（油气田开发工程专业论文）氮气泡沫分流酸化工艺技术研究.pdf

r e s e a r c ho nd i v e r t e da c i d i z i n gw i t hn i t r o g e nf o a mf l u i d l is o n g y a n ( o i la n dg a sf i e l dd e v e l o p m e n te n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f l iz h a o m i n a b s t r a c t a c i d i z i n gi sak i n do fs t i m u l a t i n gm e t h o d sf o ro i la n dg a sw e l lo ri n j e c t i o nw e l l ，t h r o u g h d i s s o l u t i o no fp l u gi nf o r m a t i o nm a t r i x t h e ma r es o m ep r o b l e m si nc o n v e n t i o n a la c i d i z i n g t e c h n o l o g y , s u c ha su n e v e nd i s t r i b u t i o no fa c i d , u n t h o r o u g hf l o w b a c ko f r e a c t e da c i d ，b a d a c i d i z i n ge f f e c t , a n ds oo n f o a mf l u i dh a ss e l e c t i o no fd i f f e r e n tf o r m a t i o n sw i t hd i f f e r e n t p e r m e a b i l i t y , a n do i la n dw a t c hd i v e r t e da c i d i z i n gw i t hf o a mf l u i dc a ni m p r o v ea c i d i z i n g d i s t r i b u t i o n , a n da c i d i z i n ge f f e c t t h r o u g hd i s p l a c e m e n te x p e r i m e n t sf o rs i n g l ea n dp a r a l l e lc o r e ，t h e o r y f o rd i v e r s i o no f f o a mf l u i di nc o r e sw i 廿ld i f f e r e n tp e r m e a b i l i t yw a sg a i n e d c a p i l l a r yt u b ep r e s s u r ei sh i g h e r i nl o wp e r m e a b l ec o r e t h eb u b b l eb r e a k se a s i l y , w h i c hc a u s i n gg a sc r o s sf l o wa n dl o wf l o w p r e s s u r el o s si nl o wp e r m e a b l ec o r e 孔es i t u a t i o ni so p p o s i t ei nh i g hp e r m e a b l ec o r e w h e n p e r m e a b i l i t yr a t i oo fh i g ha n dl o wp e r m e a b l ef o r m a t i o n si sl e s st h a n1 0 ，d i v e r t e da c i d i z i n g w i t hf o a mp l u gi ss u i t a b l e ；w h e np e r m e a b i l i t yr a t i ol i e si n10t o15 ，d i v e r t e da c i d i z i n gw i t h f o a m e da c i di ss u i t a b l e c o r r o s i o no ff o a m e da c i dt of o r m a t i o ni sm e a n i n g t os i t ea p p l i c a t i o n c o r r o s i o no ff o a m e da c i d ，b a s ef l u i d ，a n dm u da c i dt oq u a r t zs a n dw e r er e s e a r c h e db y e x p e r i m e n t a lm e t h o d c o r r o s i o nw e i g h tl o s so fn s 0s t e e lw a st e s t e d t h ea f f e c to ff o a m q l l a l 姆a n dt e m p e r a t u r et oc o r r o s i o nw e r ea l s oa n a l y s i s e d t h e r e s u l t ss h o wt h a tc o r r o s i o no f f o a m e da c i di sm u c hl e s st h a nt h a to fm u da c i d t h el o w e rt h ef o a mq u a l i t yi s ，a n dt h e h i g h e r t h et e m p e r a t u r ei s ，t h ef a s t e rt h er e a c t i o ni s f o a m e da c i dh a sg o o dc o r r o s i o nr e s i s t a n t ，w h i c h c a nr e a l i z ed e e pa c i d i z i n gi nf o r m a t i o n ，n l ec o n c e p to ft h e r m a lr e s i s t a n c ew a si n t r o d u c e di np r e s s u r er e d u c t i o nc a l c u l a t i o no ff o a m p i p ef l o w t h e r m a lr e s i s t a n c e t o e 伍c i e n tw a sd e d u c e da c c o r d i n gm a s sc o n v e r s a t i o n , m o m e n t u mc o n v e r s a t i o na n de n e r g yc o n v e r s a t i o ne q u a t i o n s t h er e s u l t so fe x a m p l e c a l c u l a t i o ns h o wt h a tt h el a r g e rt h en o n d i m e n s i o n a lh e a t i n gn u m b e ri s ，t h el a r g e rt h et h e r m a l r e s i s t a n c ei s t h e r m a lr e s i s t a n c ei sc o m p a r e dw i t hf r a c t i o nr e s i s t a n c e w h e nn o n - d i m e n s i o n a l h e a t i n gn u m b e ri ss m a l l ，t h e r m a lr e s i s t a n c ec a nb ei g n o r e d w h e nn o n - d i m e n s i o n a lh e a t i n g n u m b e ri sl a r g e rt h a n0 2 5 ，t h e r m a lr e s i s t a n c ei sa b o u t10 o ff r a c t i o nr e s i s t a n c e ，w h i c hm u s t b ec o n s i d e r e dd u r i n gp r e s s u r er e d u c t i o nc a l c u l a t i o ni np i p e l i n e b a s e do ng a st r a p p i n gt h e o r y a n dm a s sc o n s e r v a t i o ne q u a t i o n ，m a t h e m a t i c a lm o d e l sw e r ed e v e l o p e df o rf o a md i v e r t e d a c i d i z i n g ，w h i c hc a nb ea c h i e v e db yf o a ms l u gf o l l o w e db ya c i di n j e c t i o no rc o n t i n u o u s i i i n je c t i o no ff o a m e da c i d ，r e s p e c t i v e l y t h em a t h e m a t i c a lm o d e l sw e r es o l v e db yac o m p u t e r p r o g r a m c o m p u t e dr e s u l t ss h o wt h a tt h et o t a lf o r m a t i o ns k i nf a c t o r , a n dw e l l h e a dp r e s s u r e a n db o t t o m h o l ep r e s s u r ei n c r e a s ew i t hf o a mp l u g 蝎e c t i o n ，b u td e c r e a s e 晰t 1 1a c i dp l u g i n je c t i o n f l o w r a t eo f h i g h - p e r m e a b i l i t yl a y e r d e c r e a s e s i tc a nd i v e r t a c i di n t o l o w - p e r m e a b i l i t yl a y e rf r o mh i g h - p e r m e a b i l i t yl a y e r i tc a r l b es e e nf r o mt h er e s u l t st h a t c o n c e n t r a t i o no fh fd e c r e a s e sq u i c k l yd u r i n gs a n d s t o n e m a t r i xa c i d i z i n gi nr a d i c a ld i r e c t i o n ， a n do p e r a t i n gr a n g eo fh fi sl e s st h a n0 5m d i s s o l v i n gc a p a c i t yo fh 2 s i f 6i se q u a lt oh f , w h i c hi n c r e a s e sp e n e t r a t i o nd e p t h d e p o s i t i o no fs i ( o h ) 4i n c r e a s e s 埘t l lt i m e r e a c t e da c i d m u s tb eb l o w e do u tt h o r o u g h l ya f t e rs o m et i m e ，o t h e r w i s es e c o n d a r yp r e c i p i t a t ew i l lb e p r o d u c e d ，w h i c ha f f e c t sa c i d i z i n ge f f e c t c o n s u m p t i o no fh fi n c r e a s e s w i t hf o r m a t i o n t e m p e r a t u r e h i g hi n je c t i o nr a t eo fa c i dc a ni n c r e a s ep e n e t r a t i o nd e p t h d i f f e r e n t i a le q u a t i o n s f o rt e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r ed i s t r i b u t i o n so ff o a mf l u i di nt h ew e l l b o r ew e r ee s t a b l i s h e di n c o n s i d e r a t i o no ft h eh e a te x c h a n g eb e t w e e nt h ef o a mf l u i di nt h ea n n u l a rs p a c ea n dt h e i n j e c t e df l u i df r o mt u b e c o u p l e ds o l u t i o no ft e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r ed i s t r i b u t i o n su s i n g n u m e r i c a lm e t h o dw a sc o n d u c t e d d i s t r i b u t i o n so ff o a mt e m p e r a t u r e ，f o a md e n s i t y , f o a m 删i 戗p r e s s u r ea n df o a mv e l o c i t yi nw e l l b o r ew e r eo b t a i n e d w e l ls e l e c t i o nm e t h o d sa n do p e r a t i n gt e c h n i q u ew e r ep r o v i d e df o rd i v e r t e da c i d i z i n gw i m f o a mf l u i d f i e l da p p l i c a t i o n ss h o wt h a td i v e r t e da c i d i z i n gw i t hf o a mf l u i dc a ne f f e c t i v e l y b l o c kh i g hp e r m e a b i l i t yl a y e r , a n di m p r o v ea c i d i z i n ge f f e c ta n do i lp r o d u c t i o n i ti sf i tt o h e t e r o g e n o u sf o r m a t i o nw e l l sa n do l dw e l l sw i t ha c i d i z i n gf o rm a n yt i m e s k e yw o r d s ：a c i d i z i n g ，d i v e r s i o n ，f o a mf l u i d ，r e a c t i o no f a c i da n df o r m a t i o n ，m a t h e m a t i c a l m o d e l ，f o a ma s s i s t e dl i f t i i i 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 日期励7 年月否e l 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名： 指导教师签名：j 蓥_ 鉴耻 日期：湖7 年占月占日 日期：如谚罗年乡月乡e l 氮气泡沫分流酸化工艺技术研究 创新点摘要 ( 1 ) 通过单岩心和并联岩心驱替实验，研究了渗透率在泡沫分流中起的作用，得 出泡沫分流机理为：低渗岩心毛管力大，气泡容易破裂，形成气相蹿流，流动阻力小， 高渗岩心相反；并得到渗透率级差小于1 0 时采用泡沫段塞分流酸化工艺，级差为1 帖1 5 时采用泡沫酸分流酸化工艺。( 第二章) ( 2 ) 通过实验测定了泡沫酸与石英砂和n 8 0 钢反应的溶蚀量，并与土酸进行了对 比，得到泡沫酸的溶蚀量小于土酸的溶蚀量，且泡沫特征值越大反应速度越慢，温度越 高反应速度越快。( 第三章) ( 3 ) 建立了泡沫分流酸化数学模型，对泡沫段塞分流酸化和泡沫酸分流酸化过程 进行了模拟，得到了酸化过程中压力和表皮系数的变化规律、酸分流规律、以及酸与地 层矿物的反应规律，可以对泡沫分流酸化过程进行参数设计和效果预测。( 第五章) ( 4 ) 建立了泡沫举升排酸数学模型，进行了压力场和温度场的偶合求解，计算得 到了泡沫举升排酸过程井筒内温度、压力、密度、流速的分布，并与氮气举升排酸进行 了对比，可以对泡沫举升排酸过程进行参数设计。( 第六章) 中国石油大学( 华东) 博士学位论文 第一章前言 1 1 研究的目的与意义 1 1 1 酸化处理工艺 在钻并、完并、增产作业、生产过程中都可能会导致地层伤害。被伤害的地层由于 孔隙被堵塞，使得渗透率降低，产量下降。砂岩或碳酸盐岩地层酸化技术是有效解除地 层伤害的一种增产措施【l - 7 1 ，常用的酸化工艺可以分为三大类：酸洗、基质酸化和压裂 酸化。 酸洗是一种清除井筒中的酸溶性结垢或疏通射孔孔眼的工艺。它是将少量酸定点注 入预定的井段，在无外力搅拌的情况下与结垢物或地层起作用。另外，也可以通过正反 循环使酸不断沿孔眼或地层壁面流动，以此增大活性酸到井壁面的传递速度，加速溶解 过程。 基质酸化的含义是，在低于地层破裂压力下将酸注入地层孔隙( 晶间、孔穴或裂缝) ， 使酸液大体沿油井径向渗入地层，用酸来溶解地层基质中的颗粒堵塞物，扩大孔隙空间， 从而提高地层的孔隙度和渗透率，消除井筒附近使地层渗透率降低的不良影响，降低近 并地带的压降损失，最终恢复或提高油井产量 8 - 1 5 】。对于易碎的页岩，或者为了保持天 然液流边界以减少或防止水、气采出，而不能冒险进行压裂酸化时，一般最有效的增产 措施就是基质酸化。成功的基质酸化作用往往能够在不增大水、气出量的情况下提高产 油量。 压裂酸化是在足以压开地层形成裂缝或张开地层原有缝隙的压力下，对地层挤酸的 一种工艺。如果处理后，高导流的通道仍旧张开，则可达到增产的目的。通道是由酸对 裂缝酸溶性壁面的酸蚀作用而形成的。施工后压力消失、裂缝闭合时，裂缝的溶蚀壁面 若不粘合，裂缝便具有很高的导流能力。压裂酸化形成的传导性人工裂缝长度取决于酸 反应速度与酸从裂缝到地层虑失速度的综合效果。传导性裂缝的长度是决定增产效果的 个重要因素。 本文主要研究的是泡沫流体在地层基质酸化中的应用，在下文中提到的酸化，不作 特别说明的情况下都是指基质酸化工艺。 1 1 。2 常规酸化存在的问题 在碳酸盐岩类油气层常规基质酸化中，使用的酸液为1 5 0 o 一- 2 8 h c l 和添加剂组成 的混合液：而对砂岩储层常规基质酸化中，使用的酸液为5 - - , 8 h c l 与3 0 旷5 h f 的 第一章前言 混合酸( 俗称土酸) 和各种添加剂组成的混合液。常规酸化工艺已经有上百年的历史了， 对提高油气井产能发挥着重要的作用，但同时也存在以下一些不足。 ( 1 ) 地层的不同小层可能会具有不同的孔隙度和渗透率，还可能具有不同程度的 伤害。在基质酸化中所有的小层都要被处理，尤其是渗透率小和伤害严重的小层。对于 非均质地层，酸液遵循自然选择原则，优先进入流动阻力低的高渗层，使得低渗层不能 得到有效改善，酸化结果是渗透率级差越来越大。 ( 2 ) 对于油水同层的地层，大部分水层渗透率较高，酸液会优先进入水层，使得 酸化后含水迅速上升，油井产油量下降。 ( 3 ) 对于重复酸化的地层，在反复酸化过程中会形成酸溶蚀通道，酸液优先进入 溶蚀通道，降低酸化效果。 ( 4 ) 对于低压油井和低渗透地层，酸化后残酸返排困难，容易形成二次污染，影 响酸化效果。 ( 5 ) 常规酸化酸岩反应速度太快，酸主要消耗在近井地带0 5 m 范围内，不能解除 油并深部堵塞。 1 1 3 不同分流方式的比较 国内外有关分流酸化技术的发展有着较长的历史，从1 9 3 2 年石油工业开始使用盐 酸对油井进行酸化，将酸液分流进入期望层段，改善油层的吸酸剖面的问题就马上被提 出来，从此分流酸化技术就发展起来。目前主要的工艺技术有：机械分流技术、m a p d i r 分流技术、化学微粒分流技术、增稠酸分流技术、粘弹性表面活性剂分流技术、泡沫分 流技术等【1 2 0 1 2 3 1 。 ( 1 ) 机械分流技术 机械分流技术主要分为封隔器转向和堵球转向。封隔器转向是指使用膨胀性封隔器 作为跨式工具，在不改变完井结构的情况下实现酸液分流。堵球也属于机械置放技术的 一种，在处理时，套管内封堵射孔眼的小球，被加到处理液中，并被液体带至孔眼部位， 封堵接收液体的孔眼，这需要有足够排量来维持其通过孔眼的压差，才能保持住球的座 封。从理论上讲机械分流技术是酸液分流技术中最有效的方法，运用机械方法能将液体 完全注入到每个处理井段中，然而机械技术很笨重，需要现场的装置设备，既费时又昂 贵，其有效性受到孔眼圆度及光滑度和射孔数量的影响，颗粒转向剂也很难排出，容易 引起地层伤害，并且操作复杂，不能普遍使用。 ( 2 ) m a p d i r 分流技术 2 中国石油大学( 华东) 博士学位论文 m a p d i r 指的是m a x i m u mp r e s s u r ed i f f e r e n t i a la n di n j e c t i o nr a t e s ，m a p d i r 分流技 术就是在低于地层破裂压力下，以最大压力和流量注酸，这样可以使得高低渗层都有酸 液进入，从而改善酸化效果。这种分流方式并没有改变高低渗层的相对进酸量，严格说 并不是一种酸分流方式，但是它保证了所有小层都有酸进入。这种技术的缺点是进入高 渗层的酸量大于需要的量，酸化后层间渗透率极差会进一步变大。 ( 3 ) 化学微粒分流技术 化学微粒分流技术即暂堵酸化，这种技术是在酸液中加入一种油溶的而非水溶的化 学微粒( 对油井) 。在注入过程中，这些微粒在处理层面上形成渗透率非常小的滤饼，通 过滤饼来调节各层的注入能力。高渗透层开始时注入能力强，滤饼形成快，阻力增加快， 使层间差异逐渐减小，最终达到均匀进酸。化学微粒分流可以实现一次酸化同时解开各 层伤害堵塞的效果，其技术难点在分流剂的类型、粒径分布确定、化学上与地层流体的 溶解性。即要实现在酸液中保持惰性，在地层流体中能全部溶解，且物理上能有效封堵 储层，形成各层均匀进酸的效果。该技术比较成熟，国内外都有很多成功的实例。 ( 4 ) 增稠酸分流技术 增稠酸一般由酸溶性聚合物、p u 缓冲剂、胶联剂以及破胶剂组成。在此体系中， p h 值改变可以活化体系中的金属试剂，金属试剂使聚合物分子链发生交联，增加了聚 合物流体的粘度和流体流动的阻力，将新注入的酸液转向至没有酸化的区域。进一步增 加p i t 值会钝化金属试剂的交联，打破聚合物的交联，使聚合物分子链相互分开，粘度 下降，实现残酸返排。该技术的缺点是残酸返排不彻底，据相关分析表明，酸化处理结 束后，仅有3 0 至4 5 的注入高聚物得以返排，相当多的聚合物留在地层中。尽管尝试 一系列的措施来清除残留聚合物，然而收效甚微。 ( 5 ) 粘弹性表面活性剂分流技术 粘弹性表面活性剂溶液体系( v e s ) 是指由长链烷基季钱盐和长链烷基卤化毗睫与 卤化物、硝酸盐及有机盐等按一定比例混合形成的溶液，该体系特点就是在p h 值较小， c a 2 + 离子浓度较低时，粘度很小，接近水的粘度：当酸液p h 值增大，并且c a 2 十离子浓 度也较大时，v e s 转向酸的粘度会自动增大，比在井筒内时的粘度要大得多；当酸液遇 到地层中的烃类时( 已经达到酸化效果) v e s 转向酸会自动迅速地降低其粘度，直至其 粘度再次接近水的粘度，因此返排较为彻底，不会对储层造成伤害和污染。刚注入的鲜 酸可以入较低渗透率的地层，实施酸化作用；另外一方面，残酸对较大渗透率的储层进 行暂堵，迫使注入酸液压力上升，新注入的鲜酸会进入渗透率较小的储层，并与储层岩 3 第一章前言 石进行反应，发生粘度升高，注入酸压力升高。这样，酸液不仅对渗透率较大的储层进 行了酸化，对渗透率较小的储层也产生了酸化作用。近年来，国外已研制出了基于粘弹 性表面活性剂的粘弹性酸，成功地应用于碳酸盐岩的基质酸化和酸压中。我国也在此方 面有某些探索性研究，但在转向剂合成、转向机理、应用条件、对地层的影响、酸化延 缓机理等方面还有许多问题需要解决。 ( 6 ) 泡沫分流技术 泡沫至少从2 0 世纪6 0 年代就开始用作酸化作业的转向。加入气体和表面活性剂后， 酸就能产生泡沫，泡沫也可与酸交替注入。酸可为盐酸、氢氟酸或混合酸，气体可为氮 气、天然气或者二氧化碳气，表面活性剂包括起泡剂和稳泡剂。 1 1 4 泡沫分流酸化的优势 泡沫分流酸化技术有两种施工工艺：泡沫段塞分流酸化和泡沫酸分流酸化。泡沫段 塞分流酸化是在常规酸化过程中注入几个泡沫段塞，封堵高渗层，从而把酸液转向低渗 层，这种工艺的优点是施工时间短；泡沫酸酸化是在常规酸液中加入起泡剂和气体，在 地面形成以酸液为连续相、气泡为分散相的泡沫酸，连续注入地层，利用泡沫酸的分流 特性实现酸液分流，这种工艺的优点是分流效果好。泡沫流体是一种可压缩的幂率非牛 顿流体，它作为入并液具有很多优良的性质f 1 “0 1 。 ( 1 ) 泡沫流体对地层渗透率具有选择性，“堵大不堵小”，即泡沫对高渗层具有较 强的封堵作用，而对低渗层的封堵作用较弱，从而使得酸液均匀进入高低渗层，改善中 低渗层的酸化效果； ( 2 ) 泡沫流体对油水层具有选择性，“堵水不堵油”，泡沫流体遇油消泡，遇水稳 定，泡沫对水层具有较强的封堵作用，而对油层的封堵作用较弱，从而使得酸液优先进 入油层，改善油层的酸化效果，防止酸液对水层的过分酸化，防止酸化后含水的大幅上 升； ( 3 ) 泡沫流体中气体膨胀能为残酸返排提供能量，使得残酸返排更彻底，防止形 成二次沉淀，对产层伤害少，这对低压井和低渗地层尤为适用； ( 4 ) 泡沫流体具有较高的表观粘度，携带能力强，返排时可将固体颗粒和不溶物 携带出井筒； ( 5 ) 泡沫酸是一种缓速酸，具有良好的缓速效果，可以降低酸岩反应速度，实现 深部酸化。 4 中国石油大学( 华东) 博士学位论文 1 2 泡沫分流酸化技术国外研究现状 1 2 1 泡沫分流理论 关于泡沫流体在酸化分流中的应用已经有了很多研究【4 h 7 1 ，泡沫分流酸化的操作流 程有几种选择：一种是先用含起泡剂的前置液清洗地层，再注泡沫封堵高渗层，最后注 泡沫相容酸，泡沫相容酸指的是含有起泡剂的酸液，这样可以保持泡沫的稳定性【4 8 】，在 现场应用时可以进行泡沫段塞和酸段塞的多级交替注入；另一种注入方式是先用含起泡 剂的前置液清洗地层，然后持续注入泡沫酸，实现酸液的分流。 根据现有的研究成果可知 4 9 巧4 】，在稳定流动中泡沫并不直接改变水或酸的粘度，也 不改变水或酸的相对渗透率岛和含水饱和度之间的关系，但泡沫可以直接降低气相 的流度，从而间接地降低水相的饱和度、相对渗透率和流度。泡沫降低气相流度一方面 是依靠在地层中圈闭大量的气体，即使在很高的压力梯度下流动，泡沫仍可以圈闭 8 0 9 9 的气体【5 4 5 1 。泡沫另一方面还通过增加流动气体的有效粘度来降低气相流度 5 6 - 5 9 1 。这两种作用是相互联系的，它们都依赖于毛细管力，毛细管力能够给泡沫施加一 个表观屈服应力，从而把泡沫圈闭在原地【5 9 - 6 3 1 。在高渗层或未受伤害层中大量存在的泡 沫降低了液相饱和度，也就降低了液相相对渗透率磊( ) ，进而可以阻止酸液进入该区 域。 另一方面，由于低渗层的毛细管压力大，泡沫在低渗层中是不稳定的【熊6 5 1 ，因此在 注泡沫阶段有可能优先封堵高渗层，并在注酸阶段泡沫在高渗层保持稳定。同时，在低 渗层或未受伤害层中只有不稳定的泡沫存在，所以不用其他分流方法酸液就能够进入低 渗层或受伤害层。利用含表面活性剂的前置液对地层进行预清洗，能够使高渗层或未受 伤害层圈闭更多的泡沫，进而提高酸的分流效果【4 3 】。 另外泡沫的分流机理还有以下的几个因素：低渗层的孔隙度小，泡沫流速大，泡沫 具有剪切变稀作用，使得低渗层内的泡沫表观粘度低，泡沫更容易进入低渗层；高渗层 的孔隙大，气泡直径大，贾敏作用强，流动阻力大，不利于泡沫的流动n 9 i ；一般情况 下高渗层残余油饱和度低，低渗层残余油饱和度高，泡沫在低渗层的遇油消泡作用强， 使得泡沫在低渗层流动阻力小，泡沫会优先进入低渗层。 泡沫分流酸化成功的关键在于，注泡沫阶段使尽量多的泡沫进入高渗层或未受伤害 层，而在后续注酸阶段保持尽量多的气体圈闭在原地，来降低液相的流度，从而实现将 原本进入这些部位的酸液转向低渗层或受伤害层，实现酸液的分流脚j 。只有在注后续液 体( 酸液) 时气体能够保持有效的圈闭，泡沫才能起到有效的分流作用。 5 第一章前言 1 2 2 泡沫分流中气相圈闭的研究 有很多学者对岩心注泡沫和后注水时的泡沫行为进行了实验研究【6 7 - 7 8 ，这些实验的 原理是一致的，都采用了高低渗透率的岩心并联，低渗透率岩心代表了低渗透地层或受 伤害地层，高渗透率岩心代表了高渗地层或未受伤害的地层。 图1 1 为典型的岩心注泡沫实验结果，先向岩心中稳态地注入泡沫，然后再注入起泡 剂溶液，用来代表现场酸化时注酸段。泡沫后的注液体阶段，一开始整个岩心的压力梯 度有一个急剧的降低，这个阶段一般被称为过渡段。由于驱替过程是从岩心入口到出口 连续的过程，压力梯度的降低几乎在整个岩心中同时发生的【6 3 1 。压力梯度出现第二次降 低之前会保持稳定，随后压力梯度缓慢地降低，这是由于圈闭的气体在注入岩心的未饱 和水中溶解造成的【6 8 “9 1 。和第一次压力梯度降低不同的是，第二次降低是发生在岩心的 入口处，然后缓慢的向岩心出口处移动。下面对每一个过程进行了详细的分析。 、 塞 越 爨 r 幽 汪泡沫后绥注预体 s 埘| q l i 。s d i ， s 喇m j s d j m 4 l 声 孵 ! 墓 。、 蛆 啦 m 盔一 ，i i ，阳 注入孔隙体积倍数 图1 1 岩心注泡沫实验结果 f i 9 1 1e x p e r i m e n tr e s u l t so ff o a md i s p l a c e m e n ti nf o r e 注泡沫阶段：在稳态注泡沫阶段，岩心中圈闭气体的饱和度能够高达8 0 9 9 。岩 心两端的压力迅速上升，然后压力进入比较稳定的阶段【7 2 】。 过渡阶段：过渡阶段的压力梯度的降低对泡沫的封堵作用是不利的，因为随着压力 梯度的降低，泡沫带不能像在较高的压力梯度下一样，完全将后续注入的流体分流到不 同的小层中去嘲。在所有学者的室内实验研究结果中【6 6 7 3 】，只有p a r l a r l 6 7 】等人看到泡沫 之后注入液体过程中压力梯度的上升。压力梯度的下降是由于液体注入初期，少量的气 体脱离了岩心，从而也导致了液相相对渗透率的显著上升。假如过渡时期的( 蹦关系 和注入泡沫过程保持一致，z e i l i n g e r 等人【6 9 】估计液相饱和度的只上升了5 左右，但在 他们的实验中这足以使得液相相对渗透率上升5 倍。直到最近也没有通过实验直接地测 6 中国石油大学( 华东) 博士学位论文 量到在这个过程中含水饱和度的上升数值，或在从泡沫注入到后续注液体阶段酬s w ) 函数的变化。r o s s e n 和w a n g 7 1 1 推测出砾根酣可能会变化，这依赖于在后续流体注入过 程中粘滞力和毛管力在孔隙尺寸范围内如何作用。 如果压力梯度的下降依赖于从岩心中脱离的气体量( 同时也依赖于在岩心中圈闭的 气体量) ，那末圈闭的气体量反过来也依赖于压力梯度。c h e n g 等人【倒根据r o s s e n 和 w a n g 关于泡沫存在情况下的流体流度的实验数据，得到了圈闭气相的饱和度与压力梯 度的函数关系。但根据p a r l a r 等人的数据，这个函数曲线应该近似于垂直的【7 2 】。 k i b o d e a u x 等人【删的研究认为气体在渗透率为9 2 m d 的岩心中的圈闭情况稍好于在 渗透率为8 4 7 m d 岩心中的圈闭情况，这部分抵消了泡沫的分流效果。 在实验室里，过渡时期能够持续的时间大约从注入后续液体一个空隙体积到几个孔 隙体积嗍，这个过程因为岩心中压力的下降导致的气体膨胀而被延长【7 2 l 。实际上，这一 阶段脱离岩心的气体代表着压力下降过程中过程中气体的膨胀。实验表明当气体膨胀不 是很明显时，过渡阶段就会变得很短，例如在较高的回压下。对稳定注入泡沫流体和后 续注液体这两个阶段的数学模型的研究已经相对取得了一些进展【7 2 1 ，但是对过渡阶段 的研究能够对泡沫现场应用的有效性进行预测。 稳定阶段：过渡阶段之后是一个压力梯度稳定的时期。一般认为这个阶段下所有的 气体都被圈闭了。因此这一阶段流体注入的流度、注入能力、分流情况都依赖于圈闭不 动的气相的饱和度。 压力梯度的第二次下降：短暂的稳定阶段之后压力梯度在岩心的入口附近开始第二 次下降。这次压力梯度的下降由岩心入口开始向下流移动，这反映了气体在岩心压力下 在注入的未饱和液体中的溶解过程。z e i l i n g e r 等人眇】由测量到的液相相对渗透率耻升 数据估算了这一阶段液相饱和度& 的上升数值大约为o 2 。这一结论与氮气在水中的溶解 度大致相近 7 9 1 。p a r l a r 等人 6 7 3 认为气体饱和度适度的上升意味着注入的流体肯定没有均 匀的扫过岩心；否则液体将会溶解所有被圈闭的气体( 压力梯度的第二次下降在岩心的 移动将会缓慢得多) 。一旦液相饱和度在某个通道中上升，那么流体将会沿着这个通道 流动而不是均匀地扫过岩心。 最新的研究：c h e n g 等人【7 2 l 利用气相饱和度与压力梯度的关系，并假设注泡沫阶段 和后续注流体阶段具有相同的舀w ( 函数关系，得到了一些模拟结果，这些结果定性地 符合过渡阶段的一些实验结果，并符合过度阶段的一些趋势，他们的模拟结果中的过度 阶段比实验中出现的过渡阶段要短。r o b e r t 和m a c k 6 8 】也得到了与他们岩心实验结果定 7 第一章前言 性吻合的模拟器，基于r o r e r t 和m a e k 研究结果的模拟器在现场已经有了一些成功的应 用【8 0 】。 a l v a r e z 等人【8 1 1 通过测量不同渗透率的岩心的分流量，得出了有利于酸分流的最优 的泡沫特征值( 注入的气体体积分数) ，这个数值是相对较低的，处于“低泡沫特征值区 域”【9 2 1 。从机理上很难解释这些实验结果，因为实验数据不包括注泡沫和后续注液体阶 段不同岩心的分流量随时间的变化关系。 近来，n g u y e n 等人【7 3 , s 3 - s s n 用c t 扫描技术直接检测了注泡沫和后续注液体过程中 岩心的含水饱和度。他们扫描的结果显示，在后续注液体过程中流体沿大的通道流过岩 心，这和p a r l a r 等人【6 7 】所预测的一样。存在这个的通道令人怀疑注泡沫时采用相同的 晖w ) 函数关系计算液体的注入能力的正确性。这引出了一个问题：注入的酸是否溶解 了整个油层的污染物，还是只溶解了流体流过的通道内的污染物。 1 3 泡沫分流酸化技术国内研究现状 1 3 1 泡沫分流的实验和理论研究 钟双飞等人【8 宙8 9 】利用多用途分流酸化装置研究了泡沫在酸化中的暂堵机理。实验测 试了单一岩心暂堵实验，注入泡沫流体时，岩心流量逐渐下降，说明泡沫进入岩心孔隙 后，起到暂堵作用。还进行了并联岩心暂堵实验：选用两块不同渗透率的岩心进行并联 岩心流动实验，其中两岩心基准渗透率为3 5 r o d 和4 m d ，在同样的压差下向两块岩心同 时进行驱替实验，高渗透岩心在注入泡沫溶液后，注液量首先降低，且幅度很大。当高 渗透率岩心流量降低至低渗透率岩心流量以前，低渗透率岩心流量基本保持不变，说明 注入泡沫初期主要是堵塞高渗透岩心，只有当高渗透岩心渗透率值降至低渗透岩心的渗 透率值时，低渗透岩心的渗透率才开始降低，最终两块岩心渗透率趋于一致，说明注入 泡沫溶液后，确实起到了暂堵分流作用。 李兆敏等人嗍采用岩心分流驱替实验装置，研究了泡沫对单一含油岩心、含水岩心 的封堵能力以及对不同渗透率级差含油、含水并联岩心的分流能力。结果表明，在单一 泡沫驱替岩心实验条件下，泡沫具有封堵叠加的作用：而在并联岩心驱替实验条件下， 泡沫不仅对含油、含水岩心具有选择性，而且对高、低渗透率岩心也具有选择性。泡沫 具有较好的选择性暂堵分流效果，适用于非均质地层。 王其伟等人【9 1 - 9 3 对泡沫体系封堵性能的影响因素进行了实验研究，认为气液比从 1 ：1 到2 ：1 时，泡沫的封堵能力最大，为水驱阻力的1 5 0 0 倍以上；当气液比超过2 ：1 时， 随着气液比的增大，泡沫的稳定性减弱，泡沫体系的阻力因子减小。聚合物可以提高泡 r 中国石油大学( 华东) 博士学位论文 沫体系的粘度，增强泡沫体系的稳定性，同时可以减少起泡剂在油藏中的吸附损耗，而 泡沫较高的视粘度可以提高聚合物体系整体封堵调剖效果。复合泡沫体系的残余阻力因 子明显大于单纯泡沫体系的残余阻力因子，残余阻力因子由1 8 6 提高到5 0 0 以上，相对 于单一泡沫体系来说，复合泡沫体系的稳定性和耐水冲刷能力大大增强。 孙建华等人【舛】对泡沫酸在多孔介质中流动形态进行了研究，采用具有规则网格孔隙 通道的平面玻璃微观模型，研究泡沫酸的渗流特点，得到了2 0 组温度( 5 1 2 0 ) 厂压力 ( 2 0 3 2 m p a ) 条件下泡沫酸的气液比，包括上限、下限及适宜值范围，结果表明形成稳定 的连续泡沫流所需的气液比随温度升高略有增大，随压力升高显著增大；考虑到酸的有 效穿透深度，泡沫酸的适宜气液比约为o 6 8 。采用平面玻璃仿真微观模型( 及规则微观 模型) ，研究了泡沫酸的渗流特性，观测到了以下机理：泡沫酸在仿真模型中流动时 不断发生泡沫破灭和再生，其中包括气泡缩颈分离、液膜分离、气泡变形分割、气泡破 裂聚并等现象；泡沫酸优先进入较大孔道，产生贾敏效应，起液流转向作用：气液 比较大时，泡沫酸以相同流量通过模型时的压差较大；泡沫酸中气泡大小可以通过气 液比进行控制，气液比降低时泡沫中气泡直径减小；泡沫酸连续流过仿真模型可引起 模型两端压差持续增大，在规则模型中不发生此现象。 黄颖辉等人【2 6 】对泡沫分流酸化模型进行了总结，泡沫分流酸化模型是在泡沫驱模型 基础上发展起来的。目前主要的泡沫分流酸化模型有：基于分流理论的临界毛管压力模 型，气泡总量关系模型和r o b e r tm a c k 模型。概况了泡沫分流酸化的模型，对比了各模 型的优缺点，并提出了今后发展更完善合理模型所需做的进一步工作。 陈冀嵋等人【2 7 】考虑了圈闭效应建立了泡沫分流模型，通过对泡沫分流机理的分析， 结合泡沫在多孔介质中的流动以及泡沫控制流度的机理分析，考虑分流前后气相饱和度 的差异，引入圈闭因子的概念，提出了考虑圈闭效应的一种新的泡沫分流数学模型，可 以通过此模型来预测泡沫的分流效果。并通过计算实例给出了计算方法，得出两条结论： 泡沫注入量有一最佳值，圈闭因子是影响泡沫分流的最重要的参数。 1 3 2 泡沫酸配方的实验研究 徐永辉等人 9 5 1 对泡沫酸配方进行了室内试验研究，针对渤海油田的地层流体，以泡 沫流体稳定性影响因素的影响机理为指导，采用搅拌法，确定了起泡剂h y 2 和稳泡剂 c m c 的最佳浓度，给出了泡沫酸配方，并对该配方进行了耐油、耐温试验。结果说明， 该配方能够达到标况起泡倍数大于3 5 ，稳泡超过3 0 m i n ，并且在含油饱和度低于6 时仍