非均质岩心泡沫驱过程可视化研究

泡沫驱是油气领域提高油藏采收率的一项新技术。由于气体粘度和密度较低，通过在气体中加入泡沫，能够提高气体在低渗透储层的波及效率。泡沫驱过程的可视化是研究泡沫驱油机理的关键，但也是一大技术难题。

核磁共振可以识别含氢流体信号，而岩心泡沫驱过程泡沫几乎不含氢信号，油/水氢信号强烈。因此我们可以在岩心泡沫驱替过程通过核磁共振成像和T₂测试使岩心内部泡沫驱过程可视化，定性和定量的分析驱替过程的气/油(水)饱和度变化及流体在不同尺度孔隙中的迁移。这是低场核磁共振技术在全新研究领域的尝试和拓展。

气驱是一种提高油采收率的经济方法。该方法的一个突出优势是具有较高的微驱替效率，尤其是当与油混合时，能够显著降低残余油饱和度。但是由于气体的低粘度和低密度，导致波及系数较低。因此，有学者提出了泡沫驱替技术，利用泡沫提高气相的表观粘度，改变气液比，从而增加高渗透储层微通道的流动阻力，提高低渗透储层的体积波及效率。泡沫驱具有广阔的应用前景。

以往有学者通过制备近透明的薄材料模拟二维的泡沫驱过程，但是这与实际的储层条件相差较大。CT和NMR技术均可以在岩心驱油实验中采集内部流体信号，模拟实际油藏条件下的流体运移。CT主要对岩石基质成像，而NMR可以对孔隙流体成像。相较于CT，NMR可以更好地识别流体，它不仅可以从宏观尺度判断流体饱和度变化，还可以从孔隙尺度分析流体分布。

本文采用核磁共振方法对泡沫在双层非均质岩心的流动特性进行了可视化，研究了注入过程不同尺度孔隙的含水饱和度变化以及不同参数对泡沫波及效率的影响。

采用核磁共振成像技术获得流体在微孔中的位置信息。通过对三维梯度场的线性组合可对岩心进行不同方向的切片扫描。在梯度磁场的不同位置进行切片选择编码、频率编码和相位编码。对得到的回波信号通过傅里叶变换处理，即可得到所选层的流体分布。本实验使用低场核磁共振仪(主磁场强度为0.5T)，选择SE(spin-echo)序列作为成像序列。为了在非均质岩心泡沫驱过程中快速清晰成像，采用了短TE(回波时间)和长TR(重复时间)的质子密度加权方法。由于冠状面切片(图1)可以有效消除重力对泡沫运移特征的影响，因此我们采用该模式观察不同时间下泡沫在多孔介质中的水平运动。通过滤除原始图像数据中的干扰信号，进行统一映射，添加假色，得到岩心图像。

图1 双层非均质岩心冠状面示意图

本文的实验装置主要包括核磁驱替装置(苏州纽迈分析仪器股份有限公司生产)、泡沫发生器、氮气瓶、气体流量计、ISCO置换泵、中间容器和控制计算机等。实验装置如图2所示。

图2 实验装置示意图

采用石英砂与环氧树脂粘接，在15MPa压力下制备了三个圆柱形人造岩心。如图3所示，岩心1主要由粒径在60 ~ 80μm之间石英砂组成;岩心3主要由粒径在80 ~ 120μm之间的石英砂组成，岩心2为非均质岩心，由左、右两部分组成。两部分的材料分别与岩心1和岩心3相同。

图3 试验岩心实物图

本文的实验流程如下：

由于氮气没有信号，泡沫的核磁信号强度接近0。利用该特征可以有效的区分泡沫和水。

为了比较注入参数对非均质岩心泡沫波及效率的影响，设计了四组实验，如表1所示。

实验#1是研究注入过程中泡沫运移特性的基础试验组。

实验#2 ~ #4是具有不同注入参数的比较试验组，目的是研究注入参数对泡沫运移特性的影响。

表1 实验方案设计表

图4 饱水状态下的岩心T₂分布

图4为3个岩心在完全饱水条件下的T₂谱。从图中可以看出，岩心1中流体的弛豫时间分布在0.9ms~174.7ms之间，流体信号集中在A点(T₂= 16.2 ms)和C点(T₂=174.7 ms)之间。岩心3的流体的弛豫时间范围从1.5到613.6ms，流体信号集中B点(T₂=57.2ms)和点D(T₂=533.7 ms)之间。岩心2中流体的弛豫时间分布较广，在0.6 ms ~ 533.7 ms之间。为了识别内部流体主要分布的层位，必须区分非均质岩心不同弛豫时间点对应的孔隙。认为岩心样品1为小/中孔隙，岩心样品3为中/大孔隙。利用T₂谱特征对岩心孔径大小进行分类，见表2。

表2 岩心的孔径分布特征

图5 泡沫驱过程的核磁成像图

图5主要特征如下：

（1）核磁成像图具有明显的信号特征，信号强(亮、绿)表示含水饱和度高，信号弱(暗、蓝)表示含水饱和度低。非均质岩心在充分饱和水后左侧信号强度较右侧弱，正与低渗透层的位置相对应，因为该位置的T₂较低。

（2）图5-b和c为注入泡沫0.6PV和1.1PV对应的核磁成像图。根据出口观察，泡沫在0.5PV时破裂。从图5-b可以看出气泡在0.6PV时到达岩心前端。右侧的信号强度较左侧迅速下降；泡沫注入1.1PV时信号强度基本不变。这说明泡沫注入岩心时，首先进入高渗透层的大孔。

（3）随着泡沫持续注入，右侧信号强度接近左边并逐渐减弱。如图5-d和g所示，在岩心内形成了明显的气液界面(驱替前缘)。气液界面逐渐向前移动，说明泡沫开始沿驱替方向聚集。当注入泡沫达到15PV时(图5-h)，岩心内的信号强度与噪声基本相同，说明岩心基本被泡沫占据。

岩心泡沫驱过程还可以通过T₂谱进行定量描述，如图6所示。泡沫注入0~2PV时，谱峰值几乎不变，但是右侧的截止点由D转移到C，说明该阶段大孔的水显著降低，而小孔和中孔中的水几乎不变。泡沫注入2~15PV期间，T₂谱峰呈减小趋势，该阶段也对应核磁成像的第2阶段。随着高渗透层流动阻力的增加，泡沫逐渐向中、小孔波及。T₂＜1ms部分的信号逐渐在高注入体积下逐渐向更低的T₂值转移，该部分信号可能源于气泡的液体膜。随着大量泡沫进入较小的孔隙和喉道，弛豫时间逐渐降低。当泡沫注入15PV时，大孔中的水信号几乎为0(CD段)，中孔(BD段)中的水信号较弱，而小孔(AB段)的水信号最强，说明剩余的水主要集中在中、小孔。与核磁成像相比，T₂谱能更好地反映小孔内的流体信号变化。

图6 泡沫注入过程的T₂谱

本文还分别计算了泡沫驱过程小孔段、中孔段和大孔段的含水饱和度变化，如图7所示。大孔空间在初期就被泡沫气占据，泡沫注入5PV时的含水饱和度降低到6.2%，则泡沫在大孔中占据93.8%；在15PV时下降到1.6%。中孔饱和度呈线性降低，当泡沫注入15PV时含水饱和度为9.2%，说明中孔也基本被泡沫占据。在泡沫注入的前期和中期，由于毛细管力较大，小孔的波及效率较低，泡沫注入8PV时仅降低15.1%；后期大气泡分裂产生小气泡，逐渐填充小孔，当泡沫注入15PV时，小孔含水饱和度下降到43.8%。

图8(a)为泡沫注入速率由1mL/min至5mL/min时的核磁成像图。在泡沫注入5PV时，驱替前缘在低渗透层和高渗透层均有出现。随着泡沫继续注入，高渗透层驱替前缘移动明显，低渗透层前缘变化较少。

由图9可以看出，当泡沫以5mL/min的速度注入2PV时，中孔含水饱和度快速降低至74.2%，之后区域平缓；泡沫注入15PV时含水饱和度下降至37.8%。小孔饱和度仅降低至62.6%，说明注入速率的增加降低了中、小孔泡沫驱的效果。

气液比可以转化为泡沫量，影响泡沫在孔隙中的性能。图8(b)为气液比为2:1时的核磁成像图。与实验#1相比，泡沫注入5PV和10PV时，驱替前缘明显向前移动。泡沫注入5PV时，中孔水饱和度下降至44.2%，小孔水饱和度下降至82.6%；当注入15PV时，中孔和小孔水饱和度分别下降至6.1%和37.5%，这些值都比实验#1的小。气泡数量随着气液比的增加而增加，当气液比为2:1时，泡沫强度增大，波及效率提高较快。但气液比超过临界值后，泡沫更容易聚结，从而导致驱替效果下降。

表面活性剂的含量直接影响发泡性能和泡沫稳定性。当表面活性剂浓度从0.5wt%降至0.1 wt%时，泡沫发生器出现不连续的气泡，注入管内气体流动迅速，说明只有部分气体被用来产生泡沫。岩心的核磁成像图如图8(c)所示。随着表面活性剂浓度的降低，相同注入量下的泡沫驱效果滞后于实验#1。在泡沫注入5.0 PV和10.0 PV时，高渗透层仍有较强的水信号。这个结果也可以在图9中发现。当泡沫注入2.0 PV时，大孔含水饱和度仅下降到46.2%；在15.0 PV时，岩心中、小孔隙含水饱和度分别下降到30.2%和59.8%，远低于实验#1的结果。这说明当表面活性剂浓度较低时，泡沫的波及速度会减慢。

在实验#1中，泡沫表观粘度持续增加，在15PV时达到402.6cP。在实验#3中，泡沫粘度增加最快，在注入13.5PV后稳定在435.1cP，这可能是由于气液比2:1时泡沫气的滞留能力更强。在实验#2和实验#4中，泡沫在15.0 PV时的粘度仅达到227.9 cP和262.4 cP，说明泡沫的气体变形和气体捕集能力较弱。

由图10(b)可以看出，实验#2和实验#4的高渗透层和低渗透层的含水饱和度均高于实验#1和实验#3。泡沫的表观粘度与这两层的含水饱和度呈负相关关系，说明泡沫注入的表观粘度不仅影响高渗透层中的阻塞效果，而且影响低渗透层中的波及效率。

本文利用核磁共振成像和T₂测试研究了泡沫在双层非均质岩心中的驱替过程，分析了注入速率、气液比、表面活性剂浓度对运移特性的影响。主要结论如下：

(1)核磁成像和T₂谱测试能够有效反映泡沫在非均质岩心中的运移特性，揭示泡沫在大、中、小孔中的驱替特征。

(2)大孔泡沫气饱和度在注入初期迅速增加，在15PV时达到98.4%；中孔泡沫气饱和度稳步上升，在15PV时达到90.8%；小孔泡沫气饱和度较低，在注入后期随着小气泡的产生饱和度增加，在15PV时达到56.2%。

(3)泡沫参数对不同孔隙的泡沫波及效率和波及速度均有影响。

(4)泡沫的表观粘度受气体捕集和贾敏效应等因素影响逐渐增大。高粘度的泡沫可以显著降低低渗透层和高渗透层的含水饱和度。

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