邊底水油藏蒸汽吞吐耐溫凍膠泡沫的研制與評價(jià)

何海峰，陳安勝，彭志敏，楊子浩，廖 毅

(1.中國石化勝利油田孤東采油廠，山東 東營 257237; 2.中國石油大學(xué)(北京)，北京 102249)

稠油熱采產(chǎn)量主要由蒸汽吞吐量決定。多輪蒸汽吞吐后期，汽竄現(xiàn)象加劇、油層壓力降低、邊底水向油層入侵，由此產(chǎn)生的高含水現(xiàn)象直接影響了熱采井開發(fā)效果。凍膠泡沫通過聚合物間的交聯(lián)反應(yīng)，可構(gòu)成穩(wěn)定的泡沫骨架[1-4]，具有優(yōu)良的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。凍膠泡沫廣泛應(yīng)用于油田用封堵劑的生產(chǎn)，在邊底水稠油油藏?cái)U(kuò)大蒸汽波及體積、改善熱采效果方面具有明顯優(yōu)勢[5-9]。

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在熱采過程中，現(xiàn)階段室內(nèi)研制及現(xiàn)場應(yīng)用的凍膠泡沫，仍然存在耐溫性能不足，封堵有效期較短的問題。為此，筆者通過篩選耐高溫耐鹽的聚丙烯酰胺、發(fā)泡劑和交聯(lián)劑，制備了一種具有較高穩(wěn)定性的耐溫凍膠泡沫體系，揭示了其耐溫機(jī)理，評價(jià)了其耐溫性能和封堵性能。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料及儀器

聚丙烯酰胺(AN、FAM、C7)，工業(yè)級，法國愛森；聚丙烯酰胺(HBD、ZETAG)，工業(yè)級，德國巴斯夫；聚丙烯酰胺(KYPAM)，工業(yè)級，恒聚化工；十二烷基硫酸鈉(SDS)，92%、α-烯基磺酸鈉(AOS)，94%，中輕集團(tuán)；氯化鉻，分析純，京純化學(xué)；十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)、硫脲、氯化鈉，分析純；水溶性酚醛樹脂(固含量75%)，麥克林試劑；椰油酰胺丙基甜菜堿(CAB-35，固含量35%)，上海圣軒生物科技；黃原膠，工業(yè)級，鄭州丹尼生物；氮?dú)?，純?9%，北京京高氣體；酚醛交聯(lián)劑A、有機(jī)鋯交聯(lián)劑B，自制。

LVDV-Ⅱ型布氏黏度計(jì)，Brookfield公司；CX33型光學(xué)顯微鏡，日本奧林巴斯公司；SU8010型掃描電鏡，日本日立公司；Waring-Blender型攪拌器，Waring公司；驅(qū)替實(shí)驗(yàn)裝置，中國石油大學(xué)(北京)。

1.2 耐溫聚合物體系篩選

通過測定不同聚合物溶液在高溫高鹽環(huán)境下的聚合物的黏度保留率來評價(jià)其耐溫耐鹽性能。稱量一定質(zhì)量的聚合物，將其緩慢加入礦化度為30 g/L的礦化水中，攪拌3 h，然后靜置24 h待用。將聚合物溶液放入100 ℃的烘箱中老化24 h，通過測定老化前后的聚合物溶液黏度計(jì)算聚合物的黏度保留率。

1.3 起泡劑的篩選

將不同類型的起泡劑置于150 ℃恒溫箱中老化24 h。將處理后的起泡劑與聚合物溶液混合，用攪拌機(jī)起泡。泡沫裝入150 ℃的可視化反應(yīng)釜中，記錄泡沫體積和半衰期[10]，對比高溫處理前后泡沫綜合值變化情況。

1.4 交聯(lián)劑的篩選

選用不同類型的交聯(lián)劑與一定濃度的聚合物溶液混合，加入一定量的除氧劑硫脲，攪拌0.5 h。取30 mL注入安瓿瓶內(nèi)，抽真空3 h，放入150 ℃烘箱內(nèi)，以強(qiáng)度代碼法及黏度法確定成膠狀態(tài)[11]，記錄成膠時(shí)間和成膠強(qiáng)度隨時(shí)間變化的情況。

1.5 凍膠泡沫體系的制備及耐溫性能評價(jià)

采用先起泡后成膠的方法制備凍膠泡沫。取100 g一定濃度的KYPAM聚合物溶液，加入0.2%交聯(lián)劑A+0.1%交聯(lián)劑B+0.5%發(fā)泡劑SDS+0.1%硫脲+0.3%黃原膠，用攪拌器制備泡沫。將泡沫置于可視化反應(yīng)釜中，放入150 ℃恒溫箱，定期記錄泡沫體積變化和析液情況。

1.6 泡沫凍膠封堵性能評價(jià)

評價(jià)實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。連接裝置管線，在儲水罐中灌入模擬水，將巖心放入夾持器中，開啟計(jì)算機(jī)壓力采集裝置，保持環(huán)壓比注入壓力高3 MPa左右；注水1.8 PV，泵速為0.6 mL/min。記錄平衡壓力P0，然后計(jì)算巖心的滲透率K。

圖1 凍膠泡沫封堵性能測試實(shí)驗(yàn)裝置

關(guān)閉水驅(qū)管線，打開平流泵和二氧化碳?xì)馄?，使泡沫發(fā)生器產(chǎn)生泡沫。注入泡沫，維持回壓不變，注入1.2 PV后，記錄壓差，將注入泡沫后的巖心夾持器放入150 ℃恒溫箱中24 h，使凍膠泡沫老化成膠，再將巖心夾持器接入裝置，再次水測巖心滲透率。通過前后壓差變化量計(jì)算凍膠泡沫的封堵性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 聚合物的篩選

在100 ℃、30 g/L NaCl礦化度下，質(zhì)量濃度為3 g/L的不同類型聚合物溶液老化24 h前后的黏度及黏度保留率見表1。

由表1可見，聚合物KYPAM的黏度保留率最高，具有較好的耐溫耐鹽性能。相較于其他聚合物，在相同濃度下，KYPAM具有更高的黏度，高黏度有利于增大泡沫液膜的排液阻力、延長泡沫析液時(shí)間，在凍膠泡沫體系成膠前穩(wěn)定泡沫。因此優(yōu)選KYPAM作為聚合物主劑。

表1 聚合物溶液老化前后的黏度及黏度保留率

2.2 起泡劑成分的選定

2.2.1 起泡性能

常溫、30 g/L礦化度的條件下，在200 g聚合物溶液中加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的起泡劑，用Warning-Blender攪拌器以4 000 r/min的轉(zhuǎn)速攪拌起泡，各體系的起泡體積和泡沫半衰期見圖2。

圖2 起泡體積及析液半衰期與起泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系

由圖2可見：隨起泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，各體系的起泡體積和泡沫半衰期均隨之提高，其中AOS體系始終處于較高水平；SDS性能隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化較為明顯，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到0.5%時(shí)，其起泡體積和泡沫半衰期與AOS較為接近，起泡和穩(wěn)泡性能優(yōu)良。

2.2.2 耐溫性

圖3是150 ℃處理前后的泡沫綜合值。由圖3可見，SDS經(jīng)高溫處理前后的泡沫綜合值變化較小，且泡沫綜合值均較高，耐溫性最優(yōu)。綜合考慮，選擇0.5%的SDS作為體系發(fā)泡劑比較合適，有利于凍膠泡沫體系的生成及穩(wěn)定。

圖3 起泡劑耐溫性能評價(jià)

2.3 交聯(lián)劑的選定

分別以水溶性酚醛樹脂、氯化鉻、A-B為交聯(lián)劑，對比150 ℃、30 g/L NaCl礦化度的條件下凍膠體系的成膠時(shí)間及強(qiáng)度。圖4為不同交聯(lián)體系的成膠現(xiàn)象。

由圖4可見:酚醛樹脂凍膠體系耐溫性能良好，無脫水現(xiàn)象，但成膠速度較慢、強(qiáng)度較低。氯化鉻體系成膠迅速，能在較短時(shí)間內(nèi)形成高強(qiáng)度凍膠；但在高溫條件下，交聯(lián)反應(yīng)速率過快，脫水現(xiàn)象嚴(yán)重，凍膠強(qiáng)度迅速降低。A-B是一種復(fù)合交聯(lián)體系，相比以上兩個(gè)體系，A-B體系成膠時(shí)間短、強(qiáng)度高，穩(wěn)定性良好，12 h內(nèi)無脫水現(xiàn)象，基本符合制備凍膠泡沫的條件。

圖4 不同交聯(lián)體系的成膠現(xiàn)象

A-B體系成膠情況見表2。由表2可見，當(dāng)聚合物質(zhì)量濃度為3 g/L、使用0.2%A+0.1%B時(shí)，成膠最快、成膠強(qiáng)度最高、穩(wěn)定性最強(qiáng)，未發(fā)生脫水現(xiàn)象，可進(jìn)一步用于凍膠泡沫的制備。

表2 A-B體系成膠情況

圖5是0.2%A+0.1%B時(shí)凍膠體系的強(qiáng)度及成膠時(shí)間與聚合物濃度的關(guān)系。

圖5 凍膠黏度及成膠時(shí)間與聚合物質(zhì)量濃度的關(guān)系

由圖5可見，隨聚合物質(zhì)量濃度的提高，凍膠黏度也隨之升高，但增加到3 g/L后，黏度上升趨勢變緩，成膠時(shí)間隨之縮短。

2.4 聚合物質(zhì)量濃度對凍膠泡沫體系的影響

將不同聚合物濃度的凍膠泡沫置于150 ℃的恒溫箱中，考察其泡沫體積、泡沫半衰期及液膜黏度，結(jié)果見圖6和圖7。

圖6 凍膠泡沫體積及半衰期與聚合物質(zhì)量濃度的關(guān)系

由圖6及圖7可見，在凍膠泡沫制備過程中，隨聚合物質(zhì)量濃度的增加，體系半衰期增長，泡沫體積先增加后減少，體系強(qiáng)度隨之增強(qiáng)。而在凍膠泡沫的老化過程中，各體系黏度均隨老化時(shí)間的增長先升高后降低，這是由于隨時(shí)間的增長，交聯(lián)反應(yīng)程度增加，黏度隨之增加；但反應(yīng)程度增加到一定程度出現(xiàn)脫水現(xiàn)象，同時(shí)聚合物降解程度加劇，導(dǎo)致體系黏度下降。

圖7 不同強(qiáng)度凍膠泡沫液膜黏度與時(shí)間的關(guān)系

2.5 溫度對凍膠泡沫體系的影響

在最優(yōu)的組分配比條件下制備凍膠泡沫體系，考察溫度對其性能的影響，結(jié)果見圖8。

圖8 析液體積及凍膠泡沫黏度與溫度的關(guān)系

由圖8可見，隨著溫度的升高，凍膠泡沫體系析液量逐漸減少，泡沫黏度呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。在150 ℃時(shí)，體系黏度達(dá)到最高，說明在90～150 ℃，凍膠泡沫的穩(wěn)定性隨溫度升高而加強(qiáng)；其原因是隨溫度升高，交聯(lián)反應(yīng)速度加快，有利于泡沫初期形成凍膠壁。而當(dāng)溫度超過150 ℃后，體系黏度略微下降；這是由于溫度過高時(shí)，聚合物降解速率加快，同時(shí)交聯(lián)反應(yīng)程度加劇，造成聚合物團(tuán)聚，體系穩(wěn)定性降低，黏度下降。

150 ℃條件下，該凍膠泡沫體系析液半衰期為15 d，此時(shí)該凍膠泡沫的泡沫保留率仍在70%以上。表明該凍膠泡沫具有較高的高溫穩(wěn)定性，適用于高溫油藏蒸汽驅(qū)過程中調(diào)剖堵水。

2.6 泡沫凍膠的形貌及耐溫機(jī)理分析

在25 ℃、30 g/L NaCl礦化度條件下，通過光學(xué)顯微鏡及冷凍掃描電鏡觀察水基泡沫和泡沫凍膠的形貌(圖9)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與普通水基泡沫相比，凍膠泡沫外壁較厚，泡沫壁的液體析出速度較慢，形狀保持球形，其外壁上存在褶皺是交聯(lián)產(chǎn)生的凍膠骨架，可起到高溫下穩(wěn)定泡沫的作用。

圖9 普通泡沫與凍膠泡沫形態(tài)

水基泡沫可觀測到交織的晶狀結(jié)構(gòu)，為起泡劑和高礦化度下析出的NaCl相互纏繞組成，結(jié)構(gòu)連接散亂；而凍膠泡沫的液膜形成網(wǎng)狀凍膠結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)較為連續(xù)，具有較好的強(qiáng)度和剛性，有效增強(qiáng)了泡沫液壁強(qiáng)度和穩(wěn)定性，從而強(qiáng)化凍膠泡沫耐溫耐鹽性能。

2.7 泡沫凍膠封堵性能

以0.6 mL/min的速率水驅(qū)測試巖心滲透率，記錄平衡壓差。以氣液體積比3∶1，向不同滲透率的巖心中注入1.2 PV凍膠泡沫，在150 ℃下老化24 h,使凍膠泡沫成膠，然后繼續(xù)水驅(qū)，記錄壓差，計(jì)算體系的封堵率。巖心物性參數(shù)和不同滲透率巖心的封堵結(jié)果見表3、表4和圖10。

表3 巖心物性參數(shù)表

表4 不同巖心滲透率下凍膠泡沫封堵率

由表3、表4和圖10可見，該凍膠泡沫體系體系的封堵性能具有一定的選擇性，當(dāng)滲透率小于100 mD時(shí)，凍膠泡沫難以注入，無法起到封堵作用；隨巖心滲透率的升高，凍膠泡沫封堵能力先增大后減小，對于滲透率為1 000 mD的高滲巖心，注入該凍膠泡沫體系，其封堵率可達(dá)99.92%，水驅(qū)7 PV后封堵壓仍能保持4 MPa以上，具有優(yōu)良的封堵性能；當(dāng)巖心滲透率繼續(xù)升高時(shí)，凍膠泡沫的封堵能力將會下降，但仍高于低滲巖心。

圖10 不同巖心滲透率對于凍膠泡沫封堵性能影響

3 結(jié) 論

a.通過對體系組分的優(yōu)選和復(fù)配，確定耐溫凍膠泡沫配方為：3 g/L的KYPAM聚合物溶液+0.1%硫脲+0.5% SDS +0.2% A+0.1%B+0.3%黃原膠。在150 ℃，30 g/L的NaCl條件下，15d后該凍膠泡沫的泡沫保留率仍在70%以上，具有優(yōu)良的耐高溫性能。

b.制得的凍膠泡沫的封堵性能具有一定的選擇性，對高滲巖心表現(xiàn)出優(yōu)良的封堵性能。向滲透率為1 000 mD的巖心內(nèi)注入1.2 PV凍膠泡沫后，封堵率可達(dá)99.92%，同時(shí)體系的耐沖刷性良好；在水驅(qū)7 PV后，仍保持較高的封堵壓差。對邊底水油藏蒸汽吞吐后期過程中高含水現(xiàn)象，具有較好的堵水調(diào)剖應(yīng)用前景。