α－烯烴磺酸鈉與聚合物二元泡沫復(fù)合驅(qū)實(shí)驗(yàn)研究

劉宏生，姜冬陽(yáng)，楊 莉，趙法軍

(1.中油大慶油田有限責(zé)任公司，黑龍江 大慶 163712;2.提高油氣采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室東北石油大學(xué)，黑龍江 大慶 163318)

引 言

泡沫是1種氣體分散在液體中的分散體系，其中氣體是分散相，液體是分散介質(zhì)［1］。泡沫具有非常好的黏彈性［2］，具有比聚合物更大的滲流阻力，因此泡沫驅(qū)油是1種很有潛力的提高采收率技術(shù)。自從Bond和Holbrook提出用泡沫作為流度控制劑的思想以來(lái)［3］，美國(guó)和加拿大等對(duì)泡沫驅(qū)油技術(shù)進(jìn)行了30多年的研究，其室內(nèi)研究和礦場(chǎng)應(yīng)用的發(fā)泡劑主要是α－烯烴磺酸鈉(AOS)［4－5］，AOS具有良好的起泡性、抗硬水性、生物降解性、低毒性及配伍性等特點(diǎn)。目前報(bào)道的至少有40多個(gè)礦場(chǎng)試驗(yàn)，大部分試驗(yàn)都取得了技術(shù)上或經(jīng)濟(jì)上的成功［5－7］。但國(guó)外有關(guān)泡沫的研究主要是針對(duì)二氧化碳和蒸汽驅(qū)中氣體的流動(dòng)控制，泡沫體系中沒(méi) 有 HPAM［4－7］。國(guó) 內(nèi) 大 慶 油 田［8－11］、勝 利 油田［12－13］、遼河油田［14］等關(guān)于泡沫的研究主要是針對(duì)水驅(qū)油田應(yīng)用的泡沫體系，泡沫體系中含有HPAM。大慶油田應(yīng)用的泡沫體系是以強(qiáng)堿三元體系為發(fā)泡劑［8］，勝利油田研究的發(fā)泡劑主要是DP－4 類［9－10］。而關(guān)于 AOS與 HPAM 二元泡沫體系驅(qū)油性能的研究沒(méi)有詳細(xì)報(bào)道，為考察AOS與聚合物二元泡沫復(fù)合驅(qū)在大慶油田應(yīng)用的可行性，在大慶油田油水條件下，研究了不同AOS濃度、HPAM濃度、氣液比及發(fā)泡劑體系注入量對(duì)二元泡沫復(fù)合驅(qū)效果的影響，為泡沫復(fù)合驅(qū)方案制訂提供了重要參數(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)研究

1.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)材料主要包括:α－烯烴磺酸鈉(AOS，三佳化工公司，有效含量為35%)，聚合物(HPAM，大慶煉化公司，水解度為23%，分子質(zhì)量為1600×104)，污水(大慶油田注入污水)，模擬油(大慶脫水原油和煤油按一定比例混合)，氮?dú)?大慶雪龍氣體公司)，3層非均質(zhì)人造巖心(大慶石油學(xué)院，尺寸為4.5 cm×4.5 cm×30.0 cm，氣測(cè)滲透率約為1.1 μm，變異系數(shù)為0.72)。儀器主要包括泡沫掃描儀(法國(guó)TECLIS)和泡沫驅(qū)油裝置(江蘇華安石油儀器公司)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 泡沫性能測(cè)量方法

全自動(dòng)泡沫掃描儀主要由樣品池、氣體控制計(jì)量裝置、電極及自動(dòng)控制軟件等組成，泡沫掃描儀采用鼓氣方式產(chǎn)生泡沫，在鼓氣結(jié)束測(cè)量泡沫的最大體積，即泡沫的起泡體積。泡沫體積衰減1/2，所用的時(shí)間記為泡沫半衰期。泡沫掃描儀自動(dòng)控制氣體流速、流量及進(jìn)氣時(shí)間，自動(dòng)監(jiān)測(cè)表面活性劑溶液的起泡體積和泡沫半衰期，泡沫掃描儀具有準(zhǔn)確性高、重復(fù)性好和全自動(dòng)控制等特性。本實(shí)驗(yàn)在45℃樣品池中注入50 mL發(fā)泡劑，預(yù)熱20 min后，通入0.1 MPa氮?dú)?，氣體流速為30 mL/min，進(jìn)氣時(shí)間為5 min。測(cè)定待測(cè)液的起泡體積和泡沫半衰期。

1.2.2 泡沫驅(qū)油實(shí)驗(yàn)方法

巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn):①恒溫箱恒溫45℃，巖心抽空2 h，飽和污水，放置12 h;②測(cè)量巖心水測(cè)滲透率，飽和模擬油，計(jì)算含油飽和度，老化12 h以上;③以0.6 mL/min的速度用污水驅(qū)至含水98%;④改變發(fā)泡劑濃度、聚合物濃度、發(fā)泡劑體系注入量及氣液比等條件，以提前發(fā)泡形式進(jìn)行泡沫復(fù)合驅(qū)油實(shí)驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 AOS與HPAM二元體系的泡沫性能

不同AOS濃度二元體系的泡沫性能見(jiàn)圖1。二元體系中含有400 mg/L的HPAM。由圖1可知，AOS濃度超過(guò)一定值后，起泡體積趨于平穩(wěn)。這是由于AOS濃度較低時(shí)，表面張力較大，泡沫穩(wěn)定性較差，產(chǎn)生的泡沫不穩(wěn)定，部分泡沫迅速破裂，宏觀上表現(xiàn)為起泡體積較小，當(dāng)濃度達(dá)到或大于臨界膠束濃度時(shí)，溶液表面張力達(dá)到最低，并趨于平穩(wěn)，產(chǎn)生的泡沫瞬時(shí)穩(wěn)定性較好，因此，起泡體積逐漸趨于平穩(wěn)。同樣由圖1可知，隨著AOS濃度的增加，泡沫的穩(wěn)定性增加，但是當(dāng)濃度達(dá)到一定值時(shí)，泡沫的半衰期開始隨著濃度的增加而減小。泡沫半衰期出現(xiàn)極大值是由于泡沫攜液量和排液速度隨AOS濃度的增大而增大，前者對(duì)泡沫的穩(wěn)定性起增強(qiáng)的作用，后者起減弱的作用，在這二者的共同作用下，必然會(huì)出現(xiàn)穩(wěn)定性的最高點(diǎn)。

圖1 發(fā)泡劑體系中AOS濃度與泡沫性能的關(guān)系

不同HPAM濃度二元體系的泡沫性能見(jiàn)圖2，二元體系中含有0.2%的AOS。由圖2可知，二元體系的起泡體積隨體系中HPAM濃度增加而降低，體系中HPAM濃度為1000 mg/L時(shí)，起泡體積降低最明顯。發(fā)泡劑體系中加入HPAM后體系黏度增加，泡沫掃描儀起泡機(jī)理是注入一定壓力及體積的氣體通過(guò)發(fā)泡劑產(chǎn)生泡沫，對(duì)發(fā)泡劑體系不存在剪切作用。因此，發(fā)泡劑體系黏度越大，起泡性越差。同樣由圖2可知，隨體系中HPAM濃度增加，二元體系的泡沫半衰期先增加后降低，當(dāng)體系中HPAM濃度為400 mg/L時(shí)，泡沫穩(wěn)定性最佳。發(fā)泡劑中HPAM濃度增加，即體系中HPAM分子增多，AOS與HPAM分子間作用力及纏繞作用增強(qiáng)，這些作用導(dǎo)致泡沫液膜更加穩(wěn)定，因此，泡沫的半衰期隨HPAM濃度增加而增加。但當(dāng)HPAM濃度達(dá)到400 mg/L時(shí)，體系黏度過(guò)高，阻礙AOS分子在氣液界面分布，導(dǎo)致泡沫半衰期降低。

圖2 發(fā)泡劑體系中HPAM濃度與泡沫性能的關(guān)系

2.2 AOS與HPAM二元泡沫體系驅(qū)油效果

2.2.1 發(fā)泡劑體系中AOS濃度對(duì)采收率的影響發(fā)泡劑體系中AOS濃度與泡沫復(fù)合驅(qū)采收率的關(guān)系見(jiàn)表1，發(fā)泡劑體系中含有400 mg/L的HPAM。AOS濃度為0時(shí)，不注氣，為單純聚合物驅(qū)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。以下除特殊說(shuō)明氣液比均為標(biāo)況下1∶1，注入量為0.5 PV。由表1可知，在HPAM分子質(zhì)量、濃度和用量相同的條件下，泡沫復(fù)合驅(qū)的效果明顯好于單純聚合物驅(qū)的效果。泡沫復(fù)合驅(qū)采收率隨著AOS濃度的增加而增加;當(dāng)AOS濃度大于0.2%后，泡沫復(fù)合驅(qū)采收率趨于穩(wěn)定。在泡沫復(fù)合驅(qū)過(guò)程中，注泡沫階段采收率的變化趨勢(shì)與泡沫復(fù)合驅(qū)相一致。

表1 發(fā)泡劑體系中AOS濃度與采收率的關(guān)系

泡沫在巖心中能有效封堵住高滲透水流通道，擴(kuò)大了波及體積，使其在巖心高、中、低滲透層中均勻推進(jìn)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)巖心中的中、低滲透層的剩余油;同時(shí)剩余油乳化成小油珠進(jìn)入泡沫液膜中，泡沫挾帶這些油珠向前運(yùn)動(dòng)一定距離后破裂，釋放出所含油珠;后續(xù)的泡沫液膜將驅(qū)掃這些油珠，再挾帶向前移動(dòng)一定距離。因此，泡沫驅(qū)可比聚驅(qū)提高采收率約20個(gè)百分點(diǎn)。當(dāng)AOS濃度高于0.2%時(shí)，泡沫在巖心中的破裂和再生基本平衡，泡沫的流度控制能力達(dá)到最佳，泡沫攜帶油珠的能力較強(qiáng)，使泡沫采收率提高值達(dá)到最佳，繼續(xù)增加AOS濃度，泡沫驅(qū)采收率沒(méi)有明顯提高。

2.2.2 發(fā)泡劑體系中HPAM濃度對(duì)采收率的影響

發(fā)泡劑體系中HPAM濃度對(duì)泡沫復(fù)合驅(qū)采收率的影響見(jiàn)表 2，發(fā)泡劑體系中 AOS濃度為0.2%。HPAM濃度為0時(shí)，為單純AOS泡沫驅(qū)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由表2可知，在AOS濃度和用量相同的條件下，二元泡沫復(fù)合驅(qū)的效果明顯好于單純AOS泡沫驅(qū)的效果。在HPAM濃度較低時(shí)，泡沫復(fù)合驅(qū)采收率增加較明顯;當(dāng)HPAM濃度大于400 mg/L后，泡沫復(fù)合驅(qū)采收率緩慢增加。在泡沫復(fù)合驅(qū)過(guò)程中，當(dāng)HPAM濃度大于600 mg/L后，注泡沫階段采收率緩慢增加，而后續(xù)水驅(qū)階段采收率緩慢降低，泡沫復(fù)合驅(qū)總采收率緩慢增加，這表明過(guò)多HPAM加入后泡沫復(fù)合驅(qū)見(jiàn)效加快，而對(duì)泡沫復(fù)合驅(qū)采收率提高貢獻(xiàn)不大。

表2 發(fā)泡劑體系中HPAM濃度與采收率的關(guān)系

單純AOS泡沫在含油巖心中與油接觸，泡沫的液膜受到油的影響而不穩(wěn)定，容易破滅形成氣竄，不能形成有效的封堵。而加入一定量HPAM的泡沫體系中，HPAM與AOS具有協(xié)同增效作用，使得泡沫的液膜增厚，耐油性及穩(wěn)定性增強(qiáng)，在多孔介質(zhì)中運(yùn)移時(shí)，形成假塑性流體，具有很大的表觀黏度及良好的油水選擇性，可以較大幅度地提高注采壓差，提高注入流體的波及系數(shù)。同時(shí)HPAM可以減少AOS在油藏中的吸附損耗。從而提高了泡沫復(fù)合驅(qū)采收率。

2.2.3 發(fā)泡劑體系注入量對(duì)采收率的影響

發(fā)泡劑體系注入量對(duì)泡沫復(fù)合驅(qū)采收率的影響見(jiàn)表3，發(fā)泡劑體系中AOS濃度為0.2%，HPAM濃度為400 mg/L。由表3可知，發(fā)泡劑體系注入量越大，二元泡沫復(fù)合驅(qū)提高采收率幅度越大，但注入量大于0.3 PV后，泡沫復(fù)合驅(qū)提高采收率增加緩慢。泡沫復(fù)合驅(qū)過(guò)程中，注泡沫驅(qū)階段采收率隨注入量增加而明顯增加，由0.96%逐漸增加到28.81%;而后續(xù)水驅(qū)階段采收率在0.2 PV出現(xiàn)極大值，而后逐漸降低。結(jié)合泡沫復(fù)合驅(qū)油效果，同時(shí)考慮到經(jīng)濟(jì)成本，發(fā)泡劑體系的最佳注入量為0.3 PV。

泡沫注入量較低時(shí)，由于巖心的吸附和捕集作用，飽和水及后續(xù)水驅(qū)的水稀釋作用，使得泡沫復(fù)合驅(qū)效果較差。隨著注入量的增加，發(fā)泡劑體系中有足夠的發(fā)泡劑用來(lái)彌補(bǔ)由于以上作用產(chǎn)生的損失，使得發(fā)泡劑體系在巖心中能形成穩(wěn)定的泡沫，產(chǎn)生較好的流度控制作用。在注入量超過(guò)0.3 PV后，泡沫在巖心中可以形成有效的封堵作用，使得泡沫復(fù)合驅(qū)效果較好。而注泡沫階段采收率一直增加，主要是泡沫注入量增加所致。

表3 發(fā)泡劑體系注入量與采收率的關(guān)系

2.2.4 氣液比對(duì)采收率的影響

氣液比對(duì)泡沫復(fù)合驅(qū)采收率的影響見(jiàn)表4，發(fā)泡劑體系中AOS濃度為0.2%，HPAM濃度為400 mg/L。由表4可知，隨著氣液比增加泡沫復(fù)合驅(qū)采收率先增加后減小，在氣液比為2∶1時(shí)，泡沫復(fù)合驅(qū)采收率達(dá)到極大值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)氣液比為3∶1時(shí)，泡沫體系注入0.4 PV左右，注入壓力達(dá)到最大值，然后快速降低，表明此時(shí)氣體含量過(guò)多，在巖心中發(fā)生了氣竄，使泡沫復(fù)合驅(qū)采收率降低。

表4 氣液比與采收率的關(guān)系

在氣液比低于1∶1時(shí)，氣體含量較少，產(chǎn)生的泡沫流度控制能力較弱，泡沫復(fù)合驅(qū)效果較差。在氣液比為1∶1～2∶1時(shí)，泡沫膜的彈性增強(qiáng)，泡沫的黏度較大，使泡沫對(duì)高滲透層起到有效封堵作用，驅(qū)替流體更多地分流進(jìn)入中、低滲透層，此時(shí)泡沫的流度控制能力強(qiáng)，泡沫復(fù)合驅(qū)效果較好;當(dāng)氣液比大于2∶1時(shí)，氣體易在孔道中匯集，而在氣體占據(jù)的孔道發(fā)泡劑含量較少，氣體不能形成有效泡沫，形成連續(xù)氣柱，易發(fā)生氣竄。因此，適當(dāng)增加氣液比有利于提高泡沫復(fù)合驅(qū)油效果，但過(guò)大的氣液比會(huì)導(dǎo)致氣竄。

3 結(jié)論

(1)二元體系泡沫穩(wěn)定性，隨著 AOS或HPAM濃度的增加而增加;但是當(dāng)AOS或HPAM濃度達(dá)到一定值時(shí)，泡沫穩(wěn)定性隨著濃度的增加而減小。

(2)二元泡沫復(fù)合驅(qū)采收率隨著AOS或HPAM濃度的增加而增加。在AOS濃度大于0.2%時(shí)，二元泡沫復(fù)合驅(qū)采收率趨于平穩(wěn)。在HPAM濃度大于400 mg/L時(shí)，二元泡沫復(fù)合驅(qū)采收率增加緩慢。在相同濃度和用量的條件下，二元泡沫復(fù)合驅(qū)效果好于單純AOS泡沫驅(qū)或單純聚合物驅(qū)的效果。

(3)增加注入量有利于提高二元泡沫復(fù)合驅(qū)的效果，注入量大于0.3 PV時(shí)，采收率增加值趨于緩和。增加氣液比有利于提高二元泡沫復(fù)合驅(qū)的效果，但過(guò)大的氣液比會(huì)出現(xiàn)氣竄。在氣液比為2∶1時(shí)，二元泡沫復(fù)合驅(qū)采收率達(dá)到最佳。

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