氮气泡沫热水驱物理模拟及数值模拟研究
摘要:针对强非均质油藏提高采收率的需要，开展了泡沫驱油技术研究。胜利油田现场提供的起泡剂和原油等资料，通过室内物理模和数值模拟，对氮气泡沫热水驱提高采收率的机理进行了研究。建立了三维，三相，多组分数模型，编制了氮气泡沫热水驱油藏数值模拟软件。模型考虑了相平衡以及温度，界面张力对油，气，水三相渗流的影响以及起泡沫失的各种机理，较全面地反应了氮气泡沫热水驱的作用机理。实验和数值模拟的结果均表明，氮气泡沫热水驱能大幅度地提高驱油效率，降低残余油饱和度。在非比均质油层（模型）中泡沫的驱油效果比在均质油层（模型）中更好，残余油饱和度降低了21.1％，采收率提高了31.2％。
稠油的开采具有极其重要的战略地位和意义 ，目前已成为石油工作者研究的重点和难点之一。随着油田开发技术的不断提高，为适应油田多变的地质条件，氮气泡沫驱已经逐渐被提出和应用于油田的开发中，并取得了较好的经济效益，例如在胜利油田孤岛采油厂、胜利采油厂进行的氮气泡沫吞吐提高稠油采收率的现场试验取得丁较好的效果。氮气泡沫驱开采稠油是利用氮气驱、泡沫驱和热水驱的优点而提出的一种复合驱油新方法。因此，有必要 对热添加剂提高稠油采收率技术进行细致的研究。
胜利油田分公司孤岛采油厂在2001年讲行了氮气蒸汽吞吐先导矿场试验，取得了较好的效益。为深入研究氮气泡沫热水驱油机理，笔者在国内外泡沫驱【l—3】研究的基础上，综合前人的热力采油数学模型【4－6】、泡沫驱数学模型【7－11】：及氮气驱相关理论，为该项技术的现场应用提供理论依据，进行了一系列氧气泡沫热水驱油室内物理模拟和数值模拟研究 。 1氢气泡沫热水驱油物理模拟
1.1 实验装置
实验装置为一维管式模型装置，由压力调节器保持压力一致，实验装置见图l。岩心长50．0。cm， 直径为3 cm，孔隙度为31．8％，岩心水相绝对渗透率为1．91 μm2.实验采用胜利孤岛油田渤21块7 —19井原油，原油密度20℃时0．9793g／cm，，85℃ 时0．9377g／cm3。实验用发泡剂为英特公司高温发泡剂，质量分数为0．3％，气液比1：2.
1.2 高温一维模型驱油效率实验
针对孤岛油田原油，研究相同条件下，热水驱和泡沫驱的驱油效率，进一步了解氮气泡沫热水驱提高采收率的机理以及存在原油时泡沫驱的开发动态。为此设计了2个初始条件相同的平行实验，即在85℃条件下，进行了热水驱、热水+氮气泡沫驱实验，结果见图2。
基金项目：国家973资助项目‘‘大幅度提高采收率的基础研究”，项目编号G19990225。
：作者简介：吕广忠，1974年生：从事油气田开发工程方面的研究，副教授。E—mail：lgz 2000018C03163．com
在热水驱过程中加入氮气和泡沫剂，能大幅度地提高驱油效率，降低残余油饱和度。驱替结束时其驱油效率提高21．3％，残余油饱和度降低14．9％。另外，泡沫剂本身是一种表面活性剂，具有降低油水界面张力和洗油的作用，表现为驱油效率提高和残余油饱和度降低。
从图2还可以看出，在泡沫驱替初期，原油饱和度较高，泡沫很难形成，氮气泡沫热水驱与热水驱驱油效果基本一致；随着含油饱和度的降低，泡沫逐渐形成，氮气泡沫热水驱提高采收率的效果逐渐表现出来，验证了泡沫具有“遇油消泡、遇水稳定”的性
厶卜
1．3 双管模型提高采收率实验
1．3．1 实验装置 该实验的目的是利用物理模拟技术研究非均质油藏热水驱过程中出现“指进”和“窜流”时，通过添加所选用的泡沫剂能否使热水发生转向，改善热水驱波及体积，提高原油采收率。
试验装置仍为一维管式模型装置，由压力调节器保持压力一致，试验装置图与图1基本相同，所不同的是将岩心由单管模型改为双管模型，双管模型置于同一平面上，双管进出口处于相同的压力系统中。所用岩心为石英砂，为了模拟油层的非均质性将处理过的石英砂按不同粒径分为2种级别，然后制成渗透率为高、低2个级别的岩心，长度均为500mm，直径30 mm。试验用岩心参数见表1。
由图4可以看出，在热水中加泡沫剂及氮气时，在改善波及效率，提高采收率的同时，还能显著提高采油速度，在注水孔隙体积倍数分别为0.5.1.0.1.5和2.0时，和纯热水驱相比，采收率分别提高了16.7％，21.9％，24.6％和26.1％
2数学模型的建立
2.1基本假设
⑴油藏中存在3相（水，油，气）4组分（水，油，氮气，起泡沫剂）。
⑵油藏流体符合达西定律。
⑶油藏岩石具有各异性和非均质性，考虑毛管的影响和岩石流体的热膨胀及压缩性。
⑷考虑起泡剂在油藏中对流与扩散以及在油层中的吸附，在高温下的热降解失。其中起泡剂扩散符合Fick定律。
(5)在油藏的任 一单元体积中，，瞬时达到热平衡与相平衡。
(6)氮气组分存在于气相和油相中，油组分仅存在于油相中，起泡利组分存在于水相和油相中，水组分存在于水相和气相中。
2．2 基本方程
式中，Δ为微分算子；ρJ为相密度，mol／m3;к为渗透率m2；μ为流体黏度，Pa•s；／为气相压力，Pa；ρcj为相J的毛管压力，ρCj=ρJ-ρ,Pa;γJ为相J重度，Pa/m;Ф为孔隙度，小数；q1为I组分的源(汇)项，Mol／(m3•s)；SJ为相饱和度，小数；Z为油层垂深， m；D为弥散系数，m2／s；qsth、qsad为单位体积油藏起 泡剂吸附、降解损失量，mol／(m3’•s)；HJ，为相J热焓，J／mol；UJ为相J内能，J／mol；T，为油层导热系 数，J／(s•m•K)；T为温度，K；QH，为流体注入产出引起的焓值变化，J／(m3•s)；QHL。为油层顶、底层的热 损失速率，J／(m3•s)；Mf为油藏岩石热容，J／(m3 •K)。下标sth为起泡剂热降解；sad为起泡剂吸 附；J为相，1、2、3分别代表水、油、气；I为组分，1、2 3、4分别代表水、油、氮气、起泡剂组分。
2．3 辅助方程
起泡剂由水相溶人油相的现象可以考虑为液一液萃取过程。假设起泡剂在水相和油相中的浓度瞬时达到平衡，则可由Langmuir模型描述
式(1)～式(9)组成的数学模型共有9个方程，包括4个组分质量守恒方程，3个摩尔约束方程，1个能量方程，1个饱和度约束方程。未知数9个：Xw、Xo、Xg、X4、p、T、So、Sw、Sgo
2．4 泡沫总量平衡方程
总量平衡方程用来计算流动气泡和静态气泡的平均密度，其基本思想是在控制体内气泡增量二流人量—流出量+气泡的净增量+源汇项。用公式表达为
式中，nf为流动气泡的平均密度，m-3；ns为静止气泡的平均密度，m—3；xf，为流动气体的分流量，小数；Sg为气体饱和度，小数。G为气泡的净增量，表征气泡牛成和聚并，与表面活性剂浓度、种类、气液比、午油饱和度、温度以及岩石渗透率有关。可表示为G=ƒ1（c,m） ƒ2 （So）ƒ 3 （T））ƒ4 （k）.（Gf-C1）、
式中，Cf，为气泡的生成速度，m—3／s；C1为气泡的聚并速度，m－3／sf1(c，m)为表征起泡剂种类、浓度和气液比对气泡生成、聚并的函数，其关系式可以由实验回归得到;f2(S。)为表征含油饱和度对气泡生成、聚并的函数;f3(T)为表征温度对气泡生成、聚并的函数;f4(k)为表征岩石渗透率对气泡生成、聚并的函数。
3 数值模拟计算
以胜利油田孤岛采油厂的渤21块的资料为模拟对象，原油黏度90mpa•s，设计一个5点法井网，采用2层模型，2层渗透率分别取800X10-3μm’1800× 10—3 μm2。
开发方式采用注氮气泡沫热水驱，热水温度为98℃，开发方式采用交替注入氮气泡沫的方法，即先注5年热水；然后再交替注入3个周期的氮气泡沫热水、热水驱，每个周期2年。对于热水采用连续注入的开发方式，开发过程中采用定液量、定注采比生产。
图5分别为热水驱与氮气泡沫热水驱采出程度对比曲线和含水率对比曲线，可以看出，加入泡沫后采出程度上升，含水率下降，说明泡沫已经使部分热水发生转向，由流向注入井下面的生产井使驱油面积增加，含水率上升幅度减小。
图6、7分别为热水驱、氮气泡沫热水驱驱替结束时低渗透层含油饱和度分布图。注入起泡剂后 优先在高渗透带生成泡沫，使注入水转向渗透率相 对较低的区域，从含油饱和度分布图中还可以看到－点，注氮气泡沫的情况下，注水井附近注入水的波及面积比只注热水的情况要大得多。
4 氮气泡沫热水驱驱油机理
通过物理模拟和数值模拟，可以看出，氮气泡沫热水驱提高油田采收率【12－14】的机理主要包括以下几点。
(1)泡沫首先进入高渗透大孔道，随着注入量的增多，逐步形成堵塞，阻止泡沫进一步流人大孔道，迫使其更多地进入低渗透小孔道驱油，直到泡；乏占据整个岩心孔隙，此后驱动流体便能较均匀地推进，将大小孔道(即高、低渗透率岩心)内的原油全部驱出。
(2)起泡剂本身是一种活性很强的阴离子型表面活性剂，能较大幅度地降低油水界面张力，改善乏石表面润湿性，使呈束缚状的油通过油水乳化、液漠置换等方式成为可流动的油。
(3)泡沫具有“遇油消泡、遇水稳定”的性能．泡沫消失后黏度降低，泡沫存在时黏度不变，从而起到“堵水不堵油”作用，提高了驱油效率。
(4) 原油溶解氮气，体积膨胀，黏度降低。
(5)泡沫扩大了热水的波及体积，原油受热黏度降低，从而改善了水油黏度比，提高原油采收率。
5 结论
⑴一维单管岩心驱替实验表明，氮气泡沫驱比同温度热水驱驱油效率提高21.3％，残余油饱合度降低14.9％
⑵双管实验结果表明，泡沫剂有效地使注入热水发生转向，改善波及体积，氮气泡沫驱比同温度热水驱采收率提高31.2％，残余油饱和度降低21.1％
⑶建立了三维三相组分氮气泡沫热力驱数学模型，编制相应的数值模拟软件。
⑷氮气泡沫热水驱是提高采收率的一种好方法，泡沫作为驱替流体具有低界面张力甚至超低界面张力（10-3mN/m）和提高波及效率作用。
⑸氮气泡沫热水驱在提高采收率的同时还能降低韩水率。
