渤海油田弱凝膠與泡沫復合調驅體系優(yōu)化

張云寶，劉文輝，魏嫻嫻，趙洪娟，李若琳，林梅欽(.中海石油(中國)有限公司天津分公司渤海石油研究院，天津 0045；.中海油田服務股份有限公司油田生產事業(yè)部，天津 00450；.中國石油大學提高采收率研究院，北京 049)

渤海油田弱凝膠與泡沫復合調驅體系優(yōu)化

張云寶1，劉文輝2，魏嫻嫻3，趙洪娟3，李若琳3，林梅欽3
(1.中海石油(中國)有限公司天津分公司渤海石油研究院，天津 300452；2.中海油田服務股份有限公司油田生產事業(yè)部，天津 300450；3.中國石油大學提高采收率研究院，北京 102249)

采用流變、常規(guī)量筒法、掃描電鏡及顯微鏡，研究了優(yōu)選出的3種弱凝膠與SD發(fā)泡劑的復配體系的起泡性能、黏度、穩(wěn)定性以及微觀結構。結果表明，起泡劑與弱凝膠復配之后，體系的各項性能得到明顯改善。復配體系半衰期增大，泡沫黏度增大，穩(wěn)定性增強，明顯優(yōu)于單一體系。在弱凝膠與泡沫復合調驅體系中，凝膠易在氣泡表面形成吸附膜，將泡沫包裹在內部，增強了氣液界面的黏度，使得泡沫不容易發(fā)生聚并破裂，從而增強了泡沫的穩(wěn)定性以及黏度，使得其半衰期也增大。

弱凝膠；泡沫；黏度；起泡性能；穩(wěn)定性

渤海油田是中國海洋石油總公司的主力油田，經過多年的開發(fā)，油田產量遞減較快，亟需采用提高采收率新技術，以保持原油產量。目前，弱凝膠與泡沫復合調驅技術是一項富有創(chuàng)造性的提高采收率新方法[1-2]。交聯(lián)聚合物弱凝膠是目前國內外應用最廣泛的深部調剖改善水驅技術，凝膠體系交聯(lián)后，黏度上升，可封堵裂縫及大孔道，降低水竄能力，調整吸水剖面[3-6]。同時泡沫體系可控制流度，降低注入流體流度，改善不利流度比，降低流體相對滲透率，延緩注入流體突破時間，封堵高滲層大孔道，改變液流方向，還能提高洗油效率[7-11]。將弱凝膠調剖和泡沫調驅這兩個單項技術結合起來，能夠綜合弱凝膠和泡沫的雙重優(yōu)勢，更好地封堵裂縫及大孔道，防止水竄，調整吸水剖面，是一種應用前景十分廣泛的提高采收率新技術。

針對渤海油田油藏條件對弱凝膠與泡沫復合調驅技術進行了優(yōu)化研究，以實現原油的穩(wěn)產和增產。實驗優(yōu)選并評價了3種弱凝膠與SD發(fā)泡劑的復配體系的起泡性能、黏度以及穩(wěn)定性，同時對該凝膠泡沫的微觀結構進行了表征，為弱凝膠與泡沫復合調驅技術在渤海油田的礦場應用提供了理論基礎和指導。

1 實驗部分

1.1 實驗試劑

氯化鈉、氯化鈣、氯化銨、硫酸鈉、碳酸氫鈉，分析純，北京現代東方精細化學品有限公司；氯化鎂，化學純，北京現代東方精細化學品有限公司；碳酸鈉，分析純，北京化工廠。

實驗所用的海水速溶聚合物為部分水解聚丙烯酰胺，相對分子質量2 000×104，水解度20%；交聯(lián)劑有機鉻溶液及SD型發(fā)泡劑均由渤海油田提供；實驗用水為油田模擬水，其礦化度為9 500.54 mg/L。

1.2 實驗方法

1.2.1 弱凝膠體系的配制 將聚合物配制成5 000 mg/L的母液，各自稱取一定質量的聚合物和交聯(lián)劑溶液，使聚合物和交聯(lián)劑的質量濃度達到實驗所需，使用美國Waring公司7012G型Waring-Blender攪拌器攪拌混合均勻后，置于65 ℃恒溫烘箱中反應。

1.2.2 弱凝膠與泡沫復合體系的配制 將聚合物配制成5 000 mg/L的母液，然后稀釋至目標質量濃度，加入起泡劑SD攪拌均勻后，再加入一定質量的有機鉻溶液，使用美國Waring公司7012G型Waring-Blender攪拌器攪拌混合均勻后，置于65 ℃恒溫烘箱中反應。

1.2.3 泡沫起泡能力與半衰期的測定 實驗采用常規(guī)量筒法，將起泡劑SD與100 mL水生成的泡沫加入量筒，記錄量筒底部析液50 mL時的時間，即為泡沫的半衰期；用泡沫所能達到的最大高度(泡沫體積)來評價泡沫的起泡能力。

1.2.4 流變性測定 采用美國Brookfield公司LVDV-II+P型布氏黏度計測量黏度，測量溫度為(65.0±0.1)℃。采用德國HAAKE公司RS 600型流變儀測量弱凝膠的黏彈性，使用同軸圓筒轉子測量系統(tǒng)(Z41° Ti)，振蕩頻率為0.10～5.00 Hz，剪切應力為1 Pa，測試溫度控制在(65.0±0.1)℃。

1.2.5 微觀結構表征 采用日本奧林巴斯公司可視光學顯微鏡和美國Phillips Electronscan公司FEI Quanta 200 F場發(fā)射環(huán)境掃描電子顯微鏡表征弱凝膠與泡沫復合體系的微觀結構。

2 結果與討論

2.1 弱凝膠的長期穩(wěn)定性

為了評價弱凝膠體系的長期穩(wěn)定性，測定了65 ℃下聚合物與有機鉻質量比(簡稱聚鉻質量比)均為90∶1，聚合物質量濃度分別為1 000、2 000、3 000 mg/L的弱凝膠體系的黏度隨熱老化時間的變化，結果見表1。由表1可見，隨著老化時間的增加，不同聚合物質量濃度與交聯(lián)劑反應所形成的弱凝膠體系黏度逐漸增大，說明體系慢慢成膠，由不成膠、小部分成膠、大部分成膠直至完全成膠，弱凝膠的強度也變大。同時聚合物質量濃度越大，弱凝膠的黏度越大，這是因為在聚鉻質量比相同的條件下，聚合物質量濃度越大，體系交聯(lián)程度越大，凝膠強度越大。當老化時間超過10 d，3種強度凝膠的黏度開始有所降低，低強度凝膠體系的黏度降低的最為明顯，中、高強度凝膠體系的黏度只是略微降低。這表明實驗所優(yōu)選的3種強度的弱凝膠體系具有較好的耐溫性能，可以在65 ℃下長期穩(wěn)定存在。

表1 65 ℃下弱凝膠體系的黏度隨熱老化時間的變化Table 1 Viscosity of weak gels at different aging times at 65 ℃

2.2 弱凝膠的流變性

質量濃度分別為1 000、2 000、3 000 mg/L的聚合物與交聯(lián)劑所形成的弱凝膠體系的黏彈性模量隨老化時間的變化規(guī)律如圖1所示。從圖1中可以看出，質量濃度1 000 mg/L的聚合物所形成的弱凝膠體系的基液基本測不出彈性模量，而黏性模量隨剪切頻率的增大略有上升。當反應時間超過1 d，弱凝膠體系開始表現出較弱的彈性。隨剪切頻率的增大，彈性模量降低，而黏性模量整體呈波動上升趨勢，甚至大于彈性模量，說明低強度弱凝膠體系主要表現為黏性流體。中強度(聚合物質量濃度為2 000 mg/L)的弱凝膠體系基液的彈性模量和黏性模量均很小。當反應時間超過1 d，弱凝膠體系開始表現出較大的彈性。當反應時間超過3 d，彈性模量接近或者大于黏性模量，此時中強度弱凝膠表現為彈性流體；當反應時間小于3 d或者大于10 d時，彈性模量接近甚至小于黏性模量，此時中強度凝膠表現為黏性流體。高強度(聚合物質量濃度為3 000 mg/L)的弱凝膠體系開始表現為黏性流體，當反應時間超過1 d，彈性模量大于黏性模量，此時該弱凝膠體系主要表現為彈性流體的特征。

對比這3種不同強度弱凝膠的黏彈性，可以發(fā)現隨反應時間的增加，弱凝膠體系黏性模量、彈性模量均呈增大趨勢，反應3 d和5 d的黏彈性相差不大，說明此時已基本完全成膠。但當反應時間超過5 d，彈性模量以及黏性模量隨反應時間的增加而逐漸降低，分析是因為隨老化時間的延長，完全成膠的弱凝膠開始老化，導致黏彈性模量降低。此外，隨著聚合物濃度的增大，在相同反應時間相同振蕩頻率下，弱凝膠體系的黏性模量、彈性模量均增大，即凝膠的彈性增大，強度增大。各個曲線的變化幅度并不大，說明聚合物與交聯(lián)劑反應成膠比較均勻，體系結構不易被破壞。

圖1 凝膠體系在不同反應時間的彈性模量(G')和黏性模量(G'')

Fig.1Theelastic(G')andviscous(G'')modulusofgelsatdifferentreactiontime

2.3 起泡劑的起泡能力與半衰期

不同質量分數起泡劑SD的起泡能力與半衰期如表2所示。起泡劑的加入能夠降低液體表面張力，增加液膜的強度和彈性，降低液膜的排液速率，增強泡沫穩(wěn)定性，而起泡劑質量分數越大，這種作用力越強，液膜的強度和彈性越大。由表2可以看出，隨起泡劑質量分數的增大，起泡能力增大，半衰期增大。當起泡劑質量分數達到0.7%時，泡沫起泡性能與質量分數0.5%的相差不大，考慮成本問題，優(yōu)選起泡劑質量分數為0.5%。

表2 不同質量分數起泡劑的起泡能力與半衰期Table 2 Foaming ability and half-life of foamer with different mass fraction

2.4 起泡劑的老化性能

質量分數為0.5%的起泡劑SD在不同老化時間的起泡能力與半衰期結果如表3所示。由表3可以看出，隨老化時間的增加，起泡劑的起泡能力幾乎不變，但是半衰期減小，泡沫黏度下降，消泡變快，說明泡沫穩(wěn)定性變差。

表3 65 ℃下0.5% SD溶液在不同老化時間的泡沫性能Table 3 The forming properties of 0.5% SD solution at 65 ℃

2.5 弱凝膠與泡沫復配體系的性能

聚鉻質量比為90∶1，起泡劑SD質量分數為0.5%的泡沫-弱凝膠復合體系，其性能隨老化時間的變化規(guī)律如表4所示。由表4可以很明顯地看出，加入聚合物之后泡沫的起泡能力降低，半衰期增大，泡沫黏度增大。這是因為聚合物凝膠形成氣泡表面的吸附膜，增大了溶液的表觀黏度和氣液界面黏度，降低了泡沫液膜間的排液速率以及氣體在液膜中的溶解度，從而使泡沫液膜強度和半衰期增大，穩(wěn)定性增加。

比較3種強度的泡沫-弱凝膠復合體系性能，由于聚合物凝膠形成氣泡表面的吸附膜，所以凝膠強度越大，泡沫黏度越大，氣泡表面的吸附膜強度越大，氣泡在液膜間的排出速度越小，半衰期越大，穩(wěn)定性越好；但由于溶液表觀黏度和表面黏度的增大，降低了氣體在液膜中的溶解度，而且液膜中起泡劑分子不能自由移動，使得起泡能力減弱，起泡體積有所減小[12-13]。

由表4還可以看出，隨著反應時間的增加，泡沫-弱凝膠復合體系起泡能力降低，半衰期增大，泡沫黏度增大，起泡前黏度也增大。當反應時間超過10 d，泡沫-弱凝膠復合體系起泡能力增大，半衰期減小，泡沫黏度減小，起泡前黏度也減小。這可能是因為隨反應時間增加，復配體系的弱凝膠由不完全成膠到完全成膠直至產生老化現象，弱凝膠強度先增大后減小，使得起泡后泡沫的液膜強度和穩(wěn)定性先增加后減小。

對比表3中質量分數為0.5%起泡劑隨老化時間的增加起泡性能降低的現象，說明弱凝膠與泡沫復配之后能夠明顯改善泡沫性能，使泡沫穩(wěn)定性大大增加，延長了泡沫在孔隙中的作用時間，從而能有效改善其調剖堵水效果，提高原油采收率。

2.6 泡沫-弱凝膠復合體系的結構表征

3種不同強度的泡沫-弱凝膠復合體系中泡沫的形態(tài)如圖2所示。從圖2中可以很明顯地觀察到，泡沫呈規(guī)則圓球形，尺寸比較均勻，穩(wěn)定性較好。而且隨著聚合物質量濃度的增大，即復合體系的強度的增大，泡沫尺寸明顯變小，這與外觀上觀察到的強度大的復合體系的泡沫很細膩、均勻相一致。泡沫尺寸越小，大小越均勻，所形成的泡沫也就越穩(wěn)定。因此，強度大的泡沫-弱凝膠體系的穩(wěn)定性也越好，這與表4中其半衰期最長也相一致。

表4 65 ℃下泡沫-弱凝膠復合體系性能隨老化時間的變化規(guī)律Table 4 Properties of foam-weak gel composite systems at different aging time at 65 ℃

續(xù)表4

圖2 泡沫-凝膠復合體系的顯微鏡圖片(×1 000)

Fig.2Microscopeimagesoffoam-gelcompositesystems(×1 000)

ESEM 200F環(huán)境掃描電子顯微鏡可以用來進一步觀察泡沫-弱凝膠復合體系的微觀結構。在抽真空干燥初期，泡沫-凝膠復合體系的ESEM照片如圖3所示。由圖3(a)可以看出，泡沫-低強度弱凝膠復合體系的泡沫呈堆積狀，由多個比較明顯的大氣泡組成，每個大氣泡由很多的小氣泡組成，可以很明顯地看到泡沫中的氣體被真空抽走后留下的孔洞結構。由圖3(b)和圖3(c)也可以看到，泡沫-中、高強度弱凝膠復合體系中，泡沫里的氣體被真空抽走后留下的均勻的孔洞結構，而且氣泡的尺寸比較小(24～42 μm)。由于泡沫是以凝膠為表層，從圖3中可以看出，凝膠形成的膜，將泡沫包裹在內部，增強了氣液界面的黏度，使得泡沫不容易發(fā)生聚并破裂，從而增強了泡沫的穩(wěn)定性以及黏度，使得其半衰期也增大。

圖3 泡沫-凝膠復合體系抽真空干燥初期的ESEM圖片

Fig.3ESEMimagesoffoam-gelcompositesystemsattheinitialprocessofvacuumdrying

在抽真空干燥后期，高、中、低3種強度的泡沫-弱凝膠復合體系的ESEM照片如圖4所示。此時，泡沫中的氣體已經被完全抽走，泡沫以及形成氣泡表面吸附膜的聚合物凝膠的水分也已經被完全干燥。泡沫破滅，留下泡沫破滅后的吸附膜呈現交錯重疊的凝膠的網絡結構，有很強的立體性，上層、中層、底層的孔洞清晰可見。從圖4中可以清楚看出凝膠形成的膜，從而增強了泡沫的穩(wěn)定性以及黏度，使得半衰期增大，這與文獻[14-16]報道結果相一致。

圖4 泡沫-凝膠復合體系抽真空干燥后期的ESEM圖片

Fig.4ESEMimagesoffoam-gelcompositesystemsatlaterprocessofvacuumdrying

3 結論

(1)起泡劑與弱凝膠復配之后，體系的性能得到明顯改善，半衰期增大，泡沫黏度增大，穩(wěn)定性增大，明顯優(yōu)于單一體系，泡沫-弱凝膠復合調驅體系在提高采收率方面有很好的應用前景。

(2)弱凝膠與泡沫復合后，弱凝膠可以增強氣液界面的黏度，使得泡沫不容易發(fā)生聚并破裂，從而增強了泡沫的穩(wěn)定性以及黏度，使得其半衰期也增大。

[1]楊紅斌，吳飛鵬，李淼，等.低滲透油藏自適應弱凝膠輔助氮氣泡沫復合調驅體系[J].東北石油大學學報，2013，37(5):78-84.Yang Hongbin, Wu Feipeng, Li Miao, et al.Composite profile control of self-adaption weak gel assisted nitrogen foam in low permeability reservoir[J].Journal of Northeast Petroleum University,2013,37(5):78-84.

[2]饒鵬，楊紅斌，蒲春生，等.空氣泡沫/凝膠復合調驅技術在淺層特低滲低溫油藏中的模擬應用研究[J].應用化工，2012，41(11):1868-1871.Rao Peng, Yang Hongbin, Pu Chunsheng，et al.Simulation application research of air-foam/gel flooding technology in shallow ultra-low permeability and low temperature reservoir[J].Applied Chemical Industry,2012,41(11):1868-1871.

[3]熊春明，唐孝芬.國內外堵水調剖技術最新進展及發(fā)展趨勢[J].石油勘探與開發(fā), 2007，34(1):83-88.Xiong Chunming, Tang Xiaofen.Technologies of water shut-off and profile control:An overview[J].Petroleum Exploration and Development,2007,34(1):83-88.

[4]張繼紅，劉明君，張剛.低溫凝膠類調堵劑溶液的流變性[J].大慶石油學院學報，2008，32(2):60-62.Zhang Jihong, Liu Mingjun, Zhang Gang.Study of the rheological property of low temperature gelatinous plugging agent solution[J].Journal of Daqing Petroleum Institute,2008, 32(2):60- 62.

[5]段洪東，孟霞，秦大偉，等.流變學法研究交聯(lián)聚合物凝膠的抗剪切性能[J].應用化學, 2006，23(7):743-746.Duan Hongdong, Meng Xia, Qin Dawei，et al.Rheological studies on shear-resistant properties of crosslinking polymer gel[J].Chinese Journal of Applied Chemistry,2006,23(7):743-746.

[6]李東旭，侯吉瑞，趙鳳蘭，等.預交聯(lián)顆粒調堵性能及粒徑與孔隙匹配研究[J].石油化工高等學校學報, 2010,23(2):25-33.Li Dongxu, Hou Jirui, Zhao Fenglan，et al.Research on profile control and water shut- off performance of pre-crosslinked gel particles and matching relationship between particle and pore size[J].Journal of Petrochemical Universities,2010,23(2):25-33.

[7]趙國慶.泡沫表觀性能研究及在稠油開采中的應用[D].濟南:山東大學，2007.

[8]劉澤凱，閡家華.泡沫驅油在勝利油田的應用[J].油氣采收率技術，1996，3(3):23-29.Liu Zekai,He Jiahua.Application of foam flooding in Shengli oilfield[J].Oil Recovery Technology,1996,3(3):23-29.

[9]王繼剛，王洪剛.新型泡沫調剖劑的室內研究與評價[J].科學技術與工程，2009，20(9):6159-6162.Wang Jigang, Wang Honggang.Synthesis and evaluation of a new type foam profile control agent[J].Science Technology and Engineering,2009,20(9):6159-6162.

[10]劉祖鵬，李兆敏，鄭煒博，等.多相泡沫體系穩(wěn)定性研究[J].石油化工高等學校學報, 2012,25(4):42-50.Liu Zupeng, Li Zhaomin, Zheng Weibo，et al.Stability of multi-phase foam systems[J].Journal of Petrochemical Universities, 2012,25(4):42-50.

[11]王喻，王沖，牛忠曉，等.泡沫驅油中起泡劑W-101的篩選與評價[J].石油化工高等學校學報, 2013,26(5):50-54.Wang Yu, Wang Chong, Niu Zhongxiao, et al.Screening and evaluation of the W-101 in foam flooding[J].Journal of Petrochemical Universities, 2013,26(5):50-54.

[12]刁素，朱禮平，黃禹忠，等.復配穩(wěn)泡劑泡沫體系高鹽增效性及黏彈性研究[J].西南石油大學學報:自然科學版，2008，30(6):149-152.Diao Su, Zhu Liping, Huang Yuzhong, et al.The synergistic action caused by high salinity and viscoelastic behavior of combined foam stabilizer foam system[J].Journal of Southwest Petroleum University (Science &Technology Edition), 2008，30(6):149-152.

[13]嚴宇.高溫高壓下泡沫流變特性研究[D].成都:西南石油學院，2004.

[14]王保峰，趙忠揚.環(huán)境掃描電鏡及其在石油技術中的應用[J].油田化學，1999，16(3):278-281.Wang Baofeng, Zhao Zhongyang.The application of environmental scanning electron microscope in researches for petroleum industry[J].Oilfield Chemistry, 1999，16(3):278-281.

[15]趙化庭.新型抗鹽抗溫泡沫復合體系的研究與性能評價[D].成都:西南石油學院，2005.

[16]趙鵬，王娟，趙彤，等.酸固化劑對酚醛泡沫微觀結構的影響[J].塑料工業(yè)，2011，39(5):86-90.Zhao Peng, Wang Juan, Zhao Tong, et al.Effect of acid catalyst on the microstructure of the phenolic foam[J].China Plastics Industry，2011，39(5):86-90.

(編輯 宋官龍)

Optimization of Weak Gel-Foam Composite Systems for Bohai Oilfield

Zhang Yunbao1, Liu Wenhui2, Wei Xianxian3, Zhao Hongjuan3, Li Ruolin3, Lin Meiqin3
(1.BohaiOilfielldResearchInstituteofChinaNationalOffshoreOilfieldCorporationLimite-Tianjin,Tianjin300452;2.OilfieldProductionDivision,ChinaOilfieldServicesCo.,Ltd.,Tianjin300450,China;3.EnhancedOilRecoveryInstitute,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China)

The foaming ability, viscosity, stability and microstructure of the weak gel-SD foamer composite systems were studied by rheology, cylinder measurement, scanning electron microscopy (SEM)and microscopy.The results demonstrated that the properties of weak gel-SD foamer composite systems was improved obviously compared to the single flooding technology.When half-life period of the compounded system became longer, and the viscosity of foam increased, the foam stabilitywas enhanced.In the weak gel-foam composite system, an adsorption film of weak gel on the foam was formed easily, which meant that the foam was wrapped in the inside.The interfacial viscosity between gaseous and liquid phases was enhanced, preventing the foams to coalescence and breakup.Therefore, the viscosity and stability of foam were reinforced and the half-life period became longer.

Weak gel; Foam; Viscosity; Foaming ability; Stability

1006-396X(2014)06-0076-07

2014-07-12

:2014-09-10

中海石油總公司十二五重大專項“注水井深部調驅工藝優(yōu)化研究”項目(C/KJF YF 009-2012)。

張云寶(1980-)，男，碩士，工程師，從事油氣田開發(fā)技術及提高采收率研究；E-mail:zhangyb14@cosl.com.cn。

林梅欽(1965-)，男，碩士，副教授，從事提高石油采收率技術研究；E-mail:linmq@cup.edu.cn。

TE357.46

: A

10.3969/j.issn.1006-396X.2014.06.016