氮气泡沫驱提高采收率机理及影响因素研究进展

    廖辉 孔超杰 邓猛

    

    

    

    摘 ?????要：氮气泡沫因其独特的流变性和对非均质严重地层的良好封堵性能，受到各大油田的关注，并成功应用。文章综述了氮气泡沫驱提高采收率的机理及影响因素，并对影响因素进行了详细分析，同时指出了目前存在的问题并对油田开发生产提出了相关建议，为氮气泡沫驱技术更好的发展并服务于油田生产。

    关 ?键 ?词：氮气泡沫;流变性;非均质;封堵性;机理;影响因素

    中图分类号：TE 357 ??????文献标识码： A ??????文章编号： 1671-0460（2019）01-0122-05

    Abstract： Owing to the peculiar rheology behavior， excellent adaptability and sealing characteristics to severe heterogeneity formation， the nitrogen foam flooding technique gains more and more focus and has been successfully applied in many oilfields. In this paper， the mechanism and influence factors of nitrogen foam flooding in EOR process were summarized， meanwhile， existing problems were analyzed， and some suggestions were put forward， in order to make the nitrogen foam flooding technique better meet the demand of oilfield development.

    Key words： Nitrogen foam; Rheology behavior; Heterogeneity; Sealing characteristics; Mechanism; Influence factors

    我国大部分油田为陆相沉积，非均质性严重，这些油田大部分处于注水开发的中后期[1]，注入水突破快，含水较高。聚合物具有较为独特的流变性能，能在高含水期进一步扩大波及，提高采收率，并取得了不错的开发效果，如大庆油田。但是地下残留聚合物严重，不可及孔隙减小了波及，地层存在大量剩余油，聚合物对非均质严重的地层调剖效果欠佳，聚驱后转水驱指进现象进一步加重等聚合物驱技术的问题也逐渐暴露出来[2]。因此急需找到一种合适的接替采油技术。泡沫流体以其良好的選择性封堵能力和洗油能力逐渐受到各大油田关注。其中氮气来源广，价格低廉，安全性高，对设备无腐蚀，且制氮工艺较以往更先进，氮气泡沫驱工艺更容易实现，故此，氮气常作为矿场氮气泡沫驱常用气源，在大庆，胜利等各大油田已成功应用[3]。

    本文综述了氮气泡沫驱提高采收率机理及其影响因素，并分析了原因，同时提出了氮气泡沫驱目前存在的问题及今后的发展方向。

    1 ?氮气泡沫驱机理

    氮气泡沫是一种分散体系，体系中表面活性剂溶液作连续相，起起泡作用，氮气作产生气泡的分散相[4]。氮气泡沫驱兼具单一氮气驱和表面活性剂驱的双重特性，具有独特的流变性，性能更优异。近年来，对氮气泡沫驱油理论的研究较多，主要可归纳为以下几点[1，4]：

    （1）改善水油流度比，调整地层吸水剖面，扩大波及体积[5]。泡沫流体独特的微观结构可以降低驱替体系的流度，能够很好地控制流度。因高低渗孔道渗流阻力不同，同等注入条件下，泡沫流体优先进入渗流阻力较小的高渗透大孔道，随着泡沫流体不断注入，该层渗流阻力变大，形成封堵，泡沫“被迫”进入渗流阻力较小的中低渗透层，随着泡沫流体持续注入中低渗透层，因该层残余油饱和度较高，泡沫难以稳定存在，封堵能力低，水驱无法波及或者波及程度不高的中低渗透层得到动用，改善了吸水剖面，同时也扩大了波及[6，7]。

    （2）降低界面张力，改善岩石润湿性，提高洗油效果。氮气泡沫体系中的表面活性剂，具有显著降低油水界面张力的作用，能改善岩石润湿性，对吸附在岩壁上的油膜进行剥离乳化，降低残余油饱和度，提高洗油效率[7]。

    （3）独特的选择封堵性能。由于泡沫遇油消泡，遇水则会很稳定。在非均质地层中，水驱阶段，由于不同渗透率层水驱波及程度不同，高渗透层波及程度高，含油饱和度低，中低渗透层波及程度低，含油饱和度高，随着泡沫流体进入高渗油层，形成稳定的泡沫，增大了流动阻力，泡沫流体被迫进入渗透率相对较低的层，该层剩余油饱和度高，遇油泡沫破裂，减小了流动阻力，提高了渗透率相对较低层的动用程度，扩大了波及。

    （4）增加地层弹性能量，补充能量[8]。在氮气泡沫驱过程中，大量的N2进入地层，一方面也增加了弹性能量，补充了地层能量。

    （5）氮气驱。氮气泡沫在地层中破裂后，溢出的氮气或随氮气泡沫流体注入的氮气会上浮至油层上部中低渗透层[8]，因正韵律储层顶部存在大量剩余油，氮气能够对顶部剩余油进行驱替，提高储量动用，扩大波及，提高采收率。

    2 ?氮气泡沫驱影响因素

    氮气泡沫兼具单一N2驱和表面活性剂驱的双重特性，具有独特的流变性能和封堵性能，影响氮气泡沫驱提高采收率的主要因素就是氮气泡沫体系的稳定性及封堵性能[1，4]。

    2.1 ?油藏条件

    2.1.1 ?地层韵律

    由于沉积时的环境及水动力学条件不同，导致地层出现不同的韵律模式，韵律模式的这种差异，导致剩余油分布也不同。李宾飞对正反韵律模式地层氮气泡沫驱效果研究发现，地层在经过一段时间的水驱开发后，转为氮气泡沫驱，提高采收率幅度反韵律模型明显低于正韵律模型[1]（如图1）。导致这种现象的原因主要是，受重力影响，对不同地层韵律模式，渗透率不同小层水洗程度不同，因而剩余油分布规律也不同;在正韵律地层中，下部高渗层水驱波及程度高，剩余油主要分布在上部中低渗透层，实施氮气泡沫驱时，对高渗层进行了封堵，提高中低渗透层剩余油动用[1]。相反，在反韵律模式地层中，下部中低渗层动用程度较正韵律模型高，上部高渗层波及程度较正韵律模型低，残余油饱和度高[1]，泡沫“遇油消泡”的特性，难以形成较稳定的形态，不能对该高渗透通道进行较好的封堵，因而提高采收率程度较正韵律模型低。可见，氮气泡沫驱更适合正韵律油藏，增油效果更好。

    2.1.2 ?非均质性的影响

    地层非均质性对氮气泡沫驱效果有重要影响，非均质性越强，注入水越不容易活塞式均匀推进，各层波及效果差别也越大，将氮气泡沫驱应用到这类油藏，可以弱化储层非均质性，取得较好的开发效果。氮气泡沫驱可以减弱储层的非均质程度，对高渗通道实施封堵，降低注入水沿高渗通道突进程度，调剖效果较明显[9]。

    郭民发现随着变异系数增大，氮气泡沫驱油效果有所下降，但是在一定范围内，氮气泡沫驱提高采收率幅度基本恒定[10] （如图2）。这也说明氮气泡沫对非均质储层具有很好的适应性，对流度的控制能力非常强，对高渗通道封堵能力较强，具有一定的选择封堵性能。

    2.1.3 ?渗透率

    由于地层非均质性的存在，驱替过程中，注入水不会呈活塞式均匀推进，因为水的粘度恒定，但是地层非均质性对流度有影响，非均质性越强，注

    入水非活塞推进现象愈严重，故随着渗透率增大，水的流度增大，高渗层水驱越充分，低渗层水驱动用越差，高渗层窜流严重[10]。栾春芳研究了驱油效率和渗透率的关系，发现驱油效率随着渗透率增大而增大[11]。张红岗研究了不同渗透率下泡沫的封堵能力，发现刚开始注入时，泡沫的阻力因子增加幅度较小，等泡沫積累到一定量后，泡沫的封堵能力与渗透率呈正相关性，但当渗透率增大到一定值时，阻力因子又逐渐趋于平稳，可能是因为刚开始注入时，形成的泡沫量不够，未能形成有效封堵，此外，泡沫在不同渗透率岩心中受到的剪切也不同，渗透率越高剪切越小，泡沫流体表观粘度越大，而在高渗通道中的泡沫尺寸相对较大，稳定性有所下降，封堵能力逐渐趋于平缓[12] （如图3）。

    2.1.4 ?原油粘度

    地层原油与注入水粘度差异越大，其流度差异越大，不均匀驱油越明显，注水突进现象严重，驱油效果相对越差。刘仁静针对胜利油田地层条件，研究了不同原油黏度对氮气泡沫驱效果的影响，发现原油粘度对泡沫驱效果影响较大，且随着原油粘度增大，油水粘度差异变大，泡沫驱油效果会变差，且地层渗透率越低，粘度的影响越明显[13] （图4）。

    2.2 ?生产因素

    2.2.1 ?注入量

    通常情况下，累积注入的氮气泡沫量越大，波及体积越大，对提高采收率影响也越大，但是考虑到工程经济问题，会选择一个最佳注入量[2]。张宇[14]研究不同注入量对黄沙坨油田氮气泡沫驱油效率的影响，发现当注入量由0.1 PV增大到0.4 PV时，驱油效率是不断增大的，但是当注入量超过0.2 PV时，增加幅度趋于平缓，考虑经济因素后，建议最大注入量为0.2 PV。

    2.2.2 ?注入速度

    冯天研究了氮气泡沫注入速度对泡沫封堵能力的影响，发现在注入速度过低，小于0.2 mL/min时，形成的泡沫体系质量较差，难以对大孔道进行有效封堵，且随着注入速度不断增大，泡沫封堵能力也增强，但当其超过1 mL/min后，泡沫稳定性会减弱，泡沫封堵能力变弱，可能是发生了气窜，影响了泡沫性能[15] （如图5）。

    2.2.3 ?注入方式

    由于泡沫具有半衰期，所以其封堵作用也并不是永久的，需要不断注入泡沫流体[16]。通常有N2与泡沫液更替注入和氮气与泡沫液共同混注两种注入方式。前者N2和起泡液，分开周期性注入，通过在地层中运移产生气泡，后者是在地面充分混合产生泡沫后注入地下。刘勇，唐善法[17]等通过对双河油田Ⅱ4-5区块低界面张力氮气泡沫驱体系研究发现，氮气与泡沫液共混注入方式泡沫驱产生的阻力系数及残余阻力系数均高于交替注入方式，主要是交替注入时，二者在地层未能充分接触，生成的泡沫质量相对较差，而氮气与起泡剂共同注入时，两者充分接触，生成的泡沫质量较好，封堵能力强。

    2.2.4 ?段塞组合

    李宾飞研究发现，注入总量一定时，不同的段塞组合对氮气泡沫驱效果影响并不明显[2]，所以现场实施氮气泡沫驱，当井口注入压力过高时，可以先暂停氮气泡沫注入，以水段塞注入代替，降低注入压力，且对最后的采收率影响幅度不大。可能是因为注入的氮气泡沫体系量一定时，其波及体积和洗油效率变化基本不变，所以，即便以不同的段塞注入氮气泡沫体系，最后的采收率影响幅度并不大。2.3 ?气液比

    氮气泡沫是以氮气为分散相，以添加表面活性剂的活性水为连续相的分散体系[4]。体系中氮气的含量直接影响着氮气泡沫质量，以及氮气泡沫驱效果[18]。殷方好[19]等通过对辽河油田千12块莲花油层进行氮气泡沫驱参数优化研究发现，随着气液比逐渐增大到3∶1，注入压力也是在不断增大的，因为体系的阻力因子在增大，封堵能力也增强，但是在1∶1至1.5∶1左右时，封堵能力最好，因此将其定为最优气液比。张艳辉[20]研究了适用于对河南下二门油田油藏条件的氮气泡沫驱起泡体系，发现最佳气液比为1.5∶1，气液比过高或过低都会对氮气泡沫封堵能力产生一定影响（图6）。主要是因为，当体系气液比过低时，氮气是均匀分散在表面活性剂溶液中，形成泡沫缓慢且体积较小，液膜厚，封堵能力有限，不能在地层形成有效封堵，且施工过程中出现注入压力低，井口压力上升缓慢的现象;反之，当体系气液比例偏高时，形成的泡沫稀疏且体积大，液膜薄，气泡不稳定易破裂，因而阻力系数减小，封堵能力变弱，严重时还会形成气窜，造成封堵失败[20]。此外，气液比过高，增大了药剂用量，增大了作业费用。合适的气液比形成的泡沫丰富且稳定，能对流度进行较好的控制，并在地层形成有效封堵。因此，在现场施工过程中，要合理的控制气液比。

    2.4 ?含油饱和度与注入时机

    因泡沫不耐油遇油即消的性质，所以地层含油饱和度是影响氮气泡沫驱效果的关键因素。王景芹[21]通过对萨北油田氮气泡沫驱油体系进行筛选发现，含油饱和度低于20%时，泡沫稳定性较好，综合指数较高，阻力因子较大，封堵能力较强。也有研究表明，表面活性剂的起泡性能在含水85%到90%范围时最强，形成的泡沫封堵能力更强（如图7）。因为泡沫遇油则消，对于残余油饱和度较高的层，泡沫不能稳定存在，其未能对地层进行有效封堵并调控流度，反之，残余油饱和度较低的层，泡沫可以稳定存在，并形成有效封堵，因此，通常选择含油饱和度低于20%时进行泡沫驱，以含水85%～90%为最佳注入时机。

    2.5 ?驱替方式

    因氮气泡沫对非均质油藏具有较好的封堵能力，因此其也会产生较大的渗流阻力，同时考虑到表面活性剂成本较高，所以在进行氮气泡沫驱时，并不是一直连续的注入整段的氮气泡沫，而是注一段泡沫后注一段水，气体或其它液体作为顶替段塞，以使氮气泡沫体系进入地层深部封堵高渗通道。

    刘印华[22]研究了注入泡沫段塞后以气和水作为顶替段塞对氮气泡沫封堵能力的影响，发现以空气作为顶替段塞，驱替过程中，由于气体突破，气窜造成封堵失效，阻力系数先升后降，以水作为驱替段塞，阻力系数一直升高，但是当注入水体积达到2 PV左右时，阻力系数也开始下降（图8）。

    3 ?结 论

    氮气泡沫兼具气驱和表面活性剂驱的双重特性，该体系具有独特的流变性，性能优异，其对非均质地层具有独特的适应性[1，4]。但是氮气泡沫驱受多种因素影响，氮气泡沫更适宜于正韵律地层，在初期中低含水期氮气泡沫驱效果相对较差，特别是对稠油油藏，常规氮气泡沫驱效果可能会较差，因此对于稠油油藏不建议常规氮气泡沫驱。此外，地层渗透率、高矿化度、地层高温等因素及生产因素（注入方式，注入量，驱替方式等）也会对氮气泡沫驱效果有影响，认清这些因素对氮氣泡沫驱效果的影响规律可以指导相关参数的优化，制定合理的工作制度，同时还可以针对地层需求研制出更耐高温，更耐矿化度的高性能表面活性剂，充分发挥其对提高采收率的作用。虽然氮气泡沫驱效果受到多种因素的影响，但是其对非均质地层的的独特适应性是其它流体无法比拟的，其仍将会是油田高含水期提

    高采收率的一项重要技术。

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