甜菜堿型表面活性劑與粉煤灰穩(wěn)定泡沫的協(xié)同機(jī)制

葛際江,劉子銘,李隆杰,王恩衛(wèi)

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院,山東青島 266580; 2.中國(guó)石化勝利油田分公司石油工程技術(shù)研究院,山東東營(yíng) 257000;3.中國(guó)石油新疆油田公司采油一廠(chǎng),新疆克拉瑪依 834000)

氣驅(qū)作為塔河油田現(xiàn)用且效果較好的開(kāi)發(fā)方式被廣泛推廣[1],但由于地層非均質(zhì)性、重力超覆等問(wèn)題,氣體注入過(guò)程中易發(fā)生氣竄。泡沫具有密度小、濾失量低、堵水不堵油等優(yōu)點(diǎn)[2-4],常被用作封竄劑。泡沫屬于熱力學(xué)不穩(wěn)定系統(tǒng),其穩(wěn)定性直接影響封竄效果,因此泡沫體系的穩(wěn)定性一直是泡沫封竄技術(shù)研究的重點(diǎn)[5-6]。常規(guī)表面活性劑能夠吸附在油水界面上,提高液膜的強(qiáng)度,在一定程度上起到穩(wěn)泡作用,但其在高溫高鹽條件下穩(wěn)定性較差[7]。以塔河油田為代表的苛刻條件油藏對(duì)泡沫體系的性能要求更高,耐溫耐鹽起泡劑的選擇是泡沫體系耐溫抗鹽能力的基礎(chǔ),而穩(wěn)泡劑則是進(jìn)一步提高泡沫體系穩(wěn)定性的關(guān)鍵[8-9]。甜菜堿型表面活性劑分子具有兩性電荷中心的獨(dú)特分子結(jié)構(gòu),可以螯合金屬離子,在高礦化度條件下具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力。甜菜堿型表面活性劑分子中的季銨氮使其在廣泛的pH范圍內(nèi)能保持偶極特性,相較常規(guī)的陰離子表面活性劑和非離子表面活性劑表現(xiàn)出更加優(yōu)異的電解質(zhì)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性等特點(diǎn)[10]。粉煤灰作為常見(jiàn)的顆粒類(lèi)穩(wěn)泡劑具有來(lái)源廣泛,成本低廉等特點(diǎn)[11],但是顆粒形狀不規(guī)則,組分復(fù)雜,懸浮分散性差。Singh等[12]使用粉煤灰穩(wěn)定的CO2泡沫來(lái)實(shí)現(xiàn)砂巖巖心和地層中的CO2流度控制,其認(rèn)為球磨法制備的粉煤灰可以大大提高泡沫穩(wěn)定性和阻力系數(shù),但其對(duì)于粉煤灰顆粒的二次加工顯著增加了工藝成本。Eftekhari等[13]試驗(yàn)證明在高溫高壓條件下,粉煤灰可用于提高含油氮?dú)馀菽姆€(wěn)定性,并指出在有油存在的情況下,粉煤灰-AOS泡沫具有更好的穩(wěn)定性。Lü等[14]使用玻璃刻蝕模型研究粉煤灰穩(wěn)定的CO2泡沫提高采收率的效果,發(fā)現(xiàn)在常壓條件下粉煤灰三相泡沫具有比純表面活性劑泡沫更好的穩(wěn)定性和耐油性,可以提供更好的流度控制能力和洗油效果。Guo等[15]發(fā)現(xiàn),將粉煤灰納米顆粒與AOS和月桂酰胺丙基甜菜堿表面活性劑混合使用,發(fā)現(xiàn)三相泡沫體系具有優(yōu)異的泡沫性能和良好的提高采收率效果。筆者以短碳鏈羥磺基甜菜堿和長(zhǎng)碳鏈羥磺基甜菜堿混合物作為起泡劑,使用粉煤灰工業(yè)品作為穩(wěn)泡劑,研究其在高溫高鹽條件下的泡沫性能。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)試劑及設(shè)備

表1 試驗(yàn)用粉煤灰相關(guān)參數(shù)Table 1 Related parameters of fly ash used in experiments

儀器:LB20ES型Waring Blender攪拌機(jī),美國(guó)斯伯明公司;Winner2000濕法激光粒度分析儀,濟(jì)南微納顆粒儀器股份有限公司;高清工業(yè)顯微鏡,深圳市西尼科光學(xué)儀器有限公司;DSA100B液滴形狀分析儀,德國(guó)KRUSS公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 三相泡沫制備與評(píng)價(jià)

采用攪拌法對(duì)粉煤灰三相泡沫體系的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。將100 mL起泡液倒入攪拌容器中,以4000 r/min轉(zhuǎn)速高速攪拌1 min得到粉煤灰三相泡沫。將泡沫倒入500 mL玻璃量筒中,并將量筒置于90 ℃的玻璃缸水浴內(nèi)進(jìn)行觀察。讀出量筒內(nèi)泡沫初始體積,即為三相泡沫的起泡體積。記錄泡沫體積變?yōu)槌跏贾狄话胨脮r(shí)間,即為三相泡沫體系的消泡半衰期,全程記錄泡沫體積的變化,確定泡沫體積(V)隨時(shí)間(t)的變化規(guī)律。

1.2.2 起泡劑穩(wěn)定性測(cè)試

溶液對(duì)光線(xiàn)通過(guò)時(shí)產(chǎn)生的阻礙程度表征為NTU。為研究粉煤灰固體顆粒在表面活性劑水溶液中的懸浮分散性,利用濁度計(jì)對(duì)粉煤灰地層水溶液和三相泡沫起泡劑進(jìn)行測(cè)試,記錄溶液NTU隨靜置時(shí)間的變化規(guī)律。

1.2.3 界面流變性測(cè)量

(1)測(cè)量原理。對(duì)于具有表面黏彈性的表面活性劑溶液,可用復(fù)數(shù)模量E來(lái)表征其界面流變性,即

E=E′+iE″.

(1)

式中,E″為彈性模量;E″為黏性模量。根據(jù)Gibbs給出的彈性模量的定義,有

(2)

式中,γ為表面張力;A為表面面積。

如果對(duì)表面施加正弦周期振蕩,則

E′=|E|cosθ,E″=|E|sinθ.

(3)

式中,θ為擴(kuò)張模量的相角。

(2)測(cè)量方法。以表面活性劑水溶液為水相,將光源、針頭、攝像機(jī)等系列排列,調(diào)整裝有水相的注射器形成懸滴,懸滴剖面由攝像機(jī)數(shù)字轉(zhuǎn)換到電腦上,通過(guò)振蕩腔使懸滴產(chǎn)生正弦振蕩,同步記錄懸滴表面面積,然后采用完整液滴輪廓法計(jì)算表面張力,最后對(duì)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行Fourier分析,并通過(guò)對(duì)整體試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行全面的數(shù)據(jù)分析,試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1。

圖1 液滴形狀分析儀結(jié)構(gòu)Fig.1 Sructure of droplet shape analyzer

1.2.4 泡沫圖像分析處理

為進(jìn)一步研究粉煤灰顆粒添加前后泡沫穩(wěn)定性的變化,基于MATLAB平臺(tái)編寫(xiě)了泡沫圖像識(shí)別程序。識(shí)別程序主要包括灰度化處理、圖像分塊二值化處理、真實(shí)泡沫結(jié)構(gòu)識(shí)別和泡沫特征值計(jì)算4部分。對(duì)所拍攝圖像中的單個(gè)泡沫進(jìn)行標(biāo)記和測(cè)量,將所標(biāo)記出的泡沫圓形邊界的直徑等效為泡沫實(shí)際直徑進(jìn)行后續(xù)計(jì)算。不同時(shí)刻泡沫體系的非均勻度計(jì)算公式為

(4)

圖2 泡沫圖像處理實(shí)施例Fig.2 Foam image processing embodiment

1.2.5 泡沫封堵試驗(yàn)

巖心驅(qū)替裝置示意圖如圖3所示。準(zhǔn)備巖心,將巖心抽真空后飽和模擬地層水,計(jì)算孔隙度,測(cè)量其滲透率;按流程連接試驗(yàn)設(shè)備并調(diào)試;先以恒定速度水驅(qū)至壓力穩(wěn)定,然后保持相同驅(qū)替速度進(jìn)行泡沫驅(qū);泡沫驅(qū)至壓差穩(wěn)定后轉(zhuǎn)入后水驅(qū),驅(qū)替過(guò)程中記錄巖心兩端壓差。

圖3 巖心驅(qū)替試驗(yàn)裝置流程Fig.3 Flow of core displacement experimental device

2 結(jié)果分析

2.1 粉煤灰三相泡沫體系研制

粉煤灰三相泡沫由空氣、模擬地層水、表面活性劑、粉煤灰固體顆粒4部分組成,其中粉煤灰固體顆粒是影響三相泡沫生泡能力和穩(wěn)定性的主要因素。

2.1.1 粉煤灰粒度對(duì)泡沫穩(wěn)定性的影響

粒徑過(guò)大的粉煤灰固體顆粒會(huì)因?yàn)槠渥陨碇亓Υ笥谝耗し肿拥姆兜峦郀査沽Χ鴱囊耗ぶ忻撀?進(jìn)而加快泡沫的衰敗速度。使用模擬地層水配制三相泡沫體系,研究粉煤灰中值粒徑對(duì)三相泡沫性能的影響,其中粉煤灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%、起泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 粉煤灰中值粒徑對(duì)泡沫穩(wěn)定性的影響Fig.4 Effect of fly ash particle size on foam stability

由圖4可知,隨粉煤灰粒徑的增大,三相泡沫起泡體積先增大后減小,消泡半衰期不斷下降。粒徑過(guò)小或過(guò)大的粉煤灰固體顆粒都會(huì)導(dǎo)致起泡劑發(fā)泡性能變差。這是由于在添加量相同的情況下,小粒徑固體顆粒的表面積明顯高于大粒徑固體顆粒,其表面上吸附了較多表面活性劑分子而導(dǎo)致起泡劑有效濃度降低進(jìn)而影響起泡體積;但大粒徑固體顆粒由于自身重力作用而對(duì)泡沫結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞作用,因此降低了初始泡沫體積。

2.1.2 粉煤灰粒度分布對(duì)泡沫穩(wěn)定性的影響

由于粉煤灰是火力發(fā)電廠(chǎng)煤炭燃燒的副產(chǎn)品,受鍋爐燃燒效率、煤炭質(zhì)量等因素的影響,所購(gòu)工業(yè)品的粒徑無(wú)法控制,因此收集成分和中值粒徑相近、粒度分布不同的粉煤灰進(jìn)行穩(wěn)泡性能研究(圖5)。固定粉煤灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%、起泡劑S11質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%,考察粉煤灰粒度分布對(duì)泡沫穩(wěn)定性的影響,結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖5 不同粉煤灰樣品粒度分布Fig.5 Particle size distribution of different fly ash samples

圖6 不同粒度分布的粉煤灰對(duì)泡沫性能的影響Fig.6 Effect of different particle size distribution of fly ash on foam properties

圖6表明,隨著粉煤灰固體顆粒均勻度增大,三相泡沫體系的消泡半衰期有所增加。在試驗(yàn)時(shí)間為50 min時(shí),添加樣品6#作為穩(wěn)泡劑的泡沫體積相較于添加樣品3#的泡沫多約50 mL,且其在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)維持較高的泡沫體積,該現(xiàn)象有利于提高泡沫封竄技術(shù)在地層中的應(yīng)用效果。鑒于固體顆粒的均勻度對(duì)三相泡沫的穩(wěn)定性有著較大的影響,在現(xiàn)場(chǎng)使用過(guò)程中可通過(guò)挑選煤品質(zhì)量高的原材料所生產(chǎn)出的粉煤灰或通過(guò)二次粉碎加工獲得均勻度更高的固體顆粒以提高三相泡沫穩(wěn)定性。選擇樣品6#作為泡沫穩(wěn)定劑。

2.1.3 粉煤灰添加量對(duì)泡沫穩(wěn)定性的影響

粉煤灰固體顆粒吸附到泡沫表面能夠增加液膜厚度及其界面黏彈性,從而增加泡沫的穩(wěn)定性,起到強(qiáng)化泡沫的作用。固定起泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%,考察粉煤灰固體顆粒添加量對(duì)三相泡沫體系泡沫性能的影響,結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7 粉煤灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)泡沫性能的影響Fig.7 Effect of mass fraction of fly ash particles on foam properties

由圖7看出,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)出先增加后減小的趨勢(shì)。在粉煤灰添加量達(dá)到1%時(shí),消泡半衰期達(dá)到最大值205 min。綜合考慮成本及泡沫性能效果等因素,確定粉煤灰三相泡沫體系配方為起泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%、穩(wěn)泡劑添加量為1%。

2.2 三相泡沫穩(wěn)定機(jī)制

2.2.1 粉煤灰懸浮穩(wěn)定性測(cè)試

固體顆粒在水中良好的懸浮分散性是固體顆粒在氣/液界面上均勻分布的前提[16]。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),兩性表面活性劑的加入使得粉煤灰的懸浮分散性顯著提高,結(jié)果見(jiàn)圖8。使用濁度計(jì)對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的粉煤灰水溶液和三相泡沫起泡劑進(jìn)行濁度測(cè)試,研究不同溶液中固體顆粒的沉降過(guò)程及懸浮分散性,結(jié)果見(jiàn)圖9。

圖8 粉煤灰懸浮性結(jié)果Fig.8 Result of fly ash suspension

圖9 溶液濁度隨觀察時(shí)間的變化Fig.9 Variation of NTU in solution with observation time

由圖9可以看出,1%粉煤灰地層水溶液靜置15 min后,試樣瓶?jī)?nèi)產(chǎn)生了明顯的分層現(xiàn)象,未懸浮在液相中的粉煤灰沉降在試樣瓶底部,致使NTU明顯升高,最終達(dá)到207。三相泡沫起泡劑靜置15 min后,觀察到試樣瓶下部溶液有顏色加深現(xiàn)象,但中上部液體仍保持渾濁狀態(tài),說(shuō)明少量粉煤灰顆粒產(chǎn)生了沉降,大部分粉煤灰在表面活性劑的作用下均勻懸浮在液相中。這是由于表面活性劑分子吸附于粉煤灰顆粒表面,使顆粒表面疏水性增強(qiáng),導(dǎo)致顆粒從液相向氣液表面移動(dòng);在適量表面活性劑分子吸附作用下,粉煤灰顆粒受浮力與重力共同作用懸浮在液相中。

2.2.2 粉煤灰對(duì)泡沫體系黏度的影響

使用流變儀對(duì)起泡劑溶液、純S11泡沫和三相泡沫的黏度進(jìn)行測(cè)定,試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。

圖10 不同體系黏度隨剪切速率的變化Fig.10 Variation of viscosity with shear rate in different systems

攪拌形成泡沫后,原有起泡劑內(nèi)流動(dòng)單元體積變大,體系內(nèi)黏滯力增加;液膜與液膜之間的黏滯力遠(yuǎn)大于液相內(nèi)部的黏滯力,宏觀表現(xiàn)為泡沫體系黏度遠(yuǎn)大于起泡劑黏度[17]。由圖10可知,添加粉煤灰后的起泡劑黏度無(wú)明顯變化,但三相泡沫黏度卻明顯高于純S11泡沫。這是因?yàn)榉勖夯夜腆w顆粒吸附于液膜上,將原有純液態(tài)的液膜變?yōu)楣桃夯旌蠎B(tài),顯著提高了液膜的擴(kuò)張黏彈性,增大了氣泡之間擠壓碰撞所產(chǎn)生的流動(dòng)阻力,導(dǎo)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(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生剪切稀釋作用,三相泡沫在100 s-1剪切速率下的黏度為233 mPa·s,具有較好的黏度保留率,有利于擴(kuò)大波及面積。

2.2.3 泡沫體系表面張力

考察單純甜菜堿表面活性劑以及甜菜堿和粉煤灰復(fù)合體系的動(dòng)態(tài)表面張力,結(jié)果見(jiàn)圖11。

圖11 粉煤灰對(duì)表面活性劑動(dòng)態(tài)表面張力影響Fig.11 Effect of fly ash on dynamic surface tension of surfactant

由圖11看出,表面活性劑中加入粉煤灰后,復(fù)合體系的表面張力降低速度和表面張力平衡值均發(fā)生變化。一是加入粉煤灰固體顆粒后體系表面張力有所上升,純表面活性劑泡沫的平衡表面張力為28.2 mN/m,粉煤灰三相泡沫的平衡界面張力為30.5 mN/m;二是加入粉煤灰固體顆粒后體系表面張力降低速度變慢。前者是由于粉煤灰吸附表面活性劑,降低了體相中表面活性劑的含量,后者則是由于粉煤灰在氣/液界面上的吸附影響了原有表面活性劑的吸附和排列進(jìn)而延緩了表面張力的平衡時(shí)間[18]。

固定粉煤灰質(zhì)量分?jǐn)?shù),進(jìn)一步考察粉煤灰對(duì)S11表面活性劑平衡表面張力的影響,結(jié)果見(jiàn)圖12。

圖12 粉煤灰對(duì)S11表面張力的影響Fig.12 Effect of fly ash on surface tension of s11 surfactant

可以看出,添加粉煤灰后體系表面張力平衡值高于純表面活性劑體系,且S11/粉煤灰體系的臨界膠束濃度(cmc)高于S11體系,其原因同樣是由于高比表面的粉煤灰顆粒吸附了部分S11表面活性劑分子所致。

2.2.4 起泡體系界面流變性

前面的研究表明,起泡劑S11中加入粉煤灰顆粒后,無(wú)論是動(dòng)態(tài)表面張力還是平衡表面張力都受到影響,這對(duì)起泡性能和泡沫穩(wěn)定性是不利的。為揭示粉煤灰增效起泡性能的機(jī)制,進(jìn)一步測(cè)定了兩類(lèi)體系的表面擴(kuò)張黏彈模量,見(jiàn)圖13。

圖13 體系擴(kuò)張黏彈模量隨S11質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化Fig.13 Variation of dilatational viscoelastic modulus with S11 mass fraction

由圖13可知,隨著S11質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,兩種起泡劑的擴(kuò)張黏彈模量均表現(xiàn)出先增加后減小的趨勢(shì)。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的主要原因是在起泡劑濃度較低時(shí),向其中加入的表面活性劑主要吸附在氣液表面上,增大了液膜的擴(kuò)張黏彈模量。隨著表面活性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加至臨界膠束濃度時(shí)氣液界面上的表面活性劑分子處于飽和狀態(tài),擴(kuò)張黏彈模量達(dá)到最大值。此后繼續(xù)增加S11質(zhì)量分?jǐn)?shù),加速了表面活性劑分子向表面擴(kuò)散,降低了表面張力變化梯度,由式(2)可知,體系表面擴(kuò)張模量降低。

由圖13還看出,由于粉煤灰固體顆粒的存在,S11/粉煤灰體系的擴(kuò)張黏彈模量始終高于S11體系,且在B、C區(qū)域內(nèi)差值明顯增大。圖14為S11/粉煤灰體系物質(zhì)分布隨表面活性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而變化的結(jié)果。在圖14(a)中,S11分子大多吸附于粉煤灰顆粒表面,使顆粒表面疏水性增強(qiáng),導(dǎo)致顆粒從液相向氣液表面移動(dòng),但此時(shí)表面并未吸附大量固體顆粒,因此在這一階段兩種體系的表面擴(kuò)張模量差別不大。繼續(xù)增加S11質(zhì)量分?jǐn)?shù)(圖14(b)),此時(shí)粉煤灰表面吸附了足量S11分子,越來(lái)越多的粉煤灰分布在氣液表面上,使液膜由純液態(tài)變?yōu)楣桃夯旌蠎B(tài),大幅度增加了液膜的表面擴(kuò)張模量。在S11質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)cmc后,S11分子可在顆粒表面發(fā)生了雙層吸附,使得顆粒表面表現(xiàn)為親水性,大部分顆粒由氣液表面重新回到液相中。此時(shí)的液膜的強(qiáng)度主要由起泡劑分子在界面上的吸附?jīng)Q定,因此界面擴(kuò)張模量顯著減小,泡沫穩(wěn)定性降低。

圖14 粉煤灰和S11表面活性劑分子在氣液界面的吸附Fig.14 Adsorption of fly ash and S11 surfactant molecules on gas-liquid interface mass fraction

2.2.5 三相泡沫形態(tài)

采集添加粉煤灰前后形成的泡沫圖像,結(jié)果見(jiàn)圖15。

圖15 不同起泡劑形成的泡沫Fig.15 Foam formation with different foaming agents

使用泡沫圖像處理程序?qū)Σ煌瑫r(shí)刻拍攝的泡沫照片進(jìn)行分析和計(jì)算。由于純表面活性劑泡沫體系的泡沫平面結(jié)構(gòu)在觀測(cè)時(shí)間為90 min時(shí)已衰變?yōu)椴灰?guī)則多邊形,使用圖像處理程序所得結(jié)果與實(shí)際情況存在較大誤差,因此采用Image J軟件進(jìn)行圖像處理分析,結(jié)果見(jiàn)圖16、17。

圖16 不同觀察時(shí)間泡沫的粒徑分布Fig.16 Particle size distribution of foam at different observation time

圖17 不同配方泡沫的非均勻系數(shù)隨觀測(cè)時(shí)間的變化Fig.17 Variation of inhomogeneity coefficient of different formula foam with observed time

消泡過(guò)程主要受泡沫排液、聚并和歧化3個(gè)因素共同影響。排液會(huì)導(dǎo)致泡沫液膜變薄,使泡沫從球形結(jié)構(gòu)變?yōu)轭?lèi)蜂窩狀結(jié)構(gòu)。歧化也被稱(chēng)為奧斯特瓦爾德熟化,其主要原因是氣泡間氣體的擴(kuò)散,會(huì)導(dǎo)致小氣泡的體積逐漸變小直至消失,而大氣泡的體積逐漸增大,進(jìn)而影響泡沫的整體穩(wěn)定性[19]。針對(duì)泡沫這種熱力學(xué)不穩(wěn)定系統(tǒng),通過(guò)添加穩(wěn)泡劑使其變化速度減緩,進(jìn)而延長(zhǎng)泡沫體系的半衰期。

由表2和圖16看出,添加粉煤灰的三相泡沫相較于純S11泡沫表現(xiàn)出更好的穩(wěn)定性,主要體現(xiàn)在三相泡沫具有更低的非均勻系數(shù)和更厚的液膜,且在相同觀測(cè)時(shí)間下三相泡沫的粒徑均小于純表面活性劑泡沫。在觀測(cè)時(shí)間為60 min時(shí),純表面活性劑泡沫的非均勻系數(shù)為2.432,而三相泡沫體系的非均勻系數(shù)僅為1.626。由Laplace公式可知,氣泡間氣體擴(kuò)散速度隨著不均勻系數(shù)增加而升高,添加粉煤灰的三相泡沫由于具有較高的界面擴(kuò)張模量而不易發(fā)生歧化現(xiàn)象,進(jìn)一步降低了氣泡內(nèi)氣體的擴(kuò)散速度。另外,由于粉煤灰吸附在液膜上堵塞了泡沫排液通道,在相同的排液時(shí)間內(nèi)三相泡沫具有更厚的液膜結(jié)構(gòu),因此氣體擴(kuò)散速度較慢。

表2 驅(qū)替試驗(yàn)巖心基本參數(shù)Table 2 Core Parameters for Displacement Experiments

由圖15可知,兩組泡沫的粒徑分布在初次觀察時(shí)刻均符合高斯分布,但隨著觀測(cè)時(shí)間推移,其粒徑分布曲線(xiàn)傾向于非高斯分布,即由單峰分布轉(zhuǎn)變?yōu)殡p峰分布,這與Mihail等[20]的研究結(jié)果基本一致。同時(shí)泡沫粒徑的變化規(guī)律也符合“快速增大期—緩慢變化期—平衡期”的基本認(rèn)知[18],在圖15(b)中,4次泡沫圖像拍攝分析結(jié)果為泡沫眾數(shù)粒徑差分別是2、16、24,即在觀測(cè)時(shí)間為90 min時(shí),三相泡沫體系仍處于快速變化期。對(duì)比S11體系的眾數(shù)粒徑差為6、14、16,即在90 min時(shí)已經(jīng)入平衡期。對(duì)比圖15(a)和(b)知,粉煤灰三相泡沫具有更加均勻的粒度分布,且在不同觀測(cè)時(shí)刻下,三相泡沫眾數(shù)粒徑均小于純表面活性劑泡沫,并且在觀測(cè)后期更符合標(biāo)準(zhǔn)高斯雙峰分布曲線(xiàn),說(shuō)明氣泡內(nèi)氣體擴(kuò)散速度趨于穩(wěn)定,宏觀表現(xiàn)為三相泡沫具有更好的穩(wěn)定性。

2.3 泡沫體系封堵性能

泡沫在多孔介質(zhì)中的流動(dòng)過(guò)程是重復(fù)生成-破滅過(guò)程,受重力因素導(dǎo)致的液膜排液速率對(duì)泡沫穩(wěn)定性的影響較小,同時(shí)由于體相泡沫穩(wěn)定性無(wú)法評(píng)價(jià)氣-液比對(duì)泡沫的影響,且油田開(kāi)發(fā)過(guò)程中泡沫最終要注入地層發(fā)揮其封堵調(diào)剖作用,因此有必要對(duì)泡沫在多孔介質(zhì)中的封堵效果進(jìn)行研究。圖18在溫度90 ℃、礦化度25×104mg/L模擬地層水中,使用S11和S11/粉煤灰復(fù)合體系進(jìn)行泡沫封堵試驗(yàn)的結(jié)果。其中注入方式為氣-液同注,氣-液比固定為1∶1,注氣速度控制為0.2 mL/min,回壓為3 MPa,試驗(yàn)所用巖心為人造燒結(jié)巖心,其基本參數(shù)見(jiàn)表2。

圖18 不同起泡劑巖心封堵試驗(yàn)結(jié)果Fig.18 Core plugging test results of different foaming agents

由圖17(a)可知,S11起泡劑在泡沫驅(qū)過(guò)程中的壓力曲線(xiàn)出現(xiàn)幅度較大的波動(dòng)現(xiàn)象,這是因?yàn)榕菽鳛橐环N非牛頓流體具有明顯的剪切稀釋性,純表面活性劑泡沫在巖心內(nèi)流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生了明顯的消泡現(xiàn)象而導(dǎo)致其封堵作用下降,宏觀表現(xiàn)為驅(qū)替壓差降低。而三相泡沫在注入過(guò)程中雖然也出現(xiàn)該現(xiàn)象,但變化幅度較小,說(shuō)明其具有更好的穩(wěn)定性。如表3所示,2種起泡劑在注泡沫階段都能產(chǎn)生一定的巖心封堵效果,但S11/粉煤灰起泡劑所產(chǎn)生的阻力系數(shù)為127.08,而S11起泡劑僅為67.38。在一段時(shí)間后續(xù)水驅(qū)后,2#巖心兩端壓差仍有161.83 kPa,說(shuō)明巖心內(nèi)部的三相泡沫仍具有一定的封堵能力,產(chǎn)生這一現(xiàn)象可能與粉煤灰固體顆粒的運(yùn)移和調(diào)剖作用有關(guān)。

表3 不同起泡劑的阻力因子及殘余阻力因子Table 3 Resistance factors and residual resistance factors caused by different blowing agents

泡沫封堵作用強(qiáng)弱取決于泡沫所能承受的最大擾動(dòng)和產(chǎn)生Jamin效應(yīng)的氣泡數(shù)量,試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),三相泡沫相較于純表面活性劑泡沫具有更高的擴(kuò)張黏彈模量和更小的初始泡沫體積,這些特征有利于泡沫進(jìn)入細(xì)小的孔道并形成有效封堵。擴(kuò)張黏彈模量表示了液膜受外力擾動(dòng)后恢復(fù)原有形狀的能力,其值越高,泡沫的抗擾動(dòng)能力越好。表面張力則表示泡沫生成的難易程度,表面張力越低越容易生成新的泡沫。雖然S11起泡劑具有更低的表面張力,但具有更高擴(kuò)張黏彈模量的S11/粉煤灰起泡劑產(chǎn)生了更好的封堵效果,因此在后續(xù)生產(chǎn)中應(yīng)將擴(kuò)張黏彈模量作為泡沫體系封堵性能評(píng)價(jià)的主要參考因素。

3 結(jié) 論

(1)粉煤灰添加量、粒徑及分布影響三相泡沫的性能。使用優(yōu)選出的最佳配方進(jìn)行試驗(yàn)時(shí),三相泡沫起泡體積為275 mL,消泡半衰期可達(dá)205 min。

(2)S11與粉煤灰在最佳比例下具有良好的協(xié)同作用,顯著提高了液膜的擴(kuò)張黏彈模量。純表面活性劑體系和三相泡沫體系的擴(kuò)張黏彈模量均在cmc處達(dá)到最大,但當(dāng)表面活性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增加時(shí),體系擴(kuò)張模量迅速下降。

(3)使用圖像處理軟件分析得粉煤灰三相泡沫相比于純表面活性劑泡沫具有更低的非均勻系數(shù)和更小的中值粒徑。均勻的泡沫粒徑分布和固液混合態(tài)的液膜降低了氣體透過(guò)率,減緩了奧特斯瓦爾德熟化過(guò)程,氣泡具有更好的穩(wěn)定性。

(4)粉煤灰的加入可以有效提高體系的封堵能力和耐沖刷能力,S11起泡劑所產(chǎn)生的殘余阻力系數(shù)為36.23,而S11/粉煤灰起泡劑所產(chǎn)生的殘余阻力系數(shù)高達(dá)112.53。