粉煤灰三相泡沫性能及驅油機理

劉子銘，葛際江，李隆杰，師小娟，陶正武，范家偉，黃 蘭

（1．中國石油大學（華東）石油工程學院，山東 青島 266580；2．中國石油塔里木油田公司勘探開發(fā)研究院，新疆庫爾勒 841000）

引 言

常規(guī)氮氣泡沫在高溫高鹽條件下的穩(wěn)定性較差，無法有效提高波及面積［1-2］。固體顆粒能夠吸附在氣液界面形成殼狀結構來提高泡沫穩(wěn)定性［3-5］，粉煤灰是常用固體顆粒中來源廣泛、成本低廉、可以商業(yè)化使用的一種，將其作為泡沫穩(wěn)定劑可有效降低施工成本并減少污染物的排放［6-7］。目前已有一定的研究成果證明粉煤灰可有效提高泡沫體系的穩(wěn)定性，Wang等［8］實驗優(yōu)選出 0．5%AOS＋4%懸浮劑＋8%粉煤灰的三相泡沫配方，該體系在70℃條件下的穩(wěn)定時間長達7 d。Guan等［9］實驗發(fā)現(xiàn)粉煤灰三相泡沫的穩(wěn)定性明顯高于兩相泡沫，且通過巖心實驗證明其阻力系數(shù)約為兩相泡沫的2倍。本文深入研究了粉煤灰三相泡沫的性能及驅油機理，首先使用攪拌法評價了其耐溫耐油性，明確了溫度和含油量對三相泡沫性能的影響規(guī)律，通過光學顯微鏡對三相泡沫的耐油機理進行了深入研究，隨后利用微觀驅油實驗對比了不同體系的驅替效果，明晰了三相泡沫體系的高效驅油機理，并通過巖心驅替實驗驗證了三相泡沫的提采效果。

1 材料與方法

1．1 藥品及儀器

實驗藥品：S11表面活性劑，由月桂酰胺基丙基二甲銨基羥丙基磺酸鈉、油酸酰胺基丙基二甲銨基羥丙基磺酸鈉、芥酸酰胺基丙基二甲銨基羥丙基磺酸鈉等碳鏈不同的羥磺基甜菜堿按照一定比例復配組成，有效質量分數(shù)為40%；粉煤灰，購置于河北京航礦產品有限公司，利用SEM對粉煤灰的微觀形貌進行觀察，發(fā)現(xiàn)其結構松散，以圓球狀顆粒為主，同時存在少量不規(guī)則形狀顆粒。粉煤灰粒徑d10為3．1μm、d50為6．8μm、d90為15．2μm。實驗用水為塔河油田模擬地層水，具體離子組成見表1。實驗用油為原油與煤油質量比為8∶2的模擬油，25℃下該模擬油的黏度為 250 mPa·s，密度為 0．92 g／cm3。

表1 模擬地層水離子組成Tab．1 Ion com position of simulated formation water

實驗儀器：MCR92流變儀，安東帕（上海）商貿有限公司；高清工業(yè)顯微鏡，深圳市西尼科光學儀器有限公司；高溫巖心驅替裝置，海安石油科研儀器廠。

1．2 實驗方法

1．2．1 三相泡沫性能評價方法

前序研究發(fā)現(xiàn)，在30℃，25×104mg／L的條件下，隨著粉煤灰添加量的增加，三相泡沫體系的發(fā)泡性能逐漸降低，消泡半衰期呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，在粉煤灰添加量達到1%時，體系消泡半衰期達到最大值257 min。因此本文以0．4%S11＋1%粉煤灰作為三相泡沫的最優(yōu)配方進行研究。

按照配方將一定量的粉煤灰加入S11水溶液中攪拌30 min、超聲處理30 min，隨后將其倒入Waring攪拌器中，以4 000 r／min的速度攪拌1 min，將泡沫倒入量筒，并將量筒置于可視化恒溫器內，以發(fā)泡率（初始起泡體積與起泡劑體積之比）和消泡半衰期（剩余泡沫體積降為初始起泡體積一半的時間）作為泡沫性能的評價指標。

1．2．2 泡沫遇油觀察實驗

將起泡劑攪拌生泡，使用滴管移取0．5 mL泡沫至載玻片上并蓋放蓋玻片。將制作好的泡沫標本置于光學顯微鏡下觀察，并在蓋玻片一側滴加0．2 mL模擬油，全程觀察泡沫遇油的變化過程。

1．2．3 微觀模型驅油實驗

為研究三相泡沫驅油機理，采用能夠模擬巖石孔隙結構的玻璃刻蝕模型進行驅油實驗，模型尺寸為40mm×40 mm，孔隙直徑為300～500μm。泡沫發(fā)生器為100～150目的石英砂制成的填砂管模型，泡沫由起泡劑和氮氣流經孔隙介質生成，氮氣和起泡劑的注入速度分別用氣體流量控制器和平流泵進行控制。具體實驗流程如下：①用真空泵將玻璃模型抽至真空狀態(tài)，飽和模擬地層水；②飽和原油，封堵兩端后常溫下老化12 h；③以0．02 mL／min的注入速度進行水驅、S11表面活性劑溶液驅、S11泡沫驅和三相泡沫驅，泡沫驅氣液比控制為1∶1，驅油體系中表面活性劑質量分數(shù)均為0．4%。

1．2．4 巖心驅油實驗

①將巖心抽真空后飽和模擬地層水，測定巖心滲透率和孔隙體積；②將巖心飽和油并計算初始含油飽和度；③水驅注入速度根據(jù)實際施工條件進行換算，設置為0．2 mL／min，為確保油藏在水驅階段達到最大采出量，水驅階段進行至產出液含水率達到98%；④注入0．5 PV驅油體系后轉后續(xù)水驅至產出液含水率達到98%。

2 結果與討論

2．1 粉煤灰分散性

粉煤灰在液相中具有一定的分散性是其在氣液界面上良好展布的前提［10］，因此對粉煤灰在模擬地層水和S11起泡劑中的粒徑進行測定，結果如圖1所示。

圖1 粉煤灰顆粒在不同溶液中的粒度分布Fig．1 Particle size distribution of fly ash particles in different solutions

由于粉煤灰顆粒表面電位較小，無法使其有效分散，將其加入模擬地層水中可以觀察到明顯的聚集沉降現(xiàn)象。由圖1所示，S11水溶液中的粉煤灰顆粒粒徑明顯減小，說明原有聚集態(tài)的固體顆粒產生了分散現(xiàn)象，這是由于S11作為兩性起泡劑，可有效吸附在粉煤灰表面，增強顆粒疏水性，提高其分散性，有利于粉煤灰作為穩(wěn)泡劑提高泡沫穩(wěn)定性。

2．2 三相泡沫性能

2．2．1 耐溫性

對加入粉煤灰前后的起泡劑進行生泡實驗，研究溫度對泡沫性能的影響規(guī)律，結果如圖2所示。

從圖2可以看出，添加粉煤灰前后體系的發(fā)泡率隨溫度升高均表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。在低溫區(qū)內，溫度升高使表面活性劑分子運動加劇，增大了其在液膜中的擴散速率；同時溶液黏度降低，生泡所需外部供給能量減少，起泡體積增加。但隨著溫度進一步升高，表面活性劑的親水性增強，其解吸能大于吸附能，表面活性劑在界面上的吸附能力降低，表面張力升高，導致發(fā)泡率下降［11］。溫度的升高導致分子運動加劇，一方面使液膜上表面活性劑分子的吸附量減小，單個分子獨占的面積增大，馬格尼效應減弱，液膜強度下降；另一方面，溫度升高導致表面活性劑分子的吸附速率增加，泡沫聚并和歧化速率加快，穩(wěn)定性下降［12］。但粉煤灰的加入有效提高了泡沫穩(wěn)定性，在90℃下三相泡沫的消泡半衰期為166 min，而S11泡沫僅為135 min。這是因為粉煤灰在液膜上形成殼狀結構，增大了液膜厚度，延緩了溫度升高引起的氣體快速擴散。

圖2 溫度對泡沫體系性能的影響（實心為發(fā)泡率，空心為消泡半衰期）Fig．2 Effect of tem perature on properties of foam system s

2．2．2 耐油性

泡沫的耐油性決定了其能否作為驅油劑應用于實際生產中。目前對于泡沫體系耐油性的評價存在兩種方法，一是將起泡劑與油相充分混合后進行攪拌生泡，二是將起泡劑攪拌生成的泡沫倒入油相中進行評價?？紤]到油藏中的實際驅油情況，選擇將生成的泡沫倒入油相中進行性能評價的方法。固定實驗溫度為90℃，研究泡沫體系在不同含量模擬油存在情況下的穩(wěn)定性，結果見表2。

表2 模擬油含量對泡沫穩(wěn)定性的影響Tab．2 Effect of simulated oilmass fraction on foam stability

如表2所示，兩種泡沫體系在接觸到模擬油后均產生了消泡半衰期縮短的現(xiàn)象，說明油相對泡沫產生了破壞作用。但在模擬油含量相同的情況下，三相泡沫的穩(wěn)泡時間保留率明顯高于兩相泡沫，例如模擬油含量為10%時，三相泡沫的消泡半衰期由166 min下降至114 min，保留率為68．2%；兩相泡沫的消泡半衰期由135 min下降至72 min，保留率僅為53．3%。為深入研究模擬油對不同體系泡沫的破壞作用，使用光學顯微鏡觀察油相與泡沫接觸時所產生的變化，結果如圖3所示。

圖3 模擬油與不同體系泡沫接觸時的顯微圖像Fig．3 Observation of contact between simulated oil and foam of different systems

由圖3（a）可知，S11泡沫在接觸到模擬油時就劇烈消泡，模擬油在破壞一定量的氣泡后由連續(xù)相變?yōu)榉稚⑾?，此時油相的破壞作用明顯減弱，剩余氣泡可穩(wěn)定存在一定時間。這是由于滴加模擬油到S11泡沫的瞬間，油相迅速取代原有的液膜空間并與氣液界面上的S11分子接觸。由于油相的非極性遠超空氣，原有氣液界面上的S11分子與油相結合，產生乳化現(xiàn)象，形成圖3（a）中所觀察到的油滴。油相的存在導致氣液界面上的S11分子迅速減少，氣泡表面張力升高，液膜強度下降，出現(xiàn)氣泡破裂的現(xiàn)象。

由圖3（b）所示，三相泡沫與模擬油接觸時，未產生明顯消泡現(xiàn)象，并且模擬油能夠以液滴狀通過液膜持續(xù)移動直至充滿整個液膜空間。針對添加粉煤灰前后泡沫耐油性的變化，認為存在兩點原因，一是三相泡沫與油相接觸時，粉煤灰表面所吸附的S11分子與液膜表面的S11分子同時產生脫吸附現(xiàn)象，致使三相泡沫表面S11分子數(shù)量小幅度減少；同時，粉煤灰與S11分子形成的復合界面膜使得液膜的強度增加，提高了泡沫的穩(wěn)定性，因此三相泡沫表現(xiàn)出更好的耐油性。二是泡沫柱底部氣泡破裂時將對泡沫整體造成擾動影響，S11泡沫液膜強度較低，容易出現(xiàn)連鎖消泡的現(xiàn)象。

2．2．3 流變性

使用流變儀對S11起泡劑溶液、三相泡沫起泡劑溶液、S11泡沫和三相泡沫的黏度進行測定。由于施工過程中泡沫存在“衰敗—再生”的重復過程，根據(jù)施工注入速度及施工距離進行計算，控制測試時間為100 s，實驗結果如圖4所示。

圖4 不同體系黏度隨剪切速率的變化Fig．4 Variation of viscosity of different system s w ith shear rate

攪拌形成泡沫后，起泡劑內原有流動單元體積變大，體系內黏滯力增加；液膜與液膜之間的黏滯力遠大于液相內部的黏滯力，宏觀表現(xiàn)為泡沫黏度遠大于起泡劑黏度［13］。由圖4可知，添加粉煤灰后的起泡劑溶液黏度無明顯變化，但三相泡沫黏度卻明顯高于S11泡沫。這是因為粉煤灰固體顆粒吸附于液膜上，將原有純液態(tài)的膜變?yōu)楣桃夯旌蠎B(tài)，顯著提高了液膜的擴張黏彈性，增大了氣泡之間擠壓碰撞所產生的流動阻力，導致三相泡沫黏度增加。泡沫作為典型的假塑性流體，在地層中流動時會出現(xiàn)剪切稀釋現(xiàn)象，三相泡沫在100 s-1剪切速率下的黏度為233 mPa·s，表現(xiàn)出較好的黏度保留率。

2．3 微觀驅油實驗

為研究不同體系對微觀刻蝕模型內模擬油的驅替效果，進行了4組平行實驗，分別為模擬地層水驅、S11表面活性劑驅、S11泡沫驅和三相泡沫驅。

2．3．1 水驅和表面活性劑驅

微觀模型中注水驅油采集的圖像信息見圖5，其中模型左上角為注入端，右下角為流出端。

由圖5（a）可知，注入水進入孔隙后優(yōu)先沿主流線方向前進，驅替原油的同時在孔壁上留下一層油膜。注入0．5 PV后水驅突破，形成明顯水流通道，繼續(xù)注入至3．0 PV，水驅波及范圍增大，但由于油水之間較大的黏度差和較高的界面張力，在驅替過程中產生了明顯的指進現(xiàn)象（圖5（b））。觀察到大量殘余油以膜狀油、簇狀油、末端油的形態(tài)分布于孔隙內，具體分布形態(tài)見圖6。

圖5 水驅后模型微觀圖像Fig．5 Images ofm icro model after water flooding

圖6 水驅后殘余油分布狀態(tài)Fig．6 Residual oil distribution images after water flooding

由于微觀模型孔隙存在局部親油性，導致部分殘余油緊貼一側孔隙內壁分布，注入水通過時沿油膜外側流動而未能進入油膜與孔隙介質之間，因此形成了膜狀殘余油（圖6（a））。簇狀剩余油（圖6（b））的出現(xiàn)是因為孔隙周圍形成了水流通道后，后續(xù)注入水將沿著已形成的優(yōu)勢通道流動而無法波及到內部殘余油。在微觀模型邊緣區(qū)域存在較多的末端殘余油（圖6（c）），對比觀察后發(fā)現(xiàn)，此類殘余油所分布的孔隙末端一般具有進深長、孔隙開口小、開口方向與水流方向不一致的特點，注入水流經時受到毛管阻力和高黏度原油阻擋的影響無法進入孔隙內部形成有效驅替。后續(xù)注入5．0 PV模擬地層水后，發(fā)現(xiàn)上述3類殘余油仍未被明顯驅出，此時微觀模型水驅采出程度僅為26．1%。使用S11表面活性劑驅油，研究表面活性劑驅后剩余油分布規(guī)律，結果如圖7所示。

圖7 S11表面活性劑驅后模型微觀圖像Fig．7 Images ofm icro model after S11 surfactant flooding

由圖7可以看出，與水驅相比，表面活性劑驅提高了波及面積和洗油效率，注入3 PV后微觀模型采出程度達到49．3%。對比水驅和表面活性劑驅3 PV時的模型內殘余油分布情況可以看出，表面活性劑驅由于具有一定的降低界面張力的效果，削弱了指進現(xiàn)象，但其與原油之間仍具有明顯黏度差，存在明顯未波及到的區(qū)域。S11表面活性劑的加入增強了驅替液對膜狀殘余油的剝蝕能力，如圖8（a）所示，表面活性劑使大部分膜狀殘余油變薄，并將剝離出的原油乳化為小油滴，降低了驅替阻力。由圖8（b）、8（c）可知，表面活性劑驅對簇狀油和末端油的驅替效果仍不理想，雖然表面活性劑溶液可以更貼近壁面流動，并將油從孔壁上去除，但由于黏度差的作用，驅替液仍傾向于沿著已形成的流線方向前進，因此孔隙進口方向與流線方向不同的孔隙內殘余油仍無法被驅出。

圖8 S11表面活性劑驅后殘余油分布狀態(tài)Fig．8 Residual oil distribution images after S11 surfactant flooding

2．3．2 S11泡沫驅和三相泡沫驅

水驅和表面活性劑驅過程中存在著大量低效驅油的現(xiàn)象，如注入液只能在一定區(qū)域內流動或在油和孔壁之間流動，導致波及面積小，驅油效率低。一旦出現(xiàn)這種現(xiàn)象，在不改變現(xiàn)有生產制度的條件下，無法對殘余油進行有效開采。針對這種情況，進行了S11泡沫驅油和三相泡沫驅油實驗，結果見圖9。

圖9 泡沫驅后模型微觀圖像Fig．9 Images ofm icroscopic model after foam flooding

S11泡沫驅和三相泡沫驅后的采出程度分別達到89．2%和95．4%，對比圖9（a）和圖9（b）可知，三相泡沫具有比純S11泡沫驅更大的波及面積和更好的洗油效率。這是因為三相泡沫的黏度更高，且粉煤灰加入后形成的復合驅油效果對波及面積內的殘余油具有更好的啟動作用。由于兩相泡沫的體相黏度較低并且泡沫穩(wěn)定性較差，無法對模型邊緣區(qū)域進行有效波及，導致圖9（a）中的邊緣區(qū)域存在大量殘余油分布，而經過三相泡沫驅替后的邊緣區(qū)域僅存在少量殘余油。為進一步明確三相泡沫提高采收率的機理，對上述3種典型殘余油的啟動機理進行深入研究。

圖10顯示了三相泡沫對膜狀殘余油的驅動過程。如圖10（a）所示，在三相泡沫驅初始階段，形成了2條泡沫移動的優(yōu)勢通道（圖中紅色箭頭所指示），而中間孔道內的剩余油由于未被波及到而形成了殘余油，同時基質周圍也可觀察到緊貼壁面的油膜存在。如圖10（b）、（c）所示，隨著注入量的增加，三相泡沫開始進入中間孔道，孔道內大部分殘余油被泡沫推出；同時膜狀油厚度也逐漸變薄。在圖10（d）中觀察到類似于“凹岸侵蝕，凸岸堆積”的現(xiàn)象，圖中所觀察基質為半圓形結構，基質上部近似于直線型流道，而下部則為半圓形的彎曲流道；在泡沫驅過程中，直線型流道內緊貼基質的膜狀油很容易被乳化帶走，而下部彎曲流道內的膜狀油則不易被分割剝離。這一現(xiàn)象形成的原因與進入這一孔道前三相泡沫移動的慣性方向有關，由于泡沫在模型中的移動速度較快，受慣性影響其進入中間孔道后首先與孔道的外側邊界相接觸并形成優(yōu)勢通道；并且由于三相泡沫粒徑較小，無法同時對孔道內外邊界形成有效的刮除作用，最終導致彎曲孔道的內邊界上仍存在殘余油。

圖10 三相泡沫對膜狀殘余油的驅動機理（紅色箭頭表示泡沫移動方向，黃色箭頭表示膜狀油移動方向）Fig．10 Driving mechanism of three-phase foam on membrane residual oil

圖11 展示了弱波及區(qū)域內的簇狀殘余油的驅動過程，在圖11（a）、（b）中，觀察到泡沫首先由靠近主流線一側的孔道進入，在流經多孔道交匯處時選擇沿原有流動方向繼續(xù)前進而未流入其他孔道，這說明泡沫在孔道內的高速流動確實受到慣性作用的影響。同時泡沫在孔道中的流動導致孔道內壓強變小，相鄰孔道內的原油受到吸引作用而流入該孔道內。從圖11（c）可以看到，外側孔道內的泡沫數(shù)量明顯低于內側孔道，說明在注入速度一定的情況下，三相泡沫驅具有一定的增大波及面積的效果但增幅有限，越遠離主流線，其受波及強度越弱。針對所觀察的簇狀殘余油，主要依靠泡沫對其的推動作用進行活化，因此需要泡沫具有較好的穩(wěn)定性和較高的擴張黏彈模量。

圖11 三相泡沫對簇狀殘余油的啟動機理（紅色箭頭表示泡沫移動方向，黃色箭頭表示簇狀殘余油移動方向）Fig．11 Driving mechanism of three-phase foam to cluster residual oil

微觀模型中存在許多末端孔隙，其形狀為一端開口一端封閉的洞狀結構。通過上述實驗可以看出，水驅無法將末端孔隙中原油驅出，表面活性劑驅也僅能剝離末端入口處的一部分原油，無法對內部原油進行作用，而三相泡沫驅對于這部分殘余油具有很好的啟動作用。

圖12展示了末端殘余油在三相泡沫作用下活化的過程，由圖12（a）、（b）可知，在三相泡沫驅初始階段，末端孔隙內殘余油并未受到任何影響，流經的三相泡沫只是將末端孔隙入口兩側的膜狀油進行剝離。注入一定量的泡沫后（圖12（c）），末端孔隙入口處的泡沫受到注入端泡沫傳遞的壓力而開始被擠入孔隙中，原來占據(jù)末端孔隙內主要空間的殘余油受到氣泡的排斥作用而部分流出。實驗發(fā)現(xiàn)，進入末端孔隙的氣泡不會再流出；隨著驅替進行，氣泡間氣體不斷擴散，末端孔隙內部氣泡膨脹變大，迫使更多的殘余油向外流動。如圖12（d）中黃色箭頭所示，乳化生成的油滴在泡沫擠壓攜帶的作用下不斷沿模型外側流入孔隙中，原有末端孔隙內壁的殘余油被活化啟動。對比孔隙內和孔道內的泡沫液膜可以看出，孔隙內泡沫液膜包含明顯的油滴，說明泡沫液膜為油滴的移動提供了通道，同時說明三相泡沫具有良好的遇油穩(wěn)定性。

圖12 三相泡沫對末端殘余油的驅動機理（紅色箭頭表示泡沫移動方向，黃色箭頭表示末端殘余油移動方向）Fig．12 Driving mechanism of three-phase foam on term inal residual oil

2．4 巖心驅油實驗

由于粉煤灰樣品為微米級顆粒，在使用過程中可能對細小孔隙產生堵塞現(xiàn)象，因此采用目前使用最廣泛的“1／3架橋”理論對其地層適用性進行分析。該理論認為孔徑與粒徑之比大于3時，顆?？稍诙嗫捉橘|內無堵塞流動。通過Kozeny-Carman方程對地層滲透率進行反算，設定孔隙度為30%，則該粉煤灰樣品在滲透率大于3μm2的巖心中具有較好的流通性。分別使用S11表面活性劑、S11泡沫和S11／粉煤灰三相泡沫作為驅油體系進行巖心驅油實驗，實驗結果如表3所示。

表3 不同驅油體系巖心驅油實驗結果Tab．3 Core displacement experiment results of different oil displacement systems

由表3可知，當S11表面活性劑為驅油體系時，巖心采收率較低，主要原因是表面活性劑溶液雖然具有一定降低界面張力的作用，但其黏度較低，在注入過程中易沿高滲區(qū)域突進，導致波及面積較??；在后續(xù)水驅過程中也會被稀釋而失去降低界面張力的作用。使用S11泡沫驅替時，由于泡沫黏度較高，同時在巖層中還能形成Jamin效應，從而使波及面積進一步擴大，所以它的提采效果優(yōu)于表面活性劑驅。對比S11泡沫驅和三相泡沫驅可以發(fā)現(xiàn)，三相泡沫驅的驅替效果優(yōu)于兩相泡沫驅。分析存在以下兩種機理：首先，S11泡沫耐油性較差，遇油消泡作用劇烈，降低了驅油效率；且在后續(xù)水驅過程中，由于S11泡沫擴張黏彈模量較小，無法起到有效的封堵。其次，由微觀驅油實驗結果可知，三相泡沫具有比S11泡沫更好的膜狀油清除能力和末端殘余油驅動能力。

3 結 論

（1）粉煤灰的加入提高了S11泡沫的耐溫性和耐油性，使其更適用于高溫高鹽油藏。

（2）與S11表面活性劑驅相比，S11泡沫驅提高了一定的采收率，但由于其耐油性較差、液膜強度較低，進而導致波及面積較小、洗油效率較低。

（3）粉煤灰加入后明顯提高了泡沫體系的黏度，擴大了波及面積；同時，由于其吸附在氣泡表面，增加了表面粗糙度，提高了泡沫對孔道內壁附著油和末端殘余油的活化能力。

（4）巖心驅替實驗結果表明，三相泡沫的采出程度在S11泡沫驅的基礎上提高了13．5%，總采出程度達到60．5%。