CO2響應(yīng)性增強泡沫體系室內(nèi)試驗研究

呂 偉，劉笑春，白海龍，彭明蘭

（1.中國石油長慶油田分公司油氣工藝研究院，陜西西安710018；2.中國石油長慶油田分公司工程技術(shù)管理部，陜西西安710018；3.中國石油長慶油田分公司第二采油廠，甘肅慶陽745100）

近年來，低滲透油藏開發(fā)受到越來越多的重視[1]。注氣是低滲透油藏開發(fā)的重要技術(shù)[2]，其中CO2溶于原油可降黏，溶于水生成碳酸可溶解碳酸鹽等巖石礦物，改善儲層滲透性，在國內(nèi)外注氣開發(fā)油田得到了大量應(yīng)用[3-7]。低滲透油藏CO2驅(qū)可有效補充地層能量，顯著提高原油采收率。但由于存在高滲條帶和天然裂縫，低滲透油藏CO2驅(qū)時，極易發(fā)生氣竄，嚴重降低了CO2的利用率和增產(chǎn)效果[8-12]。泡沫體系是常用的氣竄封堵體系，可以實現(xiàn)深部調(diào)驅(qū)，已在勝利、長慶、大慶、大港和中原等油田成功應(yīng)用。但是，常規(guī)泡沫強度不高，對裂縫及高滲條帶等強竄流通道的封堵效果較差，不適于非均質(zhì)嚴重儲層的氣竄控制。凍膠和聚合物可以通過增強液膜機械強度來提高泡沫強度和封堵能力，且可以通過控制聚合物和凍膠體系的濃度調(diào)節(jié)強化泡沫的強度，以滿足不同非均質(zhì)儲層的封堵，但聚合物和凍膠泡沫體系在注入前黏度已比較高，在儲層孔隙中的流動阻力大，注入性較差，深部調(diào)驅(qū)效果受限。為此，筆者研究形成了CO2響應(yīng)性增強泡沫體系，利用響應(yīng)體系與氣竄通道中CO2作用后的增黏特性提高泡沫強度，實現(xiàn)了氣竄通道的精準、高效封堵，提高了低滲透油藏CO2驅(qū)的開發(fā)效果。

1 CO2響應(yīng)性增強泡沫體系研究

通過評價油田常用發(fā)泡劑的耐溫性和耐鹽性優(yōu)選發(fā)泡劑，將優(yōu)選出的發(fā)泡劑與小分子胺類CO2響應(yīng)體系復(fù)配，形成CO2響應(yīng)性增強泡沫體系。

1.1 發(fā)泡劑優(yōu)選

參照石油天然氣行業(yè)標準“鉆井液用發(fā)泡劑評價程序”（SY/T 5350—2009），以泡沫綜合值（發(fā)泡體積與半衰期的乘積）為指標，評價發(fā)泡劑的綜合性能。首先，采用去離子水配制不同質(zhì)量分數(shù)的發(fā)泡劑溶液，采用攪拌法測定泡沫綜合值，通過泡沫綜合值優(yōu)化發(fā)泡劑加量；在加量優(yōu)化基礎(chǔ)上，分別配制礦化度為5×104和10×104mg/L的發(fā)泡劑溶液，以泡沫綜合值評價發(fā)泡劑的耐鹽性；配制耐鹽發(fā)泡劑溶液，用高溫老化罐密封后置于恒溫箱（溫度分別設(shè)置為80和100℃）中老化72 h，評價發(fā)泡劑的耐溫耐鹽性能，優(yōu)選出發(fā)泡劑。

圖1 所示為α-烯烴磺酸鈉（AOS）、脂肪酸甲酯磺酸鹽（MES）、十二烷基硫酸鈉（SDS）、椰油酰胺丙基二甲胺乙內(nèi)酯（CAB-35）、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉（AES）和非離子表面活性劑ZYGK-3等6種發(fā)泡劑不同加量下的泡沫綜合值。從圖1可以看出，發(fā)泡劑加量對泡沫綜合值影響顯著。以泡沫綜合值200 000 mL·s為界限，根據(jù)圖1確定6種發(fā)泡劑的加量范圍和推薦加量，結(jié)果見表1。

圖1 不同發(fā)泡劑在不同加量下的泡沫綜合值Fig.1 Foam comprehensivevaluesof different foaming agentsin different dosages

利用礦化度為5×104和10×104mg/L的水，配制了6種發(fā)泡劑溶液（發(fā)泡劑加量采用表1中的推薦加量），測定其泡沫綜合值，結(jié)果見圖2。由圖2可知，CAB-35、ZYGK-3和AOS等3種發(fā)泡劑在礦化度為10×104mg/L時仍具有良好的發(fā)泡性能。

圖2 不同發(fā)泡劑溶液在不同礦化度下的泡沫綜合值Fig.2 Foam comprehensive values of different foaming agent solutionsat different salinities

利用不同礦化度的模擬地層水，配制CAB-35，ZYGK-3和AOS等3種發(fā)泡劑的溶液（發(fā)泡劑的加量采用表1中的推薦加量），密封后在8 0和100℃溫度下老化72 h，測定泡沫綜合值，結(jié)果見圖3。由圖3可知，在高礦化度下老化后，AOS依然具有良好的發(fā)泡能力和泡沫穩(wěn)定性能。因此，發(fā)泡劑選用AOS，加量為0.10%。0.10%AOS溶液在高溫高鹽條件下具有良好的發(fā)泡性能和泡沫穩(wěn)定性，可以滿足苛刻條件下CO2驅(qū)氣竄封堵的需求。

圖3 不同發(fā)泡劑溶液在不同溫度下的泡沫綜合值Fig.3 Foam comprehensive values of different foaming agent solutionsat different temperatures

表1 發(fā)泡劑加量優(yōu)化結(jié)果Table1 Optimization result of foaming agent dosage

1.2 CO2響應(yīng)性增強泡沫體系

將發(fā)泡劑AOS、小分子胺和去離子水按比例（0.10%AOS+4.00%小分子胺+水）加入到三口燒瓶中，以轉(zhuǎn)速120 r/min攪拌5 min形成均勻溶液，靜置1 h后除去表面泡沫，即為CO2響應(yīng)性增強泡沫體系。該體系為透明澄清液體，在與CO2作用前，黏度為1.1 mPa·s，具有優(yōu)良的注入性能；與CO2充分接觸后，黏度顯著升高，最高可達到20.3 mPa·s。

2 CO2響應(yīng)性增強泡沫體系性能評價

2.1 綜合性能

設(shè)計密封攪拌杯，充入CO2氣體（純度99.99%），采用Waring Blender法評價常規(guī)泡沫體系（配方為0.10%AOS+水）和CO2響應(yīng)性增強泡沫體系的泡沫綜合性能，攪拌速度5 000 r/min，攪拌時間3 min，結(jié)果見表2。

由表2可知：與常規(guī)CO2泡沫體系相比，CO2響應(yīng)性增強泡沫體系的起泡體積較小，但泡沫穩(wěn)定性顯著增強；CO2響應(yīng)性增強泡沫體系的泡沫綜合值可達常規(guī)泡沫體系的11倍以上。這說明CO2響應(yīng)性增強泡沫體系具有良好的起泡能力和優(yōu)異的泡沫穩(wěn)定性能。

表2 CO2響應(yīng)性增強泡沫性能Table 2 Performance of CO2 responsive enhanced foam system

2.2 流變性和黏彈性

利用安東帕Physica MCR301流變儀的椎板系統(tǒng)（量杯半徑14.466 mm，轉(zhuǎn)子半徑13.330 mm）在70℃下測定CO2響應(yīng)性增強泡沫體系的穩(wěn)態(tài)流變性及動態(tài)黏彈性，分析CO2響應(yīng)性增強泡沫體系的穩(wěn)定機理。測試穩(wěn)態(tài)流變性時，剪切速率為0.01～2000.00 s-1；測試動態(tài)黏彈性時，先進行振幅掃描確定線性平臺區(qū)，然后在線性平臺區(qū)范圍內(nèi)進行頻率掃描，頻率為0.01～100.00 Hz。

常規(guī)CO2泡沫體系和CO2響應(yīng)性增強泡沫體系的穩(wěn)態(tài)流變曲線如圖4所示。由圖4可知，2種泡沫體系均具有明顯的剪切稀釋特性，隨剪切速率增大，表觀黏度迅速降低。CO2響應(yīng)性增強泡沫體系中的小分子胺可與CO2通過可逆反應(yīng)形成陽離子聚和物[13-14]，使液膜黏度急劇升高，增大了液膜中流體流動的阻力，導(dǎo)致低剪切速率下其表觀黏度明顯高于常規(guī)泡沫體系。剪切速率7.34 s-1下，常規(guī)沫體系和CO2響應(yīng)性增強泡沫體系的表觀黏度分別為4.9和55.1 mPa·s。

圖4 不同泡沫體系的穩(wěn)態(tài)流變曲線Fig.4 Steady-state rheological curves of different foam systems

對圖4中的流變曲線進行擬合，流變方程均符合冪律流體流變模式[15]，相應(yīng)的稠度系數(shù)K和流變指數(shù)n如表3所示。與常規(guī)泡沫體系相比，CO2響應(yīng)性增強泡沫體系的稠度系數(shù)顯著增大，這與表觀黏度升高一致；其流變指數(shù)減小，說明CO2響應(yīng)性增強泡沫體系的剪切稀釋性更強。

表3 不同泡沫體系的稠度系數(shù)和流變指數(shù)Table 3 Consistency coefficients and flow behavior indexesof different foam systems

圖5 所示為常規(guī)泡沫體系和CO2響應(yīng)性增強泡沫體系的黏彈性能。其中，儲能模量和損耗模量分別代表泡沫體系的彈性和黏性。由圖5可知：在低頻率范圍內(nèi)，常規(guī)泡沫體系和CO2響應(yīng)性增強泡沫體系的儲能模量大于損耗模量，均以彈性為主；在高頻率范圍內(nèi)，2種泡沫體系的儲能模量大于損耗模量，表現(xiàn)出明顯的黏性。這是因為，泡沫是氣泡的聚集體，具有獨特的空間多面體結(jié)構(gòu)，泡沫的黏彈性來源于相對移動分散介質(zhì)的液層內(nèi)摩擦、分散相氣泡間的碰撞和擠壓[16-17]。低頻率剪切時，分散相氣泡間的碰撞和擠壓作用占主導(dǎo)，因此，常規(guī)泡沫體系和CO2響應(yīng)性增強泡沫體系表現(xiàn)出較強的彈性。隨著剪切頻率增大，泡沫單體趨于整齊排列，一部分泡沫因變形過大而破裂，導(dǎo)致液層內(nèi)摩擦占主導(dǎo)，表現(xiàn)出明顯的黏性。CO2響應(yīng)性增強泡沫體系由于加入了小分子胺，液相黏度升高，泡沫液膜的機械強度增強，因此CO2響應(yīng)性增強泡沫體系表現(xiàn)出更強的黏彈性，具有更優(yōu)異的泡沫穩(wěn)定性能。

圖5 不同泡沫體系的黏彈性能Fig.5 Viscoelastic performance of different foam systems

2.3 提高采收率性能

采用不同滲透率的長巖心（φ2.5 cm×30.0 cm石英砂環(huán)氧樹脂膠結(jié)巖心）組成非均質(zhì)驅(qū)替模型，評價常規(guī)泡沫體系和CO2響應(yīng)性增強泡沫體系對非均質(zhì)儲層的封堵和增產(chǎn)效果。試驗用油為長慶油田五里灣一區(qū)原油，氣油比72 m3/t，飽和壓力7.5 MPa，黏度1.95 mPa·s。非均質(zhì)驅(qū)替模型巖心滲透率分別為118.5和5.2 mD，滲透率級差22.8。試驗溫度70 ℃，巖心出口端回壓10 MPa，泡沫注入方式采用液-氣段塞注入（先注液后注氣）方式，氣液比1∶1，段塞為0.1倍孔隙體積，泡沫注入量為1.0倍孔隙體積。巖心驅(qū)替試驗裝置如如圖6所示。

圖6 巖心驅(qū)替試驗裝置示意Fig.6 Coreflooding device

試驗時首先以0.15 mL/min的速度進行CO2驅(qū)，出口端不產(chǎn)油后轉(zhuǎn)注1.0倍孔隙體積的泡沫，然后繼續(xù)進行CO2驅(qū)。試驗結(jié)果如圖7所示。從圖7可以看出：泡沫封堵前，CO2驅(qū)采收率只有18%左右，且大部分原油產(chǎn)自高滲透巖心，低滲透巖心基本未動用；CO2驅(qū)時的壓差較低，注入泡沫后壓差迅速增大，說明泡沫體系能有效增加氣竄通道中的滲流阻力，控制氣體在優(yōu)勢通道中的竄流；CO2響應(yīng)性增強泡沫體系的封堵阻力系數(shù)可達到60，遠大于常規(guī)泡沫體系的封堵阻力系數(shù)（12），說明小分子胺使泡沫體系的黏彈性增強，可以顯著提高泡沫體系的封堵能力；在CO2驅(qū)基礎(chǔ)上，常規(guī)泡沫封堵體系可以使采收率提高約10百分點，而CO2響應(yīng)性增強泡沫體系可以使采收率提高約23百分點。說明CO2響應(yīng)性增強泡沫體系使氣體在竄流通道中的流動阻力增大，黏性力增強，從而可以使更多的氣體轉(zhuǎn)向低滲透巖心中，顯著增加氣驅(qū)波及體積。

圖7 不同泡沫體系封堵驅(qū)替試驗結(jié)果Fig.7 Plugging and flooding test results of different foam systems

3 結(jié)論

1）優(yōu)選出了CO2響應(yīng)性增強泡沫體系配方：0.1%發(fā)泡劑AOS+4.0%小分子胺+水，該泡沫體系在接觸CO2前，黏度與水接近，與CO2接觸后其黏度可增大18倍以上。

2）CO2響應(yīng)性增強泡沫體系具有明顯的剪切稀釋特性，流變方程符合冪律流體流變模式。CO2響應(yīng)性增強泡沫體系比常規(guī)泡沫體系具有更強的黏彈性。

3）CO2響應(yīng)性增強泡沫體系的泡沫綜合值可以達到常規(guī)泡沫體系的11倍以上，能有效抑制滲透率級差大于20強的非均質(zhì)儲層的氣竄，提高非均質(zhì)低滲透油藏的CO2驅(qū)開發(fā)效果。