柳建新 (長江大學(xué)石油工程學(xué)院,湖北 武漢430100)
陳維余,孟科全 (中海油能源發(fā)展鉆采工程研究院,天津300452)
付美龍 (長江大學(xué)石油工程學(xué)院,湖北 武漢430100)
泡沫驅(qū)油是一種利用氮?dú)?、二氧化碳或其他氣體與起泡劑混合形成泡沫作為驅(qū)油介質(zhì)的驅(qū)油方法。由于泡沫在地層中有較高的表觀黏度,且具有 “遇油消泡、遇水穩(wěn)定”的特性,它在含水飽和度較高的部位具有較高的滲流阻力,迫使注入流體驅(qū)動(dòng)水驅(qū)時(shí)未波及或弱波及區(qū)域的原油,從而擴(kuò)大波及體積;同時(shí)起泡劑本身作為表面活性劑,可在一定程度上降低油水界面張力,也可提高驅(qū)油效率[1]。目前泡沫驅(qū)已在多個(gè)油田得到應(yīng)用[2~6],但其不足之處是泡沫本身穩(wěn)定性較差,因而施工有效期較短而影響其大規(guī)模應(yīng)用。
采用聚合物作為穩(wěn)泡劑的強(qiáng)化泡沫驅(qū),可以通過提高泡沫液相的黏度增強(qiáng)液膜的表面強(qiáng)度來進(jìn)一步減緩泡沫的排液速度,而不同的聚合物對泡沫體系穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)是不相同的[7,8]。締合聚合物作為近年來出現(xiàn)的一種新型驅(qū)油聚合物,由于具有較好的流變性能、抗溫抗鹽性能獲得較快的發(fā)展[9,10]。將其作為泡沫驅(qū)的穩(wěn)泡劑不僅有望獲得性能更好的新型泡沫驅(qū)油體系,而且為渤海油田聚合物驅(qū)后進(jìn)一步提高采收率提供了一條新的途徑[11~13]。
與其他由聚合物作為穩(wěn)泡劑的泡沫驅(qū)體系不同的是,在由表面活性劑和締合聚合物組成的泡沫結(jié)構(gòu)中,由于聚表相互作用和締合效應(yīng)的存在,可能會(huì)對泡沫液膜的界面性能產(chǎn)生影響,進(jìn)而影響泡沫的流變性和穩(wěn)定性[14,15]。在QHD32-6油藏條件下篩選出合適的泡沫驅(qū)油體系,并對其流變性進(jìn)行系統(tǒng)的評價(jià),探討了締合聚合物對泡沫體系流變性的影響機(jī)理,以期為開發(fā)具有更好穩(wěn)定性的泡沫驅(qū)油體系提供依據(jù)。
復(fù)合起泡劑 (自制);穩(wěn)泡劑為締合型聚合物 (WP-1),黃胞膠 (WP-2),部分水解聚丙烯酰胺(WP-3);配注水為QHD32-6油田地層模擬水,總礦化度4500mg/L
Waring Blender攪拌器 (美國,Waring blender);泡沫發(fā)生器;MCR302高級流變儀 (奧地利,Anton Paar),錐板系統(tǒng)CP75-1 (直徑75mm,角度1°)
1.2.1 泡沫綜合值測定
采用Waring Blender法測定,用質(zhì)量濃度為1000mg/L聚合物溶液配制起泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%的強(qiáng)化泡沫體系溶液200mL,通過Waring磁力攪拌器攪拌后,將泡沫全部倒入量筒中,測定體系的起泡體積和半析水期。以二者的乘積獲得泡沫綜合值,用以表征體系的起泡性和穩(wěn)泡性的綜合性能[16]。
1.2.2 穩(wěn)態(tài)剪切測試
在恒定剪切速率7.34s-1下測定溶液在65℃時(shí)的黏度,直至數(shù)據(jù)穩(wěn)定,得到表觀黏度;在恒定剪切速率7.34s-1條件下,在45~80℃范圍內(nèi)以5℃/min的升溫速度進(jìn)行溫度掃描,得到表觀黏度隨溫度的變化情況;固定測試溫度為65℃,剪切速率范圍0.001~500s-1,對數(shù)取點(diǎn),獲得剪切速率掃描曲線。
1.2.3 黏彈性測定
固定溫度65℃,振蕩應(yīng)力為0.04Pa,在0.001~100Hz范圍內(nèi)進(jìn)行動(dòng)態(tài)頻率掃描,得到儲(chǔ)能模量(G′)和耗能模量 (G″)隨頻率的變化規(guī)律。
分別選擇3種不同類型的聚合物作為體系的穩(wěn)泡劑,通過泡沫綜合值篩選出最適合QHD32-6油藏的穩(wěn)泡劑。如表1數(shù)據(jù)所示,3種體系泡沫綜合值為WP-1>W(wǎng)P-2>W(wǎng)P-3,由于締合聚合物溶液黏度主要由可逆締合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)提供,因此具有較強(qiáng)的抗剪切性能[17],溶液在經(jīng)過高速剪切后仍能恢復(fù)到較高的黏度,并使泡沫壁具有較高的強(qiáng)度,因此可以選擇WP-1為體系穩(wěn)泡劑。
在65℃和恒定剪切速率7.34s-1條件下泡沫體系表觀黏度如圖1所示,無 WP-1的泡沫體系初始黏度只有7mPa·s,且泡沫穩(wěn)定性很差;而加入WP-1的泡沫體系在整個(gè)測試過程中其黏度基本穩(wěn)定在100mPa·s附近。因此WP-1的加入不僅使體系穩(wěn)泡性能得到提高,而且可以顯著增加體系的黏度。
在恒定剪切速率7.34s-1條件下溫度掃描曲線 (圖2)表明,隨著體系溫度升高,體系表觀黏度均有所下降,但加入WP-1的體系在80℃時(shí)黏度仍有93mPa·s,表明該體系具有較好的抗溫特性。這是由于在締合聚合物溶液中,溫度升高可以促進(jìn)締合效應(yīng)的增強(qiáng)[17],并使其表現(xiàn)出一定的抗溫性能所致。
圖1 泡沫體系的表觀黏度
圖2 溫度對泡沫體系表觀黏度的影響
表1 泡沫體系的綜合性能評價(jià)數(shù)據(jù)表
剪切速率對泡沫體系黏度的影響如圖3所示,隨著剪切速率增大,泡沫體系的黏度先有所增加,隨后迅速下降,表現(xiàn)出典型的帶有屈服應(yīng)力的剪切稀釋特性,其流體類型較好地符合賓漢模型特征[18]。這與泡沫在多孔介質(zhì)中滲流時(shí)所觀察到的現(xiàn)象[19]基本一致。
賓漢模型方程如下:
式中:σy為屈服應(yīng)力,Pa;σ為應(yīng)力,Pa;K為稠度系數(shù),mPa·sn;γ為剪切速率,s-1;n為流動(dòng)指數(shù),1。
其模型參數(shù)通過流變儀自帶的Herschel-Bulkley模型程序進(jìn)行擬合可以獲得,如表2所示,WP-1的加入明顯提高了泡沫體系的非牛頓特性,并且在屈服應(yīng)力和增黏性能上都有顯著增加,這有利于泡沫在地層中流動(dòng)時(shí)增大封堵大孔道的能力,進(jìn)一步提高其波及效率。
通過頻率掃描測試可以獲得泡沫體系的黏彈性。如圖4所示,在低頻段泡沫耗能模量高于其儲(chǔ)能模量,G′/G″<1,以黏性流動(dòng)為主;而在高頻段時(shí)泡沫彈性響應(yīng)逐漸大于黏性響應(yīng),G′/G″>1,以彈性流動(dòng)為主。通過流變儀自帶的Crossover模型擬合可以獲得G′與G″的交點(diǎn)頻率,其中無WP-1泡沫體系的頻率為5.6Hz,加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%WP-1泡沫體系的頻率為3.5Hz,后者表現(xiàn)出更好的彈性行為,在地層滲流過程中更容易發(fā)生變形通過喉道,同時(shí)其黏彈性有利于驅(qū)替盲端的殘余油滴,有利于采收率的進(jìn)一步提高[20]。
圖3 剪切速率對泡沫體系黏度的影響
表2 泡沫體系流變曲線擬合結(jié)果
由于締合聚合物在溶液中不同分子上的疏水鏈段會(huì)通過締合效應(yīng)形成可逆結(jié)構(gòu)[21],作為起泡劑的表面活性劑也會(huì)以聚表相互作用的形式與疏水鏈段形成疏水微區(qū)[22],促使液膜表面形成廣泛分布的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),束縛其中自由水的逃離,并增強(qiáng)液膜的強(qiáng)度和彈性,通過流變性試驗(yàn)間接證實(shí)了泡沫液膜表面這種結(jié)構(gòu)的存在。
圖4 頻率對泡沫體系黏彈性的影響
1)添加少量締合聚合物可以獲得穩(wěn)泡性能較好的泡沫驅(qū)油體系,其表觀黏度和抗溫性能有顯著增加。
2)剪切速率掃描試驗(yàn)證實(shí),該泡沫驅(qū)油體系的流體類型為帶屈服值的賓漢模型,加入締合聚合物后其非牛頓特性更加顯著。
3)頻率掃描試驗(yàn)證實(shí),該泡沫驅(qū)油體系具有明顯的黏彈性,并且加入締合聚合物后其彈性得到顯著增強(qiáng)。
4)該驅(qū)油體系可能通過聚表相互作用和締合效應(yīng)促使在泡沫液膜表面形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),并以此機(jī)理增強(qiáng)泡沫流體的黏度和穩(wěn)定性。
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