多孔介質(zhì)中多相泡沫微觀流動(dòng)規(guī)律研究

張紅杰，杜沛陽，劉豐鋼

(1.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司，山西呂梁 033200；2.中海石油能源發(fā)展股份有限公司；3.中海石油油田服務(wù)股份有限公司油田生產(chǎn)研究院)

多孔介質(zhì)中多相泡沫微觀流動(dòng)規(guī)律研究

張紅杰1，杜沛陽2，劉豐鋼3

(1.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司，山西呂梁 033200；2.中海石油能源發(fā)展股份有限公司；3.中海石油油田服務(wù)股份有限公司油田生產(chǎn)研究院)

通過微觀刻蝕模型對(duì)泡沫、微球和多相泡沫體系在多孔介質(zhì)中的微觀滲流特征進(jìn)行研究，結(jié)果表明：泡沫主要以變形、分割的方式通過多孔介質(zhì)，且小氣泡的運(yùn)移速度要快于大氣泡，其封堵具有疊加性；微球在多孔介質(zhì)中以串狀、長條狀或團(tuán)狀聚集體存在，通過直接或變形的方式通過孔喉，以吸附、喉道處架橋和孔喉連接處堆積來形成封堵，但穩(wěn)定性不強(qiáng)；多相泡沫體系中，微球吸附甚至包圍在泡沫液膜表面，泡沫在微球的包圍簇?fù)硐孪蚯斑\(yùn)移，穩(wěn)定性增強(qiáng)，對(duì)深部調(diào)剖封堵效果更好。

多相泡沫；彈性微球；多孔介質(zhì)；微觀滲流

多相泡沫體系強(qiáng)化采油技術(shù)是在常規(guī)氣液兩相泡沫體系中加入聚合物微球而形成的一種新型泡沫體系。該體系結(jié)合了強(qiáng)化泡沫驅(qū)與聚合物微球深部調(diào)剖兩種技術(shù)，泡沫對(duì)非均質(zhì)地層具有較好的適應(yīng)性和良好的選擇性，聚合物微球可有效封堵大孔道進(jìn)行逐級(jí)深部調(diào)剖，因而該體系對(duì)特高含水期油田提高封堵強(qiáng)度、挖潛剩余油及提高采收率等方面有著很好的應(yīng)用前景[1-2]。該驅(qū)油體系能否具有更強(qiáng)的油藏適應(yīng)性和礦場增油效果，前提是準(zhǔn)確合理地認(rèn)識(shí)和描述驅(qū)油體系在多孔介質(zhì)中滲流機(jī)制和驅(qū)油機(jī)理。然而，多相泡沫體系在多孔介質(zhì)中的滲流是一個(gè)十分復(fù)雜的過程，涉及到泡沫在多孔介質(zhì)中生成、運(yùn)移、破滅、再生機(jī)理[3-6]，以及油藏條件下聚合物微球在多孔介質(zhì)中的運(yùn)移、吸附、捕集等，還涉及到與原油和巖石間相互作用關(guān)系[7-12]，因此，深入地研究多相泡沫體系的滲流機(jī)理具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。鑒于此，本文通過微觀可視化儀器對(duì)多相泡沫在多孔介質(zhì)中的微觀滲流規(guī)律進(jìn)行研究。

1 實(shí)驗(yàn)方法及材料

1.1 實(shí)驗(yàn)方法

利用微觀仿真模型模擬多相泡沫在多孔介質(zhì)中的滲流過程，通過圖像采集系統(tǒng)將泡沫、微球以及多相泡沫在多孔介質(zhì)中滲流過程的圖像轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)的數(shù)字信號(hào)。實(shí)驗(yàn)流程見圖1。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

(1)孔隙介質(zhì)材料為微觀仿真光刻玻璃模型，尺寸為40 mm×40 mm，孔道直徑50～800 μm。

圖1 實(shí)驗(yàn)流程示意圖

(2)起泡劑：HY-2(山東恒業(yè)石油新技術(shù)應(yīng)用有限公司生產(chǎn))，復(fù)配產(chǎn)品，陰離子型，實(shí)驗(yàn)中使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%；

(3)聚合物微球：T-6720 (現(xiàn)河采油廠)，實(shí)驗(yàn)中采用濃度為5 000 mg/L；

(4)聚合物：HPAM(分子量2000 萬)，實(shí)驗(yàn)中采用濃度為500 mg/L；

(5)氣體：氮?dú)?青島天源氣體制造有限公司生產(chǎn))，純度99.99%；

(6)蒸餾水。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

數(shù)字顯微攝像系統(tǒng)1套，雙柱塞計(jì)量泵2臺(tái)(用于驅(qū)替氣體和液體，型號(hào)分別為100 DX和260 D)，圍壓泵1臺(tái)(型號(hào)為2 PD00Z)。

1.4 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)溫度設(shè)定在20 ℃，圍壓設(shè)定為4 MPa，驅(qū)替回壓1 MPa，驅(qū)替速度0.01 mL/min。

受傳統(tǒng)文化的影響，多年來中國農(nóng)村的性別秩序一直踐行著“男主外、女主內(nèi)”的性別分工。在家庭領(lǐng)域，女性負(fù)責(zé)洗衣、做飯等家務(wù)勞動(dòng)，男性負(fù)責(zé)外出掙錢。在這種性別分工的影響下，家庭中妻子一直承擔(dān)照顧丈夫的飲食、起居的角色，成家的男性顯示出婚姻生活的優(yōu)越性。在這種模式下，老年男性喪偶之后，由于婚姻的解體，子女忙于生計(jì)，喪偶老年男性比喪偶老年女性顯示出老年生活的凄涼。出于對(duì)生活照顧的需求，農(nóng)村的喪偶老年男性比喪偶老年女性顯示出更多的對(duì)再婚的需求。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 多孔介質(zhì)中泡沫的流動(dòng)特征

泡沫體系中，液相是連續(xù)的，氣相則既有連續(xù)部分又有不連續(xù)部分。在多孔介質(zhì)中，泡沫的流動(dòng)是氣液分開的流動(dòng)，不連續(xù)氣體的流動(dòng)是借助于泡沫的破裂-再生實(shí)現(xiàn)的，主要體現(xiàn)為液膜分?jǐn)嗪蜌馀菥奂@兩種形式。氣液接觸產(chǎn)生大量的液膜，液相就是在液膜網(wǎng)和小孔隙中流動(dòng)，氣體則是通過液膜在孔隙吼喉處變形破裂，并在過了吼喉后重新以這種方式通過多孔介質(zhì)。由微觀實(shí)驗(yàn)可觀察到，泡沫主要是以氣泡的變形和分割方式通過多孔介質(zhì)的，如圖2所示。

泡沫流體在多孔介質(zhì)中運(yùn)移時(shí)，由于粘滯力的作用，泡沫將優(yōu)先進(jìn)入大孔道，而液體則優(yōu)先進(jìn)入管壁和膜內(nèi)邊界之間的滑動(dòng)層，從而使氣泡拉伸變形，由于孔隙的不規(guī)則性而產(chǎn)生的賈敏效應(yīng)，大氣泡變形大，流動(dòng)阻力也大，運(yùn)移速度小于小氣泡，最終對(duì)大孔道形成封堵，起液流轉(zhuǎn)向作用，這與文獻(xiàn)調(diào)研結(jié)果一致[11]。

在實(shí)驗(yàn)過程中，還可以通過控制氣液比(泡沫質(zhì)量)來控制泡沫中單個(gè)氣泡的大小。隨著氣液比降低，泡沫中液體組分增多，氣泡的平均直徑減小。

2.2 多孔介質(zhì)中微球的滲流特征

在放大倍數(shù)為60倍的實(shí)驗(yàn)條件下，溶脹1天后的聚合物微球在多孔介質(zhì)中并非均勻分散，而是多個(gè)微球顆粒以電性吸附的方式相互聚集在一起，形成串狀、團(tuán)狀或長條狀的微球聚集體，這是由于帶正電荷的微球內(nèi)層在水中溶脹速度快于帶負(fù)電荷的外層，因此當(dāng)微球體積膨脹達(dá)到一定程度時(shí)，內(nèi)層正電荷會(huì)裸露，顆粒之間就會(huì)發(fā)生電性吸附而聚并。

聚合物微球具有“變形蟲”的特性，在多孔介質(zhì)中主要通過封堵-變形-運(yùn)移-再封堵，迫使注入流體轉(zhuǎn)向，擴(kuò)大注入流體的波及體積，從而實(shí)現(xiàn)逐級(jí)深部調(diào)剖的。

由微觀實(shí)驗(yàn)可以觀察到，微球?qū)缀淼姆舛轮饕憩F(xiàn)為以下幾種形式：

(1)吸附封堵。由于微球溶脹后帶有正電荷，因此可以在多孔介質(zhì)壁面吸附，形成封堵，減小孔喉尺寸，并可形成環(huán)狀液流通道

(2)架橋封堵。微球由于電性吸附作用，雖然微球尺寸小于孔喉直徑，但兩個(gè)或更多微球可通過架橋的方式對(duì)孔喉形成封堵，如圖4所示。以這種方式產(chǎn)生的封堵主要發(fā)生在小孔喉處。

(3)堆積封堵。當(dāng)微球尺寸大于孔喉尺寸時(shí)，在孔喉連接處等大的孔喉部位，微球主要以堆積排列的方式進(jìn)行直接封堵。只有當(dāng)注入壓力達(dá)到微球的突變壓力時(shí)，封堵才會(huì)失去效力。相比而言，該方式形成的封堵變形突破的壓力比較大。

2.3 多孔介質(zhì)中多相泡沫的滲流特征

在多相泡沫體系中，由于聚合物微球的加入，泡沫在多孔介質(zhì)中的穩(wěn)定性提高，變形能力增強(qiáng)，主要是由于加入的彈性微球可以吸附在泡沫的液膜處、甚至將泡沫完全包圍，增加了液膜及整個(gè)體系的粘度，提高了液膜強(qiáng)度，阻止了氣體通過液膜的擴(kuò)散以及液膜排液作用的進(jìn)行，從而提高泡沫的穩(wěn)定性。此外，聚合物微球表面帶電荷，其在泡沫表面吸附后，使泡沫液膜也帶同種電荷，在電性相斥的作用下，也減少了泡沫的聚并。

圖3 聚合物微球在孔道中運(yùn)移示意圖

圖4 微球架橋封堵示意圖

相比單一體系而言，多相泡沫體系的封堵能力更高。究其原因，由于微球聚集體在泡沫液膜表面吸附甚至聚集包圍，一方面可使孔喉尺寸進(jìn)一步降低，增加了多相泡沫流體的注入壓差，啟動(dòng)了低滲透層(小孔道)，從而迫使泡沫和液流轉(zhuǎn)向滲透率較低的孔道，擴(kuò)大注入的多相流體的波及體積；另一方面，泡沫中的氣體具有一定的壓縮性，可以對(duì)體系壓力波動(dòng)產(chǎn)生一定的抵抗力，該力與微球的變形突破壓力相疊加，可增強(qiáng)體系抵抗注入壓力波動(dòng)的能力，因此，復(fù)合體系的封堵能力更高。只有當(dāng)注入壓力升高到足以克服體系疊加的突破壓力時(shí)，微球和泡沫形成的體系才會(huì)失去封堵效力，在多孔介質(zhì)中產(chǎn)生運(yùn)移。

泡沫和微球在多孔介質(zhì)中運(yùn)移時(shí)，微球簇?fù)碇菽蚯斑\(yùn)移，在微球封堵效應(yīng)和泡沫賈敏效應(yīng)的協(xié)同作用下，當(dāng)體系通過較小的孔喉時(shí)由于泡沫具有較強(qiáng)的變形能力，可以通過變形甚至自身分割為兩個(gè)或更多的小氣泡的方式通過孔喉，而微球較泡沫變形能力則較差，在壓力波動(dòng)足以使其發(fā)生剪切、擠壓或破碎時(shí)才發(fā)生移動(dòng)，因此，封堵能力和封堵時(shí)效而言，微球主要起封堵作用，泡沫則起暫堵作用。

3 結(jié)論

(1)泡沫在多孔介質(zhì)中是氣液分開的流動(dòng)，主要通過變形和分割的方式通過孔喉。較小氣泡的運(yùn)移速度要快于較大的氣泡，可以通過控制氣液比(泡沫質(zhì)量)來控制泡沫中單個(gè)氣泡的大小，隨著氣液比降低，泡沫中液體組分增多，泡沫中氣泡的平均直徑減小。

(2)微球在多孔介質(zhì)中以串狀、長條狀或團(tuán)狀聚集體存在，其在多孔介質(zhì)中的運(yùn)移、堵塞主要表現(xiàn)為直接順利通過、變形后通過和形成堵塞無法通過三種模式，封堵方式則有吸附封堵、喉道處架橋封堵以及孔喉連接處堆積封堵三種形式，但穩(wěn)定性不強(qiáng)。

(3)多相泡沫體系中，微球在泡沫液膜表面吸附甚至包圍整個(gè)氣泡，可進(jìn)一步降低孔喉尺寸，提高封堵能力，增加了多相泡沫體系的注入壓差，啟動(dòng)低滲透層(小孔道)，從而迫使泡沫和液流轉(zhuǎn)向滲透率較低的孔道，擴(kuò)大注入的多相流體的波及體積。在多孔介質(zhì)中運(yùn)移時(shí)，微球和泡沫運(yùn)移的主要形式為：微球包圍并簇?fù)碇菽蚯斑\(yùn)移。由于微球?qū)馀莸陌鼑?，泡沫的穩(wěn)定性增加，封堵能力大大提高。

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編輯：李金華

1673-8217(2015)05-0090-04

2015-04-27

張紅杰，工程師，1981年生，2004年畢業(yè)于石油大學(xué)(華東)石油工程專業(yè)，現(xiàn)從事非常規(guī)油氣鉆完井技術(shù)管理工作。

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