聚合物在泡沫驅中的應用

雷小洋，唐善法，廖 輝，王曉杰

(長江大學石油工程學院，武漢 430100)

泡沫驅是一種應用前景廣泛的三次采油技術，其顯著特點是隨著滲透率的增大，泡沫的黏度增大，流動阻力增大，當阻力大于低滲透層中的毛管壓力時，泡沫便進入低滲透層，使流體在高低滲透層同時推進，進而提高波及效率。泡沫作為一種可壓縮的非牛頓流體，具有剪切變稀的特征。泡沫為熱力學非穩(wěn)定狀態(tài)，流體變稀后，泡沫在多孔介質中的流動變得更不穩(wěn)定，嚴重影響泡沫驅油的效果。部分聚合物因其結構特點，加入泡沫流體后可以提高流體黏度，改變液膜的物性，從而使泡沫的穩(wěn)定性增強［1］。

1 聚合物對泡沫的穩(wěn)定機理

泡沫是氣體與液體形成的分散體系，氣相是分散相，液相是分散介質，為連續(xù)相，它們相互接觸的邊界稱為Plateau邊界［2］，泡沫的氣液界面圖見圖1。

圖1 泡沫的氣液界面圖

泡沫具有較大的氣液界面面積和較高的表面自由能，自由能具有自發(fā)減小的趨勢，所以液體中的氣泡會自發(fā)地聚集合并，小氣泡變?yōu)榇髿馀?，大氣泡液膜變薄，最終破滅。目前普遍認為泡沫的衰變機理為液膜的排液和氣體透過液膜的擴散。

由Laplace方程知圖1中A處的壓力小于B處，液相會自發(fā)地從B處向A處聚集，使B處液膜變薄，最終導致液膜聚并，泡沫破滅。聚合物的絮狀和網(wǎng)狀結構使液相的黏度增加，既能使泡沫內(nèi)的液體不易流失，減緩液膜變薄的速度，又能使氣體在液膜中的溶解度降低，從而使穩(wěn)定性增強。

由Laplace方程知小氣泡內(nèi)的壓強大于大氣泡內(nèi)的壓強，小氣泡內(nèi)的氣體會自發(fā)向大氣泡內(nèi)擴散，造成小氣泡變小、大氣泡變大，最終小氣泡消失、大氣泡破滅。這一過程的發(fā)生主要取決于氣體透過液膜的能力。聚合物的加入使液膜表面的黏度增大，造成液膜表面所吸附的分子排列得更緊密，氣體透過液膜的難度加大。當液體中存在聚合物時Marangoni效應增強，聚合物在液膜表面的吸附使液膜表面黏度增高，表面膜彈性增強，膜的自我修復能力加強，泡沫穩(wěn)定性大幅提高。小氣泡消失、大氣泡破裂的泡沫照片［3］見圖2。

此外，在泡沫流體中加入疏水締合聚合物不僅有增黏效果，還可以適用于高鹽環(huán)境。水溶液極性增強，疏水基團通過進一步增強分子間疏水合作用，使與水的接觸體積減小，相應地大分子聚合物線團物理交聯(lián)點增多，分子間締合能力增強，流體力學體積增大，宏觀表現(xiàn)為溶液黏度上升，起到高鹽增黏作用，使泡沫更加穩(wěn)定［4］。

圖2 泡沫的聚并破滅過程

2 泡沫驅用聚合物類型

1)增黏型。主要是通過提高基液的黏度來減緩泡沫的排液速率，延長泡沫半衰期，從而提高泡沫的穩(wěn)定性，這類物質有羧甲基纖維素(CMC)、聚丙烯酰胺(PAM)、羧甲基淀粉(CMS)、殼聚糖類、改性淀粉等。

2)提高膜黏彈性型。主要是提高泡沫膜的黏彈性和膜強度，減小泡沫的透氣性，從而提高泡沫的穩(wěn)定性。這類聚合物增黏性較小，如聚乙烯醇(PVA)、羥乙基纖維素(HEC)、高級脂肪醇類。

3)高鹽增黏型。主要用于高鹽、高溫環(huán)境，如新型抗鹽聚合物PS－3、新型疏水締合聚合物聚丙烯酰胺、兩親類聚合物 HPOC －I［6］、生物聚合物(HXYP)和黃原膠(XC)等。

3 聚合物在泡沫驅中的應用

在常規(guī)泡沫驅中，常用的聚合物為聚丙烯酰胺類、羧甲基纖維素類、可溶性淀粉類及聚醇類。這幾類聚合物增黏效果顯著，價格適宜，適合油田大規(guī)模泡沫驅。王其偉等［7］研究了CMC、聚合物722及聚醇類對泡沫劑穩(wěn)定性的影響，指出這幾類聚合物對泡沫有顯著的穩(wěn)定效果，能夠使泡沫劑脂肪醇聚氧乙烯醚(AEO)和十二烷基苯磺酸(ABS)的穩(wěn)定性提高50%以上。萬里平等［8］研究了聚合物KV－CMC對ABS和二甘醇琥珀酸酯(DGES)的穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)當KV－CMC的含量為0.6% ～0.8%時，泡沫綜合指數(shù)最大，當 KVCMC含量＞0.8%時，發(fā)泡能力隨其含量的增大而降低。KV－CMC的加入使基液黏度增大，一方面使氣泡間液膜不易流失，另一方面降低了氣體穿透液膜的能力;但KV－CMC含量過高時，發(fā)泡劑分子不易流動，液膜受損部位不能迅速彌合，氣泡容易破裂。王克亮等［9］研究了羧甲基纖維素鈉和瓜爾膠在高溫下對發(fā)泡劑HY－3的穩(wěn)泡性能，發(fā)現(xiàn)羧甲基纖維素鈉的抗高溫性能優(yōu)于瓜爾膠，高溫下羧甲基纖維素鈉的加入使泡沫的發(fā)泡高度略有降低，但半衰期明顯增加，泡沫綜合指數(shù)增加。王登慶等［10］研究了N－(2－羥基－3－磺酸基)丙基殼聚糖對非離子起泡劑AEO－9的穩(wěn)泡性能，發(fā)現(xiàn)殼聚糖取代度越低，相同濃度下在水中的黏度越大，其對非離子表面活性劑形成的泡沫的穩(wěn)泡能力優(yōu)于常用的高分子穩(wěn)泡劑(PVA，CMS，PAM)。江建林等［11］為了研究聚合物在聚合物－泡沫復合調(diào)驅技術中對泡沫的穩(wěn)定性和泡沫再生能力的影響，針對海上油田聚合物－泡沫復合體系ES－70/O12，對體相泡沫中聚合物的穩(wěn)泡作用進行了實驗研究。結果表明在57℃下加入1000 mg/L聚合物SNF3640，泡沫半衰期從12.5 min 增至58.0 min。

在高溫高鹽油田中，一般的聚合物易受高溫影響發(fā)生降解，增黏能力下降;另一方面在高礦化度下，聚合物離子基團上的電荷被屏蔽，離子間的靜電排斥作用減弱，聚合物長鏈卷曲，分子內(nèi)締合作用占主導地位，宏觀上表現(xiàn)為溶液黏度下降。針對這些問題，近年來研制出了一些新型的耐鹽耐高溫聚合物，主要有疏水締合聚合物、兩親性聚合物及改性類聚合物。刁素等［12－13］研制出復配穩(wěn)泡劑泡沫體系HXYP+YPA，研究了80℃下高鹽對泡沫體系的穩(wěn)定性和表觀黏度的影響，實驗結果表明，無鹽和礦化度為7.08×104mg/L的泡沫的吸附膜整體性較好，且吸附膜較薄;高礦化度(20.30×104mg/L)下泡沫的吸附膜整體性不如無鹽的好，但是膜面上吸附著致密的晶狀物質，增加了薄膜的厚度，并且未見單獨的鹽結晶析出。分析聚合物結構發(fā)現(xiàn)HXYP分子為剛性分子，鹽濃度的改變不會使分子結構發(fā)生變化，分子的作用力和纏繞力基本不變，而YPA為梳型疏水締合聚合物，分子側鏈同時含有親水和親油集團，使得分子內(nèi)和分子間的卷曲纏繞減少，分子結構規(guī)整，抗鹽能力強。楊燕等［14］研究了 CMC、HPAM、疏水締合聚合聚丙烯酰胺及XC這4種穩(wěn)泡劑，考察了在溫度升高和鹽度增大時泡沫體系黏度的變化情況。實驗結果表明，添加了疏水締合聚合聚丙烯酰胺和XC的起泡液，在較高溫度和礦化度下起泡能力較強，且泡沫半衰期較長。

4 泡沫驅的發(fā)展趨勢

1)研制新型表面活性劑起泡劑和穩(wěn)泡劑。要克服泡沫體系穩(wěn)定性差的缺點，并考慮起泡劑和穩(wěn)泡劑分子結構的復配協(xié)同效應。目前開發(fā)的油田都為高鹽低滲類油田，提高泡沫對溫度、礦化度和pH的穩(wěn)定性是泡沫驅成敗的關鍵。

2)采用空氣泡沫體系。目前泡沫驅的氣相主要為N2、CO2、蒸汽以及天然氣，其中CO2在我國資源不足，而N2和天然氣價格相對較高?？諝庾鳛橐环N豐富、廉價的氣源，現(xiàn)場施工工藝簡單，具有很大的經(jīng)濟優(yōu)勢。應解決好以空氣為氣源的安全性問題，為空氣泡沫驅的推廣應用提供保證。

3)完善泡沫流動特性理論和泡沫穩(wěn)定理論。關于泡沫的流變性已形成系統(tǒng)的研究成果，多集中于光滑管道中的泡沫流動，對泡沫鉆井、固井等施工工藝有重要的指導作用。應加強高溫高壓條件下非均質多孔介質中的流變性研究，完善泡沫微觀驅油機理。應加強新技術在泡沫穩(wěn)定形態(tài)觀測方面的應用，從分子微觀結構入手，探究不同情形下分子結構的變化，為尋找和研制新的起泡劑及穩(wěn)泡劑提供理論依據(jù)。

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