空氣泡沫驅(qū)驅(qū)油機理與實驗研究

石亞琛，戈薇娜，孫 超，李 進

（長江大學 石油工程學院，湖北 武漢 430100）

空氣泡沫驅(qū)驅(qū)油機理與實驗研究

石亞琛，戈薇娜，孫 超，李 進

（長江大學 石油工程學院，湖北 武漢 430100）

針對傳統(tǒng)聚合物驅(qū)、三元復(fù)合驅(qū)等驅(qū)油體系在中后期油田開采中采油效率不高的問題，提出一種高效空氣泡沫驅(qū)驅(qū)油技術(shù)。為驗證高效泡沫驅(qū)的驅(qū)油效果，以延長油田1#地質(zhì)條件為背景，探討不同起泡劑濃度、礦化度下對空氣泡沫驅(qū)的性能影響，從而篩選出空氣泡沫驅(qū)的最優(yōu)綜合性能，通過驅(qū)替實驗，對高效泡沫驅(qū)驅(qū)油機理進行觀察。最后通過封堵能力評價驗證了空氣泡沫驅(qū)的性能與驅(qū)油機理。

空氣泡沫驅(qū)；起泡劑；微觀驅(qū)油；機理；封堵能力

隨著我國油田開發(fā)進入中后期，主力油田開始進入到特高含水期，導(dǎo)致開采成本逐步上升。由此常規(guī)利用聚合物、復(fù)合物等方法提高石油開采量的方式已經(jīng)不能滿足現(xiàn)場的需求，急需開發(fā)出傳統(tǒng)采油方法之后更為高效的采油技術(shù)?？諝馀菽?qū)油技術(shù)作為在利用聚合物、復(fù)合物之后的三次采油技術(shù)，可在剩余油量為40%～50%的情況下，提高10%～25%的采收率[1]，從而使得高效空氣泡沫驅(qū)技術(shù)成為當前具有廣闊發(fā)展前景的新技術(shù)。但是對于空氣泡沫驅(qū)的實驗研究還在探索中，需要進一步的探討。對此本文以延長油田 1#油田地質(zhì)條件作為研究背景，對空氣泡沫驅(qū)的合成及驅(qū)油機理進行深入研究。

1 實驗準備

1.1 實驗油樣和水樣

實驗油樣和水樣分別采自延長油田 1#油井和延長油田注入站，其中實驗注入水和采出水水質(zhì)結(jié)果如表 1所示，總礦化度分別為 9 429.4 mg/L和9597.9 mg/L。油樣密度如表2所示。

表1 延長油田1#注入水和出水水質(zhì)分析Table 1 Yanchang oilfield 1#injection water and produced water quality analysis

表2 原油數(shù)據(jù)表Table 2 Crude oil data table

1.2 化學試劑

為模擬延長油田地層水和提高對石油的采收，主要采用氯化鈉、氫氧化鈉等無機試劑以及當前主流的表面活性劑，具體如表3所示。

表3 實驗試劑選擇Table 3 The experiment reagent selection

1.3 實驗方法與裝置選擇

當前針對發(fā)泡劑性能評價方法包括 Waring Blender法、API法等[2-4]，其中Waring Blender法作為一種簡便的方法，以其操作簡單，實驗不受限等優(yōu)點成為當前主要應(yīng)用的性能評價方法。具體步驟為：通過高速旋轉(zhuǎn)的攪拌機，加入100 mL發(fā)泡劑，以恒定速度對溶液進行攪拌，1 min后斷開電源，測定產(chǎn)生的泡沫體積；同時測定破魔在析出一半液體所耗費的時間。對此本文則利用該方法進行試驗，具體的試驗裝置則如圖1所示。

圖1 發(fā)泡劑性能評價裝置Fig.1 The performance evaluation of the foaming agent

2 不同因素對發(fā)泡劑性能影響

2.1 不同發(fā)泡劑濃度對性能影響

采用單因素考察法[5]，將實驗溫度設(shè)定為114 ℃，通過試驗可以得到圖2所示下的不同濃度與發(fā)泡體積關(guān)系圖。通過圖2可以看出，隨著濃度的不斷增加，泡沫體積也不斷增加，當超過一定濃度后，開始逐步變緩。在五種不同的起泡劑中，XHY-4G的泡沫體積要相對優(yōu)于其余幾種。圖2中看出當濃度為0.1%時，泡沫體積出現(xiàn)拐點，為750 mL。

而不同濃度泡沫劑對半衰期的影響則如圖3所示。

圖3 不同濃度對發(fā)泡劑半衰期的影響Fig.3 The influence of different concentration on foaming agent half-life

泡沫半衰期作為對泡沫自身穩(wěn)定性的反應(yīng)，其時間長短將直接決定泡沫劑的優(yōu)劣[6]。通過圖 3看出，隨著濃度的不斷增加，5種不同的發(fā)泡劑泡沫半衰期都不斷變長，其中當SD的有效濃度為0.1%時，半衰期達到最大（654 s），大于 XHY-4G在0.15%下的半衰期(504 s)，由此可以看出初始發(fā)泡體積最高的發(fā)泡劑其泡沫半衰期不一定長。而綜合 SD與XHY-4G兩者的性能，本文選擇XHY-4G發(fā)泡劑。

2.2 不同礦化度對發(fā)泡劑濃度影響

在延長油田1#開采過程中，由于注入水礦化度與地層水不同，長期注入水之后，會將高滲透地層中的地層水稀釋和混合。因此，在室內(nèi)泡沫劑篩選來講，應(yīng)在一定礦化度濃度下使得泡沫劑仍然具有理想的起泡和驅(qū)油的性能。通過圖4看出，不同發(fā)泡體積、泡沫半衰期隨著溶液礦化度的增加而呈現(xiàn)出不斷下降的變化，由此可以看出溶液礦化度越高越不利于泡沫的穩(wěn)定性。而當?shù)V化物濃度為151265.4 mg/L時，其半衰期為617 s，說明該起泡劑在高鹽條件下仍然具有良好的發(fā)泡效果。

圖4 不同礦化度下的XHY-4G泡沫體積與半衰期Fig.4 XHY - 4 G bubble volume and half-life under different salinity

3 空氣泡沫微觀驅(qū)油機理實驗

3.1 驅(qū)油實驗流程

當前針對稀油泡沫驅(qū)油研究文獻很多，但針對稠油的驅(qū)油研究卻非常少。筆者通過構(gòu)建微觀驅(qū)油仿真模型，利用巖心級填砂管模型進行空氣泡沫驅(qū)替實驗，從而觀察選擇的泡沫劑的封堵能力，具體實驗流程設(shè)計為如圖5所示。

圖5 微觀封堵實驗流程設(shè)計Fig.5 Microscopic sealing experiment process design

3.2 驅(qū)油過程分析

對泡沫流體來講，其屬于一個非常復(fù)雜的力學過程，存在著包括物理和化學方面的變化[7,8]。而泡沫在油體中包含三個不同的滲流帶，具體如圖 6所示。

圖6 泡沫驅(qū)油過程Fig.6 Foam flooding process

3.3 封堵實驗

為充分了解泡沫劑對高滲透大喉道的封堵效果，通過計算阻力系數(shù)變化的方式來測定泡沫的宏觀封堵能力。本文則表2中稠油粘度為286 mPa·s的原油。通過圖5的實驗流程可以得到如下實驗結(jié)果。

1）水驅(qū)和泡沫驅(qū)實驗效果

通過不同方式得到如圖7所示的對比結(jié)果。

圖7 水驅(qū)和空氣驅(qū)實驗對稠油驅(qū)動效果Fig.7 Air and water flooding displacement effect of heavy oil

通過圖 8(a)的水驅(qū)看出，在模型中含有大量原油沒有被驅(qū)替，由此說明水驅(qū)效果不明顯。而通過空氣驅(qū)后，多孔介質(zhì)中的原油大部分被驅(qū)替出孔隙喉道，說明空氣驅(qū)效果要好于水驅(qū)。

3.4 微觀驅(qū)油機理

空氣泡沫驅(qū)的驅(qū)油機理包括空氣泡沫乳化、分離作用，泡沫的剝離油膜、擠壓攜帶作用，泡沫的攪動作用，泡沫“堵大不堵小”，泡沫的高粘度控制流度比[9]。本文因篇幅問題值探討攪動和堵大不堵小的問題。通過實驗得到，泡沫在多孔的介質(zhì)中，因原油的驅(qū)替作用，會反復(fù)出現(xiàn)聚并、破裂等現(xiàn)象，從而局部改變多孔介質(zhì)中的喉道壓力，以此加劇其中泡沫驅(qū)的運動，由此通過這種膠東加劇泡沫對原油的剪切和乳化作用，有利于驅(qū)油，具體如圖8。

圖8 泡沫攪動過程Fig.8 Bubble agitation process

同時通過實驗發(fā)現(xiàn)在泡沫流體運動過程中，由于孔隙的不規(guī)則性，會造成氣泡兩端曲率不同，于是出現(xiàn)迭加的氣液界面阻力效應(yīng)—賈敏效應(yīng)，因此產(chǎn)生的大氣泡會更在不規(guī)則的地方，堵塞通道，形成堵大不堵小的現(xiàn)象，具體如圖9所示。

圖9 泡沫對大喉道堵塞Fig.9 Bubble on the throat congestion

4 結(jié) 論

通過上述研究可以得到如下結(jié)論：

1）XHY-4G在溫度為114 ℃，濃度為0.1%，礦化物濃度為151 265.4 mg/L高鹽環(huán)境下仍然具有較高的半衰期和起泡性能，說明該起泡劑適合在高鹽和溫度較高的地質(zhì)層中驅(qū)油。

2）通過驅(qū)替實驗看出，通過不斷的攪拌可有效促進和改變喉道壓力從而提高驅(qū)油效果；

3）泡沫劑在封堵中具有“堵大不堵小”的現(xiàn)象，從而擴大驅(qū)替液，提高驅(qū)油效果。

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新一代光敏二氧化鈦復(fù)合材料應(yīng)對大氣污染

氮氧化物是現(xiàn)代城市大氣污染物的最主要來源，光敏二氧化鈦(TiO2)復(fù)合材料自上世紀90年代中期問世以來，以其能將大氣氮氧化物催化氧化成無毒無害硝酸鹽的獨特功能，在歐盟范圍內(nèi)得到快速的商業(yè)化應(yīng)用。混合約4%比例光敏復(fù)合材料的混凝土涂層技術(shù)，不僅具備自清潔功能，還可有效吸附大氣中高達 80%以上的氮氧化物，被廣泛應(yīng)用于建筑和道路等公共基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)領(lǐng)域，以應(yīng)對大氣污染。但高濃度大氣污染往往伴隨著嚴重的霧霾現(xiàn)象，導(dǎo)致光敏二氧化鈦吸附效率下降，需要紫外強光將其激活，一定程度上限制了新技術(shù)的推廣應(yīng)用。

歐盟第七研發(fā)框架計劃提供360萬歐元，總研發(fā)投入500萬歐元，由丹麥、英國、意大利、西班牙和瑞典的14家建筑材料工業(yè)企業(yè)聯(lián)合組成了歐洲LIGHT2CAT研發(fā)團隊。從2012年3月開始，經(jīng)過近4年時間的聯(lián)合技術(shù)攻關(guān)，成功研制出新一代可見光響應(yīng)光敏二氧化鈦復(fù)合材料。由于研發(fā)創(chuàng)新活動中盡可能采用傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝和標準化組件，新一代技術(shù)不會對建筑材料企業(yè)增加額外的投資負擔，還可進一步拓展新一代光敏復(fù)合材料的應(yīng)用市場，如用于室內(nèi)墻壁涂層吸附室內(nèi)空氣污染物。

新一代技術(shù)已獲得歐委會專家組綠色技術(shù)認證，目前已經(jīng)實現(xiàn)批量化工業(yè)生產(chǎn)新一代光敏二氧化鈦復(fù)合材料，并在丹麥和西班牙進行商業(yè)化的試點推廣。研發(fā)團隊的負責人稱，新技術(shù)應(yīng)對大氣污染的技術(shù)經(jīng)濟可行性和積極作用毋庸置疑。

Mechanism and Experimental Study of Air Foam Flooding

SHI Yao-chen，GE Wei-na，SUN Chao，LI Jin

(College of Petroleum Engineering,Yangtze University, Hubei Wuhan 430100,China)

Aiming at the problem that the traditional polymer flooding and three element compound flooding system have low efficiency of oil recovery in the middle and late stage of oil field development, a high efficiency air foam flooding technology has been put forward. In order to verify oil displacement effect of the air foam flooding technology, taking Yangchang oilfield 1#geological conditions as the background, effect of foaming agent concentration and salinity on the performance of air foam flooding was investigated, the optimal comprehensive performance of the air foam flooding was screened out. Finally through microscopic oil displacement experiment, the oil displacement mechanism of efficient foam flooding was studied, and the performance and oil displacement mechanism of air foam flooding were verified by plugging capacity evaluation.

air foam flooding; foaming agent; micro displacement; mechanism; plugging ability

TE357

A

1671-0460（2016）12-2852-04

2016-02-02

石亞?。?990-），女，湖北潛江人，在讀碩士研究生，研究方向：從事石油與天然氣工程專業(yè)油氣田開發(fā)工程。E-mail：593986988@qq.com。