郭程飛,王勃琛,石 彬,張?zhí)忑?王 超
(1.陜西延長(zhǎng)石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院,陜西 西安 710300; 2.西安石油大學(xué) 石油工程學(xué)院,陜西 西安 710065)
試驗(yàn)區(qū)為高溫(80 ℃)、高鹽(160 599 mg/L)、普通稠油(286 mPa·s)油藏,水驅(qū)標(biāo)定采收率僅13%~15%,常規(guī)含聚合物化學(xué)驅(qū)提高采收率效果不理想[1-3]。目前,現(xiàn)場(chǎng)已實(shí)施泡沫驅(qū),取得良好的增油降水效果。但隨著試驗(yàn)區(qū)規(guī)模不斷擴(kuò)大、油層非均質(zhì)性及厚度增加,油層深部泡沫的氣液兩相發(fā)生黏性指進(jìn)和重力分異[4],局部區(qū)域發(fā)生氣竄[5-7],制約了泡沫驅(qū)的大規(guī)模應(yīng)用。改進(jìn)發(fā)泡劑性能,特別是提高泡沫穩(wěn)定性,是目前改善泡沫驅(qū)應(yīng)用效果的主要方法[8-13]。相關(guān)文獻(xiàn)表明,添加聚合物穩(wěn)泡劑在提高泡沫穩(wěn)定性的同時(shí),也降低了發(fā)泡性[14-17]。微觀驅(qū)替實(shí)驗(yàn)表明,泡沫以生成、破滅、運(yùn)移以及再生的方式向油層深部滲流[18],發(fā)泡性和穩(wěn)定性?xún)蓚€(gè)因素共同決定了泡沫驅(qū)的實(shí)際應(yīng)用效果[19]。但在油層深部,由于滲流面積增大、滲流速度減小、驅(qū)動(dòng)能量降低,影響和制約了泡沫的生成/再生[20-21]。而無(wú)泡沫的產(chǎn)生,泡沫穩(wěn)定性則失去意義。特別是泡沫穩(wěn)定性較高的聚合物強(qiáng)化泡沫,一般以犧牲發(fā)泡性為代價(jià),可能造成泡沫在油層中的有效運(yùn)移距離縮短,甚至未發(fā)揮增效作用。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法,以實(shí)驗(yàn)室合成的一種陰離子長(zhǎng)鏈?zhǔn)杷喓暇酆衔颬AAO-1作為穩(wěn)泡劑,研究了溶液黏度對(duì)聚合物強(qiáng)化泡沫性能的影響,探討了不含聚合物的泡沫和聚合物強(qiáng)化泡沫的油層適應(yīng)性,為現(xiàn)場(chǎng)合理選擇泡沫體系、精準(zhǔn)實(shí)施改善泡沫驅(qū)方案提供依據(jù)。
實(shí)驗(yàn)工作液分別為純聚合物溶液、不含聚合物的泡沫溶液、聚合物強(qiáng)化泡沫溶液。本文所用聚合物是由丙烯酰胺、丙烯酸正辛酯、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸共聚合成的一種陰離子長(zhǎng)鏈?zhǔn)杷喓暇酆衔?命名為PAAO-1,相對(duì)分子質(zhì)量618×104Dalton,該聚合物在試驗(yàn)區(qū)高溫(80 ℃)、高鹽(160 599 mg/L)油藏條件下,溶液黏度達(dá)到42 mPa·s,增黏效果顯著,具備耐溫抗鹽性;發(fā)泡劑為實(shí)驗(yàn)室復(fù)配體系,主劑為椰油酰胺丙基羥磺基甜菜堿、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉,臨沂市蘭山區(qū)綠森化工有限公司,助劑為十四醇,成都市科隆化學(xué)品限公司。實(shí)驗(yàn)用水均為模擬地層水,礦化度160 599 mg/L,離子濃度(單位 mg/L)為:Na++K+53 090、Ca2+7 416、Mg2+1 204、Cl-97 400、SO42-1 224、HCO3-265,成都市科隆化學(xué)品限公司。實(shí)驗(yàn)用氣為壓縮空氣,成都天源氣體制造有限公司。人造巖心2只,規(guī)格Φ2.5×10 cm;填砂管2只,規(guī)格Φ5.2×30 cm。
儀器設(shè)備包括Brookfield DV-Ⅲ+黏度計(jì),美國(guó)Brookfield公司;Waring Blender 攪拌器,美國(guó)OFITE;DHG-9101.2SA恒溫箱,上海三發(fā)科學(xué)儀器有限責(zé)任公司;驅(qū)替實(shí)驗(yàn)裝置包括巖心夾持器、填砂管、平流泵、中間容器、六通閥、壓力表、管線(xiàn)等,海安石油科研儀器有限公司。
(1)溶液黏度測(cè)量
采用黏度計(jì)Brookfield DV-Ⅲ+測(cè)量溶液黏度,測(cè)量溫度為80 ℃,剪切速率為7.34 s-1。純聚合物PAAO-1溶液由4 000 mg/L聚合物母液稀釋至實(shí)驗(yàn)設(shè)定濃度,聚合物強(qiáng)化泡沫溶液由質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.15 %復(fù)配發(fā)泡劑溶液(濃度固定)和實(shí)驗(yàn)所設(shè)定濃度的純聚合物PAAO-1溶液混合配制而成。
(2)泡沫性能評(píng)價(jià)
采用Waring Blender法進(jìn)行泡沫性能評(píng)價(jià),攪拌器中倒入100 mL發(fā)泡液,以7 000 r/min攪拌2 min,再倒入1 000 mL容積量筒中,并立即蓋上塞子密封,置于80 ℃烘箱中,記錄不同時(shí)刻的泡沫體積。其中,初始時(shí)刻的泡沫體積作為發(fā)泡性指標(biāo);泡沫體積降至一半的時(shí)間為泡沫半衰期,作為穩(wěn)定性指標(biāo);綜合指數(shù)指標(biāo)同時(shí)反映泡沫的發(fā)泡性和穩(wěn)定性,計(jì)算方法如下:
(1)
式中:FCI為綜合指數(shù),mL·s;Vf為泡沫體積,mL;t1/2為泡沫半衰期,s。
(3)泡沫在巖心中生成能力實(shí)驗(yàn)
采用改變驅(qū)替速度引入能量的方式,研究不含聚合物的泡沫(0.15%復(fù)配體系)和聚合物強(qiáng)化泡沫(0.15%復(fù)配體系+1 200 mg/L疏水締合聚合物PAAO-1)在巖心中的生成能力。由于實(shí)驗(yàn)壓力響應(yīng)值較小且變化幅度相對(duì)較大,為降低巖心的微觀孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)泡沫生成速度的影響,設(shè)計(jì)每種泡沫使用同一只人造巖心,每完成一次實(shí)驗(yàn),將巖心使用模擬地層水清洗干凈再利用。實(shí)驗(yàn)條件為溫度80 ℃、回壓6 MPa、氣/液比1∶1、氣液共注以及無(wú)油等。使用達(dá)西滲流公式,將測(cè)得的壓力值換算為泡沫有效黏度,計(jì)算方法如下:
(2)
式中:k為滲透率,μm2;L為巖心長(zhǎng)度,cm;A為巖心截面積,cm2;Δp為驅(qū)替壓差,MPa;Q為驅(qū)替速度,cm3/s;μ為泡沫黏度,mPa·s。
(4)泡沫驅(qū)提高采收率實(shí)驗(yàn)
采用填砂管單巖心均質(zhì)物理模型,開(kāi)展不含聚合物的泡沫(0.15%復(fù)配體系)和聚合物強(qiáng)化泡沫(0.15%復(fù)配體系+1 200 mg/L疏水締合聚合物PAAO-1)提高采收率研究。填砂管抽真空飽和模擬地層水,測(cè)量孔隙體積并水驅(qū)測(cè)定滲透率,再注入模擬油(脫水脫氣原油與煤油混合,體積比為1∶2,80 ℃,黏度為286 mPa·s,與試驗(yàn)區(qū)普通稠油的黏度相同)建立含油飽和度。在80 ℃條件下熟化12 h后,分別以0.5 mL/min和0.2 mL/min的驅(qū)替速度開(kāi)展單巖心提高采收率實(shí)驗(yàn),首先水驅(qū)至含水率98%,然后注入1.0 PV泡沫(氣/液比1∶1、氣液共注)驅(qū)替,后續(xù)再水驅(qū)至含水率98%,記錄壓力、產(chǎn)量等數(shù)據(jù)。
采用填砂管并聯(lián)巖心非均質(zhì)物理模型,開(kāi)展不含聚合物的泡沫(0.15%復(fù)配體系)和聚合物強(qiáng)化泡沫(0.15 %復(fù)配體系+1 200 mg/L疏水締合聚合物PAAO-1)提高采收率研究。同時(shí)使用兩根填砂管,填制不同滲透率級(jí)差的巖心,分別為2、4、10 3個(gè)級(jí)別。準(zhǔn)備工作同單巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn),驅(qū)替過(guò)程先以1.0 mL/min水驅(qū)至含水率超過(guò)98%,然后注入1.0 PV泡沫(氣/液比1∶1、氣液共注)驅(qū)替,再后續(xù)水驅(qū)至含水率超過(guò)98%,記錄壓力、產(chǎn)量等數(shù)據(jù)。
疏水締合聚合物PAAO-1溶液和聚合物強(qiáng)化泡沫溶液的黏濃曲線(xiàn)關(guān)系,如圖1所示??梢钥闯?純聚合物PAAO-1溶液黏度初期增長(zhǎng)速度較慢,直到聚合物PAAO-1質(zhì)量濃度大于1 000 mg/L,溶液黏度迅速增加,這是由于疏水締合物PAAO-1分子間發(fā)生締合作用而增黏,根據(jù)黏濃曲線(xiàn)關(guān)系,疏水締合聚合物PAAO-1的臨界締合濃度為1 000 mg/L。聚合物強(qiáng)化泡沫溶液在聚合物濃度遠(yuǎn)低于臨界締合濃度時(shí),由于發(fā)泡劑(主要為表面活性劑)的疏水基團(tuán)插入到聚合物的疏水微區(qū)中,使聚合物PAAO-1分子的構(gòu)象舒展,促進(jìn)疏水締合聚合物發(fā)生締合作用,引起溶液黏度增加。當(dāng)聚合物PAAO-1質(zhì)量濃度大于1 500 mg/L時(shí),相對(duì)聚合物和表面活性劑混合溶液,純聚合物PAAO-1分子間的締合作用更強(qiáng)、分子間的相互纏繞程度更高,因而,純聚合物PAAO-1溶液黏度超過(guò)了聚合物強(qiáng)化泡沫溶液黏度。
圖1 聚合物PAAO-1質(zhì)量濃度對(duì)溶液黏度的影響Fig.1 Effect of polymer PAAO-1 mass concentration on apparent viscosity of solution
將不同濃度聚合物PAAO-1作為穩(wěn)泡劑加入到發(fā)泡劑中,使用Waring Blender法進(jìn)行泡沫性能評(píng)價(jià),結(jié)果如圖2至圖4所示。隨著聚合物PAAO-1濃度的增加,泡沫體積呈減小趨勢(shì),泡沫體積由無(wú)聚合物時(shí)的695 mL降至聚合物PAAO-1濃度1 200 mg/L時(shí)的550 mL,降幅為20.8%。這是由于聚合物PAAO-1加入發(fā)泡劑后,增加了溶液黏度,克服Gibbs自由能形成泡沫的難度增加,從而降低了發(fā)泡性。而泡沫半衰期隨聚合物PAAO-1濃度的增加而增大,泡沫半衰期由無(wú)聚合物時(shí)的533 s增加至聚合物PAAO-1質(zhì)量濃度1 200 mg/L時(shí)的1 768 s,增幅為231.7%。分析認(rèn)為,一方面溶液黏度增加,減緩液膜排液速度,使得泡沫間的Plateau邊界穩(wěn)定;另一方面疏水締合聚合物PAAO-1分子具有兩親結(jié)構(gòu),能吸附至氣液界面,與表面活性劑分子發(fā)揮協(xié)同作用,提高液膜強(qiáng)度。通過(guò)以上兩個(gè)作用大幅度增加了泡沫穩(wěn)定性。
圖2 聚合物PAAO-1質(zhì)量濃度對(duì)泡沫體積的影響Fig.2 Effect of polymer PAAO-1 mass concentration on foam volume
圖3 聚合物PAAO-1質(zhì)量濃度對(duì)泡沫半衰期的影響Fig.3 Effect of polymer PAAO-1 mass concentration on foam half-life
圖4 聚合物PAAO-1質(zhì)量濃度對(duì)綜合指數(shù)的影響Fig.4 Effect of polymer PAAO-1 mass concentration on composite index of foam
由于泡沫半衰期的增幅遠(yuǎn)大于泡沫體積的降幅,綜合指數(shù)隨聚合物PAAO-1質(zhì)量濃度增加而呈增強(qiáng)的趨勢(shì)。通常情況室內(nèi)實(shí)驗(yàn)采用Waring Blender法并利用綜合指數(shù),可以確定適用于試驗(yàn)區(qū)高溫高鹽油層條件的泡沫體系以及聚合物穩(wěn)泡劑使用量(本文后續(xù)實(shí)驗(yàn)聚合物PAAO-1質(zhì)量濃度為1 200 mg/L)。但是考慮在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中,泡沫運(yùn)移至油層深部后,滲流面積增大、滲流速度減小,導(dǎo)致泡沫再生性降低。因此,需進(jìn)一步探討不同驅(qū)替速度條件下,聚合物強(qiáng)化泡沫體系的生成能力,以確定泡沫體系中是否外加穩(wěn)泡劑,為構(gòu)建高效改善泡沫體系提供依據(jù)。
泡沫在巖心中的形成,涉及液膜分離、縮頸分離以及液膜滯后等微觀機(jī)理。這里考察不含聚合物的泡沫和聚合物強(qiáng)化泡沫在巖心中的生成能力,使用人造巖心進(jìn)行實(shí)驗(yàn),孔隙度25%、滲透率500×10-3μm2,通過(guò)泡沫有效黏度隨驅(qū)替速度的變化表征不同體系的泡沫生成能力,結(jié)果如圖5所示。隨著驅(qū)替速度的增加,兩種泡沫體系的泡沫有效黏度呈增加趨勢(shì),這是由于驅(qū)替速度越大,巖心剪切和擾動(dòng)作用越強(qiáng),產(chǎn)生的泡沫越多。當(dāng)驅(qū)替速度小于0.08 mL/min,聚合物強(qiáng)化泡沫的有效黏度始終小于不含聚合物的泡沫(復(fù)配體系),這是由于過(guò)高的液體黏度不利于孔喉處的液膜回流聚集,影響液膜發(fā)生卡斷,因而,聚合物強(qiáng)化泡沫在驅(qū)替速度較低條件下泡沫形成不充分。但當(dāng)驅(qū)替速度為0.08 mL/min時(shí),巖心剪切和擾動(dòng)作用強(qiáng),使得聚合物強(qiáng)化泡沫發(fā)泡性提高,巖心中形成的泡沫總量增加,并且其有效黏度超過(guò)不含聚合物的泡沫,達(dá)到了288 mPa·s。由此可知,聚合物強(qiáng)化泡沫適應(yīng)于滲流速度較大的油層條件(如高滲透層、裂縫發(fā)育)。
圖5 驅(qū)替速度對(duì)泡沫有效黏度的影響Fig.5 Effect of displacement velocity on effective viscosity of foam
使用不同驅(qū)替速度下泡沫有效黏度與驅(qū)替速度為0.01 mL/min時(shí)的泡沫有效黏度之間的比值進(jìn)行分析,結(jié)果如圖6所示。不含聚合物的泡沫有效黏度比值隨驅(qū)替速度增加而迅速增大,增幅大于聚合物強(qiáng)化泡沫,表現(xiàn)出良好的巖心生成能力;當(dāng)驅(qū)替速度為0.06 mL/min,不含聚合物的泡沫有效黏度比值增幅趨緩,泡沫在巖心中的形成與破滅平衡而達(dá)到了穩(wěn)態(tài),此時(shí)泡沫有效黏度達(dá)到了245 mPa·s,說(shuō)明不含聚合物的泡沫在較低滲流速度條件下生成,有利于泡沫在油層深部再生,起到良好的深部調(diào)驅(qū)作用。對(duì)于聚合物強(qiáng)化泡沫,一方面在較低速度條件下形成的泡沫少、泡沫有效黏度低,另一方面溶液的黏度高,因而,泡沫有效黏度比值始終低于不含聚合物的泡沫;同時(shí)可以看出,在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi),聚合物強(qiáng)化泡沫在巖心中的生成量未達(dá)到穩(wěn)態(tài),還需更高的驅(qū)替速度,同樣也說(shuō)明了聚合物強(qiáng)化泡沫適應(yīng)于滲流速度較大的油層條件。
圖6 驅(qū)替速度對(duì)泡沫有效黏度比值的影響Fig.6 Effect of displacement velocity on effective viscosity ratio of foam
根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,以泡沫有效黏度比值>2為判別條件,確定不含聚合物的泡沫(復(fù)配體系)的臨界發(fā)泡滲流速度為0.06 m/d(驅(qū)替速度為0.02 mL/min),聚合物強(qiáng)化泡沫的臨界發(fā)泡滲流速度為0.12 m/d(驅(qū)替速度為0.04 mL/min)。
設(shè)計(jì)驅(qū)替速度分別為0.5 mL/min(滲流速度約為0.33 m/d)和0.2 mL/min(滲流速度約為0.12 m/d),考察不同滲流速度對(duì)泡沫驅(qū)提高采收率的影響,結(jié)果見(jiàn)表1。當(dāng)驅(qū)替速度為0.5 mL/min時(shí),不含聚合物的泡沫提高采收率幅度與聚合物強(qiáng)化泡沫相當(dāng),分別比水驅(qū)提高采收率13.53%、13.66%。說(shuō)明在均勻巖心中(單巖心),兩種泡沫能夠大幅度提高試驗(yàn)區(qū)普通稠油的采收率,因此,從降低成本角度,無(wú)需外加聚合物穩(wěn)泡劑,采用復(fù)配方法即可能獲得較為理想的提高采收率效果。
表1 不同體系單巖心泡沫驅(qū)油實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Experimental results of single core foam flooding of different solution systems
當(dāng)驅(qū)替速度為0.2 mL/min(即與聚合物強(qiáng)化泡沫的臨界發(fā)泡滲流速度相當(dāng))時(shí),不含聚合物的泡沫(復(fù)配體系)提高采收率幅度為12.93%,略低于驅(qū)替速度為0.5 mL/min條件;但聚合物強(qiáng)化泡沫提高采收率卻大幅度降低至8.65%。主要是由于較低滲流速度時(shí),復(fù)配體系仍能夠大量形成泡沫,而外加聚合物穩(wěn)泡劑使得溶液黏度增加,造成巖心中形成泡沫較少,泡沫驅(qū)的流度控制作用和擴(kuò)大微觀波及效率作用較差。說(shuō)明外加聚合物穩(wěn)泡劑不利于泡沫在滲流速度較低情況下生成大量泡沫,因而,在油層深部滲流速度較低時(shí),泡沫再生能力較差。
分析不同驅(qū)替速度條件下的壓差變化,結(jié)果如圖7所示??梢钥闯?水驅(qū)階段隨著稠油產(chǎn)出,水驅(qū)壓力降低并迅速發(fā)生水竄,巖心中主要流動(dòng)的流體為模擬地層水。當(dāng)驅(qū)替速度為0.5 mL/min時(shí),在泡沫驅(qū)階段,兩種體系驅(qū)替壓差迅速增加,并且聚合物強(qiáng)化泡沫的壓差更高。說(shuō)明較高驅(qū)替速度條件下,兩種體系均能充分發(fā)泡,在疊加的賈敏效應(yīng)作用下,泡沫驅(qū)階段巖心驅(qū)替壓差增加,泡沫流度控制能力大幅增加而提高采收率;同時(shí)聚合物強(qiáng)化泡沫的液膜強(qiáng)度更大,通過(guò)孔隙時(shí)發(fā)生形變而引起的壓降更顯著。后續(xù)水驅(qū)階段,驅(qū)替壓差先降低后趨緩,說(shuō)明兩種泡沫體系均具備一定的抗沖刷能力,有利于后續(xù)水轉(zhuǎn)向進(jìn)入未驅(qū)替部分。
圖7 泡沫注入體積與驅(qū)替壓差關(guān)系曲線(xiàn)Fig.7 Relationships between displacement pressure difference and foam injection volume under different displacement velocities
當(dāng)驅(qū)替速度為0.2 mL/min時(shí),聚合物強(qiáng)化泡沫體系泡沫驅(qū)階段的驅(qū)替壓差小于不含聚合物的泡沫。這是由于外加聚合物PAAO-1增加了溶液黏度,在較低流速下巖心中的剪切能量不足,形成的泡沫總量少,賈敏效應(yīng)形成的附加壓力小??梢?jiàn),強(qiáng)化體系受滲流速度的影響顯著,不適應(yīng)在滲流速度較低的油層條件下使用。
表2給出了兩種體系在滲透率級(jí)差分別約為2、4、10 3個(gè)級(jí)別的并聯(lián)巖心中泡沫驅(qū)提高采收率結(jié)果。從整體趨勢(shì)來(lái)看,級(jí)差越大,低滲單管巖心提高采收率幅度越大、雙管巖心綜合采收率提高幅度越大、單管巖心分流率變化幅度越大;而聚合物強(qiáng)化泡沫在上述3個(gè)指標(biāo)提高幅度更高。由此可知,泡沫驅(qū)能夠通過(guò)調(diào)整吸水剖面而有效改善高低滲層的層間矛盾,從而大幅提高采收率;并且聚合物強(qiáng)化泡沫改善剖面的能力和提高采收率的作用更為顯著。
表2 不同體系并聯(lián)巖心泡沫驅(qū)油實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Experimental results of parallel core foam flooding of different displacement systems
當(dāng)滲透率級(jí)差約為10時(shí),不含聚合物的泡沫綜合采收率提高幅度為15.69%,略低于滲透率級(jí)差約為4時(shí)(16.26%),這是因?yàn)椴缓酆衔锏呐菽耗?qiáng)度相對(duì)較小,在非均質(zhì)嚴(yán)重油層條件下的改善剖面能力相對(duì)較弱;而聚合物強(qiáng)化泡沫分流率變化達(dá)到了48.40%、綜合采收率提高幅度高達(dá)19.63%,說(shuō)明聚合物強(qiáng)化泡沫對(duì)改善非均質(zhì)性嚴(yán)重油層的吸水剖面效果和提高采收率效果更好,更能適應(yīng)于非均質(zhì)嚴(yán)重的油層條件。
(1)疏水締合聚合物PAAO-1的臨界締合濃度為1 000 mg/L,發(fā)泡劑能促進(jìn)疏水締合聚合物PAAO-1發(fā)生締合作用,有利于聚合物PAAO-1在低濃度條件下實(shí)現(xiàn)增黏。隨著聚合物PAAO-1濃度增加,聚合物強(qiáng)化泡沫的發(fā)泡性減弱、泡沫穩(wěn)定性增強(qiáng),根據(jù)綜合指數(shù)確定聚合物PAAO-1的使用量為1 200 mg/L。
(2)聚合物強(qiáng)化泡沫在較低驅(qū)替速度條件下,泡沫有效黏度和泡沫有效黏度比值較低,泡沫形成不充分,臨界發(fā)泡滲流速度為0.12 m/d,不含聚合物的泡沫在低速下更易形成,其臨界發(fā)泡滲流速度為0.06 m/d。
(3)聚合物強(qiáng)化泡沫的形成受滲流速度影響較大,油層深部再生性較差,但改善吸水剖面、提高采收率效果較好,適應(yīng)于非均質(zhì)嚴(yán)重的油層條件。
(4)不含聚合物的泡沫穩(wěn)定性較聚合物強(qiáng)化泡沫差,但發(fā)泡性強(qiáng),在均質(zhì)巖心中與聚合物強(qiáng)化泡沫提高采收率效果相當(dāng),適應(yīng)于深部調(diào)驅(qū)和均質(zhì)油層條件。