非均质岩心泡沫驱的可视化研究——NMR新视角

2022-05-27 15:45:32, 纽迈分析苏州纽迈分析仪器股份有限公司

接着前面2期，本期为大家解读并推荐的还是一篇关于核磁在线驱替表征的文章，为上海大学力学与工程学院狄勤丰教授团队2020年发表在《Colloids and Surfaces A》上，采用核磁共振手段从孔隙尺度非常直观的研究了非均质岩心泡沫驱的过程，为非均质岩心泡沫驱参数的筛选优化和不同类型泡沫的适应性评价提供了一个可靠的技术参考。

主要内容

研究背景

气驱是提高采收率的一种经济方法，但由于气体黏度和密度低，容易出现粘性指进和重力超覆现象，导致气体波及效率较差。有效解决这一问题的方法是利用泡沫提高气相表观粘度，改变气液流动比，提高体积波及效率，进而更一步的提高驱油效率。

泡沫的性质和注入参数能直接影响非均质油藏中泡沫的流动特性和驱油效果。NMR在相当的采集时间内，不仅可以在宏观尺度上判断流体饱和度的变化，还可以从孔隙尺度上分析介质中流体的分布特征。本研究结合MR（核磁共振成像）和T2 谱在线表征了非均质岩心泡沫驱过程中流体的分布特性，通过4组对比实验研究了不同泡沫参数对非均质岩心泡沫驱过程中泡沫表观粘度和波及效率的影响。

本文结论

核磁共振成像和T2谱能较好的反映泡沫在非均质岩心不同孔隙中的运驱特征，是该研究中一种比较可靠的手段。

实验#1中，泡沫注入初期，大孔隙中流动阻力低，泡沫饱和度迅速增加，在15.0 PV时至98.4%，中孔的泡沫占有率稳步增加至90.8%。而小孔中泡沫的波及率最低，在15.0 PV时泡沫饱和度仅增长至56.2%。

泡沫参数影响泡沫在不同类型孔隙中的波及效率和波及速度。增加注入速率降低了中、小孔隙中泡沫驱替的效果；气液比增加增强了泡沫强度，提高了在中、小孔隙中的波及效率；表面活性剂浓度降低时，泡沫对大孔的驱替作用减弱，孔隙中气体波及速度减慢。

泡沫驱过程中，泡沫的表观粘度逐渐增加，进而导致低渗透和高渗透岩心中的含水饱和度均相对较低。

样品与实验

岩心制备

研究中使用的3根岩心均是由环氧树脂粘结石英砂制成的人造岩心，其中岩心1的石英砂颗粒大小为60μm-80μm，岩心3的石英砂颗粒大小为80μm-120μm，岩心2左右两侧的石英砂分别与岩心1、3相同，制成非均质岩心，实物如图1所示，岩心的具体物理参数见表1。其中，岩心1、3仅用于测量孔隙度、渗透率和T2谱，所有泡沫驱实验均在非均质岩心2中进行。

▲图1 实验用岩心实物图

表1 实验用岩心物理参数

实验设备

研究中采用的是中国苏州纽迈分析仪器股份有限公司生产的低场核磁共振岩心分析系统（MesoMR23-060H-I），如图2所示。

▲图2 MesoMR23-060H-I 中尺寸核磁共振成像分析仪

整套实验装置主要包括核磁驱替在线检测装置、泡沫发生器、氮气瓶、气体流量计、驱替泵、中间容器等，如图3所示。

▲图3 实验装置示意图

具体实验步骤如下：

岩心干燥并气测孔隙度和渗透率

岩心抽真空，充分饱和表活剂溶液，测初始T2谱和MR图像

注入泡沫，并在不同注入体积时测T2谱和MR图像

先注入20.0 PV 异丙酮破坏孔隙中的泡沫，后注入50.0 PV盐水以清洗岩心

为了研究注入参数对非均质岩心中泡沫驱的影响，设计了4组对比实验，具体参数如表2所示。

其中，实验#1为基础对照组，实验#2、#3、#4分别改变泡沫注入速率、气液比、表活剂浓度作为实验组研究不同注入参数的影响。

表2 实验方案参数设定

实验结果分析

非均质岩心孔隙分布特征

▲图4 三根实验岩心完全饱和水T2谱特征

从图4的T2谱可知：

岩心1——T2谱范围0.9 ms~174.7 ms，流体信号分布在16.2 ms~174.7 ms，即A点和C点中间；

岩心3——T2谱分布在1.5 ms~613.6 ms，流体信号分布在57.2 ms~533.7 ms，即B点和D点中间；

岩心2——流体信号T2分布较广，在0.6 ms~533.7 ms之间均有分布。

依据T2谱分布特征对岩心孔隙大小进行分类，分为小孔、中孔、大孔，具体特征见表3。

表3 不同级别孔隙分布特征

非均质岩心泡沫驱特征（实验#1）

泡沫连续注入过程中岩心的MR图像变化特征

▲图5 实验#1中连续注入泡沫时岩心的MR图像

实验#1中泡沫的注入速度为1.0 mL/min，气液比为1:1，表活剂浓度为0.5 wt%，图5中从图a~图h对应的泡沫注入体积依次为：0、0.6、1.1、4.0、5.5、7.5、10.5、15.0 PV。其中，信号强度越强，颜色越偏向亮绿色，表示含水饱和度高。从图5可知：

图（a）为未注入泡沫的初始阶段，左侧信号较右侧弱，说明左侧为低渗透一侧，T2弛豫时间较短。

图（b）说明在0.6 PV时泡沫前缘已经到达岩心出口端。

图（b）与图（c）对比发现，右侧较左侧含液饱和度下降较快，说明泡沫优先进入高渗透的大孔隙。

从图（d）开始，随着泡沫的不断注入，左右两侧信号接近，且形成明显的气液界面。

随着不停的注入，气液界面不断推进，驱替前缘不断前移，注入泡沫达到15.0 PV时，岩心孔隙基本被泡沫完全占据（图h）。

泡沫连续注入过程中岩心T2谱的变化特征

▲图6 实验#1中连续注入泡沫时岩心的T2谱特征

从图6的T2谱可知：

注入体积介于0- 2.0 PV时，T2谱的峰值变化不大，但峰型有明显的左移，说明在此阶段大孔隙中的水被明显排出。

注入体积介于2.0 -15.0 PV时，T2谱振幅不断降低，且有持续左移的趋势，说明随着大孔中流动阻力的增加，泡沫逐渐向中小孔推进。

T2 < 1的信号可能来源于气泡的液膜，且随着注入体积的增加，液膜厚度逐渐减小，T2逐渐减小。

注入体积达到15.0 PV时，大孔隙(CD段)流体信号基本为零，中等孔隙(BC段)流体信号较弱，而小孔隙(AB段)的信号最强，意味着残余水主要集中在中、小孔隙中。

泡沫连续注入对岩心不同孔隙含水饱和度的影响

▲图7 泡沫连续注入过程中不同孔隙含水饱和度的变化

从图7可知：

大孔隙在驱替早期就被泡沫迅速饱和，注入体积达到5.0 PV时，大孔隙的含水饱和度迅速下降至约6.2%，其后缓慢下降到1.6%。

中孔含水饱和度在整个泡沫注入过程中呈线性下降趋势，当注入 15.0 PV 时，含水饱和度下降至 9.2%，说明此时中孔基本被泡沫占据。

泡沫注入的初期和中期，由于毛管力的影响，小孔隙被气体波及度较差，在8.0 PV时含水饱和度也仅降低了15.1%；后期由压差引起的气泡快速进入小孔，导致含水饱和度迅速降低至43.8%。

注入参数对泡沫驱效果的影响

实验#2——改变注入速率

实验#2与实验#1对比，仅将泡沫注入速率从1.0 ml/min增加到5.0 ml/min，其他条件保持不变。

▲图8 仅改变注入速率测得的MR图像

从图8可知，在5.0 PV时，高、低渗部分均出现明显的气液界面，即驱替前缘；当泡沫注入量达到10.0 PV和15.0 PV时，高渗透部位气液界面前移显著，而低渗透部位变化很小。

▲图9 四组对比实验不同孔隙中含水饱和度的变化特征

a-小孔隙，b-中孔隙，c-大孔隙

从图9可知，实验#2中以 5.0 mL/min 的速率注入 2.0 PV 泡沫时：

中孔含水饱和度迅速下降至 74.2%，并在中后期逐渐变平，最后在 15.0 P V 时降至 37.8%，显着高于实验 #1 的结果。

小孔隙中的含水饱和度仅下降到 62.6%，但大孔中的含水饱和度下降特征变化不明显。

表明：增加注入速率降低了中、小孔隙中泡沫驱替的效果

实验#3——改变气液比

实验#3与实验#1对比，仅将泡沫注入气液比从1：1增加到2:1，其他条件保持不变。

▲图10 不同气液比下注入泡沫测得的MR图像

从图10可知，与实验#1相比，泡沫注入体积为5.0 PV和10.0 PV时，驱替前缘均前移更显著，且从图9可知，改变气液比后，在注入 5.0 PV 时，中孔和小孔中的含水饱和度分别下降到 44.2% 和 82.6%，然后在 15.0 PV 时分别下降到 6.1% 和 37.5%，这些值均小于实验 #1 中的值，说明气液比增加导致泡沫驱效果更好，可能是气液比增加导致泡沫注入过程中泡沫变强，波及效率提高较快。

实验#4——改变表活剂浓度

实验#4与实验#1对比，仅将表活剂浓度从0.5 wt%下降到0.1 wt%，其他条件保持不变。

▲图11 不同表面活性剂浓度下测得的MR图像

从图11可知，随着表面活性剂浓度的降低，对于相同的注入量，泡沫驱替前缘滞后于实验#1。在 5.0 PV 和 10.0 PV 处高渗透部分仍有较强的水信号。

从图9可知，注入 2.0 PV 泡沫时，大孔隙的含水饱和度仅下降到 46.2%，在 15.0 PV 时，岩心中、小孔隙的含水饱和度分别下降到 30.2% 和 59.8%，远低于实验 #1 的结果。

说明降低表活剂浓度会导致泡沫产生量减少，驱替波及效率降低，泡沫在大孔隙中的驱替作用较弱。

泡沫表观粘度与含水饱和度的关系