抗剪切型黃原膠強(qiáng)化泡沫體系的性能

孫 琳，魏 鵬，蒲萬芬，甘 露，曾 丹

(1.西南石油大學(xué) 石油與天然氣工程學(xué)院，四川 成都 610500；2. 金堂縣棲賢學(xué)校，四川 成都 610400)

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抗剪切型黃原膠強(qiáng)化泡沫體系的性能

孫 琳1，魏 鵬1，蒲萬芬1，甘 露1，曾 丹2

(1.西南石油大學(xué) 石油與天然氣工程學(xué)院，四川 成都 610500；2. 金堂縣棲賢學(xué)校，四川 成都 610400)

模擬天津大港官15-2油藏條件，利用官15-2油田地層水、黃原膠、甜菜堿和陰離子磺酸鹽配制成黃原膠強(qiáng)化泡沫體系，采用SEM對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。篩選了黃原膠的種類并利用泡沫性能測(cè)試和巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)對(duì)黃原膠強(qiáng)化泡沫體系的抗剪切性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。表征結(jié)果顯示，黃原膠吸附在泡沫上形成高厚度且完整致密的液膜。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，黃原膠溶液在低剪切速率下呈明顯的剪切稀釋性，在高剪切速率下具有良好的剪切穩(wěn)定性；性能最佳的黃原膠為XG4黃原膠，6次高速剪切后，90 ℃時(shí)XG4黃原膠強(qiáng)化泡沫體系的析液半衰期保留率大于80%、原液黏度保留率大于95%；適宜的轉(zhuǎn)速為4 000 r/min。在含油水的非均質(zhì)多孔介質(zhì)中，當(dāng)注速為3 m/d時(shí)，XG4黃原膠強(qiáng)化泡沫體系具有很好的流度控制能力。

抗剪切；黃原膠；強(qiáng)化泡沫驅(qū)；流度

強(qiáng)化泡沫驅(qū)因具有高穩(wěn)定高效的流度控制作用，是目前降低油田含水率的有效措施之一[1-5]。在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用時(shí)，溶解、分散和泵送等環(huán)節(jié)均對(duì)泡沫存在機(jī)械剪切作用，特別是流經(jīng)井底泡眼時(shí)產(chǎn)生的高速剪切對(duì)泡沫中的聚合物會(huì)產(chǎn)生一定的機(jī)械剪切降解作用[6-7]，從而影響泡沫驅(qū)的整體經(jīng)濟(jì)效果。且在泡沫驅(qū)的實(shí)際運(yùn)用中，由于泡沫在地層中一直受剪切作用，其性質(zhì)也會(huì)發(fā)生一些變化。因此研究開發(fā)強(qiáng)化泡沫體系具有重要意義。

黃原膠是重要的生物高聚物，其相對(duì)分子質(zhì)量在(2～50)×106范圍內(nèi)[8]。黃原膠分子為D-葡萄糖、D-甘露糖、D-葡萄糖醛酸、乙?；捅峤M成的“五糖重復(fù)單元”的結(jié)構(gòu)聚合體[9]。由于其分子結(jié)構(gòu)特殊且含大量的剛性基團(tuán)，黃原膠具有很好的抗剪切穩(wěn)定性，在用于油田開發(fā)時(shí)較聚丙烯酰胺、羧甲基纖維素和植物多糖有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)[10]。

本工作模擬天津大港官15-2油藏條件，利用官15-2油田地層水、黃原膠、甜菜堿(G5)和陰離子磺酸鹽(PS9)配制成黃原膠強(qiáng)化泡沫體系；采用SEM方法對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征；篩選了黃原膠的種類并利用泡沫性能測(cè)試和巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)對(duì)黃原膠強(qiáng)化泡沫體系的抗剪切性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

LVDV-Ⅲ型流變儀：Brookfielo公司；Quanta 450型掃描電子顯微鏡：FEI公司；多功能巖心驅(qū)替裝置：成都巖心科技公司；Waring Blender型恒速攪拌器：沈陽(yáng)石油儀器研究所。

PS9和G5：分析純，成都科隆化工試劑；XG1黃原膠：鄭州三和生物科技有限公司；XG4黃原膠：分析純，阿拉丁試劑有限公司；XG5黃原膠：分析純，鄭州弘旺化工科技有限公司；XG6黃原膠：分析純，嘉祥縣大?；?；XG11黃原膠：分析純，深圳恒生生物科技有限公司；官15-2油田地層水：天津大港油田，總礦化度21 452 mg/L、鈣離子281 mg/L、鎂離子52 mg/L。實(shí)驗(yàn)用人造巖心的參數(shù)見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)用人造巖心的參數(shù)

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 強(qiáng)化泡沫體系的配制

取100 mL官15-2油田地層水，添加0.1%(w) PS9、0.05%(w) G5和0.1%(w)黃原膠，預(yù)熱至90 ℃，以4 000 r/min轉(zhuǎn)速攪拌1 min，配制成黃原膠強(qiáng)化泡沫體系。

將黃原膠強(qiáng)化泡沫體系裝入90 ℃恒溫的1 L量筒中，記錄其起泡體積和析液半衰期。泡沫的析液半衰期越長(zhǎng)，穩(wěn)定性越好。

1.2.2 流變性能的測(cè)試

以去離子水配制0.1%(w)黃原膠溶液，室溫條件下，利用流變儀18#轉(zhuǎn)子測(cè)定不同剪切速率(4.5～100 s-1)下黃原膠溶液的黏度。90 ℃下測(cè)定重復(fù)剪切的黃原膠強(qiáng)化泡沫體系的黏度。

1.2.3 微觀結(jié)構(gòu)的表征

黃原膠溶液和黃原膠強(qiáng)化泡沫體系的微觀結(jié)構(gòu)用掃描電子顯微鏡觀察：液氮將體系快速固化，然后在冷凍真空干燥儀中使水分子升華，盡量保持原有結(jié)構(gòu)和形貌。

1.2.4 巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)

巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)見圖1。將人造巖心裝入夾持器中，用官15-2油田地層水進(jìn)行飽和并除盡巖心內(nèi)的空氣，然后使用天津大港油田的原油飽和巖心。模擬官15-2油藏環(huán)境進(jìn)行驅(qū)油實(shí)驗(yàn)，在90 ℃、14 MPa下，使用官15-2油田地層水水驅(qū)至經(jīng)濟(jì)極限(含水率98%(w))，然后同時(shí)注入黃原膠強(qiáng)化泡沫體系和空氣(注入量1 PV(PV：注入地下的泡沫體系和空氣的體積占地下總孔隙體積的倍數(shù))、氣液速率比1:1)，記錄巖心兩端壓力。后續(xù)水驅(qū)至經(jīng)濟(jì)極限，同時(shí)記錄巖心兩端壓力。更換巖心，調(diào)節(jié)氣液流體注入速率，重復(fù)前面步驟。

2 結(jié)果與討論

2.1 黃原膠的篩選

黃原膠溶液的黏度隨剪切速率的變化見圖1。由圖1可知，隨剪切速率的增大，黏度逐漸降低但降幅逐漸減小。這是因?yàn)?，黃原膠分子中的極性基團(tuán)在水溶液中發(fā)生分子間締合和分子鏈間纏繞作用，故黏度較大；隨剪切速率的增大，分子鏈發(fā)生變形，締合結(jié)構(gòu)逐漸被破壞，導(dǎo)致黏度降低，呈明顯的剪切稀釋性；但當(dāng)剪切速率繼續(xù)增大時(shí)，黃原膠主鏈會(huì)形成一定取向作用，促使分子間重新締合，因此黏度降幅減小，說明黃原膠具有良好的抗剪切性。由于不同廠家的黃原膠因發(fā)酵和提純工藝不同，抗剪切性能差異較大。從圖1可看出，XG4，XG5，XG6黃原膠的抗剪切性較好。

圖1 巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖2 黃原膠溶液的黏度隨剪切速率的變化

不同黃原膠強(qiáng)化泡沫體系的性能見表2。

表2 不同黃原膠強(qiáng)化泡沫體系的性能

從表2可看出，各黃原膠強(qiáng)化泡沫體系的穩(wěn)定性均相對(duì)較好，且泡沫半衰期均在900 s以上。這是由于黃原膠的加入能提高體系黏度，減緩泡沫的排液速率，從而提高泡沫的穩(wěn)定性。同時(shí)，黃原膠分子的體積較大且含剛性基團(tuán)，它被吸附在泡沫上后可形成完整致密的復(fù)合結(jié)構(gòu)，從而提高泡沫強(qiáng)度、降低氣體的透過性、增強(qiáng)泡沫的穩(wěn)定性。其中，XG4黃原膠強(qiáng)化泡沫(簡(jiǎn)稱XG4F)體系的性能最優(yōu)，起泡體積為425 mL，半衰期為1 117 s，故選擇XG4F體系較適宜。

2.2 SEM的表征結(jié)果

黃原膠在水溶液中完全溶解后，其分子中帶負(fù)電荷的側(cè)鏈繞主鏈骨架反向纏繞，通過氫鍵和靜電力等作用形成較穩(wěn)定的棒狀螺旋結(jié)構(gòu)[11]，通過共價(jià)鍵結(jié)合，還可形成非常規(guī)整的螺旋共聚體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。XG4黃原膠及XG4F體系的微觀結(jié)構(gòu)見圖3。

從圖3可看出，黃原膠在水溶液中呈細(xì)桿狀相互交錯(cuò)連接，形成了致密的枝狀空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。XG4F體系的氣泡大小均勻，液相中的物質(zhì)締合形成有序、致密的層狀結(jié)構(gòu)聚集在泡沫壁中，呈空間重疊狀態(tài)。完整致密的多層次網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可改善泡沫的流體動(dòng)力學(xué)、增加泡沫液膜的機(jī)械強(qiáng)度、抑制泡沫內(nèi)氣體的擴(kuò)散速率，同時(shí)均勻的氣泡可降低泡沫液膜的排液速率、提高泡沫穩(wěn)定性。從圖3c～d還可看出，在枝鏈狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的表面附著了凸起的鹽類晶體，這是由黃原膠分子與表面活性劑分子締合作用[12]形成的穩(wěn)定復(fù)合結(jié)構(gòu)[13]。黃原膠分子鏈上的親水基團(tuán)(—COO—和—OH等)分別通過與鹽的絡(luò)合作用和水的溶劑化作用，將含鹽自由水變?yōu)槭`水，使泡沫壁保持一定的流體力學(xué)體積，增加了泡沫的黏彈性和穩(wěn)定性。表征結(jié)果顯示，黃原膠吸附在泡沫上形成了高厚度且完整致密的液膜。

圖3 XG4黃原膠及XG4F體系的微觀結(jié)構(gòu)

2.3 抗剪切性能

2.3.1 剪切次數(shù)的影響

高速剪切次數(shù)對(duì)XG4F體系性能的影響見圖4。

圖4 高速剪切次數(shù)對(duì)XG4F體系性能的影響

從圖4可看出，隨高速剪切次數(shù)的增加，XG4F體系的原液黏度稍降、析液半衰期縮短、起泡體積增大；經(jīng)6次高速剪切后，XG4F體系的析液半衰期保留率大于80%、原液黏度保留率大于95%。

由于黃原膠分子在水溶液中締合形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，因此具有較大的流體力學(xué)體積，可緩沖和分散剪切應(yīng)力；同時(shí)，黃原膠分子中含大量的剛性六元環(huán)和極性基團(tuán)，故其機(jī)械剪切降解率較低，且可在極短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)構(gòu)象。高速剪切導(dǎo)致部分黃原膠分子斷裂、側(cè)鏈官能團(tuán)丟失，影響黃原膠分子與表面活性劑分子間的鍵合，降低了泡沫液膜的黏度和強(qiáng)度，故泡沫的析液半衰期降幅較大，但黃原膠溶液的黏滯效應(yīng)被削弱反而使其起泡能力逐漸增強(qiáng)。

2.3.2 轉(zhuǎn)速的影響

轉(zhuǎn)速對(duì)XG4F體系性能的影響見圖5。從圖5可看出，隨轉(zhuǎn)速的增大，XG4F體系的析液半衰期和起泡體積均呈先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)轉(zhuǎn)速為4 000 r/min時(shí)，析液半衰期接近1 125 s，穩(wěn)定性最高；當(dāng)轉(zhuǎn)速為5 000 r/min后，起泡體積達(dá)最大。這是由于黃原膠溶液在較低轉(zhuǎn)速下，起泡不充分、氣液比較低、泡沫壁厚度較大，不利于泡沫穩(wěn)定性。但轉(zhuǎn)速過高時(shí)，一方面，形成的泡沫大小不均勻；另一方面，黃原膠易斷鏈，泡沫壁中的液相黏度降低，泡沫液膜的排液速率加快，泡沫穩(wěn)定性降低。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，XG4F體系的抗高轉(zhuǎn)速剪切性能強(qiáng)，可降低現(xiàn)場(chǎng)施工的不利影響，其適宜的轉(zhuǎn)速為4 000 r/min。

圖5 轉(zhuǎn)速對(duì)XG4F體系性能影響

2.4 泡沫在不同注速下的流度控制能力

在含油水的非均質(zhì)多孔介質(zhì)中，不同注速下XG4F體系的阻力系數(shù)見圖6。

圖6 不同注速下XG4F體系的阻力系數(shù)

由圖6可知，注入的泡沫在巖心中形成良好的封堵，阻力系數(shù)開始增大。當(dāng)泡沫注速為3 m/d時(shí)，隨泡沫注入體積的增大，阻力系數(shù)呈急劇增大趨勢(shì)，且中間無降低的情況出現(xiàn)，當(dāng)泡沫停止注入時(shí)，阻力系數(shù)仍繼續(xù)增大，最后趨于穩(wěn)定，說明該注速下的泡沫具有很好的流度控制能力。而在其余注速下，隨泡沫注入體積的增大，雖然阻力系數(shù)總體呈增大趨勢(shì)，但會(huì)出現(xiàn)阻力系數(shù)突降的現(xiàn)象，說明流動(dòng)控制能力較弱。這是因?yàn)椋S原膠強(qiáng)化泡沫體系起泡時(shí)的高黏滯阻力大，當(dāng)注速較低時(shí)，不足以克服其發(fā)泡所需能量，泡沫在低滲巖心中的滯后分離、頸縮突變和薄膜分?jǐn)鄼C(jī)理作用強(qiáng)度較低[14-15]，不能形成足夠多且豐富細(xì)密的泡沫，泡沫的阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)均相對(duì)較低，故流度控制能力較弱。而當(dāng)注速過高時(shí)，泡沫穩(wěn)定性變差且剪切稀釋性增強(qiáng)，使氣體易突破，阻力系數(shù)會(huì)出現(xiàn)突降現(xiàn)象，殘余阻力系數(shù)波動(dòng)較大。因此，適宜的注速為3 m/d。

3 結(jié)論

1)黃原膠溶液在低剪切速率下呈明顯的剪切稀釋性，在高剪切速率下具有良好的剪切穩(wěn)定性。

2)黃原膠強(qiáng)化泡沫體系可形成高厚度且完整致密的液膜，具有良好的鎖水結(jié)構(gòu)，從而增加泡沫壁的強(qiáng)度，提高泡沫穩(wěn)定性。

3)黃原膠泡沫體系具有良好的抗剪切降解能力，6次高速剪切后，90 ℃時(shí)XG4F體系的析液半衰期保留率大于80%、原液黏度保留率大于95%，其適宜的轉(zhuǎn)速為4 000 r/min。

4)在含油水的非均質(zhì)多孔介質(zhì)中，當(dāng)注速為3 m/d時(shí)，黃原膠強(qiáng)化泡沫具有很好的流度控制能力。

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(編輯 鄧曉音)

Performances of Shear Resistant Xanthan Enhanced Foam System

SunLin1，WeiPeng1，PuWanfen1，GanLu1，ZengDan2

(1. School of Petroleum and Gas Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu Sichuan 610500，China；2. School of Qixian in Jintang, Chengdu Sichuan 610400，China)

The xanthan enhanced foam systems were prepared from Guan15-2 field formation water, xanthan, betaine and anionic sulfonate based on the reservoir formation conditions of Guan15-2 oil field in Dagang Tianjin, and were characterized by means of SEM. Several xanthans were screened out and their performances in the enhanced foam flooding were investigated. The shear resistance of the xanthan enhanced foam systems was evaluated through oil displacement experiments. The results showed that the xanthans formed dense and thick films on the foam. The xanthan solutions were obvious shear thinning under low shear rate and showed favorable shear stability under high shear rate. The XG4 enhanced foam showed the best foam properties and significant shear resistance. After the XG4 enhanced foam was sheared 6 times under high speed, its viscosity retention rate and half-life retention rate were more than 95% and more than 80%, respectively, and the appropriate rotation rate was 4 000 r/min. The XG4 enhanced foam system in heterogeneous porous media containing oil-water had good properties for controlling mobility when the injection rate was 3 m/d.

shear resistance; xanthan; enhanced foam flooding; fluidity

2014-09-28；[修改稿日期]2015-01-12。

孫琳(1982—)，女，四川省南充市人，博士，講師，電話 13880745866，電郵 ice5000wp@163.com。聯(lián)系人: 蒲萬芬，電話 18683113702，電郵 shibadin@qq.com。

國(guó)家科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目(2011ZX05049-04-04)。

1000-8144(2015)04-0494-06

TE 357.46

A