抗溫耐油型強化泡沫驅(qū)油體系性能研究

孫 琳，魏 鵬，蒲萬芬，荊雪琪，吳軼君，柳 敏

（1.西南石油大學石油與天然氣工程學院，四川 成都610500；2.大港油田采油工藝研究院，天津300280）

空氣泡沫驅(qū)作為一種適合于油田開發(fā)后期高含水、高采出程度的三次采油方法，泡沫的高黏度、低流度可以發(fā)揮有效的流度控制作用，能夠避免水竄和氣竄問題，從而提高波及系數(shù)和驅(qū)油效率［1-4］。在空氣泡沫驅(qū)的基礎(chǔ)上加入疏水締合聚合物［5］，可在整個溶液中形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)［6-7］，顯著提高液相的黏度，泡沫強度及穩(wěn)定性的大幅度提升；還能夠改善其在油藏中的適應(yīng)性，增強泡沫的流度控制能力，提高原油采收率。

大港官15-2斷塊為一構(gòu)造-巖性油藏，含油層位為沙河街ES3油組和孔一段棗Ⅱ油組，儲層平均孔隙度18.05%、滲透率106.2×10-3μm2，為中孔中滲復雜油藏；同時原油性質(zhì)較差，含蠟17.1%、瀝青膠質(zhì)含量達27.9%，屬重質(zhì)高凝原油。經(jīng)過多年開發(fā)，目前綜合含水87.6%，屬于高含水油藏。筆者針對官15-2復雜條件，篩選出一套適宜油藏條件且原油配伍性良好的長期高效疏水締合聚合物強化泡沫體系，本文對其相關(guān)性能進行了報道。

1 實驗部分

1.1 主要試劑

十二烷基硫酸鈉（ZD8），磺丙基甜菜堿（G5），疏水締合聚合物（WP9），官15-2地層水（總礦化度21 452mg／L、鈣離子281mg／L 、鎂離子52 mg／L），官15-2油砂（100～120目）。實驗用巖心參數(shù)見表1。

表1 巖心參數(shù)

1.2 實驗方法

泡沫性能測試：用官15-2地層水配置溶液200mL，預熱至90℃，然后于 Waring Blender恒速攪拌器中以4 000r／min攪拌1min；將生成的空氣泡沫裝入置于90℃恒溫箱的1L量筒中，并記錄其起泡體積和析液半衰期。

圖1 高溫高壓下泡沫性能測試儀器及流程

高壓下泡沫性能測試：首先利用官15-2地層水配置泡沫體系溶液；然后將20mL強化泡沫體系倒入高溫高壓反應(yīng)釜中并建立試驗流程（如圖1）；再注入空氣對其進行加壓至實驗需要的壓力值；最后，以2 000r／min攪拌1min，在90℃、不同壓力下測定其泡沫性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 泡沫體系熱鹽穩(wěn)定性

對于不同種類或不同結(jié)構(gòu)的起泡劑進行初選，將性能良好的起泡劑與不同穩(wěn)泡劑進行復配，最終確定強化泡沫體系（ZGP）：0.1%ZD8＋0.05%G5＋0.2%WP9。將強化泡沫體系放入90℃恒溫箱中老化，并定期測定其泡沫性能及體系黏度。ZGP的老化結(jié)果如表2。

表2 強化泡沫體系老化性能

由表1可知：在老化過程中，ZGP的起泡體積呈現(xiàn)不斷上升的趨勢，而析液半衰期則逐漸降低。在強化泡沫體系中，聚合物WP9通過增加液膜表面的吸附量和提高基液的黏度［8］，來增加泡沫液膜強度、降低泡沫的排液速率，最終提高泡沫的穩(wěn)定性。對于強化泡沫體系，WP9在老化過程中了發(fā)生明顯的熱降解、鹽降解以及氧化降解反應(yīng)（鑒于低氧空氣具有一定的氧含量，因此泡沫體系在老化過程中未進行除氧處理），致使泡沫液膜的黏度降低、強度變差，最終導致泡沫的析液半衰期變短［9］。ZGP在老化180d后仍然具有相當好的起泡能力，說明起泡劑的性能未被削弱；同時WP9的降解使基液黏度降低，使起泡時需要克服的黏滯阻力變小，導致起泡體積增加。所以ZGP具有優(yōu)良的熱鹽穩(wěn)定性。

2.2 高溫高壓下泡沫性能

圖2是不同壓力下的泡沫性能。

由圖2可知：泡沫體系在0.1MPa下形成的泡沫直徑較大，起泡體積和析液半衰期比較小。但當壓力增加到5MPa時，起泡體積增加一倍，壓力到達10MPa時起泡體積最大（是原液體積的5倍），壓力繼續(xù)增加時起泡體積略有降低。這是因為高壓下空氣在泡沫體系表面的吸附以及體相的溶解均增大，且空氣與泡沫體系的密度差異降低，泡沫體系的表面張力下降，起泡能力提高，使其形成的泡沫體積較大［10］；而隨著壓力繼續(xù)增大，氣體壓縮得更厲害，起泡體積少許下降。

圖2 不同壓力下ZGP的泡沫性能

由拉普拉斯方程可知，泡沫液膜Plateau邊界與平面膜間的壓差和表面張力成正比。隨著環(huán)境壓力增大，表面張力降低，則壓差減小，液膜向Plateau邊界區(qū)域排液的速度相應(yīng)降低。同時，隨著壓力增加，泡沫變得更為細膩、均勻，氣泡間的壓力差降低，阻礙了氣泡間的氣體擴散，有利于泡沫穩(wěn)定。當壓力增大到20MPa時，析液半衰期延長至49min。由此推斷，在油藏溫度壓力下，該體系具有很好的泡沫性能。

2.3 泡沫體系的乳化性質(zhì)

當泡沫體系與地層原油接觸發(fā)生乳化而形成O／W或W／O乳狀液時，可以將巖石表面的殘余油剝離，有利于增加后續(xù)水驅(qū)的原油產(chǎn)量?？諝馀菽w系在高溫下的乳化性能與其驅(qū)油效率密切相關(guān)。泡沫體系與不同體積的原油混合并預熱90℃，使用漩渦混合器將油水混合液振蕩5min后定時觀察其乳化情況，結(jié)果見圖3。

圖3 泡沫體系的乳化析水情況

由圖3可知：開始時原油乳狀液具有良好的穩(wěn)定性，油水開始分離時析水率顯著增加，而油水分離后期，隨著時間的延長，析水率逐漸趨于平穩(wěn)；隨著油水比增大，析水速率降低。由于泡沫體系中的聚合物能與形成界面膜的表面活性劑的親水基團發(fā)生作用，使油膜強度增加，還能在細小油珠周圍形成彈性保護膜，阻止油滴的聚結(jié)速度［11］，同時原油中含有較多的石蠟、膠質(zhì)和瀝青質(zhì)等“天然乳化劑成分”，促使形成的油水界面膜有較高的強度，乳狀液穩(wěn)定好。隨著油水比增大，乳狀液類型由O／W向W／O轉(zhuǎn)變，油水界面可以吸附大量的瀝青質(zhì)形成多層界面活性劑結(jié)構(gòu)，大幅度的增加乳狀液的穩(wěn)定性［12］，所以油水比大的含油體系析水較慢。

此外，穩(wěn)定的乳狀液有助于在含油泡沫中形成的假乳液膜，假乳液膜是決定含油泡沫破裂與否的關(guān)鍵因素［13-14］，以影響泡沫的耐油性。

2.4 泡沫體系的耐油性質(zhì)

圖4是泡沫體系與不同體積的原油混合后的泡沫性能。

圖4 含油泡沫的性能

由圖4表明：ZGP與原油混合后可形成大量含油泡沫，且在原油含量60%范圍內(nèi)，含油泡沫的體積與無油泡沫的體積相近；而隨著含油量的增加，析液半衰期先增大后減小，在含油量20%范圍內(nèi)表現(xiàn)出一定的穩(wěn)泡性。這是因為在強力攪拌和高溫的情況下，原油被泡沫體系乳化形成的乳狀液。當含油量在20%以內(nèi)時，少量、性質(zhì)穩(wěn)定的乳狀液微球分布在液膜上，可起到增強泡沫液膜強度的作用［15］，同時聚合物在一定程度上降低了泡沫對原油的敏感性，提高泡沫的析液半衰期。但原油含量過高時，油與泡沫充分接觸形成大量的乳狀液，它們征用了體系中多數(shù)的表面活性劑分子；同時原油中的稠環(huán)芳烴等分子的氫鍵作用力及電荷轉(zhuǎn)移作用較強，影響泡沫液膜中的雙電子層結(jié)構(gòu)［16］，使該含油泡沫無法形成穩(wěn)定的泡沫液膜，表現(xiàn)出消泡性能。

2.5 泡沫體系吸附性質(zhì)

表面活性劑分子中具有兩親性，它可以以其極性基通過化學吸附或物理吸附，吸附于固體顆粒的表面［11］。因此當泡沫通過多孔性油藏時，泡沫中的表面活性劑可能被巖石吸附而損失，影響體系的泡沫性能。將不同起泡劑濃度的強化泡沫體系與油砂按固液比1∶10混合并放入90℃烘箱，每隔一段時間搖均含砂泡沫體系，48h后取出離心，并測定泡沫性能。重復以上步驟，將同一泡沫體系多次與新鮮油砂接觸吸附，結(jié)果如圖4。

圖5 靜態(tài)吸附對不同濃度的ZGP泡沫性能的影響

由圖4可知：在泡沫體系ZGP與油砂的6次吸附過程中，其起泡體積僅在20mL內(nèi)變化；而析液半衰期呈波動減小趨勢，吸附6次后析液半衰期只下降3～4min；隨著體系中起泡劑濃度增大，其經(jīng)歷吸附后的析液半衰期降低幅度不斷減小。由于油砂表面吸附（或粘附）著黏土礦物和原油，一方面，黏土礦物的水化膨脹性和離子交換能力，以及原油中的一些極性成分（如瀝青質(zhì)），通過靜電力、共價鍵、氫鍵等作用能夠增強對表面活性劑和聚合物的吸附能力；另一方面，油砂表面的油質(zhì)以乳化和增溶的方式進入體系液相中，如前所述因該體系具有很好的耐油性，少量原油可以在一定程度上提高泡沫的穩(wěn)定性［17］。隨著吸附次數(shù)增加，起泡劑和聚合物的吸附損失、體系中含油量增加，最終影響泡沫體系的泡沫性能。ZGP中WP9發(fā)生競爭吸附減少了表面活性劑在油砂上的吸附位［18］，以及體系溶液中的高粘滯阻力使表面活性劑分子擴散速率變小，降低表面活性劑在油砂表面的吸附量。因此ZGP在油砂中具有較好的抗吸附能力。

2.6 物模驅(qū)替實驗

在90℃、14MPa條件下，使用官15-2地原油飽和參數(shù)相似的兩塊新巖心，以注入速率為0.25mL／min依次進行：水驅(qū)、空氣泡沫驅(qū)（注入0.8PV、氣液比2∶1）、后續(xù)水驅(qū)。200-37＃巖心水驅(qū)后殘余含油飽和度降低到45%，200-40＃巖心的殘余含油飽和度為72%時停止水驅(qū)，對其進行泡沫驅(qū)及后續(xù)水驅(qū)，結(jié)果如圖6。

圖6 不同含油飽和度下泡沫體系的驅(qū)油情況

由圖6可知：注入泡沫過程中，實驗壓差迅速增加，說明泡沫在巖心孔喉處產(chǎn)生有效的封堵。后續(xù)水驅(qū)中，壓差先增加再降低，最后壓差波動趨于平穩(wěn)，且壓差值均高于注泡沫前，表明強化泡沫在細小的孔隙中產(chǎn)生封堵的同時不斷運移，伴隨泡沫破滅不斷生成新的泡沫，最終兩者達到動態(tài)平衡。整個實驗過程，累計原油采收率不斷增加，在注泡沫后期和后續(xù)注水前期，采收率增加幅度最大，后續(xù)水驅(qū)后期采收率增加緩慢，強化泡沫體系具有良好的驅(qū)油增幅效果。

殘余含油飽和度45%的巖心中，后續(xù)水驅(qū)過程中平均壓差提高了3～4倍，該強化泡沫體系具有相當好的流度控制能力，且在殘余含油飽和度72%的巖心中也表現(xiàn)出優(yōu)良的提高原油采收率的能力，這與前文評價其具有良好的耐油性相對應(yīng)。說明在含油飽和度非均勻的油藏條件下，該強化泡沫體系具有較強的驅(qū)油能力。

3 結(jié) 論

a.泡沫體系ZGP老化180d后的起泡體積720mL、析液半衰期5.3min，泡沫性能表現(xiàn)良好，可在油藏高溫條件下長期保持泡沫高效性；同時在油藏的封閉高壓條件下可以產(chǎn)生高強度的泡沫，保證泡沫體系具有良好的流度控制能力。

b.ZGP體系能夠快速的乳化原油，且形成的乳狀液具有很好的穩(wěn)定性；同時添加不同含油量的ZGP泡沫性能較好，表現(xiàn)出良好的耐油特性。經(jīng)過6次吸附后，泡體積僅下降20mL，析液半衰期僅縮短5min，ZGP具有一定的抗吸附能力。所以在油藏中，ZGP具有保持優(yōu)異的泡沫性質(zhì)的能力。

c.通過室內(nèi)驅(qū)油實驗，在低殘余油飽和度條件下，強化泡沫體系具有較強的流度控制能力；即使殘余油飽和度為72%，仍能發(fā)揮其優(yōu)良的驅(qū)油能力，采收率增幅41.8%。強化泡沫驅(qū)能夠更好地發(fā)揮出泡沫驅(qū)的綜合驅(qū)油特性。

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