵了高渗通道，蒸汽开始波及未波及的区域。蒸汽泡沫驱结束后，生产井每天仍然比原来多采出11.950 m3原油，增产效果良好。

（5）美国加州Kern Front 油田 该油田有2 个试验区块，即Witmer B2-3区块和Witmer B2-5区块[13-14]。Witmer B2-3 区块初始采用反九点布井方式进行蒸汽驱开采，地层有汽窜条带。1982年开始注入蒸汽泡沫，蒸汽温度为200 ℃。累计注入起泡剂为3.600×104kg，累计增油量为1.242×104m3，起泡剂质量/累计增油量为2.899 kg/m3，蒸汽泡沫驱增产效果优异。Witmer B2-5区块储集层物性较为均质，但蒸汽超覆严重。试验区块为1个反九点井组，1982年开始注入蒸汽泡沫，蒸汽温度为190 ℃。累计注入起泡剂为1.050×105kg，累计增油量为2.900×103m3，起泡剂质量/累计增油量为36.207 kg/m3。

（6）美国加州South Belridge油田 1987年，油田开始蒸汽泡沫驱试验[15]。试验区块包含2个反九点井组。累计注入起泡剂为8.110×104kg，注入井平均注入压力上升0.48 MPa，生产井含水率降低5%，每天可多采出63.720 m3原油。累计增油量为2.920×104m3，起泡剂质量/累计增油量为2.777 kg/m3，增产效果好。

（7）美国加州Cat Canyon 油田 为超稠油，蒸汽窜进严重[4]。因埋藏较深，地层压力较高，蒸汽温度达288 ℃，导致起泡剂热解严重，增产效果差。

（8）美国怀俄明州South Casper Creek油田 20世纪80 年代早期开辟了几个试验区块实施蒸汽驱[16]。测井和示踪剂测试资料显示油藏内存在高渗通道，地质资料解释高渗透层孔隙度为19.8%～28.3%，渗透率为370～3 580 mD，厚度为1.5～5.0 m，且几乎所有的井都含有高渗透层。由于汽窜严重，试验区块开始蒸汽泡沫驱，主要起到了2 方面作用：一是增加蒸汽的表观黏度，二是增加蒸汽的波及效率。蒸汽泡沫驱试验持续了6个月，1990年5月14日，在13-6区块实施了该试验，9 d 内累计注入起泡剂4 500.000 kg，选取1 口注入井和1 口生产井作为观察井。注入蒸汽泡沫后，注入井注入压力从5.38 MPa 升高到7.31 MPa，生产井产出地层水温度明显降低，矿化度明显增高，证明汽窜被抑制，对试验区块汽窜问题改善效果良好。

（9）美国怀俄明州Winkleman Dome Nugget 油田该油田采用蒸汽驱开采，蒸汽窜进严重，1983 年选出2个试验区块进行蒸汽泡沫驱先导试验[17]。注蒸汽泡沫10 个月后，增产效果较好的试验区块累计增油量为2.390×103m3，比未注入起泡剂时增产75%。另一个试验区块蒸汽泡沫驱效果较差，注入起泡剂后几乎没有增产。

（10）加拿大阿尔伯塔省Athabasca 油砂 油层总厚度为46.6 m，既含页岩夹层也含高渗透层。顶部油层厚度为18.1 m，含油饱和度较低，约为60%；底部油层厚度为28.5 m，含油饱和度较高，约为85%。原油黏度达2×106mPa·s。由于顶部油层含油饱和度较低，蒸汽吞吐和蒸汽驱时，蒸汽只能波及顶部含油饱和度较低的区域[5]。试验区块为1 个小井距四点井组，井组内有2口观察井，1984年开始蒸汽驱，蒸汽温度为245～250 ℃，蒸汽干度为80%，1989 年开始注入蒸汽泡沫，累计注入起泡剂为2 900.000 kg，累计增油量为398.000 m3，起泡剂质量/累计增油量为7.286 kg/m3。

（11）委内瑞拉Tia Juana 油田 油藏被页岩隔成几个高渗通道。油田初始采用蒸汽吞吐的热采方式，但是蒸汽超覆现象严重[18]。1984年，开始开展蒸汽泡沫驱试验，持续了18～22 d，累计注入起泡剂1.200×105kg。试验区块中的3 口生产井效果改善显著，即含水率大幅下降。

（12）委内瑞拉Bolivar 油田 初期采用蒸汽吞吐的开发方式，油汽比较高，随后进入正常的衰减阶段，蒸汽吞吐阶段采收率为23%，蒸汽干度为80%[19-20]。继而实施了蒸汽泡沫吞吐，即在蒸汽吞吐过程中注入起泡剂溶液，旨在提高纵向波及效率。1984—1986年，16口井注入蒸汽泡沫，选用2种不同的起泡剂，其中，9 口井注入直链型分子起泡剂，7 口井注入支链型分子起泡剂。各井蒸汽干度也不相同，为50%～98%，直链型分子起泡剂质量分数为0.25%～2.00%，支链型分子起泡剂质量分数为0.50%～2.10%。注蒸汽泡沫结束后，单井产量都有不同幅度的提升，效果最好的井产量提高为原来的3倍。

（13）罗马尼亚Levantine-Moreni油田 1988年开始注入蒸汽泡沫，由于地层压力高达16.8 MPa，所以蒸汽温度较高，达350 ℃，蒸汽干度为75%，分为21个段塞注入，累计注入起泡剂4 800.000 kg[21]。短时间内，注入井注入压力上升为原来的1.5倍，原油产量相对于未注入蒸汽泡沫时有所提高。

以上总结了18 个国外油田区块蒸汽泡沫驱实施的情况，其中大多数油田区块的增产效果较好，也有一些油田区块的增产效果不理想。增产效果好坏的关键在于地层中能否产生大量稳定的蒸汽泡沫对高渗条带进行有效的封堵。以下，对6 个影响蒸汽泡沫驱增产效果的主控因素进行进一步分析。

2 影响蒸汽泡沫驱增产效果的因素

蒸汽泡沫驱的增产机理为在地层中原位产生蒸汽泡沫，降低蒸汽的流动能力，降低蒸汽的重力超覆作用，减缓层内高渗条带中蒸汽的突破，封堵高渗透层使蒸汽转向低渗透层，同时调整蒸汽的层内横向波及效率、层内纵向波及效率和层间纵向波及效率。一般来说，在较均质的地层中，由于起泡剂在岩石表面的滞留和蒸汽的热分解，稳定的蒸汽泡沫可以达到距离注入井数十米的范围。如Midway-Sunset油田的Dome-Tumbador 区块，稳定的蒸汽泡沫到达了注入井附近18～30 m，其起泡剂质量/累计增油量为15.056 kg/m3，增产效果较好[22-23]。蒸汽泡沫驱技术的关键是在地层内产生大量稳定的蒸汽泡沫。本文分析了以下6个影响蒸汽泡沫稳定性的因素：蒸汽温度、蒸汽干度、起泡剂类型、起泡剂质量分数、起泡剂注入时机和起泡剂注入方式。

2.1 蒸汽温度

蒸汽泡沫的稳定性对温度较为敏感。图1 给出了14个国外油田区块的蒸汽温度，大部分低于250 ℃。Cat Canyon 油田CLD 区块第二试验区的蒸汽温度为288 ℃，蒸汽泡沫稳定性较差，易热解，相比于CLD 区块第一试验区（蒸汽温度为150 ℃，起泡剂质量/累计增油量为2.000 kg/m3），最终增产效果较差[24]。Levan⁃tine-Moreni油田进行过针对该油田区块的室内实验，表明250 ℃是蒸汽泡沫稳定的温度上限[21]。蒸汽泡沫驱的蒸汽温度应低于250 ℃，保证泡沫稳定。

图1 国外油田区块实施蒸汽泡沫驱的蒸汽温度Fig.1.Temperature of steam foam flooding in foreign oilfields

2.2 蒸汽干度

选取9 组有代表性的油田区块数据，绘制起泡剂质量/累计增油量与蒸汽干度的关系（图2）。图2 显示，蒸汽干度为50%～80%的油田区块具有较好的增产效果，即较低的起泡剂质量/累计增油量。如果蒸汽干度过低，会导致携带热量进入油层的能力下降，热采效率较低，热水多蒸汽少，无法大量产生蒸汽泡沫，无法有效封堵高渗条带的蒸汽窜进从而提高波及效率。因此，实际生产中应保证蒸汽干度不低于50%，以有利于形成稳定的蒸汽泡沫。

图2 国外油田区块蒸汽泡沫驱起泡剂质量/累计增油量与蒸汽干度的关系Fig.2.Surfactant quality/incremental oil production vs.steam quality in foreign oilfields

如果蒸汽干度过高，会导致蒸汽中水的体积分数较小而无法形成大量稳定的蒸汽泡沫。针对Mid⁃way-Sunset 油田26C 区块不同水体积分数下蒸汽泡沫的稳定性进行了室内实验。实验显示，质量分数为0.30%的Chevron Chaser 型起泡剂能够生成稳定泡沫的最小体积分数为0.010 0[25]。Cymric 油田Section 26W 区块试验表明，蒸汽干度为82%和体积分数为0.005 5 时，注入压力没有明显的提高，地层中没有形成稳定的泡沫；蒸汽干度降为56%后，体积分数为0.021 0，注入压力迅速提升，地层中形成了稳定的蒸汽泡沫[12]。

蒸汽干度过小会导致热效率低，热水量过多，不能生成稳定的蒸汽泡沫；蒸汽干度过大会导致体积分数较小，同样不能生成稳定的蒸汽泡沫。因此，油田现场应根据所用起泡剂类型选用合适的蒸汽干度。

2.3 起泡剂类型

国外蒸汽泡沫驱常用的起泡剂大致可分为3类：AOS 类、LTS 类和Chevron Chaser 类。对国外蒸汽泡沫驱效果最显著的12 个油田区块研究发现，AOS 类起泡剂的性能不如LTS类和Chevron Chaser 类起泡剂效果好[26]。

South Belridge油田在油层温度和压力下测量5种不同起泡剂的半衰期，结果显示不同起泡剂半衰期差别很大，最稳定的半衰期达710 d，最不稳定的只有3 d[15]。油田在选用合适的起泡剂时要考虑油田的注入压力和蒸汽温度，以避免起泡剂的热降解。

2.4 起泡剂质量分数

起泡剂质量分数对能否产生大量稳定的泡沫至关重要，表2 是国外油田区块蒸汽泡沫驱使用的起泡剂类型和质量分数。从表2 中可以看出，各油田区块选用起泡剂质量分数为0.27%～1.50%。Midway-Sun⁃set油田26C区块试验表明，能够产生泡沫的起泡剂质量分数下限为0.10%[25]，但是，若要维持泡沫的稳定性，最低为0.50%。South Belridge 油田针对起泡剂质量分数对蒸汽泡沫阻力系数的影响进行过室内实验研究，结果表明，在低于某个临界质量分数之前，阻力系数随起泡剂质量分数的升高而急剧升高；高于临界质量分数后，阻力系数随起泡剂质量分数的升高而缓慢升高，且阻力系数与水中溶质的矿化度关系不大[15]。Bolivar 油田室内实验结果表明，起泡剂质量分数越大，泡沫的流度越低；先导试验表明，质量分数小于0.50%时，注入井注入压力上升不明显，质量分数大于0.50%时，随质量分数的增加，注入井注入压力急剧上升，质量分数超过1.00%后，注入井注入压力上升不明显。因此，油田区块选用起泡剂质量分数应大于临界质量分数，既能产生大量稳定的泡沫，也能产生足够的流动阻力，但是质量分数也不宜过大，避免增加成本。

表2 国外油田区块蒸汽泡沫驱起泡剂类型和质量分数Table 2.Surfactant types and mass concentrations used in foreign oilfields

2.5 起泡剂注入时机

此处讨论油田区块蒸汽泡沫驱之前的开发历史对后续蒸汽泡沫驱的影响。表3 显示了各油田区块开发历史和蒸汽泡沫驱效果，各油田区块选用五点或九点井网，在注蒸汽过程中汽窜现象较为严重。由表3 可见，已进行蒸汽吞吐或蒸汽驱时间较长的区块，其后续蒸汽泡沫驱提高采收率的效果较差。如果在蒸汽吞吐或蒸汽驱早期进行蒸汽泡沫驱，泡沫不仅可以封堵高渗通道，同时也可较早改善蒸汽超覆现象，降低对顶层的热损失，增加蒸汽波及效率，达到较好的提高采收率效果。

蒸汽驱超覆模型[27]实验结果表明，蒸汽表观黏度越低，蒸汽超覆现象越严重；渗透率越高，蒸汽超覆现象越严重。蒸汽泡沫造成气体表观黏度上升，渗透率下降，从而调整蒸汽超覆的程度。因此起泡剂的注入时机越早，就能较早地调整蒸汽剖面，从而达到更好地调整剖面的效果。

表3 国外油田区块开发历史和蒸汽泡沫驱增产效果Table 3.Development history and results of steam foam flooding in foreign oilfields

Midway-Sunset油田15A区块于蒸汽驱5 a后开始注入蒸汽泡沫，生产井受效快，原油产量增长了4倍[6-7]。South Casper Creek 油田9-6区块和13-6区块，在蒸汽驱4 a 后开始注入蒸汽泡沫，仅持续注入9 d，注入井注入压力升高为原来的1.36倍，其生产井产出水温度明显降低，矿化度明显升高，表明测试区汽窜程度降低[14]。

Kern River 油田Mecca 区块在经历了9 a 蒸汽吞吐和10 a 蒸汽驱后，开始实施蒸汽泡沫驱，其生产井受效慢，注蒸汽泡沫2 a后生产井才开始增产，最终的起泡剂质量/累计增油量为20.192 kg/m3。Bishop 区块在经历了19 a蒸汽吞吐和1 a蒸汽驱后开始注入蒸汽泡沫，其生产井受效较快，但由蒸汽泡沫驱采出原油仅约原始地质储量的5.5%，最终的起泡剂质量/累计增油量为42.901 kg/m3[8-9]。

2.6 起泡剂注入方式

起泡剂注入方式直接影响着蒸汽泡沫驱的增产效果。国外油田区块通过矿场试验，分析了不同注入方式对增产效果的影响。

注入方式分为间歇注入和连续注入。不同注入方式下，蒸汽泡沫驱的增产效果差异较大。对10 个油田区块不同注入方式的增产效果（图3）对比发现，间歇注入比连续注入增产效果好，其起泡剂质量/累计增油量小。在井周围的径向流动中，流动阻力主要集中在近井地带。连续注入导致近井地带产生大量蒸汽泡沫，由于泡沫具有较大的流动阻力，可注性和注入速率降低。间歇注入起泡剂溶液和蒸汽，使得近井地带不产生蒸汽泡沫，而在地层深处段塞混合再形成蒸汽泡沫。因此，起泡剂溶液和蒸汽间歇注入，会获得更高的注入速率。Gregorie Lake 油田最初采用连续注入，后期改为间歇注入，大大减小了起泡剂用量[14]。Guadalupe 油田室内实验结果显示，间歇注入比连续注入能更好的保持较高的阻力系数[11]。Mid⁃way-Sunset油田15A区块以15个段塞间歇注入，增产效果较好，起泡剂质量/累计增油量为0.730 kg/m3[6]。Midway-Sunset油田26C区块以20个段塞间歇注入，增产效果较好，起泡剂质量/累计增油量为2.820 kg/m3[7]。Kern River 油田Bishop 区块连续注入起泡剂，增产效果较差，起泡剂质量/累计增油量为42.901 kg/m3。Kern River油田Mecca区块同样连续注入起泡剂，增产效果较差，起泡剂质量/累计增油量为20.192 kg/m3[8-9]。

图3 国外油田区块不同注入方式对增产效果影响对比Fig.3.Injection methods vs.stimulation effects in foreign oilfields

根据国外油田区块现场实施蒸汽泡沫驱的增产效果，分析总结各个因素对蒸汽泡沫驱的影响，认为蒸汽泡沫驱的最佳蒸汽温度为200～250 ℃，蒸汽干度为50%～80%，起泡剂类型为LTS 类和Chevron Chaser类，起泡剂质量分数为0.50%～1.00%，起泡剂注入时机为蒸汽吞吐或蒸汽驱前期，起泡剂注入方式为间歇注入。

3 结论和建议

（1）1970—1990 年，提高采收率技术获得了前所未有的发展。而稠油热采技术及稠油热采提高采收率也在此时间段获得了重大突破。通过调研发现，无论是理论模型、数值模拟、室内机理和物理模拟实验以及矿场先导试验都取得了巨大的进步。

（2）蒸汽泡沫驱增产效果好坏的关键在于地层中能否产生大量稳定的蒸汽泡沫。蒸汽温度、蒸汽干度、起泡剂类型、起泡剂质量分数、起泡剂注入时机和起泡剂注入方式对蒸汽泡沫驱效果的影响较大。

（3）在蒸汽泡沫驱中，最优蒸汽温度为200～250 ℃，最佳蒸汽干度为50%～80%，3 类起泡剂中LTS 类和Chevron Chaser 类增产效果较好，起泡剂最优质量分数为0.50%～1.00%，蒸汽吞吐或蒸汽驱初期开始蒸汽泡沫驱，增产效果较好，间歇注入起泡剂的注入方式优于连续注入。油田应结合地质条件和开发历程选用合适的参数来获得最好的蒸汽泡沫驱效果。