不同含水期轻质油藏空气泡沫驱试验

东晓虎,刘慧卿,庞占喜,易勇刚,郑家朋

(1.中国石油大学石油工程教育部重点实验室,北京 102249；2.中国石油新疆油田公司工程技术研究院,新疆克拉玛依 834000；3.中国石油冀东油田公司钻采工艺研究院,河北唐山 063000)

不同含水期轻质油藏空气泡沫驱试验

东晓虎1,刘慧卿1,庞占喜1,易勇刚2,郑家朋3

(1.中国石油大学石油工程教育部重点实验室,北京 102249；2.中国石油新疆油田公司工程技术研究院,新疆克拉玛依 834000；3.中国石油冀东油田公司钻采工艺研究院,河北唐山 063000)

采用室内物理模拟的方法进行轻质水驱油藏转空气泡沫驱试验,研究油藏含水饱和度对空气与不同性质轻质原油的氧化反应速率及原油耗氧程度的影响。在此基础上,进行长细管耗氧检测试验及水驱后的双管提高采收率试验。结果表明:耗氧量与原油黏度没有绝对的关系,存在一个含水饱和度拐点,当油藏含水饱和度低于此饱和度时,氧化反应速率较大,空气中的氧气基本可以完全消耗；空气泡沫注入油藏之后,氧气被大量消耗,气体突破时的氧气体积分数接近于零,待高温氧化带到达出口端,氧气体积分数突然升高,耗氧效果变差；空气泡沫的注入可以有效封堵高渗管启动低渗管,提高采收率约10.9%。

油藏；空气泡沫；低温氧化；耗氧；封堵效应

随着水驱开发进入中后期,油田综合含水率上升,井底压力大幅下降,产量递减加快,挖潜难度逐渐增大,如何有效提高油藏的最终采收率面临巨大挑战[1-2]。对于多数进入中高含水期的水驱油藏而言,仍有大部分剩余油滞留在地下,提高原油采收率潜力巨大。空气泡沫在注入油藏后,发挥空气的低温氧化特性,释放热量,生成甲烷、烟道气等,综合了烟道气驱与热效应的双重作用[3-5],烟道气中约有15%的CO2及少量CO,其溶解能力强,能够改善油水流度比；添加泡沫后可发挥泡沫的贾敏效应[5-6],对注入空气实施封窜,有效增加空气的波及体积,从而延迟空气在地层中的滞留时间,充分发挥原油的低温氧化特性,使注入空气的氧含量降到安全极限范围之内。通过油藏不同含水饱和度下空气与不同性质轻质原油的低温氧化静态反应釜试验,笔者对油藏含水饱和度对氧化反应速率及原油耗氧程度的影响进行研究,并在此基础上开展长细管耗氧检测试验及水驱后的双管提高采收率试验,分析轻质油藏注空气泡沫驱开发机制。

1 低温氧化反应釜试验

采用静态试验装置研究油藏温度压力条件下含水饱和度对低温氧化反应的影响,试验装置如图1所示。油砂以粒径为0.12～0.13 mm的石英砂配置,地层水取自冀东油田高浅北区块,属NaHCO3型,总矿化度平均为1 555 mg/L,含盐量421 mg/L,所用油样的物性参数见表1。试验过程中,分别配置含水饱和度为25%、50%、75%、90%和95%的油砂,老化后装入反应釜,并保证反应釜的气密性良好,之后注入空气至一定压力,并升温至油藏温度,检测系统压力随反应时间变化情况,直至反应釜内压力稳定为止。根据获取的压力降数据以及反应后测得的各气体含量数据判断原油的耗氧效果。试验结果如图2所示。

图1 静态试验装置Fig.1 Static experimental apparatus

表1 试验用原油物性参数Table 1 Physical properties of oil samples

图2 不同含水条件下的静态试验结果Fig.2 Static experimental results under different water cut

静态试验结果显示,原油耗氧量与黏度无绝对的关系。黏度较大的G104-5P121油样在低含水饱和度(低于30%)条件下耗氧最好,主要是由于该油样的芳香烃含量高,反应活性大。但由于该油藏温度较低(65℃),因此随着含水饱和度的上升,水对氧化过程的加速作用越来越小,而降温作用越来越明显,耗氧效果急剧变差。芳香烃含量中等、油藏温度也较高的G64-38油样的耗氧和压力变化随着含水饱和度的变化较为平缓,但是当含水饱和度高于75%之后,由于其中的油样已不足以维持低温氧化反应,耗氧效果变差。芳香烃含量最小、黏度也最小的G76-34油样耗氧效果最差。同时反应釜压降的大部分都集中在反应前期,这是原油中活性较高的芳香烃在前期被消耗的缘故。反应速率(单位体积原油单位时间内的耗氧量,10-5mol/(h·mL))计算结果见表2。随着含水饱和度的增加,反应速率呈上升趋势,主要是由于含水饱和度较高时,计算反应速率时的基数小,填砂管内部原油中的饱和烃和芳香烃被消耗掉,反应难以持续(反应后期的压力变化变缓),从而导致高含水时得到的反应速率较大。

表2 不同油样的反应速率Table 2 Results of reaction rate of three oil samples

2 长细管耗氧监测试验

根据静态试验结果,G64-38油样在不同含水饱和度下的耗氧效果较好,并且在中低含水条件下的耗氧量变化不大,因此优选该油样进行动态耗氧监测试验,测取其在动态驱替过程中的氧气消耗情况。根据低温氧化的反应机制,注入空气泡沫后,会消耗空气中的氧气,生成CO2和CO,此外由于反应放热导致原油蒸发,还会产生少量的CH4,因此试验过程中主要测取O2、CO2、CO和CH4的含量变化。试验所用长细管规格为Φ6 mm×15 m,压力为20 MPa、温度为120℃条件下,设置空气与发泡剂溶液的注入速度分别为0.5和0.25 mL/min(气液比2∶1)。试验用泡沫液为地层水配置的质量分数为0.5%的阴离子型表面活性剂溶液,该泡沫液具有发泡体积大、半衰期长、耐高温等特点。

长细管试验结果如图3所示。注入约0.23Vp(Vp为孔隙体积)空气泡沫后出口端见气,气体突破时间较早,且此时测得的气体中氧气含量较小,体积分数接近于零,这是处于最前缘的烟道气带到达出口端所致。随着空气的继续注入,O2体积分数缓慢升高；注入约0.50Vp空气泡沫后,热效应带到达出口端,此时CO、CO2和CH4的体积分数都达到最高；直至注入约0.87 Vp空气泡沫时,高温氧化带到达出口端,O2体积分数突升,效果变差；可见从驱替开始一直到注入0.87 Vp空气泡沫是该过程的主要反应阶段。

图3 长细管试验结果Fig.3 Results of slim tube experiment

3 提高采收率试验

同样选取G64-38油样,采用双管模型(渗透率级差为3)模拟空气泡沫在非均质地层中的渗流与驱替过程,压力为20 MPa,温度为120℃,试验过程中水驱阶段的注入速度为1 mL/min,注空气泡沫段塞时空气与发泡剂溶液的注入速度分别为1.0和0.5 mL/min(气液比2∶1),该过程中主要测取空气泡沫在不同注入段塞阶段的封堵效果。

用不同粒径的石英砂填制模型,设置20 MPa回压进行高压饱和,所得物性参数如表3所示,最终试验结果见图4。

表3 动态驱替试验填砂管物性参数Table 3 Physical parameters of sand packs in dynamic displacement experiment

图4 G64-38双管空气泡沫驱提高采收率试验结果Fig.4 Results of dual-tubes EOR experiment of G64-38 crude oil

驱替的开始阶段压差较大,高、低渗管均有油产出,高渗管的产液速度相对更快,之后由于形成了水窜通道,驱替压差缓慢降低,低渗管基本不产液,此时高渗管的含水率上升也较快。待含水率上升至98%(约注入0.78 Vp)之后转入注0.10 Vp空气泡沫,此时高渗管中的水窜通道被封堵,两端压差上升,低渗管重新启动,但同时高渗管的含水率也略有降低,导致产油量上升。之后转入水驱过程,含水率升至98%后,再次注入0.10 Vp的空气泡沫,如此重复注入3个空气泡沫段塞。注入3个段塞之后低渗管总的驱油效率为28.2%,提高了约18.0%,高渗管的驱油效率为57.8%,提高了约4.6%,总的驱油效率提高了约10.9%。注入3个空气泡沫段塞后驱替压差均有不同程度的上升,但相比较而言,第二、三个段塞的压差上升幅度都较第一个段塞要小,这是由于在注后两个段塞的过程中,泡沫已封堵不住水窜通道,压差上升有限,注第三个段塞之后再转入水驱,与前两个段塞相比效果更加微弱。

4 注空气泡沫开发机制

注空气泡沫驱油综合了空气驱(低温氧化)与泡沫驱(封堵)的优点。影响空气泡沫驱开发效果的因素主要有油藏温度、油藏压力、油藏倾角、原油黏度、油藏含水状况、空气注入速度以及泡沫气液比等[7-10]。黏土(主要是高岭石和伊利石)和金属矿物的存在均有利于氧化反应的进行,对压力下降速度和氧化反应速率等均有明显的影响[6,11-12]。

(1)空气在注入油层之后,通过发挥烟道气驱、重力驱、流体膨胀和混相等多种机制的作用提高原油采收率,油藏的温度一般应高于70℃,温度越高越有利于氧气的消耗,从而延长无氧生产时间,有利于提高采收率。

(2)油藏温度、油样组成和油藏含水对注空气泡沫的开发效果均有影响。少量水的存在有利于低温氧化反应的产生,且对亲水油藏而言,这种作用更为明显；对于温度较高的油藏存在一个含水饱和度拐点,当油藏的含水饱和度高于此拐点时,耗氧效果变差。

(3)原油中参与低温氧化反应的主要组分为活性较高的芳香烃。

(4)空气泡沫注入油藏后,从注入井到生产井存在烟道气带、热效应带和氧化前缘带3个区域。氧气主要在氧化前缘带被消耗,该区的范围与空气的注入速度、泡沫特性、油藏及原油物性有关。

5 结 论

(1)油样氧化性能与其黏度没有绝对的关系。G104-5P121黏度较大,但在低含水饱和度条件下更易耗氧；G64-38油样的耗氧拐点含水饱和度为75%,油藏含水饱和度高于此饱和度时耗氧较差。

(2)G64-38油样的耗氧性能较好,空气泡沫在注入油藏之后,其中的氧气基本可以被消耗干净,气体突破时的氧气体积分数接近于零,待高温氧化带到达出口端,氧气体积分数突然升高,耗氧效果变差。

(3)高含水率条件下注入空气泡沫段塞,通过发挥泡沫封堵高渗带的作用,填砂管两端压差增大,低渗管得以启动,波及效率提高,总驱油效率提高了约10.9%,由于气/水窜通道的形成,后续两个段塞效果较前一个差。

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(编辑 李志芬)

Experiments on air foam flooding in light-oil reservoirs at different water cut stage

DONG Xiao-hu1,LIU Hui-qing1,PANG Zhan-xi1,YI Yong-gang2,ZHENG Jia-peng3
(1.Key Laboratory of Petroleum Engineering of Ministry of Education in China University of Petroleum,Beijing 102249,China；
2.Engineering and Technology Research Institute,Xinjiang Oilfield Company,CNPC,Karamay 834000,China；
3.Drilling&Production Research Institute,Jidong Oilfield Company,CNPC,Tangshan 063000,China)

The experiments of air foam flooding in water flooding light-oil reservoirs were carried out by the method of physical simulation.The influence of water saturation on oxidation rate and oxygen consumption rate were discussed through the static experiments.In order to verify the oxygen consumption capacity of oil,the slim tube displacement experiment and EOR experiment of air foam flooding in double tubes were performed.The results show that there is no obvious correlation between oil viscosity and oxygen consumption.There is a water saturation breakpoint.When the water saturation is low,the oxidation rate will be large.After air foam is injected into the reservoir,the oxygen in air can be fully consumed.The volume fraction of oxygen is near zero when the gas breakthrough occurrs.Once the oxidation region reaches the outlet,the volume fraction of oxygen increases suddenly,and the effect of oxygen consumption gets badly.The injection of air foam could effectively plug the high-permeability tube and restart the low one.The final recovery is enhanced by 10.9%.

reservoir；air foam；low temperature oxidation；oxygen consumption；plugging effect

TE 357.7

A

1673-5005(2013)04-0124-05

10.3969/j.issn.1673-5005.2013.04.020

2012-07-12

国家科技重大专项(2011ZX05009-004-05)；教育部博士点基金项目(20110007120003)

东晓虎(1986-),男,博士研究生,主要从事油藏工程及提高采收率方面的研究。E-mail:dongxh0578@gmail.com。