SiO2納米顆粒穩(wěn)定的泡沫體系驅(qū)油性能研究

孫 乾李兆敏李松巖張 娜姜 磊王繼乾

(1.中國(guó)石油大學(xué)石油工程學(xué)院,山東青島 266580;2.中國(guó)石油大學(xué)重質(zhì)油國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東青島 266580)

SiO2納米顆粒穩(wěn)定的泡沫體系驅(qū)油性能研究

孫 乾1,李兆敏1,李松巖1,張 娜1,姜 磊2,王繼乾2

(1.中國(guó)石油大學(xué)石油工程學(xué)院,山東青島 266580;2.中國(guó)石油大學(xué)重質(zhì)油國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東青島 266580)

利用Warning Blender方法測(cè)定SiO2+SDS泡沫體系的泡沫性能,確定SiO2納米顆粒的最佳使用濃度,并研究不同溫度和礦化度對(duì)泡沫性能的影響。利用巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)比SDS和SiO2+SDS兩種不同泡沫體系對(duì)巖心的封堵、調(diào)剖和驅(qū)油性能。利用微觀可視化玻璃刻蝕模型,對(duì)比水驅(qū)、SDS泡沫體系以及SiO2+SDS泡沫體系對(duì)盲端油的驅(qū)替效果。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,SiO2+SDS泡沫體系比單一SDS泡沫體系具有更強(qiáng)的穩(wěn)定性,能夠明顯提高泡沫的封堵、調(diào)剖及驅(qū)油能力,增加盲端油的驅(qū)替效果。

納米顆粒;泡沫穩(wěn)定性;微觀模型;驅(qū)替實(shí)驗(yàn)

泡沫流體為非牛頓流體,具有低漏失、低密度、高黏度、遇水穩(wěn)定、遇油消泡等特性,并且其阻力因子隨油藏滲透率增大而增加,能封堵高滲層、提高低滲層波及系數(shù),從而加大對(duì)低滲油層的驅(qū)替強(qiáng)度[1]。泡沫體系的不穩(wěn)定性是其應(yīng)用受到限制的根本原因。在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中,聚合物常作為一種穩(wěn)泡劑[2],但是其起泡體積低,高溫易分解,所遺留的有機(jī)物殘?jiān)鼤?huì)造成地層的損害。王騰飛等[3]將納米氫氧化鋁顆粒作為穩(wěn)泡劑,但其穩(wěn)泡效果和封堵能力并不理想。SiO2納米顆粒穩(wěn)泡在食品、礦物浮選、消防滅火等方面逐漸顯露出其優(yōu)勢(shì)[4-5],筆者將SiO2納米顆粒與表面活性劑復(fù)配形成高穩(wěn)定性泡沫體系,分析其耐溫、耐鹽性及封堵和調(diào)剖能力,研究其滲流及驅(qū)油規(guī)律。

1 SiO2納米顆粒穩(wěn)泡機(jī)制

(1)減緩液膜排液速度。排液是泡沫體系中氣、液由于重力作用而發(fā)生的物理分離過程。SiO2納米顆粒吸附在氣、液界面后,在泡沫壁上交錯(cuò)分布,形成一層致密的殼狀結(jié)構(gòu),堵塞水流通道,阻止水分流動(dòng),同時(shí)納米顆粒還可以存在于氣泡層間及PB(Plateau Border)邊界內(nèi),在連續(xù)相形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[6],這也增加了水分流動(dòng)阻力,延緩泡沫變薄速率,如圖1(a)所示(其中,液膜中箭頭方向?yàn)榛毫鲃?dòng)方向)。

(2)降低泡沫歧化速度。氣體被迫通過薄膜從較小的氣泡向較大的氣泡擴(kuò)散,這就是所謂的歧化反應(yīng)[7]。由Young-Laplace公式可知,這種行為的驅(qū)動(dòng)力仍然是彎曲表面產(chǎn)生的Laplace壓,如圖1 (b)所示。小氣泡中的壓力大于大氣泡中的壓力,因此小氣泡內(nèi)氣體的溶解度大于大氣泡內(nèi)的溶解度,氣體通過液膜擴(kuò)散到大氣泡中[8],導(dǎo)致“大泡吃小泡”。氣體擴(kuò)散速度與液膜厚度、氣體與液膜的接觸面積以及氣體的性質(zhì)有關(guān)。SiO2納米顆粒吸附在氣、液界面,不但可以增加液膜厚度,還降低了氣體與液膜之間的接觸面積。

圖1 氣泡排液和歧化現(xiàn)象示意圖Fig.1 Schematic drawing for drainage and coalescence of foam

(3)延緩內(nèi)部泡沫破裂速度。由于納米顆粒的存在,形成的固、液、氣三相泡沫有骨架支撐,當(dāng)表面層的泡沫發(fā)生破裂后,整個(gè)骨架仍然存在,因此對(duì)內(nèi)部的泡沫起到了很好的保護(hù)作用,極大延緩了內(nèi)部泡沫的破滅速度;同時(shí)由于整個(gè)氣泡被納米顆粒包裹,增加了氣泡的機(jī)械強(qiáng)度,在外界擾動(dòng)和機(jī)械震動(dòng)下,泡沫不易破滅,從而穩(wěn)定泡沫[9]。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)藥品和儀器設(shè)備

實(shí)驗(yàn)藥品包括十二烷基硫酸鈉(SDS,陰離子表面活性劑)、NaCl(分析純)、CaCl2(分析純)、MgCl2(分析純)、蒸餾水、乙醇(純度大于99%)、疏水型SiO2納米顆粒(粒徑20 nm,白色粉末狀,表面帶負(fù)電)、氮?dú)?純度大于99%),模擬油(20%煤油和80%原油組成,20℃黏度為280 mPa·s)等。

巖心驅(qū)替設(shè)備:雙柱塞計(jì)量泵(驅(qū)替液體)、雙柱塞計(jì)量泵(驅(qū)替氣體)、壓力變送器、天平、回壓閥、填砂模型管(Φ25 mm×300 mm)、中間容器、氣體質(zhì)量流量計(jì)等,實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。

其他儀器:透射電子顯微鏡(TEM)、激光粒度儀、GJ-3S型高速攪拌器、PL203型高精度天平、恒溫箱、恒溫水浴等。

圖2 巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)裝置流程圖Fig.2 Experimental flow chart for core displacement

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

2.2.1 泡沫體系優(yōu)選實(shí)驗(yàn)

選用Warning Blender方法對(duì)SDS和SiO2+SDS體系進(jìn)行性能評(píng)價(jià)。在量筒中加入100 mL一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米顆粒和起泡劑溶液,高速(8 000 r/ min)攪拌3 min,關(guān)閉攪拌器,即刻記下此時(shí)的泡沫體積,同時(shí)記錄從泡沫中析出50 mL液體所需的時(shí)間作為泡沫的半衰期。實(shí)驗(yàn)中未加特殊說明,溫度均為20℃。

2.2.2 泡沫封堵及驅(qū)油實(shí)驗(yàn)

(1)封堵性能實(shí)驗(yàn)。用石英砂充填Φ25 mm× 300 mm的填砂管;將填砂管抽真空,飽和地層水,測(cè)巖心孔隙體積;接入單巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)裝置,測(cè)量巖心滲透率;以1 mL/min的速度進(jìn)行地層水驅(qū)替,當(dāng)壓力基本不變后,設(shè)置回壓為1 MPa,以1 mL/min的速度向巖心中注入一定孔隙體積的泡沫段塞后轉(zhuǎn)為水驅(qū),記錄注入壓力以及入口出口的液體流量,計(jì)算阻力系數(shù)和巖心的氣相飽和度。

(2)調(diào)剖性能實(shí)驗(yàn)。將人工填充的兩組滲透率極差為6的4個(gè)Φ25 mm×300 mm的巖心分別抽真空,飽和水,測(cè)滲透率,并聯(lián)接入圖2,合注分采;以2 mL/min的速度向并聯(lián)巖心注入一定孔隙體積的地層水,當(dāng)壓力不變后,設(shè)置回壓為1 MPa;以2 mL/ min的速度向并聯(lián)巖心中注入一定孔隙體積的泡沫段塞后轉(zhuǎn)為水驅(qū),分別記錄不同時(shí)刻不同滲透率巖心的產(chǎn)液量。

(3)巖心驅(qū)油實(shí)驗(yàn)。將人工制備的巖心飽和水測(cè)定滲透率和孔隙體積;將巖心接入驅(qū)替設(shè)備飽和油,計(jì)算原始含油飽和度;用地層水驅(qū)替至出口端含水率達(dá)到98%后,計(jì)算水驅(qū)采收率;注入0.5VP(VP為孔隙體積倍數(shù))泡沫后,繼續(xù)水驅(qū)直至產(chǎn)出液含水率達(dá)到98%后,結(jié)束實(shí)驗(yàn),計(jì)算泡沫驅(qū)采收率。除非特別注明,實(shí)驗(yàn)中氣、液體積比均為1:1,氣液混合式注入,地層水為0.5%的NaCl溶液。

3 結(jié)果分析

3.1 SiO2+SDS泡沫體系泡沫性能影響因素

3.1.1w(SDS)優(yōu)選

表1為SDS泡沫體系攪拌后的起泡體積和半衰期。從表中可看出,隨著w(SDS)的增加,起泡體積和半衰期均有所增加,當(dāng)w(SDS)達(dá)到0.5%時(shí),

表1 SDS溶液制備的泡沫起泡體積及半衰期Table 1 Volume and half-life time of foam produced by SDS solution

雖然二者有一定的波動(dòng)性,但變化幅度不大。綜合經(jīng)濟(jì)成本及泡沫綜合值,實(shí)驗(yàn)中起泡劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)定為0.5%。

3.1.2w(SiO2)優(yōu)選

由于SiO2納米顆粒表面存在羥基(—OH),使其呈親水性。親水型SiO2納米顆粒會(huì)分散在水溶液中,很難吸附在氣液界面穩(wěn)定泡沫,因此需要去除納米顆粒表面的羥基,使其具有一定疏水性。圖3為疏水型SiO2納米顆粒在透射電子顯微鏡(TEM)下的圖片及用激光粒度儀測(cè)量的粒徑分布,從圖中可以看出納米顆粒的粒徑約為20 nm。目前使用最多的疏水改性物質(zhì)為硅烷偶聯(lián)劑或有機(jī)硅化合物。實(shí)驗(yàn)中所用的改性物質(zhì)為二甲基硅氧烷,在SiO2表面的羥基可能與二甲基硅氧烷的羥基基團(tuán)由氫鍵聯(lián)合,進(jìn)行縮合反應(yīng)。

圖3 疏水型SiO2納米顆粒的TEM及粒徑分布Fig.3 Image of hydrophobic SiO2nanoparticles observed under TEM and their size distribution

固體顆粒吸附到泡沫表面能夠增加泡沫的厚度及膜彈性,從而增加泡沫的穩(wěn)定性,起到強(qiáng)化泡沫的作用[9]。SiO2納米顆粒加量對(duì)泡沫體系起泡體積和半衰期的影響結(jié)果見表2,實(shí)驗(yàn)中w(SDS)為0.5%。隨著w(SiO2)的增加,SiO2+SDS泡沫體系的半衰期逐漸增加,w(SiO2)達(dá)到1.5%后,半衰期變化不大。泡沫體積隨著顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。當(dāng)顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0% 時(shí),起泡體積最大,之后起泡體積逐漸減小。泡沫綜合值峰值出現(xiàn)在1.5%,隨后綜合值逐漸減小。因此實(shí)驗(yàn)中如無特殊說明,選擇體系的顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%,w(SDS)為0.5%。

表2 SiO2+SDS復(fù)配體系制備的泡沫起泡體積及半衰期Table 2 Volume and half-life time of foam produced by SiO2+SDS dispersion

3.1.3 溫度的影響

地層條件下,溫度對(duì)體系的影響尤其重要。為此,測(cè)量了不同溫度下SDS和SiO2+SDS體系的泡沫性能,結(jié)果如圖4所示。攪拌前,將泡沫基液加熱到相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)溫度,攪拌后將泡沫迅速放入恒溫箱內(nèi),觀察體系的泡沫性能。

從圖4看出,隨著溫度的升高,兩種體系的起泡體積均先增加后減小,60℃時(shí)起泡體積達(dá)到最大值。與起泡體積相反,隨著溫度的升高,泡沫的半衰期一直減小。一定溫度范圍內(nèi),隨著溫度升高,分子的熱運(yùn)動(dòng)加劇,動(dòng)能增加,降低了界面張力,同時(shí)分子間作用力變小,液相黏度減小,這些都有利于泡沫體積的增加,當(dāng)溫度再升高時(shí),SDS中親水基的水合力下降,疏水基碳鏈之間的凝聚能力減弱,或者可能破壞SDS分子的結(jié)構(gòu),使得起泡體積降低。溫度對(duì)半衰期影響更加明顯,一方面由于溫度升高使氣體分子熱運(yùn)動(dòng)加劇,氣泡內(nèi)部的壓力增加,聚并速度加快,另一方面溫度升高使得液膜的水分蒸發(fā)加劇,液膜變薄的速度加快,因此泡沫容易破滅[10]。但是由于SiO2納米顆粒在液膜上吸附,形成堅(jiān)固的泡沫外殼,將氣泡包裹起來,阻隔了外部熱量向氣泡內(nèi)部傳遞,同時(shí)表層泡沫破裂后,形成的固、液、氣三相骨架仍然存在,也可以減緩內(nèi)部泡沫液膜水分的蒸發(fā)速度,從而提高泡沫在高溫下的穩(wěn)定性。

圖4 溫度對(duì)SDS和SiO2+SDS體系泡沫性能影響Fig.4 Influences of temperature on properties of SDS and SiO2+SDS foam system

3.1.4 無機(jī)鹽離子的影響

地層水都有一定的礦化度,因此有必要對(duì)體系的耐鹽性進(jìn)行評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)中主要評(píng)價(jià)了Na+、Ca2+和Mg2+的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖5所示。

圖5 無機(jī)鹽離子對(duì)SiO2+SDS體系起泡性能影響Fig.5 Influences of salinity on properties of SiO2+SDS foam system

從圖5(a)看出,隨著Na+質(zhì)量濃度的增加,SiO2+SDS泡沫體系的起泡體積和半衰期均先增加后減小,這說明適量的Na+能夠改善體系的泡沫性能。適量的Na+對(duì)SiO2+SDS泡沫體系主要影響有:①在SDS中加入適量的Na+會(huì)使其表面活性增強(qiáng),表現(xiàn)為溶液的表面張力和臨界膠束濃度顯著降低;②SiO2納米顆粒表面帶負(fù)電,加入的Na+可以降低顆粒之間的靜電斥力,使顆粒在氣液界面上吸附得更加致密;③SDS疏水基團(tuán)帶負(fù)電,SiO2納米顆粒表面也帶負(fù)電,加入Na+后,使兩者的電性都降低,更易于SiO2納米顆粒表面的疏水官能團(tuán)與SDS的疏水鏈相結(jié)合,將SiO2納米顆粒拉至泡沫表面[11]。

從圖5(b)和(c)看出,隨著Ca2+質(zhì)量濃度的增加,SiO2+SDS體系的起泡體積和半衰期均減小。隨著Mg2+質(zhì)量濃度的增加,整個(gè)體系的起泡體積和半衰期均減小但幅度不大,表現(xiàn)出一定的耐Mg2+特性。Ca2+對(duì)表面活性劑的影響較大,它可以破壞表面活性劑的特征水化域,在室溫的條件下容易使表面活性劑析出[12],而且Ca2+對(duì)SDS去水化能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于Mg2+。體系中SDS量的減少降低了SiO2納米顆粒與SDS之間的相互作用,使吸附到氣液界面的納米顆粒量減少,降低了泡沫的穩(wěn)定性。

3.2 SDS與SiO2+SDS泡沫體系滲流特性對(duì)比

3.2.1 封堵性能實(shí)驗(yàn)

在油氣田開發(fā)中,泡沫最終是要注入到地層中的,因此有必要對(duì)比兩種泡沫體系在地層條件下的封堵效果,實(shí)驗(yàn)中巖心的滲透率為2.05 μm2。圖6為實(shí)驗(yàn)過程中兩種泡沫體系阻力因子以及巖心中氣相飽和度變化曲線。

從圖6(a)看出,水驅(qū)待壓力穩(wěn)定后,注入SDS泡沫體系,剛開始阻力因子緩慢增加,當(dāng)注入0.5VP的泡沫后,阻力因子增速變快,注泡沫結(jié)束后阻力因子最高約為110,后續(xù)水驅(qū),阻力因子迅速降低,當(dāng)注入體積為4VP時(shí),阻力因子小于5,說明此時(shí)巖心中泡沫量非常少。當(dāng)注入SiO2+SDS泡沫體系后,阻力因子迅速增加,泡沫逐漸在孔喉中形成疊加,產(chǎn)生賈敏效應(yīng)增加滲流阻力,注泡沫結(jié)束后阻力因子能夠達(dá)到380。后續(xù)水驅(qū),隨著注入水的增加,阻力因子逐漸降低,但是其降低幅度明顯比SDS泡沫體系小,而且注入體積為12VP時(shí),阻力因子大于40,仍然具有一定的封堵能力。由圖6(b)看出,巖心氣相飽和度變化趨勢(shì)與阻力因子曲線相同,巖心中氣體的量與泡沫的封堵能力成正比關(guān)系,這說明如何有效地將氣體圈閉在巖心中從而降低氣體的黏度指進(jìn)對(duì)泡沫的封堵性能至關(guān)重要。在驅(qū)替過程中,普通泡沫不穩(wěn)定導(dǎo)致氣、液分離,由于氣、液黏度差異較大,形成氣體的竄流通道,導(dǎo)致阻力因子降低。SiO2+SDS泡沫體系對(duì)巖心封堵性能主要有4方面影響:SiO2納米顆粒的加入可以增強(qiáng)泡沫的強(qiáng)度,使泡沫在地層下不容易破裂,降低氣體的流度,防止氣體的黏度指進(jìn),使整個(gè)驅(qū)替過程更趨向于活塞驅(qū)替;作為固相,SiO2納米顆粒對(duì)地層也有暫時(shí)封堵的作用;顆粒吸附在氣、液界面后,增加了氣泡液膜與孔隙壁面、氣泡與氣泡以及氣泡與儲(chǔ)層流體之間的摩擦[13];液膜處的SiO2納米顆粒在多孔介質(zhì)中的封堵和運(yùn)移,也加強(qiáng)了泡沫的生成。

圖6 兩種泡沫體系注入過程中阻力因子和巖心氣相飽和度變化曲線Fig.6 Resistance factor and gas saturation for two foam system during plugging process

3.2.2 調(diào)剖性能實(shí)驗(yàn)

泡沫具有選擇性封堵的特性,但當(dāng)非均質(zhì)性較嚴(yán)重時(shí),泡沫的封堵能力會(huì)下降[1]。本實(shí)驗(yàn)的主要目的是在非均質(zhì)性嚴(yán)重的情況下對(duì)比兩種泡沫體系對(duì)高滲層的封堵能力。

圖7為兩種泡沫體系注入過程中高、低滲巖心分流量變化曲線,其中滲透率極差為6。可以看出,水驅(qū)時(shí),液相主要是從高滲巖心產(chǎn)出,低滲巖心出液量較少。SDS泡沫體系注入后,高滲巖心的液相流量緩慢下降,低滲巖心流量逐漸增加,泡沫起到了一定的調(diào)剖作用,后續(xù)水驅(qū)時(shí),高滲巖心流量迅速增加,說明SDS泡沫體系調(diào)剖效果較差;當(dāng)注入SiO2+ SDS泡沫體系后,隨著泡沫的注入,高滲巖心液相流量明顯降低,當(dāng)注入0.5VP泡沫后,出現(xiàn)了高、低滲巖心液相流量相等的現(xiàn)象,繼續(xù)注入泡沫,最后出現(xiàn)低滲巖心流量大于高滲巖心即流量反轉(zhuǎn)現(xiàn)象,后續(xù)水驅(qū)3.5VP仍然能夠達(dá)到高、低滲巖心液相流量相等,具有一定的抗沖刷能力。從巖心分流量曲線可以看出,SiO2+SDS泡沫體系比SDS泡沫體系具有更強(qiáng)的選擇性調(diào)剖能力。這主要是因?yàn)镾iO2+SDS泡沫體系比單一SDS泡沫體系具有更強(qiáng)的穩(wěn)定性,可以更好地圈閉氣體,在多孔介質(zhì)中運(yùn)移時(shí)能夠形成假塑性流體[14]。假塑性流體具有較大的表觀黏度,改善了不利的氣、液流度比,在滲流過程中泡沫首先進(jìn)入高滲層,增大了高滲層的流動(dòng)阻力,從而發(fā)揮了低滲層的作用。Ma等[15]通過微觀滲流實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),泡沫穩(wěn)定性越好,調(diào)剖效果越好。

圖7 兩種泡沫體系注入過程中巖心分流量曲線Fig.7 Diversion properties of two foam system during control profile process

3.2.3 盲端油微觀驅(qū)替實(shí)驗(yàn)

在地層中,存在很多盲端或盲孔。由于盲端沒有流動(dòng)通道,不具備流動(dòng)條件,驅(qū)替水流過后,對(duì)其波及范圍很小。圖8為不同驅(qū)替液對(duì)盲端油的驅(qū)替效果,可以看出,水驅(qū)后盲端殘余油表面覆蓋一層水膜,切斷了油流,因此盲端中的剩余油幾乎沒有動(dòng)用。注入普通泡沫后,其驅(qū)替效果明顯好于水驅(qū),但是仍然有部分剩余油存在于盲端,這主要是由于泡沫遇油不穩(wěn)定,使其不能深入盲端內(nèi)部造成的。注入SiO2+SDS泡沫體系后,盲端中大部分油被驅(qū)替出來,顯示該泡沫體系對(duì)盲端油的驅(qū)替潛力。泡沫驅(qū)替盲端油的機(jī)制是:小泡沫先被快速移動(dòng)的大泡擠入盲端入口,接著被后來的泡沫頂入盲端深部,并占據(jù)油滴的空間,盲端里的殘余油則沿泡沫液膜的邊緣排出。SiO2+SDS泡沫體系能夠提高盲端油驅(qū)替效率的主要原因包括:泡沫在油存在的條件下仍然具有一定的穩(wěn)定性;納米顆粒吸附到氣泡表面,降低了破滅和聚并速度,能夠形成更加均勻和細(xì)膩的泡沫,使其深入到盲端的底部,驅(qū)出更多的油;處在體相中的納米顆粒也可以對(duì)原油具有一定的乳化作用;SiO2納米顆粒能夠明顯提高泡沫表面的黏彈性[16],而這種界面黏彈性可能與聚合物黏彈性[17]功能相似,對(duì)盲端油有一定的“拉、拽”作用,但這一機(jī)制仍有待進(jìn)一步研究。

圖8 不同驅(qū)替液對(duì)盲端油的驅(qū)替效果Fig.8 Residual oil in a dead-end pore swept by different displacing fluids

圖9w(SiO2)與泡沫驅(qū)提高采收率關(guān)系曲線Fig.9 Relation of EOR with concentration of SiO2

3.2.4 驅(qū)油性能實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中w(SDS)為0.5%,對(duì)不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的SiO2納米顆粒進(jìn)行了6次巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn),結(jié)果見圖9及表3。

從圖9看出,當(dāng)只有SDS時(shí),采收率增值很小,這主要是因?yàn)閱我籗DS泡沫體系遇油不穩(wěn)定引起泡沫破滅,從而影響泡沫的驅(qū)油效果;隨著w(SiO2)逐漸增加,采收率增值也相應(yīng)提高,在w(SiO2)為1.5%時(shí)出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn),采收率幾乎不變。這與泡沫穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)結(jié)果(表2)一致,當(dāng)w(SiO2)超過1.5% 后,半衰期也保持恒定。由此可以猜測(cè),泡沫的穩(wěn)定性對(duì)其提高采收率具有重要影響,穩(wěn)定性增加可以使其能夠封堵含水飽和度較高的部位,迫使后續(xù)水進(jìn)入到含油飽和度高的區(qū)域,因此SiO2+SDS泡沫體系比單一泡沫體系具有更好的驅(qū)油性能。這主要是因?yàn)榧{米顆粒吸附在氣、液界面上,形成一個(gè)剛性的膜,阻隔了液膜與油的接觸,從而提高了泡沫在含油巖心的穩(wěn)定性,有效封堵含油飽和度低的區(qū)域,使流體向油富集區(qū)域推進(jìn),擴(kuò)大了驅(qū)替的波及面積;同時(shí)存在于體相中的SiO2納米顆粒也具有降低油水界面張力的作用,使原油易于剝落和流動(dòng),并且在低界面張力作用下,油滴容易變形,從而降低了將它流經(jīng)孔隙喉道排出所做的功,增加了它在地層孔隙中的移動(dòng)速度[18];從微觀驅(qū)替實(shí)驗(yàn)結(jié)果還可以看出, SiO2+SDS泡沫體系還可以深入盲端內(nèi)部,將盲端的剩余油驅(qū)替出來。因此,從表3可以看出,采收率在水驅(qū)的基礎(chǔ)上提高37.01%,總采收率可以達(dá)到70.27%。

表3 SiO2+SDS泡沫體系巖心驅(qū)油結(jié)果Table 3 Summary of SiO2+SDS foam system flooding tests in cores

4 結(jié) 論

(1)SiO2納米顆?？梢栽鰪?qiáng)液膜的機(jī)械強(qiáng)度,降低泡沫的排液、歧化速度以及內(nèi)部泡沫的破裂速度,當(dāng)w(SDS)和w(SiO2)分別為0.5%和1.5%時(shí),整個(gè)體系性能最好。

(2)SiO2+SDS泡沫體系能夠增強(qiáng)泡沫的穩(wěn)定性,使泡沫在地層中不容易破裂,降低氣體的流度,形成假塑性流體,具有良好的封堵和調(diào)剖能力。

(3)SiO2+SDS泡沫體系能夠較大幅度地提高原油采收率,微觀可視化實(shí)驗(yàn)表明其對(duì)盲端油也有很好的驅(qū)替效果。巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明采收率在水驅(qū)的基礎(chǔ)上提高37.01%,總采收率可以達(dá)到70.27%,具有一定的應(yīng)用前景。

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(編輯 劉為清)

Oil displacement performance of stabilized foam system by SiO2nanoparticles

SUN Qian1,LI Zhaomin1,LI Songyan1,ZHANG Na1,JIANG Lei2,WANG Jiqian2
(1.School of Petroleum Engineering in China University of Petroleum,Qingdao 266580,China; 2.State Key Laboratory of Heavy Oil Processing in China University of Petroleum,Qingdao 266580,China)

The performances of SiO2+SDS foam system were investigated by using Warning Blender method,through which the optimum amount of SiO2nanoparticles was determined.And the influences of temperature and salinity on foam properties were studied as well.The plugging ability,diversion ability,and oil displacement performance for SDS and SiO2+SDS foam systems were characterized and compared by means of the core displacement experimental facilities.Also the microscopic visualization test was conducted to compare the oil displacement performance of water flooding,SDS and SiO2+SDS foam systems on the dead-end pores. The results show that SiO2+SDS foam system is more stable than SDS foam system,which can significantly improve the plugging, diversion,and oil displacement ability.Also the displacement effect for dead-end pores is increased as well.

nanoparticles;foam stability;microscopic model;displacement experiment

TE 357

A

1673-5005(2014)04-0124-08

10.3969/j.issn.1673-5005.2014.04.018

2014-01-12

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51274228);山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2012ZRE28014);高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金項(xiàng)目(20120133110008);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)(13CX06026A,13CX06027A);中國(guó)石油大學(xué)(華東)優(yōu)秀博士學(xué)位論文培育計(jì)劃項(xiàng)目(LW130201A)

孫乾(1984-),男,博士研究生,研究方向?yàn)榕菽黧w提高油氣開采效率理論與技術(shù)。E-mail:sq339@126.com。

李兆敏(1965-),男,教授,博士生導(dǎo)師,從事油氣田開發(fā)的科研與教學(xué)工作。E-mail:lizhm6561@163.com。

孫乾,李兆敏,李松巖,等.SiO2納米顆粒穩(wěn)定的泡沫體系驅(qū)油性能研究[J].中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2014,38(4):124-131.

SUN Qian,LI Zhaomin,LI Songyan,et al.Oil displacement performance of stabilized foam system by SiO2nanoparticles [J].Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2014,38(4):124-131.