新型水-气分散体系提高低渗透油藏采收率的实验研究

葛 罗

(大庆油田有限责任公司第六采油厂第六作业区，黑龙江 大庆 163114)

我国各大油田拥有丰富的低渗透率储层分布[1]。但由于其储层渗透率低、非均质性严重、自然产能不足、含油饱和度低、储层敏感性严重，导致低渗透油藏的平均采收率较低。为解决低渗透油藏注水开发与注气开发各自存在的问题[2-3]，将水驱和气驱两者相结合，充分发挥各自的特点和优势的驱替技术应运而生。以水气两相体系为基础的非均相驱替剂已经积累了一些研究和应用成果，目前已形成如水气交替注入(WAG)、水气同注(SWAG)、活性水与气交替注入(SAG)等技术，逐步成为提高采收率的有效途径[4]。王杰祥等[5]通过室内实验论证了水驱后转空气泡沫提高采收率在特低渗油藏的应用可行性，但泡沫驱在低渗透油藏的实际应用鲜有报道。气水交替虽然应用广泛，可是仍然存在一些弊端，如在气水交替注入的过程中，容易在切换的过程中出现注入困难的现象，以及对注入气流度控制能力不足等[6]。水气同注出现较晚，研究也相对较少，虽然该技术可以一定程度上克服气水交替注入的缺点[7]，但也同时存在注入困难的问题，且无法适应超低渗油藏。

针对现存水气非均相驱油技术和方法存在的缺点，基于兼顾注入性和流度控制能力的思路，本工作对一种能扩大低渗透油藏波及体积，从而提高采收率的水-气分散体系展开研究，探索了该体系的制备方法，并进行了渗流阻力的动态测试和提高采收率能力实验。

1 实 验

1.1 主要材料和仪器

轻质原油，密度0.86 g/mL，黏度(45 ℃)24.1 mPa·s，大庆油田；地层水，矿化度6 777 mg/L，大庆油田；岩心，长6.5 cm，直径2.5 cm，岩心孔隙度范围在10%～20%，渗透率(0.1～10)×10-3μm2，自制。表1给出了实验用岩心参数，其中岩心R01～R04用于渗流阻力测试，岩心D01～D03用于驱油实验。

表1 实验岩心参数

CS200A气体流量控制器，北京七星华创电子股份有限公司；HAS-100HSB恒压恒速泵，江苏海安科研仪器公司；HT-102G恒温箱，江苏海安石油设备有限公司；KL10压力采集系统，昆仑海岸公司。

1.2 水-气分散体系的制取

水-气分散体系是液相水以小液滴形态作为分散质，气体作为分散剂形成的分散体系。水-气分散体系的生成方法有凝集法、流化床法、机械分散法等[8]。本实验应用自主设计制作的蒸发冷凝式水-气分散体系发生器(图1)，依据雾化法[9]产生水-气分散体系。

图1 水-气分散体系发生器示意

蒸发冷凝式水-气分散体系发生器分散剂为高纯氮气，分散质为去离子水。氮气和去离子水分别通过管线，经过电加热器进行充分加热，在达到预设的一定温度后，其中的去离子水在高温下变成水蒸气，得到的水蒸气再和氮气混合，进入到后满的混合腔进行加入，经由加热套保持温度，由活塞式一体配气混合器充分进行动态配气(桨叶和混合腔内壁涂有疏水材料)，混合流体经过冷凝管线(温度、管径、长度可调)从出口流出。

1.3 室内实验流程

渗流阻力测试在45 ℃条件下，对干燥岩心施加围压，以一定气体流速进行氮气驱，至驱替压差ΔP1稳定不变，之后以一定的水气比注入水-气分散体系段塞1.0 PV，之后仍然以气体流速进行后续气驱直至驱替压差ΔP2稳定。ΔP2与ΔP1的比值即渗流阻力因子。分别改变岩心渗透率、水-气分散体系水气比以及分散体系发生器的设定温度，测量不同变量下的渗流阻力因子。

优化水气比和温度下的驱油实验。在45 ℃条件下，对岩心夹持器中的干燥岩心施加围压，抽真空后饱和地层水，测量孔隙体积和孔隙度；饱和原油并老化72 h；开始驱油，先以一定速度进行氮气驱，至出口测量气体流量和入口设定气体流量相近，且出口端不再出油为止；再以设计水气比注入水-气分散体系段塞1.0 PV，而后进行后续气驱至出口测量气体流量和入口设定气体流量相近，且出口端不再出油为止。记录实时压力、温度、入口气体流量、产出液体积、出口气体流量。

渗流阻力测试和驱油实验的流程近似，可以用相同的流程图(图2)描述。

图2 渗流阻力测试和驱油实验流程

2 结果与分析

2.1 水-气分散体系的性质

由于制取的水-气分散体系不稳定，需要随时生成随时注入。对于生成的水-气分散体系的性质，可以利用化学热力学原理加以研究和理解。式(1)为Clausius-Clapeyron方程的定积分式[10]，式(2)为液体蒸发焓与温度的关系式，式(3)为真实气体状态方程。

(1)

(2)

(3)

在已知当前温度、压力的条件下，利用上述公式可以计算水-气分散体系中水分别以液体状态和蒸汽状态存在的物质的量，并且为研究水-气分散体系性质和状态的动态变化规律提供依据。

文献[11]利用电子探针技术观察了初始冷凝液滴的粒径分布和核化生长规律，初始冷凝液滴的尺寸大小分布在3～7 nm，而后气态水分子在初始冷凝液滴上发生团聚，逐渐长大至微米级。本实验采用蒸发冷凝方法制备水-气分散体系，方法与文献描述相似，其冷凝液滴的初始尺寸和团聚规律相同。因此实验制取的水-气分散体系，其分散质即液滴态的水的初始粒径为纳米级，随着冷凝的进行，团聚发生，液滴逐渐长大到微米级。

2.2 渗流阻力

实验表明，水-气分散体系发生器需要满足的设定温度范围是高于当前压力下水的沸点15～20 ℃。当加热温度小于等于沸点时，注入水无法蒸发而分散到气相中，或者少部分蒸发后凝结的小液滴迅速回流回到发生器的加热腔中；当加热温度稍高于沸点，气体状态的水分子在从发生器到岩心夹持器的通道中发生迅速的冷凝和团聚，无法维持分散状态，形成水段塞，压力曲线出现陡增，呈现出水气同注的特点；当加热温度高于沸点15～20 ℃时，小液滴可以较好地分散在气流中，形成分散体系。由于在注入水-气分散体系段塞的过程中，压力处在不断变化之中，所以需要依据实际的压力情况调整加热温度，维持分散态。

分散体系的水气比、渗透率与阻力因子的值存在一定的关系，各渗透率下不同水气比与水-气分散体系阻力因子关系如图3所示。

图3 不同渗透率下水/气(体积比)与阻力因子的关系

为了保证分散的效果和注入性，水-气分散体系的水气比不超过0.2。由于水滴会在岩心孔道中不断堆积，因而压力也会随着液滴的累积而不断升高，所以测试渗流阻力的注入段塞尺寸以1 PV为限。随着水气比的提高，水-气分散体系的阻力因子逐渐升高；随着渗透率的升高，水-气分散体系的阻力因子逐渐升高。说明该水-气分散体系对于气体流度的控制能力随着岩心渗透能力的增强而增强，并且针对低渗透、超低渗透率储层也有明显的封堵效果，可以起到降低流度的作用。

图4为气驱后注入分散体系或注水的压力曲线。由图4可见，岩心渗透率为0.1×10-3μm2，在注气压力平稳之后注入水-气分散体系段塞，出口气体流量明显下降，注入流体压力上升，且后续气驱过程中压力维持状况良好，并且在后续气驱过程中没有发生气窜。可见该水-气分散体系具备良好的封窜效果，能够有效控制气体窜逸从而维系注气压力。为降低实验不确定度，回收上述岩心，干燥72 h后，在相同实验条件下进行气驱，后转注水，注水压力陡然升高，远远高于注水-气分散体系的压力，注入困难。以上现象说明水-气分散体系的注入性好于水气交替，在保证注入性的同时还可以有效提高渗流阻力，封堵气窜。

图4 气驱后注入分散体系或注水的压力曲线

2.3 提高采收率效果评价

在注入水-气分散体系的水气比为0.15，段塞尺寸1.0 PV条件下。评价了该水-气分散体系提高采收率的能力，结果见图5。

由图5可见，随着渗透率的增大，气驱采出程度逐渐降低，说明因天然岩心存在微观非均质性，对渗透率越高的岩心，注入气体越容易通过半径较大的孔隙喉道窜逸，这是低渗透非均质岩心气驱波及效率低下的表现。当注入水-气分散体系后，提高采出程度随着渗透率的增大而升高：渗透率为0.1×10-3μm2的岩心，分散体系提高采出程度3.70%，渗透率1.2×10-3μm2的岩心，分散体系提高采出程度5.48%，而当渗透率增大到4.5 ×10-3μm2时，采出程度则提高了8.42%。以上结果同时也印证了渗流阻力测试实验所得出的规律，即该水-气分散体系能够有效阻止气窜，且对于气体流度的控制能力随着岩心渗透能力的增强而增强。

图5 不同渗透率下采出程度

2.4 提高采收率机理分析

通过室内实验制得的水气为分散体系可以在宏观尺度上对气窜进行封堵，改善试验中的注入相黏度，控制注入气体的流度，从而起到扩大波及体积、提高采收率的效果。

根据前文所述，分散在气体之中的初始冷凝液滴尺寸多分布在3～7 nm之间。根据露头岩心压汞曲线得到的岩心孔隙半径、低渗透率以及超低渗透率的岩心的孔隙度如表2所示。由表2可见，孔隙半径普遍在40～600 nm，这要远远大于初始液滴的尺寸，因此液滴可以进入到目标岩心的微小孔隙之中。

表2 低渗透岩心孔隙尺寸

水-气分散体系注入岩心之后，主要以小液滴和水蒸气的形式存在，在微小孔喉中运移的过程会导致水滴碰撞，发生聚并，另外也存在水蒸气附着在液滴上，使其长大；长大后的小液滴可能会因为尺寸过大而留在孔隙内，也可能会因为比重比氮气高而吸附滞留在孔隙之中，也可能因为岩石表面的亲水性而滞留在孔隙内。若形成滞留，后续的气流压力就会升高，就可以阻断优势通道，达到深部气流转向，扩大波及体积的作用。

3 结 论

a.利用自制蒸发冷凝式水-气分散体系发生器制取了水-气分散体系，分散质小液滴的初始半径为3～12 nm。调整合适的温度和水气比，向低渗透岩心注入水-气分散体系可以成功封堵气窜，提高渗流阻力因子数倍至数十倍，该体系可以在保证良好的注入性的同时控制气体流度，扩大波及系数。对于外压存在下分散质的数密度和沉降速率有待于进一步研究。

b.室内驱油实验结果表明，对渗透率在(0.1～4.5)×10-3μm2的储层，水-气分散体系可提高采出程度在3%～10%，并且岩心的渗透率越高，其可以达到的扩大波及体积效果越好，从而提高最终采收率。

c.水-气分散体系的提高采收率机理为：气流携带小液滴和水蒸气进入岩心孔隙中的优势通道，在优势通道中，小液滴和水蒸气形成滞留，阻碍后续的气流进入，使得气流转向，从而起到扩大波及体积，提高采收率的作用。