《Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects》：Characteristics and Mechanisms of Foam Stratified Displacement in Fractured-Vuggy Reservoirs
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泡沫驱油技术用于提高碳酸盐储层采收率，通过二维可视化裂缝模型研究泡沫分层行为与油驱机制。结果表明泡沫分层主导驱油效率，高泡沫质量提升中上层过渡泡沫层驱油效果，裂缝开口影响致密泡沫层分布面积，而裂缝壁面粗糙度同时调控两层流动特性。水平裂缝中过渡层贡献最大，采收率较垂直裂缝高5.38%，致密泡沫层在垂直裂缝中驱油效率提升15.4%。
刘傲珏|李照民|马文宁|李斌飞|徐正晓|张启峰|郭丁
中国石油大学（华东）非常规油气开发重点实验室，教育部，青岛市，266580，中华人民共和国
摘要
泡沫驱油是一种有效的技术，可以提高裂缝-孔隙碳酸盐岩水库的扫荡效率，这类水库具有强烈的非均质性。在这项研究中，构建了一个二维可视化裂缝模型，以研究泡沫-气体-水三相流过程中的泡沫分层行为和石油驱替机制。结果表明，泡沫分层控制着泡沫的传播和石油的回收。提高泡沫质量可以增强中上部过渡泡沫层的扫荡效率。裂缝开口主要决定了密集泡沫层的面积，而裂缝壁的粗糙度通过改变壁面附着力和流体导电性影响这两个层。在驱替过程中，密集泡沫层主要在早期阶段从大裂缝和孔隙中 mobilize 石油，而过渡层在中期阶段主导从中小裂缝中回收剩余石油。在水平裂缝-孔隙模型中，泡沫分为三层，过渡层对扫荡扩张的贡献最大，其回收率比垂直驱替高出5.38%。在垂直驱替下，泡沫分为四层，密集泡沫层的石油驱替效率比其他层高出15.4%。这些发现阐明了泡沫驱油的层依赖性驱替机制，并为塔河裂缝-孔隙碳酸盐岩水库设计基于泡沫的开发策略提供了实际指导。
引言
塔河油田的裂缝-孔隙碳酸盐岩水库是全球碳氢化合物资源的重要组成部分。这种水库属于古风化壳层喀斯特水库类型。由于地层运动以及水库中的碳酸钙与地下水之间的相互作用等因素[1]，[2]，水库中存在大量的地下空间，如裂缝和喀斯特洞穴，其空间分布是随机的。这导致主要的石油储存空间位于溶解腔、喀斯特裂缝等处，因此水库表现出强烈的非均质性[3]，[4]，[5]，[6]。目前，塔河油田在初次开采后已进入低产期。虽然注水和注气是主要的二次采收技术，但该油田在提高采收率方面面临重大挑战。总体采收率仍然较低（例如，在许多区块中低于20%），主要是由于裂缝-孔隙水库中复杂的流体流动机制[7]，[8]。在注水过程中，水库的非均质性可能导致高渗透率区域迅速水淹，从而难以 mobilize 低渗透率区域中的剩余石油[9]，[10]，[11]。同时，在某些局部区域，还会出现大喀斯特洞穴和裂缝中的通道问题[12]，[13]，[14]。此外，由于裂缝-孔隙单元的水分含量变化特性存在显著差异，目前尚无统一合理的开发方法[15]，[16]，[17]，[18]，[19]。因此，开发大量油井仍面临巨大挑战。
目前，国际上针对碳酸盐岩水库的注气采收技术已经相对成熟。以美国为例[20]，[21]，二氧化碳驱油和氮气驱油等技术[22]，[23]，[24]，[25]已经进入缓慢迭代阶段，并表现出稳定性和高效率。由于碳酸盐岩沉积相特性的显著差异，中国研究人员对水库非均质性以及注气过程中气体、岩石和流体之间的相互作用等关键问题了解不足[7]，[8]。因此，中国碳酸盐岩水库的注气技术开发滞后。
随着在新疆碳酸盐岩水库中实施的大量注气试验[26]，[27]，[28]，研究人员逐渐更好地理解了水库中气体的微观渗流规律，为注气技术的优化提供了理论支持。目前，空气驱油在新疆各个油田的应用越来越成熟。然而，它也面临由于水库非均质性导致的注气潜力不足以及高成本下的低驱替效率等问题[29]，[30]。
空气泡沫驱油是一种成熟的流动性控制技术，它通过改变多孔介质中的流体流动来减轻气体通道效应、过早突破和气体利用效率低下[31]。尽管以往的研究已经广泛探讨了均匀或中等非均质系统中的泡沫生成、稳定性和驱替效率，但在塔河油田等裂缝-孔隙碳酸盐岩水库的深度、高温和强烈非均质条件下，泡沫的分层流动行为仍不够清楚。具体来说，泡沫-气体-水三相流过程中不同泡沫层的动态形成、演变和独特的驱替功能尚未系统揭示。因此，本研究重点关注裂缝-孔隙系统中的泡沫分层现象，阐明了不同驱替阶段各泡沫层对石油 mobilization 的贡献，提供了超越传统泡沫驱油范式的新的机制见解。
庞杰和莫汉蒂[32]通过实验研究从表面活性剂作用的角度解释了泡沫气液两相流流动模式和界面结构演变的影响机制。在此基础上，孙林等人[34]在高温高盐度底水水库条件下进行了氮气泡沫锥控制实验，并系统总结了氮气泡沫在塔河裂缝-孔隙水库条件下的锥控制效应及相关影响因素。李泽等人[35]，[36]使用微蚀刻物理模型进一步阐明了底水驱油与高速泡沫驱油结合对提高采收率的影响，以及泡沫气体通道和多孔介质中流动方向变化等因素[37]。在裂缝系统中，气体捕获被认为是调节泡沫质地和流动性的关键因素，进而影响宏观流动行为和扫荡效率。例如，在可视化模型裂缝中，随着流速的增加，被捕获的气体比例减少，导致泡沫质地更细腻，流动阻力发生变化。
可视化实验和数值模拟是分析裂缝-孔隙水库驱替过程中剩余石油分布规律的常用方法。文勇、侯杰等人[38]，[39]，[40]，[41]，[42]建立了一维到三维的可视化模拟方法，并从实验角度明确了氮气泡沫驱油的良好流动性控制效果。郭伟等人[43]基于塔河油田的地质剖面构建了物理和数值模型，总结了注水后古地下河流水库中各种类型的剩余石油，并通过结合注速、气水比和段塞大小等参数，从模拟角度确定了泡沫驱油对水库不同位置的影响程度。
关于地层中泡沫的分层流动机制，孙杰等人[44]，[45]通过气体集输管道中泡沫特性的模拟实验讨论了单向管道流中泡沫的流动机制及相关的分层流动规律，但对复杂裂缝-孔隙系统中泡沫分层特性的分析仍较为浅层。目前，裂缝-孔隙水库中泡沫分层流动特性的研究仍面临多个挑战，包括大裂缝通道[46]，[47]，[48]，[49]，以及裂缝-孔隙系统条件下泡沫的稳定性和分层问题[50]，[51]。
基于上述问题，并结合碳酸盐岩水库空间的三维非均质性，建立了一个典型的垂直板状裂缝模型，阐明了不同泡沫质量和裂缝开口对泡沫分层的影响，并讨论了泡沫在水平和垂直方向上的分层流动特性。二维可视化模型用于研究泡沫驱油过程中石油、气体和水的分布变化，明确了不同阶段泡沫分层的状态和石油驱替规律，揭示了典型裂缝-孔隙结构中泡沫分层的石油驱替规律。
部分摘录
材料
本研究中使用的发泡剂是YF-1表面活性剂（胜利油田；一种阴离子-非离子表面活性剂，在实验条件下具有370-470毫升的泡沫体积和9-10分钟的排水半衰期）。实验中使用的水是通过超纯水制备仪器（四川UPR Ultra-Pure Technology Co., Ltd.，型号UPT-I-10T）制备的去离子水，电阻率高达18.25 MΩ·cm。本研究中使用的气体是N?，购自青岛恒源气体
裂缝中泡沫分层流动的特性
封闭平直裂缝左侧和右上角的圆形出口，使用开放的裂缝作为模型出口。在不考虑裂缝注入点和溢出点位置对流动特性的影响的情况下，模拟裂缝中间部分的泡沫流动特性及其影响因素。
实验参数的选择是为了系统研究与泡沫分层相关的条件
结论
本研究对深部裂缝-孔隙水库中泡沫分层的演变和泡沫驱油过程进行了实验室实验模拟。基于裂缝-孔隙水库的结构特性和地层的三维非均质性，构建了一个可视化平板模型。随后分析了泡沫驱油过程中各层的流动特性及其影响因素。
CRediT作者贡献声明
李照民：验证、监督、方法论、调查、正式分析。郭丁：写作 – 审稿与编辑。马文宁：写作 – 审稿与编辑。李斌飞：写作 – 审稿与编辑。徐正晓：写作 – 审稿与编辑。张启峰：写作 – 审稿与编辑。刘傲珏：写作 – 初稿、方法论、调查、正式分析。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本项目得到了国家深部油气重点实验室开放研究基金（编号SKLDOG2024-KFYB-14）的支持。我们感谢山东二氧化碳利用与储存工程研究中心对我们实验研究的帮助。
