西南石油大学学报（自然科学版）
2013年10月第35卷第5期
Journal of Southwest Petroleum University（Science&Technology Edition）
V ol.35No.5Oct.2013
DOI：10.3863/j.issn.1674–5086.2013.05.018
文章编号：1674–5086（2013）05–0130–05
中图分类号：TE357
文献标识码：A
王杰祥，王腾飞，韩蕾，任文龙
中国石油大学（华东）石油工程学院，山东青岛266580
摘要：长庆油田五里湾一区块是一主力区块，为特低渗岩性油藏，孔隙结构差，非均质性严重，水驱开发难度大，油藏采收率低。为进一步提高油藏采收率，模拟其油层条件，开展了氧化管、加速量热仪和单双管驱油实验，主要研究了原油的低温氧化性能及特低渗油藏空气泡沫驱提高采收率的规律。实验结果表明，五里湾一区油藏原油在油藏条件下即能发生氧化反应，且当温度达到100℃左右时氧化反应速率迅速增加，原油活化能E=61354J/mol；特低渗油藏水驱后转空气泡沫驱能进一步提高采收率，幅度可达20%，且油藏渗透率越高，空气泡沫驱提高采收率幅度越大；空气泡沫的注入时机对原油采收率影响显著，开发后期转空气泡沫驱，原油最终采收率更高，对特低渗油藏的开发更有利。 关键词：特低渗油藏；空气泡沫；低温氧化；提高采收率
Experimental Study of Improved Oil Recovery Through Air Foam
Flooding in Ultra-low Permeability Reservoir
Wang Jiexiang,Wang Tengfei,Han Lei,Ren Wenlong
College of Petroleum Engineering，China University of Petroleum（East China），Qingdao，Shandong266580，China Abstract：Wuliwan-1block is a main reservoir in Changqing oilfield.It is an ultra-low permeability lithologic reservoir with bad pore configuration.The block is a heterogeneous r
eservoir with low oil recovery.With the purpose of further improve-ment of oil recovery，the experiments of small batch reactor，Accelerating rate calorimeter and single or double flooding were launched.The low temperature oxidation ability of oil and air foam EOR regular pattern of ultra-low permeability reservoir was researched.The results show that the low temperature oxidation can happen in the reservoir condition，and the oxidation rate will increase fast when the temperature reaches100℃，the activation energy of oil E=61354J/mol.The injection of air foam after waterflooding will improve oil recovery obviously in ultra-low permeability reservoir，with the improvement amplitude reaching to20%.The higher of the reservoir permeability，the larger of the oil recovery of air foam flooding.The injection time of air foam has a significant impact on the oil recovery.It is more benefit to inject air foam in the production tail，in order to enhance the oil recovery.
Key words：ultra-low permeability reservoir；air foam；low temperature oxidation；enhanced oil recovery
网络出版地址：http：//wwwki/kcms/detail/51.1718.TE.20130928.0911.002.html
王杰祥，王腾飞，韩蕾，等．特低渗油藏空气泡沫驱提高采收率实验研究[J]．西南石油大学学报：自
然科学版，2013，35（5）：130–134．Wang Jiexiang,Wang Tengfei,Han Lei,et al．Experimental Study of Improved Oil Recovery Through Air Foam Flooding in Ultra-low Permeability Reservoir[J]．Journal of Southwest Petroleum University：Science&Technology Edition，2013，35（5）：130–134．
*收稿日期：2012–03–12网络出版时间：2013–09–28
第5期王杰祥，等：特低渗油藏空气泡沫驱提高采收率实验研究131
中国低渗油气资源储量丰富，潜力巨大，提高低渗油藏的采收率对中国石油工业的持续稳定发展具有重要意义。对于低渗油藏，尤其是特低渗油藏，气驱比传统的水驱更能提高采收率[12]。注空气在气源和成本方面优势显著，但存在“易气窜”缺点。空气泡沫驱克服了空气驱“气窜”的缺点，具有低温氧化效果和流度控制作用，可提高低渗透层的采收率[35]。五里湾一区为特低渗岩性油藏，孔隙结构差，非均质性严重，开发难度很大。为此，本文针对该区块开展了空气泡沫驱提高采收率实验研究，为特低渗油藏空气泡沫驱矿场试验提供依据。
1空气泡沫驱技术原理与安全性
1.1空气泡沫驱技术原理
空气泡沫驱是一种新的三次采油技术，是空气驱与表面活性剂驱的有机结合，兼具气驱、活性水驱及泡沫驱的效果，驱油效率高。空气泡沫驱技术的主要驱油机理有：
1.1.1空气驱作用
（1）常规气驱机理，包括重力分异作用、油气重力排驱作用以及维持和提高地层压力作用；（2）空气能驱替水波及不到的10∼1µm的微细裂缝的剩余油；（3）空气与原油的低温氧化（LTO）机理，可除去空气中的氧并产生烟道气，烟道气溶于原油使其体积膨胀，将部分残余油从滞留空间中挤出而形成可采油，并通过驱替/萃取作用提高采收率。
1.1.2活性水驱作用
泡沫剂是一种活性很强的表面活性剂，可大幅度降低油水界面张力，通过油水乳化、液膜置换等方式提高洗油效率。
1.1.3泡沫驱作用
泡沫有“堵大不堵小”及“堵水不堵油”的特性，可优先封堵大孔道和水流优势通道，提高低渗高含油小孔道的驱油效率。
立体绣花1.2技术的安全性
空气用于驱油以来的几十年中，安全问题一直是人们关注的焦点。因此，在进行空气驱或空气泡沫驱前，要先对目标油藏进行评价，主要包括实验和数值模拟两部分评价。其中实验包括原油氧化管实验和ARC实验等，主要研究油藏原油的氧化特性并据此推断该油藏对空气驱油的适应性；数值模拟主要对驱油过程中的热量及氧气分布进行预测，分析氧气突破时间及关井时机，并能直观地展现空气及空气泡沫的驱油效果。
实际应用中，由于井距大、油层厚等原因，空气在地层中可滞留足够长的时间使空气中的氧与原油发生低温氧化反应而基本耗尽，氧浓度达不到爆炸所需范围（大于10%∼11%）。国外的BRRU、MPHU、West Hackberry、Coral Creek、Ekofisk以及Buffalo等油田[611]已经进行注空气采油几十年，国内的中原油田和百油田也进行过空气泡沫驱现场试验[1213]，均没有出现安全事故。因此，只要规范施工流程、控制好注采参数，空气泡沫驱是安全的。
2实验条件与方法
供电设备2.1实验条件
长庆油田五里湾一区的油藏平均埋深1890m，原始地层压力12.2MPa，为典型的低压油藏；油层平均渗透率1.81mD，为特低渗岩性油藏，孔隙结构差，非均质性严重。据此选定驱油实验条件：实验压力10MPa，实验温度60℃，实验用水为五里湾一区块的污水，实验用油为五里湾一区块脱水脱气原油，
实验物理模型为天然岩芯拼接的长岩芯驱替模型，起泡剂为油田提供的CQ–F，使用质量分数0.5%。
2.2氧化管实验
利用高压静态反应装置研究不同温度、压力条件下原油与氧气的氧化反应速率，评价五里湾一区油藏对空气驱油的适应性。实验油样为柳79–35油样，实验参数如表1所示。
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表1柳79–35静态氧化实验参数表
Tab.1Static oxidation experiment parameter list of Liu79–35crude
oil
序号
初始压力/
MPa
反应温度/
℃
持续时间/
h
含油饱和
度/%
反应物1166054100透水石
原油+空气2165046100
3164042100
4106050100
5105044100
6104039100
2.3加速量热仪（ARC）实验
在绝热条件下利用加速量热仪进行实验，以50℃为开始实验温度，检测反应放热，若没有
132西南石油大学学报（自然科学版）2013年
检测到有效放热（温升速度 0.02℃/min），就以3℃/min自动升温，若检测到反应放热，则停止人为升温，而靠反应放热升温。当反应放出的热量升温不足以维持反应继续进行时，自动转为人为升温，如此反复直至实验结束。具体实验参数如表2所示。
表2ARC实验参数
Tab.2Parameters of the ARC experiment
实验压力/MPa空气流量/（mL·min−1）样品重量/g反应容器体积/mL反应容器材料检测灵敏度/（℃·min−1）
2.710
3.3868约10HC–MCQ0.02
升温间隔/℃等待时间/min检测时间/min设定温度/℃实验油样
等离子体刻蚀
3202020∼200柳79–35原油
2.4单管驱油实验
共包括3组实验。第1组：岩芯渗透率
K=7.849mD，水驱至产水率98%转空气泡沫驱；
第2组：岩芯渗透率K=1.204mD，水驱至出口端见
水转空气泡沫驱；第3组：岩芯渗透率K=1.196mD，
水驱至产水率98%转空气泡沫驱。实验中气液比
均为1：1，气液混合注入。
2.5双管驱油实验
实验中两岩芯的渗透率分别为1.682mD和
3.618mD，渗透率极差为2.15。驱油实验方法：水
驱至产水率98%转空气泡沫驱。气液比为1：1，空
气与起泡剂溶液混合注入。
3实验结果及分析
3.1氧化管实验
不同温度、压力下，柳79–35原油的静态氧化
实验结果如表3和图1所示。
表3柳79–35原油在不同温度、压力下的实验结果
Tab.3The experiment results of the Liu79–35crude oil in different
temperatures and pressures
序号压力/
MPa
温度/
℃
反应后摩尔分数/%反应速率/
（×10−5mol[O2]·（h·mL[oil]）−1）O2CO2
116.206016.4 1.1 4.28
216.155017.80.9 3.60
316.204019.20.7 3.22
410.086017.20.9 3.95
510.065018.90.7 3.42
610.104020.10.6 3.01
由表3和图1可知：（1）所有实验条件下氧化反应均能进行，但是反应温度和压力对原油氧化速率有
较大影响，压力越大、温度越高，氧化反应越剧烈，氧化速率越大，消耗氧气越多，生成的二氧化碳也越多。（2）由氧化管实验可知，在油藏条件（压力12.2MPa、温度60℃）下，原油能与空气中的氧气发生较强的氧化反应。在实际油藏中原油始终是过量的，且由于井距较大，空气在油藏中滞留时间较长，其中的氧气能充分反应，不会造成安全隐患，因此，五里湾一区油藏有较强的空气泡沫驱可行性。
图1不同压力下柳79–35原油静态氧化反应速率与温度
的关系曲线
Fig.1Curves of temperature and Liu79–35crude oil’s static oxidation reaction rate in the condition of different pressures
3.2ARC实验
实验结果如图2所示。
图2柳79–35原油ARC实验温度曲线
Fig.2The ARC experiment temperature curve of Liu79–35crude oil
由ARC实验结果可知：（1）实验温度102℃时，量热仪检测到大量放热，温度迅速升高，说明在温度达到100℃
左右时原油与空气的氧化
第5期王杰祥，等：特低渗油藏空气泡沫驱提高采收率实验研究133
反应会加剧，更利于空气中氧气的消耗及热量的产
生。由氧化管实验可知，在油藏条件下氧气即能与
原油反应并放热，鉴于油藏的高绝热性能，随着氧
化反应的不断进行，油藏温度将稳步上升，当温度
达到100℃左右时，将会发生更剧烈的氧化反应，
对空气驱及空气泡沫驱更有利。
（2）由ARC实验的结果，可以根据Arrhe-
nius方程计算原油低温氧化动力学参数，活化能
E=61354J/mol，为数值模拟提供所需参数。
3.3单管驱油实验
实验结果见表4。
表4单管驱油实验结果
Tab.4Results of the single sandpack flooding experiment
实验分组岩芯渗透率/
mD
气液比
采出程度/%
水驱泡沫驱最终
第1组7.8491：145.2826.3671.64
第2组 1.2041：119.3035.0854.38
第3组 1.0961：141.7020.5062.20
由表4可以看出：（1）对特低渗岩芯模型，水驱后进行空气泡沫驱能显著提高原油采收率，幅度在20%以上。这是因为：空气泡沫驱兼具气驱、活性水驱和泡沫驱的作用，空气能进入更小的孔隙，驱出水波及不到的孔隙中的原油。起泡剂可大幅度降低油水界面张力提高驱替介质的洗油效率，提高采收率。注入的泡沫优先进入微裂缝等水流优势通道，通过贾敏效应提高生产压差，迫使驱替介质转入含油饱和度高的小孔道，提高了波及体积，从而提高了原油采收率。
（2）对比第1组实验和第3组实验可知：对单管驱油实验岩芯渗透率越大，泡沫驱提高的采收率和最终采收率越高。这是因为：实验所用特低渗岩芯均为天然岩芯，渗透率越小，则孔隙结构越差，存在于盲端及微孔隙中的原油所占比例越多，即可采原油越少；同时渗透率越小，岩石平均孔隙半径越小，泡沫进入孔隙中驱替原油时所要克服的毛管力就越大，在相同驱替条件下的原油采收率就越低，因此渗透率大的岩芯模型原油采收率更高。
（3）第2组实验与第3组实验所用岩芯模型相同，区别在于第2组实验见水后即转空气泡沫驱，而第3组实验在产水率98%时转空气泡沫驱。实验结果表明：第3组实验的最终采收率高于第2组实验，其差值为7.82%。分析其原因认为：第2组实验中转注空气泡沫时岩芯中的含油饱和度很高，注入的泡沫遇油消泡，没有起到泡沫驱的作用，直到岩芯中含油饱和度较小时泡沫驱的作用才体现出来。而第3组
实验在水驱后期时转注泡沫，此时岩芯微裂缝和大孔道中的原油大部分已驱出，含油饱和度低，泡沫优先进入其中对其进行封堵，迫使驱替介质转入含油饱和度高的小孔道中，提高了原油的采收率。由此可见，泡沫的注入时机非常重要，在开发后期应用泡沫驱效果更好，有更高的原油采收率。
3.4双管驱油实验
实验结果如图3所示。
图3双管驱油实验采收率与注入孔隙体积倍数关系曲线Fig.3Influence of the injection pore volume on the oil recovery
efficiency of double sandpacks
双管驱油实验模拟了非均质特低渗油藏的驱油效果，水驱后转注空气泡沫可进一步提高采收率，幅度接近20%。这是因为水驱时水流优先进入高渗层，在高渗层中建立水流优势通道，水驱后期时注入水主要沿优势通道流动，低渗层动用程度低。注入空气泡沫后，高渗层中的水流优势通道被有效封堵，使驱替介质转向含油饱和度高的低渗层中，大幅度提高了波及体积，从而提高了原油采收率。
4结论
（1）五里湾一区原油在油藏条件下能与空气发生氧化反应，且当温度为100℃左右时氧化反应速率迅速增加，由ARC实验得出五里湾一区原油活化能E=61354J/mol。
（2）对特低渗油藏，水驱后转空气泡沫驱能进一步提高原油采收率，幅度可达20%，且油层渗透率越高，空气泡沫驱提高采收率幅度越大，最终采收率也越高。
134西南石油大学学报（自然科学版）2013年
（3）空气泡沫的注入时机对原油采收率影响显著，注水开发后期转注空气泡沫比无水采油期结束后立即转注泡沫的原油采收率高，更利于特低渗油藏的开发。
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作者简介
王杰祥，1963年生，男，汉族，山
东烟台人，教授，博士，主要从
事油气田开发的基础理论与
现场应用工作。E-mail：jiexiang-
wang@upc.edu
王腾飞，1987年生，男，汉族，山
东潍坊人，博士研究生，主要从事
油气田开发方面的研究。E-mail：
wangtengfeiforever@126
韩蕾，1987年生，女，汉族，山东烟
台人，硕士研究生，主要从事油气
田开发方面的研究。E-mail：han-
caoyutian@163
任文龙，1988年生，男，汉族，辽
宁盘锦人，硕士研究生，主要从事
油气田开发方面的研究。E-mail：
rwl159@163
编辑：牛静静
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