2017,
Vol. 41
泡沫流体在油田应用中取得了较好效果, 特别是在解决油藏非均质问题方面效果显著。泡沫选择性封堵作用是泡沫成功应用的关键, 国内外学者对此做了大量研究[1-8]。常规注氮气泡沫技术是利用泡沫发生器在地面起泡后注入地层, 该方法应用较为广泛, 但在某些情况下, 如海上油田, 由于受空间、安全等因素限制, 不能大规模应用; 化学生热体系的研究主要集中在热的提温溶解能力和气的增能作用[9-14], 如压裂、清蜡、排水采气等方面; 自生泡沫技术的研究主要为CO2泡沫及降黏机制或泡沫性能评价方面, 弱化了泡沫较为重要的调剖作用。自生热泡沫体系是结合氮气泡沫与化学生热体系形成的一种双液法调剖体系, 笔者对这种地下起泡形式的泡沫体系调剖机制进行深入研究。
1 自生热泡沫体系反应原理自生热泡沫体系是将起泡剂加入化学生热体系中控制反应使其在注入地层后发生反应产生热量和自发形成泡沫的过程[15], 如图 1所示。化学生热体系类型较多, 本文中采用产热量较大的铵盐/亚硝酸盐体系, 其离子式为:NH4++NO2- → H2O+N2↑+Q, 其中Q=332.58 kJ/mol, 理论上1 m3浓度为3 mol/L的溶液可生成68.75 m3(0 ℃, 101 325 Pa)氮气。
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图 1 自生热泡沫体系原理示意图 Fig.1 Schematic diagram of self-generation heat and foam system |
试验材料为NH4Cl(分析纯)、NaNO2(分析纯)、一水合柠檬酸(0.13%)、起泡剂Z-3(0.7%, 生物表面活性剂)。配置NH4Cl、NaNO2溶液浓度为3.5 mol/L。其中起泡剂是经过筛选得到的耐盐耐温起泡剂。
2.2 试验装置设计的自生热泡沫体系封堵调剖测量装置可以对压力和岩心内部温度进行测量，如图 2所示。该装置分为注入系统、岩心测量系统和出口计量系统。注入系统包括双柱塞计量泵、中间容器、六通阀等, 可以确保两种溶液同时注入岩心; 岩心测量系统包括压力传感器、60 cm改装岩心管、热电偶、计算机、回压阀等, 其中岩心包裹在绝热套中, 可以减少热量损失, 该系统主要测量压力和温度两部分, 记录岩心驱替过程中压力及温度变化; 出口计量系统包括气液分离器、气体流量计、天平等, 主要记录产液和产气量。本试验装置在常规驱替装置基础上做了如下改进:
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图 2 自生热泡沫试验流程图 Fig.2 Flow chart of chem-thermogenic-foam experiment |
(1) 增加了岩心内部反应测温装置。对常规填砂管进行改进, 在岩心内部加入测温点, 岩心外部包裹绝热套。该设置可对化学反应进行过程中岩心内部的温度变化进行实时监测。
(2) 增加了出口气液测量装置。在出口增加气液分离器以及气体流量计。通过对岩心出口产生的气体、液体进行分离后的计量, 观察反应动态, 实现反应程度的计算。
2.3 试验方法为了得到自生热泡沫体系的封堵调剖机制, 特别是对于非均质地层的适应性, 笔者设计了三部分试验内容:一是单岩心封堵性试验; 二是泡沫圈闭气体对比评价试验; 三是并联岩心调剖分流试验。
(1) 单岩心封堵性试验主要试验步骤为:①将恒温箱内部温度控制在60 ℃, 确保化学反应剧烈(室温下反应缓慢), 回压4 MPa; ②自生热泡沫体系进行单岩心驱替试验, 以合注方式注入自生热泡沫体系, 注入速度1 mL/min, 以压力稳定为止, 期间测量岩心两端压力变化, 计算阻力因子; ③填制不同渗透率岩心(岩心参数见表 1)重复上述过程; ④常规泡沫对比试验。
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表 1 岩心参数 Table 1 Core parameters |
(2) 泡沫圈闭气体对比评价主要试验步骤为:①将恒温箱内部温度控制在60 ℃, 确保化学反应剧烈, 回压4 MPa; ②自生热泡沫体系单岩心驱替试验, 合注方式注入自生热泡沫体系1VP(VP为孔隙体积), 注入速度1 mL/min, 后续水驱至稳定, 期间计量出口产气量; ③填制不同渗透率岩心重复上述过程(岩心为表 1中1-1、1-4、1-6);④填制岩心(岩心参数见表 1), 利用自生热体系不加起泡剂重复上述过程, 进行对比评价。
(3) 并联岩心调剖分流试验主要试验步骤为:①将恒温箱内部温度控制在60 ℃, 确保化学反应剧烈, 回压4 MPa; ②自生热泡沫体系并联岩心驱替试验, 高低渗透率岩心并联, 同时合注方式注入自生热泡沫体系, 注入速度2 mL/min, 注入1VP为止, 后续水驱至压力稳定, 期间分别测量两岩心压力、温度及出口产液量, 计算分流量; ③填制不同渗透率级差岩心重复上述过程。
2.4 试验原理主要通过4个参数指标评价自生热泡沫体系的调剖机制:①常规阻力因子, 宏观上对封堵性能进行评价; ②泡沫圈闭气体量, 通过试验计量推导圈闭气体百分比, 并以此从根本上阐述泡沫封堵机制; ③高低渗分流量, 通过对高低渗岩心分流量的计量, 得到归一化分流量后的分流率曲线, 直观分析泡沫调剖分流机制; ④温度上升率, 通过自生热泡沫体系驱替中温度变化, 侧面解析自生热泡沫调剖分流过程。
(1) 自生热泡沫阻力因子。泡沫的阻力因子和残余阻力因子是评价泡沫封堵调剖能力的重要指标, 可以从宏观上反映出泡沫的封堵效果。自生热泡沫阻力因子为自生热泡沫体系驱替结束时刻岩心两端压差与注水压差之比。自生热泡沫残余阻力因子为后续注水稳定时刻岩心两端压差与注入泡沫前注水两端压差之比, 表达式为
| $ {R_{\rm{F}}} = \frac{{\Delta {p_{\rm{f}}}}}{{\Delta {p_{\rm{w}}}}}, $ | (1) |
| $ {R_{{\rm{Fr}}}} = \frac{{\Delta {{\bar p}_{\rm{w}}}}}{{\Delta {p_{\rm{w}}}}}. $ | (2) |
式中, RF为阻力因子; Δpf为自生热泡沫体系驱替结束时刻岩心两端压差, Pa; Δpw为注水压差, Pa; RFr为残余阻力因子; Δpw为后续注水岩心两端稳定压差, Pa。
(2) 泡沫圈闭气体量。泡沫通过降低气相流度间接降低水相饱和度、相对渗透率和流度。泡沫降低气相流度很大程度上依靠在地层中圈闭大量的气体, 即使在较高的压力梯度下流动, 泡沫仍可以圈闭80%~99%的气体[16-18]。泡沫圈闭气体量可以从根本上衡量泡沫调剖效果, 从微观上阐述泡沫调剖机制。笔者通过测量自生热体系与自生热泡沫体系的产气量, 计算出泡沫圈闭气体体积分数(Trap)为
| $ {T_{{\rm{rap}}}} = \frac{{{V_0} - {V_{\rm{f}}}}}{{{V_0}}}. $ | (3) |
式中, V0为自生热体系产气量, mL; Vf为自生热泡沫体系产气量, mL。
(3) 自生热泡沫分流量。高低渗岩心出口流量变化可以直观反映自生热泡沫调剖的动态过程, 通过出口计量装置计量得到高低渗岩心出口累积液量, 计算得到两出口分流量, 并进行归一化处理, 可以得到两出口分流率, 计算公式为
| $ {f_{\rm{H}}} = \frac{{{q_{\rm{H}}}}}{{{q_{\rm{H}}} + {q_{\rm{L}}}}}, $ | (4) |
| $ {f_{\rm{L}}} = \frac{{{q_{\rm{L}}}}}{{{q_{\rm{H}}} + {q_{\rm{L}}}}}. $ | (5) |
式中, fH和fL分别为高、低渗岩心分流率; qH和qL分别为高、低渗岩心流量, mL/min。
(4) 温度上升率。温度的变化是自生热泡沫体系较之常规泡沫体系独有的特点, 且随着液体注入反应进行不断变化。温度的变化规律与反应溶液量直接相关, 因此能从侧面反映出高低渗岩心内部进入液量的变化。笔者通过测量高低渗岩心内部温度变化, 计算得到温度导数即温度上升率(由于试验点有限, 这里通过相邻两温度点斜率近似代替该点导数), 在此基础上进一步得到高、低渗岩心温度上升率的比值(以下称温度上升率比), 反映高、低渗岩心进液量的变化,
| $ \frac{{\partial {T_{\rm{H}}}}}{{\partial {t_i}}} = \frac{{\partial {T_{\rm{H}}}}}{{\partial t}} = \frac{{{T_{{\rm{H}}i + 1}} - {T_{{\rm{H}}i}}}}{{{t_{i + 1}} - {t_{i + 1}}}}, $ | (6) |
| $ \frac{{\partial {T_{\rm{L}}}}}{{\partial {t_i}}} = \frac{{\partial {T_{\rm{L}}}}}{{\partial t}} = \frac{{{T_{{\rm{L}}i + 1}} - {T_{{\rm{L}}i}}}}{{{t_{i + 1}} - {t_{i + 1}}}}, $ | (7) |
| $ {I_i} = \frac{{\partial {T_{\rm{H}}}}}{{\partial {t_i}}}/\frac{{\partial {T_{\rm{L}}}}}{{\partial {t_i}}} = \frac{{\partial {T_{\rm{H}}}}}{{\partial {T_{\rm{L}}}}} = \frac{{{T_{{\rm{H}}i + 1}} - {T_{{\rm{H}}i}}}}{{{T_{{\rm{L}}i + 1}} - {T_{{\rm{L}}i}}}}. $ | (8) |
式中,
Ii具有明显的物理意义, 反映的是高渗岩心相对低渗岩心温度变化趋势的差别程度。该值为1时, 说明高、低渗岩心温度变化趋势达到一致, 即高低渗岩心当前进入的液量基本相同; 该值大于1时, 高渗岩心的温度变化趋势大于低渗岩心, 说明高渗岩心进液量较多; 小于1与大于1相反。
3 试验结果分析 3.1 阻力因子对比评价了自生热泡沫体系和常规泡沫体系阻力因子和残余阻力因子, 结果如图 3所示。由图 3(a)可以看出, 自生热泡沫体系阻力因子随渗透率增加呈增加趋势, 体现了泡沫对高渗层的封堵能力, 而相对于常规泡沫, 自生热泡沫体系的阻力因子及残余阻力因子都较大, 约为2倍左右。因为两种方法泡沫的产生方式及生长规律不同:常规泡沫是以气液两相注入, 通过泡沫发生器产生泡沫, 经过不断的破灭聚并, 最终达到平衡的生长过程, 而该体系是经化学反应释放气体产生泡沫, 由小气泡逐渐长大形成稳定泡沫的生长过程, 后者形成的泡沫更加均匀细致。
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图 3 阻力因子和残余阻力因子与渗透率的关系曲线 Fig.3 Relations of resistance factor & residual resistance factor and permeability |
由图 3(b)可以看出阻力因子随着体系的注入迅速增大, 而后续水驱过程逐渐降低稳定。
3.2 圈闭气体量对比不同渗透率下自生热体系(不加起泡剂)和自生热泡沫体系(加起泡剂)出口产气量, 在此基础上计算泡沫圈闭气体体积分数, 结果如图 4所示。由图 4可以看出, 自生热驱替过程中, 自生热体系比自生热泡沫体系产气量多, 且随着渗透率增加差别增大。后续水驱过程中, 由于泡沫的大量冲出, 自生热泡沫体系产气量开始迅速增加, 而自生热体系逐渐趋于稳定。通过圈闭气体体积分数可以看出, 随着自生热泡沫体系的注入, 圈闭气体量迅速增加, 一般能圈闭90%以上的气体, 渗透率接近8 μm2时甚至达到99%, 而后续水驱过程中圈闭气体量下降, 但渗透率较高时仍能圈闭较多的气体。
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图 4 不同渗透率下产气及圈闭气体随时间变化 Fig.4 Volume of outlet gas and trapped gas with time changing at different permeability |
图 5为不同渗透率级差下高、低渗岩心分流率曲线。由图 5可以看出, 开始时高渗岩心分流量大于低渗透岩心, 随着自生热泡沫体系的注入, 高渗透岩心分流量逐渐下降, 低渗透岩心则逐渐上升, 最终都达到了反转, 但渗透率级差不同达到反转所用时间和持续时间不同。级差为4.2时, 注入0.7 VP达到反转, 反转现象一直维持到后续水驱结束, 持续时间为注入1.3VP; 级差为7.9时, 注入0.3VP达到反转, 反转现象持续到0.8VP, 持续时间为注入0.5VP, 之后直到后续水驱结束分流量逐渐恢复自然渗流状态, 但比初始时刻差距小; 级差为15.8时, 注入0.2VP左右达到反转, 反转持续约为注入0.5VP, 持续时间为注入0.3VP, 之后迅速反弹接近初始时刻状态, 后续水驱时高低渗分流量仍然差距较大。综上所述, 渗透率级差越小, 达到分流反转所用时间越长, 但渗透率级差越大, 均衡反转流动维持时间越短, 因此调剖堵水中渗透率级差4.2时效果最好, 能在更长时间内保持产液剖面的均衡, 渗透率级差7.9时自生热泡沫体系调剖效果变差, 但仍能起到一定的作用, 而继续增大到15.8时, 调剖效果不明显。
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图 5 不同渗透率级差下高低渗岩心分流率曲线 Fig.5 Diversion rate of high and low permeability core with time changing at different permeability ratio |
图 6为不同渗透率级差下高低渗透岩心内部温度变化曲线。由图 6可以看出, 自生热泡沫体系注入过程中整体温度上升, 而后续水驱由于大量反应溶液被携带出岩心, 温度下降。即自生热泡沫体系注入过程中, 开始阶段高渗岩心温度上升较快, 随着反应中气体释放及泡沫的产生, 泡沫的暂堵分流作用逐渐显现, 呈现出低渗岩心温度上升趋势大于高渗岩心现象, 但不同渗透率级差下情况有所差别:级差较小为4.2时, 低渗岩心温度迅速接近高渗岩心; 级差7.9时甚至超越高渗岩心; 而级差较大为15.8时, 低渗岩心温度没有较大的趋势改变, 高低渗岩心温度差异最大。
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图 6 不同渗透率级差下高低渗岩心温度变化曲线 Fig.6 Temperature of high and low permeable sand pack with time changing at different permeability ratio |
图 7为渗透率4 933.8×10-3 μm2时岩心内部温度变化曲线, 可以看出单岩心温度上升趋势与并联岩心单管类似, 说明并联岩心并未改变单管的整体变化趋势, 只是改变了两岩心的增温幅度。
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图 7 渗透率为4 933.8×10-3 μm2时温度随时间变化曲线 Fig.7 Temperature with time changing at permeability 4 933.8×10-3 μm2 |
图 8为不同渗透率级差下高低渗岩心温度上升率比值曲线, 将该图分为4个区域, Ⅰ、Ⅱ区为自生热泡沫驱阶段, 比值大于1即Ⅰ区, 高渗岩心温度上升快, 进入反应溶液流量大; 比值小于1即Ⅱ区, 低渗岩心温度上升快, 进入反应溶液流量大。Ⅲ、Ⅳ区为后续水驱阶段, 比值大于1即Ⅲ区, 高渗岩心温度下降快, 说明高渗岩心水流量较大; 比值小于1即Ⅳ区, 低渗岩心温度下降快, 说明低渗岩心水流量较大。Ⅰ区与Ⅲ区为高渗占优区, Ⅱ区与Ⅳ区为低渗占优区。
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图 8 不同渗透率级差下高低渗岩心温度上升率比值随时间变化曲线 Fig.8 Temperature increasing ratio with time changing at different permeability ratio |
渗透率级差为4.2时, 开始阶段高渗岩心温度上升快处于Ⅰ区, 到0.5 Vp左右时, 转入Ⅱ区, 低渗岩心温度上升快于高渗岩心。后续水驱开始后, 维持在Ⅳ区, 说明后续水驱阶段低渗岩心温度下降较快, 高渗岩心进水量仍低于低渗岩心, 对反应溶液带出较少, 说明高低渗岩心流量仍维持反转状态。
渗透率级差为7.9时, 开始阶段高渗岩心温度上升快处于Ⅰ区, 到0.3Vp左右时转入Ⅱ区, 低渗岩心温度上升快于高渗岩心。后续水驱开始后, 维持在Ⅲ区, 说明后续水驱阶段高渗岩心温度下降较快, 高渗岩心进水量仍高于低渗岩心, 对反应溶液带出较多, 说明高低渗流量返回了原自然流动状态。
渗透率级差为15.8时, 自生热泡沫驱阶段大部分位于高渗占优的Ⅰ区与Ⅲ区, 进入Ⅱ区时间很短, 说明渗透率级差过大的情况下高渗岩心温度上升整体上高于低渗岩心, 而短暂的进入Ⅱ区, 说明短时间内确实形成了反转, 但不能很好地维持。
4 结论(1) 通过设计的自生热泡沫体系封堵调剖测量装置, 可以实现对自生热泡沫体系渗流过程中温度、压力和产液及产气量的测量。自生热泡沫体系阻力因子随渗透率增加而增加, 泡沫的产生方式及生长规律不同使其封堵能力约为常规泡沫的2倍。
(2) 自生热泡沫体系在岩心中产生的泡沫可以圈闭90%以上的气体, 在试验范围内渗透率越大圈闭气体量越大, 最高可达99%。
(3) 自生热泡沫体系能起到较好的调剖作用, 在渗透率级差为4~16时均能达到分流量反转, 级差越大, 达到均衡甚至反转流动所用时间越短, 但调剖效果持续时间增加。
(4) 自生热泡沫体系的注入使温度由高渗占优逐渐向低渗占优转变, 渗透率级差越小, 转变后持续时间越长, 与自生热泡沫体系的调剖分流作用结果一致。
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