泡沫助采在油田中的现状与发展前景

汪 鹏，杨 珍，姚逸风

( 1.中石油煤层气有限责任公司陕西技术服务分公司，陕西 西安 710082；2.长江大学石油工程学院，湖北 武汉 430100 )

1 研究背景及国内外研究现状

我国现已发现的油田大部分属于陆相沉积储层，油藏非均质性严重，原油含蜡高，黏度高。这种陆相沉积环境和生油条件，加大了油田开发难度，因而常规水驱效果往往很不理想。利用三次采油技术来稳定和提高原油产量，开采剩余油，已成为我国石油工业急需解决的一项重要课题。

从20世纪60年代到现在，国内外对泡沫在地层中的渗流规律做了大量的研究工作，对泡沫驱油机理的认识日益成熟，并且分别从不同的角度考虑建立了不同的泡沫驱数学模型。

1.1 国外研究发展现状

1956年Fried[1]首次对泡沫提高原油采收率展开了研究。他和Jensen[2-5]的研究指出，泡沫能引起气相相对渗透率的降低，进而延缓了气体的指进。1958年，Bond等人发表了世界上第一份泡沫驱油的专利(US2866507)[6]。

1963~1965年，Bernard等[7-8]在实验室研究了泡沫在气驱时提高采收率的实验。Marsden和Khan[9-11]通过研究表明，随着孔隙介质绝对渗透率的下降，流动性下降率也越低；随着表面活性剂浓度的增大，泡沫的表观黏度也增加。

Raza[10]对影响多孔介质中泡沫的产生、运移、质量和特性等变量因素作了详细的研究。Owette[12]和Wang[13]研究过CO2泡沫的驱替效果，表明压力增加，泡沫稳定性增强，而温度增加，泡沫稳定性下降。

1983年，Mobil公司开始在室内研究CO2泡沫驱油的工作。试验结果表明，泡沫驱后生产井的产油量明显增加，产气量明显减少，泡沫的作用效果十分明显[14]。1990年美国在新墨西哥州Vacuum油田进行CO2泡沫驱，8口生产井中3口增油 。

1.2 国内研究历程

我国科技人员自20世纪70年代初已经开始对泡沫驱油的稳定性、泡沫驱油机理等问题进行研究，并在此基础上开展了矿场探索性试验。1965年，玉门油田最早进行泡沫驱油试验。自1971年起，先后在克拉玛依、大庆、新疆、吉林扶余、辽河、胜利等油田进行了现场试验，实验效果非常明显。

对国内外的大量文献调研后发现，泡沫具有选择性流动度降低特性(selective mobility reduction，SMR)。泡沫的SMR特性使其在油藏岩石的高、低渗区能够保持驱替前缘较均匀地向前推进，有利于延缓气体的突破和提高驱油效率。随着我国提高采收率技术的迅速发展,可以预料泡沫驱油提高釆收率技术在我国将会有广阔的发展前景。

2 泡沫驱驱油机理

泡沫一般是由不溶性或微溶性的气体分散于液体中所形成的分散物系。这种独特结构决定了泡沫具有低摩阻、低滤失、低密度、高黏度、携带能力强、返排能力强、对储层伤害小等优点。泡沫体系用于油田开发已有50多年的历史，泡沫驱既能显著提高波及效率，又可提高洗油效率，同时还减小了化学驱导致的环境伤害。在一般情况下，泡沫驱可提高采收率10%~25%，是一种很有发展前途的提高原油采收率的技术。

2.1 泡沫在孔隙介质中的分布与流动状态

泡沫在多孔介质内渗流时并不是以连续相的形式通过介质孔隙,而是不断地破灭与再生。液体是连续相,气体是非连续相。

2.1.1 泡沫在多孔介质中的生成

泡沫的生成和形态是进一步研究泡沫在多孔介质中渗流规律和驱油机理的基础，是泡沫驱研究首先要面对和解决的问题[15]。Chambers and Mast等人通过微观模型研究确定出泡沫在多孔介质中生成的微观机理— —液膜滞后、缩颈分离和液膜分叉[16]。

1）液膜滞后。如图1所示，在低于临界速度时，当气体侵入事先被流体饱和的区域，它便渗入孔道，孔隙空间的液体就被两个前缘挤成薄膜。这种情况下液体是非连续相，气体是连续相。

图1 液膜滞后机理Fig.1 The lag mechanism of liquid membrane

2）缩颈分离[17]。随着气体注入速度增加，气泡穿过孔喉进入孔隙，泡沫流体在毛细管力的作用下流向孔喉，并充满孔喉的环形空间，这时泡沫产生的另外一个机理发生，即缩颈分离，如图2所示。

图2 缩颈分离机理Fig.2 The separation principle of necking down

与滞后机理不同，缩颈分离机理是通过增加气相的非连续性和产生薄膜来影响气相的流动性，产生的气泡可以在多孔介质中的某一点停留，阻塞气体通道。在较高的注入速度下，缩颈分离是起主导作用的机理。当气体从低渗透区域流向高渗透区域时，在各种流速下都会发生缩颈分离，这就是泡沫可以选择性封堵高渗透层、全面提高波及系数的原因。

3）液膜分叉。液膜分叉不同于前两种机理，需要有能移动的液膜，即泡沫必须首先产生，进一步重新变形或第二次再生（图3）。

图3 液膜分叉示意图Fig.3 The diagram of film bifurcation

上述的3个机理中，液膜分叉严格地说是泡沫的运移机理而不是泡沫的产生机理，泡沫产生的主要机理是缩颈分离和液膜滞后。

2.2 泡沫驱驱油机理

提高原油采收率的机理主要有提高驱油波及面积（波及系数）和提高驱油效率两个方面。泡沫流体同时具有这两种特性。泡沫驱油作用的主要机理是泡沫在多孔介质内的渗流特性[18]。泡沫首先进入流动阻力较小的高渗透大孔道，由于泡沫在大孔道中流动时有较高的视黏度，流动阻力随泡沫注入量的增加而增大，当增大到超过小孔道中的流动阻力后，泡沫便越来越多地流入低渗透小孔道。此外，泡沫在小孔道中流动时视黏度低，小孔道中含油饱和度高，泡沫稳定性差，因此泡沫能流入小孔道中。这两种因素的作用结果最终导致泡沫在高、低渗透率油层内均匀推进。泡沫还具有一定的洗油能力。所以，它既能大幅度降低油水界面张力，提高驱替效率，又能降低油水流度比，提高波及效率。

3 影响泡沫稳定的因素

泡沫的稳定性是泡沫研究和应用的核心问题，是在泡沫驱应用中必须考虑的重要问题，也是决定泡沫调驱效果的关键因素。

3.1 泡沫的稳定性

目前普遍认为，泡沫的衰变机理是泡沫中液膜的排液和气体透过液膜扩散[19]。

1）液膜的排液[20]：泡沫中液体的流失是气泡相互挤压和重力作用的结果。

2） 气体透过液膜扩散：无论用什么方法产生泡沫，泡沫的大小总是不均匀的。由于小泡内的气体压力总是高于大泡，因而气体自高压的小泡透过液膜，扩散到低压的大泡中去，造成小泡变小，直至消失，大泡变大，最终导致气泡破裂的现象[21]。

3.2 影响泡沫稳定性因素

泡沫的稳定性取决于泡沫的衰变过程和液膜的机械强度,所以凡是影响这两个方面的因素都会影响泡沫的稳定性。目前实验研究认为影响泡沫稳定因素主要有以下几个方面：

①溶液的表面张力。从能量观点考虑，当液膜具有一定的强度，并形成多面体泡沫时，低表面张力才对泡沫的稳定有利。

②表面黏度。表面黏度越高，膜的强度越大，泡沫寿命越长。

③溶液黏度。增加液相黏度，既使泡沫内液体不易流失，又使气体在液膜中的溶解度降低，可以增加液膜的表面黏度和抑制表面膜变薄，使泡沫体系稳定性增加[22]。

④Gibbs－Marangoni表面弹性效应。由表面张力梯度而引起的体相液体传播现象叫Gibbs－Marangoni效应。该效应越显著，泡沫的自我修复能力越强，泡沫就越不易破裂。

⑤液膜表面电荷（分离压力）。一般来讲，电荷有防止液膜变薄，增加泡沫稳定性的作用。离子型表面活性剂的液膜中，液膜两侧吸附电荷产生的斥力(分离压力)阻止膜的变薄，有利于泡沫的稳定性。

4 所面临的问题及展望

近几年国内多个油田及研究院所相继开展泡沫驱研究及现场试验，对于泡沫选择性封堵及大幅度提高水驱后剩余油采收率形成了较为统一的观点，现场试验也取得了较好的效果，普遍取得降低生产井含水、提高原油产量的效果，采收率也有较大幅度的提高。但从已知现场效果的油田的后续推广来看，都不尽人意，推广的力度较小，还没有形成规模性推广，其造成的原因有以下几点。

1）目前泡沫驱油技术还未建成完善的油田应用体系。泡沫驱的施工参数，如注入方式、注入速度、表面活性剂的浓度等并未与油田的地层物性、流体性质、以及温度压力等因素进行有效的结合。泡沫驱油体系注入参数的优化对驱油效果和驱油成本都有较大影响。

2）泡沫驱油技术应用过程中，泡沫的稳定性是影响其驱油效果的最关键因素。泡沫的稳定性差，施工后有效期短，应加强泡沫稳定性的研究。

3）泡沫驱尤其是泡沫复合驱采出液的乳化问题，是泡沫驱面临的问题之一。乳化问题直接导致油井产能的大幅度下降，并降低泵效。这一现象已在大庆油田现场实验中造成不利影响，也是影响大庆油田泡沫复合驱推广的关键因素之一。

4）泡沫驱的注入过程中，大量表面活性剂吸附在岩石表面，导致液相表面活性剂浓度下降，严重影响泡沫的生成，增加了泡沫驱的作业成本。

5）泡沫在注入过程中，容易造成管线和设备的腐蚀，且腐蚀物可能随流体流入地层，对地层孔隙造成伤害，并且容易在井筒附近结垢。

尽管目前现场施工结果还有待提高，但实验室及现场实验已经足以证明泡沫驱在非常规油藏中能够很好地改善油藏的渗透性，能提高油藏采出程度，是一种继聚合物驱之后很有前途的三次采油新技术。

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