泡沫驅(qū)油核磁共振實驗及泡沫動態(tài)穩(wěn)定性評價

張景楠 ，狄勤豐 ，華帥 ，葉峰 ，李原 ，王文昌

（1. 上海大學上海市應用數(shù)學和力學研究所，上海 200072；2. 上海市力學在能源工程中的應用重點實驗室，上海 200072）

0 引言

泡沫驅(qū)可以顯著提高原油采收率已得到廣泛認同[1-3]，利用常規(guī)的巖心驅(qū)替裝置無法觀察到巖心內(nèi)部流體的流動特征，導致泡沫在微孔道中的作用機理研究存在困難。目前主要使用基于微觀顯微技術(shù)觀察薄片模型的方法來研究泡沫微觀驅(qū)油特征[4-5]，由于該方法要求薄片模型厚度必須小于3 mm以保證其透光性，限制了流體沿模型厚度方向的流動，因此該方法只能模擬二維流動，不能真實地反映儲集層流體流動特征[6]。此外，泡沫的穩(wěn)定性是影響泡沫驅(qū)油效率的關(guān)鍵因素[7]。目前泡沫穩(wěn)定性評價方法主要有體積法、電導率法和壓力法等[8]，其中體積法又分為 Ross-Miles法、振蕩法及Waring-Blender法[9-11]。體積法因操作簡單，適用范圍廣泛，是目前評價泡沫穩(wěn)定性常用的方法，但因為實際操作過程中人為誤差較大，難以定量描述泡沫的性能。電導率法和壓力法靈敏度高，但是裝置復雜，費用較高，不易操作[12]。而且以上方法均是在靜置的容器中評價泡沫的穩(wěn)定性，屬于靜態(tài)穩(wěn)定性范疇。實際的泡沫驅(qū)油過程發(fā)生在多孔介質(zhì)中，泡沫在其中的運移是一種不斷消泡并不斷再生成的動態(tài)過程，使用脫離多孔介質(zhì)的靜態(tài)評價方法不能真實反映泡沫在儲集層中的穩(wěn)定性[6,13]，而對于泡沫在驅(qū)替過程中的動態(tài)穩(wěn)定性研究較少。阻力因子可以反映泡沫在驅(qū)替過程中的封堵能力，在一定程度上能夠體現(xiàn)泡沫的動態(tài)穩(wěn)定性。然而該方法主要基于泡沫驅(qū)過程中賈敏效應引起的壓力變化[14]，在實際實驗過程中，壓力變化受多種因素的影響[15]，而且泡沫驅(qū)過程中壓力很難達到穩(wěn)定，需要注入大量的泡沫才能使壓力趨于平穩(wěn)。因此，有必要建立一種新的泡沫動態(tài)穩(wěn)定性評價方法。

本文將核磁共振技術(shù)與傳統(tǒng)泡沫驅(qū)替實驗相結(jié)合，開展泡沫驅(qū)油核磁共振實驗。利用核磁共振T2（橫向弛豫時間）譜反映巖心中流體所處的孔隙平均尺寸變化及巖心中流體質(zhì)量變化[16-17]，通過獲取核磁共振圖像直觀地觀察泡沫在巖心中的驅(qū)油特征。同時基于核磁共振T2譜和質(zhì)量守恒定律，建立一種評價泡沫在巖心中驅(qū)油時動態(tài)穩(wěn)定性的新方法。在此基礎(chǔ)上，研究兩種泡沫體系在不同驅(qū)替方式（直接泡沫驅(qū)和水驅(qū)后泡沫驅(qū)）下的驅(qū)油特征及泡沫的動態(tài)穩(wěn)定性。

1 泡沫驅(qū)油核磁共振實驗

1.1 實驗原理

巖心內(nèi)液體分子的運動使得分子多次與巖石微通道壁面發(fā)生碰撞，在每次碰撞中會發(fā)生兩種弛豫過程，即縱向弛豫和橫向弛豫。通?？v向弛豫的測量時間較長且測點數(shù)較少，因此在巖心的核磁共振測試中一般測試橫向弛豫。橫向弛豫包含 3種不同的弛豫機制：自由弛豫、表面弛豫及擴散弛豫[18]。3種弛豫機制對橫向弛豫時間的影響主要取決于流體類型、孔隙尺寸、表面弛豫強度等，利用核磁共振T2譜可以對樣品進行一系列的物性分析[19]。橫向弛豫時間與巖心內(nèi)液體所處的孔隙尺寸成正比，信號幅度與橫向弛豫時間圍成的峰面積與巖心內(nèi)液體質(zhì)量成正比[20]。核磁共振成像原理是：通過在目標物體上施加 3個相互垂直可控的線性梯度磁場實現(xiàn)核磁信號的空間定位，接收設備獲取核磁共振信號的幅度及與之對應的空間位置信息，經(jīng)過一定的處理可以得到樣品的核磁共振圖像[17]。

1.2 水、泡沫與油的核磁信號區(qū)分方法

泡沫驅(qū)油核磁共振實驗中，為了直觀研究泡沫的驅(qū)油特征，需要在獲取的核磁共振T2譜和圖像中明確區(qū)分水、油及泡沫。水驅(qū)油時，由于油和水的核磁共振弛豫時間有重疊部分，導致兩者的核磁信號不能明確區(qū)分，因而無法在實驗獲得的T2譜中區(qū)分油峰和水峰，也無法在圖像中區(qū)分油和水的分布。使用 MnCl2水溶液代替清水進行驅(qū)替時，Mn2+與水中H質(zhì)子直接接觸會產(chǎn)生自旋交換作用，使得水中H質(zhì)子的弛豫衰減加快[21]，油和水的弛豫時間不再有重疊部分，從而達到區(qū)分兩者核磁信號的目的。多次實驗結(jié)果表明，使用質(zhì)量分數(shù)為0.5%的MnCl2水溶液代替水進行驅(qū)替時可以達到區(qū)分油、水核磁信號的最佳效果[22]。泡沫驅(qū)油時，泡沫中的氣相不產(chǎn)生核磁信號，而油和泡沫中水相的核磁共振弛豫時間同樣有重疊部分。實驗表明，向泡沫液中加入質(zhì)量分數(shù)為0.5%的MnCl2，同樣可實現(xiàn)泡沫與油的核磁信號區(qū)分。但是使用該方法的前提是要保證添加 MnCl2后不會影響泡沫體系的性能。因此，使用 Waring-Blender法對添加 MnCl2前后兩種泡沫體系（S-2和 S-NP-2）的性能進行了評價，每組實驗重復3次后取平均值，實驗結(jié)果如表1所示。

表1 25 ℃時不同MnCl2濃度下泡沫的起泡體積和半衰期

由表1可知，添加MnCl2前后泡沫體系的起泡性和穩(wěn)定性基本相同，表明向泡沫體系中加入質(zhì)量分數(shù)為0.5%的MnCl2不會顯著影響泡沫的性能。因此，本文在泡沫體系配制和水驅(qū)時均使用質(zhì)量分數(shù)為0.5%的MnCl2水溶液代替清水。

1.3 實驗材料

泡沫驅(qū)油核磁共振實驗所用材料包括：蒸餾水、MnCl2、模擬油（由過濾后的柴油和原油按照10∶1的質(zhì)量比進行配制，25 ℃時黏度為2.5 mPa·s）、氮氣、巖心（人造巖心，物性參數(shù)如表2所示）、泡沫體系S-2（主要成分為十二烷基硫酸鈉，質(zhì)量分數(shù)為 3%）、泡沫體系S-NP-2（主要成分為十二烷基硫酸鈉和二氧化硅納米顆粒，質(zhì)量分數(shù)分別為3.0%和0.5%）等。其中，泡沫體系S-NP-2是在泡沫體系S-2的基礎(chǔ)上，與不同粒徑、不同潤濕性的納米顆粒及不同修飾劑進行復配，通過大量實驗獲得的一種納米顆粒穩(wěn)定型起泡體系。由表1可知，泡沫體系S-NP-2的起泡性和穩(wěn)定性均優(yōu)于泡沫體系S-2。

表2 巖心樣品物性參數(shù)

1.4 實驗裝置及步驟

基于核磁共振成像技術(shù)的可視化驅(qū)替實驗裝置如圖 1所示，主要包括恒速恒壓泵、中間容器、泡沫發(fā)生器、特種巖心夾持器、核磁共振單元、控制單元、計量單元等。

實驗步驟為：①檢測巖心磁性，確保實驗用巖心不含鐵等干擾磁場的物質(zhì)；②測試巖心物性參數(shù)；③抽真空加壓，飽和水；④核磁共振T2譜和成像參數(shù)調(diào)試；⑤飽和油，建立束縛水，待巖心出口含水率為零后靜置老化48 h；⑥水驅(qū)：以0.5 mL/min的速度恒速注入水，水驅(qū)至出口含水率大于 98%后停止，回壓 0 MPa；⑦泡沫驅(qū)：控制泡沫的氣液比為 1∶1，注入速度為0.5 mL/min，驅(qū)替至出口含水率大于98%后停止，回壓 0 MPa；⑧注入過程中記錄注入壓力和出液量，并獲取核磁共振T2譜和圖像。

圖1 核磁共振泡沫驅(qū)替實驗裝置

2 實驗結(jié)果及討論

為了研究泡沫體系S-2和S-NP-2直接驅(qū)油（驅(qū)替方式1）及水驅(qū)后驅(qū)油（驅(qū)替方式2）的特征及效果，使用 1#—4#巖心分別進行了 4組實驗。其中 1#和 2#巖心采用驅(qū)替方式1，3#和4#巖心采用驅(qū)替方式2。1#和3#巖心使用泡沫體系S-2，2#和 4#巖心使用泡沫體系S-NP-2。

2.1 驅(qū)油效率

通過出口計量方式得到的 4組實驗的驅(qū)油效率和出口含水率隨注入孔隙體積倍數(shù)（PV）的變化曲線如圖2—圖5所示。

由圖2、圖3可知，對于1#巖心和2#巖心，直接使用泡沫驅(qū)替，驅(qū)至0.4 PV時巖心出口端開始見水，此后出口含水率急劇上升，驅(qū)油效率趨于平緩；驅(qū)至1.0 PV時出口含水率大于98%，此時1#巖心和2#巖心的驅(qū)油效率分別為50.80%和55.80%。由圖4、圖5可知，對于3#巖心和4#巖心，水驅(qū)至1.0 PV時出口含水率均大于98%，此時驅(qū)油效率分別為45.67%和41.82%；進一步使用泡沫進行驅(qū)替，出口含水率明顯下降后又緩慢上升，直至出口含水率大于 98%時停止驅(qū)替，此時3#巖心和4#巖心的驅(qū)油效率分別為63.72%和67.50%。

圖2 1#巖心實驗的驅(qū)油效率和含水率

圖3 2#巖心實驗的驅(qū)油效率和含水率

圖4 3#巖心實驗的驅(qū)油效率和含水率

圖5 4#巖心實驗的驅(qū)油效率和含水率

從表3中可以看出，1#巖心和2#巖心泡沫驅(qū)后的驅(qū)油效率分別低于3#巖心和4#巖心泡沫驅(qū)后的驅(qū)油效率，表明驅(qū)替方式2相比于驅(qū)替方式1能夠獲得更高的驅(qū)油效率。2#巖心和 4#巖心泡沫驅(qū)后的驅(qū)油效率分別高于1#巖心和3#巖心泡沫驅(qū)后的驅(qū)油效率，表明相同驅(qū)替方式下使用泡沫體系S-NP-2取得的驅(qū)油效果更好。水驅(qū)后使用泡沫驅(qū)，3#巖心驅(qū)油效率提高幅度為18.05%，4#巖心驅(qū)油效率提高幅度為25.68%，可見水驅(qū)后轉(zhuǎn)泡沫驅(qū)可以明顯提高驅(qū)油效率，且泡沫體系S-NP-2提高采收率效果更好。

2.2 阻力因子

阻力因子是注泡沫時壓力達到平穩(wěn)后巖心兩端的壓差與相同條件下單純注水時巖心兩端的壓差之比，是評價泡沫封堵能力的重要指標[23]。由于實驗過程中圖像采集和T2譜測試階段需要停止泡沫的注入，相比傳統(tǒng)的泡沫驅(qū)替實驗，很難得到整個驅(qū)替過程完整連續(xù)的壓力監(jiān)測曲線。因此，在最后一次圖像采集和T2譜測試結(jié)束后，持續(xù)注入泡沫至壓力平穩(wěn)，記錄此時的壓差為注泡沫壓差。

表3 4組泡沫驅(qū)替實驗的驅(qū)油效率

從表4中可以看出，4組實驗中泡沫均起到了很好的封堵作用。其中，1#巖心和 2#巖心的阻力因子分別小于3#巖心和4#巖心的阻力因子，表明水驅(qū)后使用泡沫驅(qū)相比于直接使用泡沫驅(qū)能夠取得更好的封堵效果。2#巖心和4#巖心的阻力因子分別大于1#巖心和3#巖心的阻力因子，表明相同驅(qū)替方式下泡沫體系S-NP-2的封堵能力更好。

表4 4組泡沫驅(qū)替實驗的阻力因子

2.3 核磁共振圖像

4組泡沫驅(qū)油實驗的核磁共振圖像如圖 6和圖 7所示，圖中黑色無信號區(qū)域為水或泡沫，其余彩色部分為油。

從圖6中可以看出，直接使用泡沫驅(qū)油至0.5 PV時，產(chǎn)生明顯的驅(qū)替前緣，剩余油集中分布在驅(qū)替前緣的前方（巖心中右部區(qū)域）；驅(qū)替前緣的后方僅有少量殘余油分布；驅(qū)至1.0 PV時，沒有明顯的剩余油富集區(qū)，少量殘余油遍布在整個巖心，表明泡沫的波及效率較高，洗油效果顯著。從圖 7中可以看出，水驅(qū)1.0 PV后巖心中的含油飽和度明顯降低，但由于水的洗油效果相對較差，水驅(qū)后大量殘余油遍布在整個巖心；進一步使用泡沫驅(qū)替時的驅(qū)油特征與直接使用泡沫驅(qū)油的特征較為相似，S-2和S-NP-2的驅(qū)油特征也沒有明顯的區(qū)別；兩種泡沫體系驅(qū)替1.0 PV后，僅有少量殘余油分布在巖心內(nèi)，可見相比于水，泡沫的洗油效果更好。

圖6 直接泡沫驅(qū)巖心核磁共振圖像

圖7 水驅(qū)后泡沫驅(qū)巖心核磁共振圖像

通過核磁共振圖像可以直觀觀察泡沫的驅(qū)油特征，但是對于兩種性能不同的泡沫體系，很難反映兩者在巖心中驅(qū)油特征的異同。

2.4 核磁共振T2譜

兩種泡沫體系在驅(qū)替方式1下的核磁共振T2譜如圖8、圖9所示，在驅(qū)替方式2下的核磁共振T2譜如圖10、圖11所示。圖中左側(cè)弛豫時間較短的峰為水峰，右側(cè)弛豫時間較長的峰為油峰。

圖8 1#巖心實驗的T2譜

圖9 2#巖心實驗的T2譜

圖10 3#巖心實驗的T2譜

圖11 4#巖心實驗的T2譜

從圖8—圖11中可以看出，隨著驅(qū)替劑的注入，油峰均逐漸下降，表明泡沫驅(qū)油效果明顯。1#巖心和2#巖心直接進行泡沫驅(qū)，油峰下降過程中頂點沒有明顯的偏移，表明在未水驅(qū)情況下直接使用泡沫驅(qū)油時，巖心內(nèi)不同大小孔隙出油比較均勻。3#巖心和4#巖心先水驅(qū)再泡沫驅(qū)，水驅(qū)時油峰下降過程中頂點出現(xiàn)偏移，其中3#巖心向左偏移46.29 ms，4#巖心向左偏移23.94 ms。這是因為水驅(qū)油時大孔隙出油較多，則弛豫時間縮短，油峰向左偏移。水驅(qū)結(jié)束后繼續(xù)使用泡沫驅(qū)，兩塊巖心的油峰頂點均向右偏移，3#巖心向右偏移71.96 ms，4#巖心向右偏移77.14 ms。表明泡沫起到了一定的調(diào)剖作用，該階段小孔隙出油較多，則弛豫時間延長，油峰向右偏移。

3 驅(qū)油過程中泡沫動態(tài)穩(wěn)定性評價方法

本文嘗試基于核磁共振T2譜和質(zhì)量守恒定律建立一種評價泡沫在驅(qū)油過程中動態(tài)穩(wěn)定性的新方法。

3.1 方法的建立

3.1.1 質(zhì)量守恒方程

泡沫驅(qū)油時，在巖心入口端注入水相和氣相，出口端流出氣相、水相和油相，如圖12所示。根據(jù)質(zhì)量守恒定律[24]，在一定時間內(nèi)，巖心質(zhì)量變化量等于流入巖心與流出巖心的流體質(zhì)量差，據(jù)此建立泡沫驅(qū)油的質(zhì)量守恒方程：

圖12 巖心泡沫驅(qū)示意圖

3.1.2 氣液體積比與氣液質(zhì)量比的轉(zhuǎn)換

室內(nèi)實驗控制的氣液比一般為氣液體積比，為了代入質(zhì)量守恒方程，需要將氣液體積比轉(zhuǎn)化為質(zhì)量比。巖心入口端氣液質(zhì)量比和體積比計算公式分別為：

由理想氣體狀態(tài)方程可得：

由（2）—（4）式可知：

因為水相中添加了表面活性劑等，具體計算時需要參照GB/T 2013—2010《液體石油化工產(chǎn)品密度測定法》中所述的方法對水相密度進行嚴格測試。

3.1.3 泡沫驅(qū)過程中油水的質(zhì)量變化量

通過積分可以獲得核磁共振T2譜水峰曲線和油峰曲線與橫坐標圍成的峰面積。峰面積與巖心內(nèi)與之對應的流體的質(zhì)量成正比，據(jù)此可以獲得泡沫驅(qū)過程中油和水的質(zhì)量變化量，即：

3.1.4 泡沫動態(tài)不穩(wěn)定因子

將（5）—（7）式代入（1）式可得：

驅(qū)替至出口含水率大于 98%且出口出現(xiàn)連續(xù)泡沫時巖心內(nèi)部泡沫氣液比為：

王力等[25]通過觀察大量的氮氣泡沫驅(qū)實驗發(fā)現(xiàn)，氣液比在一定程度上體現(xiàn)了泡沫的穩(wěn)定性，氣液比較低時，泡沫生成緩慢且生成量較少，在巖心驅(qū)替過程中壓力較低，阻力因子較??；氣液比較高時，產(chǎn)生的泡沫體積大且稀疏、易滅，阻力因子也較小。

（11）式中的s體現(xiàn)了泡沫進入巖心后氣液比的變化程度。當s=0時，nm=nm,in，表明泡沫進入巖心后氣液比未發(fā)生變化，泡沫的破滅速度和生成速度達到動態(tài)平衡，為理想的穩(wěn)定狀態(tài)；當s>0時，nm>nm,in，表明泡沫進入巖心后氣液比增大，巖心內(nèi)液體比例減小，泡沫排液；當s<0時，nm

可見，f越大，泡沫的動態(tài)穩(wěn)定性越差；f越小，泡沫的動態(tài)穩(wěn)定性越好。

3.2 泡沫穩(wěn)定性評價

根據(jù)以上方法，對 4組實驗泡沫驅(qū)油過程中泡沫在巖心中的穩(wěn)定性進行了評價。本文泡沫驅(qū)實驗使用的氣體為氮氣，摩爾質(zhì)量為0.028 kg/mol；等溫滲流，溫度為298.15 K，入口氣液體積比為1.00。4組實驗中泡沫動態(tài)不穩(wěn)定因子計算結(jié)果如表5所示。

從表 5中可以看出，同一泡沫體系在驅(qū)替方式 2中的穩(wěn)定性較好。這是因為在驅(qū)替方式 1中直接使用泡沫驅(qū)時，含油飽和度較高，泡沫液膜遇油后形成一種“假乳液膜”，降低了泡沫的穩(wěn)定性[26]。同時有效的表面活性劑濃度減小，在后續(xù)驅(qū)油過程中重新生成泡沫的能力也減弱。而驅(qū)替方式 2中水驅(qū)階段使含油飽和度顯著降低，后續(xù)泡沫驅(qū)時避免了高含油飽和度的影響。也正是由于以上原因，驅(qū)替方式 2相比于驅(qū)替方式1可以獲得更高的驅(qū)油效率。

表5 4組實驗泡沫動態(tài)不穩(wěn)定因子計算結(jié)果

3.3 可靠性驗證

阻力因子可以直接體現(xiàn)泡沫在多孔介質(zhì)中的封堵性能，由于穩(wěn)定性的優(yōu)劣決定了泡沫的封堵效果，因此阻力因子能在一定程度上反映泡沫在巖心驅(qū)替過程中的穩(wěn)定性。將 4組實驗的泡沫動態(tài)不穩(wěn)定因子及阻力因子進行對比（見表 6），可以看出，相同驅(qū)替方式下，泡沫體系S-NP-2的動態(tài)不穩(wěn)定因子小于泡沫體系S-2，泡沫體系 S-NP-2對應的阻力因子也高于泡沫體系S-2。因此，兩種方法均表明，相同驅(qū)替方式下泡沫體系S-NP-2在巖心驅(qū)替過程中的穩(wěn)定性優(yōu)于泡沫體系S-2。這說明采用本文建立的泡沫動態(tài)穩(wěn)定性評價方法得到的結(jié)果與采用阻力因子法得到的結(jié)果相吻合，這也驗證了本文建立方法的可靠性。

表6 4組實驗的動態(tài)不穩(wěn)定因子及阻力因子對比

4 結(jié)論

形成了一種泡沫驅(qū)油核磁共振實驗方法，可以通過核磁共振圖像和T2譜直觀反映泡沫的驅(qū)油特征。不同驅(qū)替方式下，泡沫的洗油效果顯著，波及效率較高。通過橫向弛豫時間的變化可以看出水驅(qū)后使用泡沫驅(qū)時泡沫起到了一定的調(diào)剖作用。

在回壓為0 MPa的條件下，水驅(qū)后使用泡沫體系S-2和 S-NP-2驅(qū)替后的驅(qū)油效率提高幅度分別為18.05%和 25.68%，最終驅(qū)油效率分別達到 63.72%和67.50%，高于直接使用泡沫驅(qū)時的驅(qū)油效率。

基于核磁共振T2譜和質(zhì)量守恒定律建立了一種研究泡沫在巖心中驅(qū)油時動態(tài)穩(wěn)定性的新方法。使用該方法研究表明，相同驅(qū)替方式下，泡沫體系S-NP-2在巖心驅(qū)替過程中的穩(wěn)定性優(yōu)于泡沫體系S-2。

符號注釋：

Aoi，Awi——飽和油和飽和水狀態(tài)下油峰和水峰曲線與T2譜橫坐標圍成的峰面積，無因次；ΔAo，ΔAw——油峰和水峰曲線與T2譜橫坐標圍成的峰面積的變化量，無因次；f——泡沫的動態(tài)不穩(wěn)定因子；moi，mwi——飽和油和飽和水狀態(tài)下巖心中油和水的質(zhì)量，kg；Δm——巖心質(zhì)量變化量，kg；Δmo，Δmw——巖心中油和水的質(zhì)量變化量，kg；mw——泡沫驅(qū)前巖心中水相的質(zhì)量，kg；mg,in，mw,in——巖心入口端氣相和水相的質(zhì)量，kg；mg,out，mo,out，mw,out——巖心出口端氣相、油相和水相的質(zhì)量，kg；M——摩爾質(zhì)量，kg/mol；nm——巖心內(nèi)部氣液比，無因次；nm,in，nv,in——巖心入口端氣液質(zhì)量比和體積比，無因次；pin——巖心入口端壓力，Pa；R——理想氣體常數(shù)，8.314 J/（mol·K）；Tin——巖心入口端溫度，K；Vg,in，Vw,in——巖心入口端氣相和水相的體積，m3；ρg,in——巖心入口端氣相密度，kg/m3；ρw,in——巖心入口端水相密度，kg/m3。