SiO2/SDS復合體系CO2泡沫的調(diào)驅性能

王　鵬， 李兆敏， 徐海霞， 李　楊， 洪英霖， 何　強

( 1. 中國石油塔里木油田分公司 油氣工程研究院,新疆 庫爾勒　841000；　2. 中國石油大學(華東) 石油工程學院，山東 青島　266580；　3. 中國石油塔里木油田分公司 勘探開發(fā)研究院,新疆 庫爾勒　841000；　4. 中國石油塔里木油田分公司 塔中油氣開發(fā)部,新疆 庫爾勒　841000 )

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SiO2/SDS復合體系CO2泡沫的調(diào)驅性能

王鵬1， 李兆敏2， 徐海霞1， 李楊3， 洪英霖4， 何強4

( 1. 中國石油塔里木油田分公司 油氣工程研究院,新疆 庫爾勒841000；2. 中國石油大學(華東) 石油工程學院，山東 青島266580；3. 中國石油塔里木油田分公司 勘探開發(fā)研究院,新疆 庫爾勒841000；4. 中國石油塔里木油田分公司 塔中油氣開發(fā)部,新疆 庫爾勒841000 )

為探索SiO2/SDS復合體系CO2泡沫在調(diào)驅方面的應用潛力，通過物理模擬實驗研究該泡沫體系的封堵及分流性能，并對SiO2納米顆粒在巖心中的滯留情況進行評價。結果表明：隨著SiO2納米顆粒質量分數(shù)升高，泡沫體系封堵性能增強，當顆粒的質量分數(shù)達到1.0%時其封堵性能增幅減緩；隨著溫度升高，其封堵性能下降；隨著壓力升高，其封堵性能增強，當壓力達到8 MPa時其封堵性能趨于穩(wěn)定；并且泡沫體系的分流性能也隨著SiO2納米顆粒質量分數(shù)的升高而增強，當顆粒質量分數(shù)升高至1.5%時能夠實現(xiàn)流度反轉；當顆粒質量分數(shù)低于1.5%時，在多孔介質中的滯留量較少，對于多孔介質的影響較小，而當顆粒質量分數(shù)高于2.0%時，對多孔介質產(chǎn)生較大的傷害。

納米顆粒； SiO2/SDS體系； CO2泡沫； 調(diào)驅性能； 顆粒滯留

0　引言

泡沫流體在油氣鉆采工程中有廣闊的應用前景[1-2]，而CO2泡沫的應用有利于減少溫室氣體排放，有較高社會經(jīng)濟效益。由于CO2分子結構存在特殊性，CO2泡沫的穩(wěn)定性較差，在一定程度上限制其應用范圍[3-6]，因此，提高CO2泡沫的穩(wěn)定性具有重要意義。二氧化硅、鋰皂石、碳酸鈣等無機納米顆粒能夠作為獨立的起泡劑產(chǎn)生泡沫[7-9]，為尋找提高CO2泡沫穩(wěn)定性方法提供新思路。由于無機納米顆粒比普通表面活性劑具有更好的耐溫、耐鹽性能，且尺寸較小，不易堵塞多孔介質[10-11]，因此在油氣田開發(fā)中有較好的應用潛力。Yu J等[12-13]根據(jù)實驗討論氣液比、注入速度,以及滲透率等因素對僅由SiO2納米顆粒穩(wěn)定的CO2泡沫封堵性能的影響，并評價該泡沫體系的驅油性能，相比氣液混注，添加SiO2納米顆粒后能夠在一定程度上提高體系的封堵及驅油性能。截至目前，納米顆粒體系泡沫在提高采收率方面的應用僅在實驗方面獲得進展，尚無現(xiàn)場應用的報道。

近年來，經(jīng)過表面改性后的納米顆?？膳c表面活性劑產(chǎn)生協(xié)同作用，從而對泡沫起到更好的穩(wěn)定作用[14-16]。有關納米顆粒與表面活性劑復配體系泡沫的研究，多集中在與穩(wěn)泡機理及靜態(tài)評價相關的基礎性理論及實驗研究，對于它在驅油、封堵中的應用類研究較少。李兆敏等[17]根據(jù)靜態(tài)評價實驗，研究SiO2納米顆粒與SDS(十二烷基硫酸鈉)對CO2泡沫的協(xié)同作用規(guī)律及機理，SDS與H18型SiO2納米顆粒在合適的質量分數(shù)配比下，能夠顯著提高CO2泡沫的穩(wěn)定性。為進一步探索該CO2泡沫體系在調(diào)驅方面的應用潛力，在李兆敏等優(yōu)選出的配方體系[17]基礎上，根據(jù)物理模擬實驗，研究該體系的調(diào)驅性能及其影響因素和納米顆粒在巖心中的滯留情況。

1　實驗

1.1藥品

十二烷基硫酸鈉(SDS，分析純，美國Sigma公司生產(chǎn))；H18型改性SiO2納米顆粒(純度大于99.8%，平均粒徑為20 nm，德國Wacker公司生產(chǎn))；CO2(純度大于99%)；蒸餾水；石英砂(10～20目、40～60目、80～100目)。

1.2設備

填砂管模型(φ25 mm×300 mm)，耐壓中間容器，泡沫發(fā)生器，回壓閥，恒溫箱，雙柱塞微量泵，高精度天平，氣體質量流量計，超聲波分散儀，真空泵。

1.3方法

1.3.1單巖心泡沫封堵性能

實驗步驟：(1)利用不同目數(shù)的石英砂填制滲透率為2 000×10-3μm2的填砂管模型，初步測定氣測滲透率，稱取巖心管質量M0；(2)利用真空泵對填砂管抽真空3 h，飽和水后稱取巖心管質量M1，則孔隙體積V= (M1-M0)/ρw(ρw為水的密度)；(3)測定水測滲透率，測定滲透率為(1 800～2 200)×10-3μm2時，可進行下一步實驗，否則，調(diào)整石英砂目數(shù)重新填制；(4)使用超聲波分散儀等設備，參考李兆敏等的實驗方法[17]，根據(jù)實驗方案配制一定質量分數(shù)的起泡劑溶液(下同)；(5)按照圖1所示流程圖連接實驗裝置，并根據(jù)實驗方案設定恒溫箱溫度，恒溫4 h；(6)根據(jù)實驗方案設定回壓，水驅速度設定為1 mL/min；泡沫驅采用起泡劑與CO2混注方式，起泡劑及CO2注入速度設定為0.5 mL/min(設定氣液比為1∶1)，兩者經(jīng)過泡沫發(fā)生器形成泡沫后進入巖心；(7)記錄注入端壓力變化。

圖1　單巖心泡沫封堵性能實驗流程Fig.1 The flow chart of single core displacement experiment

1.3.2雙巖心泡沫分流性能

實驗步驟：(1)利用不同目數(shù)的石英砂填制滲透率分別為2 000×10-3μm2的高滲巖心和250×10-3μm2的低滲填砂管模型，初步測定氣測滲透率，稱取巖心管質量；(2)利用真空泵對填砂管抽真空3 h，飽和水后稱取巖心管質量，計算孔隙體積；(3)測定水測滲透率，測定高滲巖心滲透率為(1 800～2 200)×10-3μm2、低滲巖心滲透率為(200～300)×10-3μm2,且級差為7.5～8.5時，可進行下一步實驗，否則，調(diào)整石英砂目數(shù)重新填制；(4)根據(jù)實驗方案配制一定質量分數(shù)的起泡劑溶液；(5)按照并聯(lián)巖心驅替實驗流程連接實驗裝置，并根據(jù)實驗方案設定恒溫箱溫度為40 ℃，恒溫4 h，見圖2；(6)設定回壓為2 MPa，水驅速度設定為5 mL/min，泡沫驅時起泡劑及CO2注入速度設定為2.5 mL/min，即設定氣液比為1∶1；(7)

圖2　并聯(lián)巖心驅替實驗裝置流程Fig.2 The flow chart of parallel cores displacement experiment

記錄高滲巖心及低滲巖心出口端的產(chǎn)液量。

1.3.3SiO2納米顆粒在巖心中的滯留

實驗步驟：(1)根據(jù)實驗方案配制不同質量分數(shù)的起泡劑溶液，根據(jù)1.3.1中實驗步驟進行單巖心泡沫封堵性能實驗，實驗溫度設定為40 ℃，實驗回壓設定為2 MPa，后續(xù)水驅注入孔隙體積倍數(shù)為6.5 PV，注入體積在實驗過程中收集出口端產(chǎn)出液，并對產(chǎn)出液進行烘干后稱量產(chǎn)出顆粒的質量；(2)驅替實驗結束后重新測定滲透率。

2　結果與分析

2.1封堵性能

根據(jù)李兆敏等[17]的研究結果，文中采用的SiO2/SDS復配體系中SDS與H18型SiO2納米顆粒的質量分數(shù)配比為0.17，以獲得最佳協(xié)同穩(wěn)泡效果。為研究顆粒質量分數(shù)、溫度及壓力對該CO2泡沫體系封堵性能的影響，分別進行多組實驗，各組實驗參數(shù)見表1。

表1　單巖心實驗參數(shù)

圖3　泡沫封堵性能隨SiO2顆粒質量分數(shù)變化關系Fig.3 The relationship between the block ability of foam with the concentration of SiO2 nanoparticles

2.1.1SiO2納米顆粒質量分數(shù)

通過實驗C1-C5可獲得泡沫的封堵性能隨SiO2納米顆粒質量分數(shù)的變化關系，見圖3。由圖3可知：僅由SDS穩(wěn)定的CO2泡沫封堵性能較差，阻力因子僅為87，殘余阻力因子為22(文中殘余阻力因子為后續(xù)水驅0.5 PV后的阻力因子)；當SiO2納米顆粒質量分數(shù)為0.50%時阻力因子可達248，是單一SDS穩(wěn)定的CO2泡沫的3倍，說明SiO2納米顆粒的加入能夠明顯提高CO2泡沫的封堵性能。隨著SiO2納米顆粒質量分數(shù)的提高，阻力因子逐漸升高，但當SiO2納米顆粒質量分數(shù)達到1.0%后，阻力因子的提高幅度開始變緩。這是由于在顆粒質量分數(shù)較低時，隨著質量分數(shù)的增加，泡沫的穩(wěn)定性及機械強度增強，因而其封堵性能也隨之提高；當SiO2納米顆粒質量分數(shù)較大時(大于1.0%)，由于流體在巖心流動過程中的剪切作用有限，加之顆粒在氣液界面的脫附能較大[15]，繼續(xù)提高顆粒質量分數(shù)對于泡沫質量的增強效果不再明顯，因此當SiO2納米顆粒質量分數(shù)達到1.0%時阻力因子增幅開始變緩。

2.1.2溫度

普通表面活性劑耐溫性較差，因此在一些高溫油藏應用過程中影響CO2泡沫作用的發(fā)揮。由于SiO2納米顆粒具有固體特性，因此耐溫性較好。為研究SiO2納米顆粒的加入對CO2泡沫耐溫性能影響，進行T1-T8實驗，結果見圖4和圖5。

圖4　單一SDS與SDS/SiO2泡沫驅替壓差隨注入孔隙體積倍數(shù)的變化關系Fig.4 The relationship between SDS or SDS/SiO2 foam flooding differential pressure and injected PV

由圖4可知，溫度對SDS穩(wěn)定的CO2泡沫的影響更為顯著，當溫度由40 ℃升至60 ℃時，最大驅替壓差降幅明顯；當溫度達80 ℃時，阻力因子降至11.64，說明形成的CO2泡沫質量較差，無法進行有效封堵。由圖5可知，在實驗溫度范圍內(nèi)，溫度對復合體系泡沫的影響相對較小，當溫度達到80 ℃時阻力因子可達245，能夠形成有效封堵。說明SiO2納米顆粒的加入能有效提高CO2泡沫體系的耐溫性能，這對擴展CO2泡沫的應用范圍、提高其應用效果具有重要意義。

2.1.3壓力

在現(xiàn)場應用中，CO2區(qū)別于空氣及氮氣的一個重要性質是其混相壓力低，在與原油發(fā)生混相后CO2與原油的界面張力可降到最低，從而能夠提高驅油效率；并且當壓力高于7.28 MPa、溫度高于31.2 ℃時，CO2可達到超臨界狀態(tài)，其密度與液體相近，黏度及擴散性與氣體類似，是一種介于液相與氣相之間的特殊相態(tài)。進行P1-P5實驗，結果見圖6。

圖5　阻力因子隨溫度的變化關系Fig.5 The relationship between the resistance factor and temperature

圖6　泡沫封堵性能隨壓力的變化關系Fig.6 The relationship between the block ability of foam with pressure

由圖6可知，隨著壓力升高，阻力因子逐漸增大，當壓力達到8 MPa時，阻力因子增幅變小。這是由于隨著壓力升高，CO2密度隨之增大，一方面，減小與水的密度差，降低CO2與水的界面張力，提高泡沫的穩(wěn)定性；另一方面，增加泡沫的表觀黏度，從而提高泡沫的封堵能力。當壓力達到8 MPa時，由于實驗溫度(40 ℃)高于臨界溫度，CO2為超臨界狀態(tài)，繼續(xù)增加壓力對于CO2泡沫穩(wěn)定性的影響相對較小，因此阻力因子的增幅變小。

2.2分流性能

保持SiO2納米顆粒與SDS質量分數(shù)比及滲透率級差不變，分別進行5組實驗研究顆粒質量分數(shù)對復合體系泡沫分流效果的影響，其參數(shù)見表2，結果見圖7。

表2　并聯(lián)巖心實驗參數(shù)

相比高滲巖心，低滲巖心由于毛管力較大，使得氣泡與液膜之間的壓差大，導致氣泡易發(fā)生破裂形成氣竄，減弱泡沫的封堵性能，從而降低流動阻力，泡沫能夠實現(xiàn)分流作用[18]。泡沫的強度越高、穩(wěn)定性越好，其分流效果也越明顯。

由圖7可知，在注入單一SDS泡沫體系過程中，相比單純水驅，高滲巖心出口端分液率有所下降，但高滲巖心出口端分液率的降幅及低滲巖心出口端分液率的增幅較小，說明單一SDS穩(wěn)定的CO2泡沫的分流效果較差。當SiO2納米顆粒質量分數(shù)為0.5%時，其分流效果相比單一SDS形成的CO2泡沫有所加強；繼續(xù)增加SiO2納米顆粒質量分數(shù)至1.0%時可觀察到明顯的分流現(xiàn)象，高滲巖心與低滲巖心出口端分液率基本持平；當質量分數(shù)進一步增至1.5%時實現(xiàn)流度反轉，即高滲巖心出口端分液率高于低滲巖心出口端的，并且流度反轉維持1.0 PV的注入時間。說明隨著SiO2納米顆粒的加入，CO2泡沫的穩(wěn)定性增強，機械強度增大，抗沖刷能力增強，進而增強分流效果，并延長分流作用的維持時間。

圖7　不同起泡劑質量分數(shù)下泡沫的分流性能

2.3納米顆粒在巖心中的滯留

由巖心驅替實驗可知，一方面，SiO2納米顆粒的加入對提高CO2泡沫的封堵與分流性能具有顯著作用。另一方面，SiO2納米顆粒尺寸相對表面活性劑較大，在地層運移過程中造成不同程度的滯留、吸附現(xiàn)象，從而對地層有一定的影響。Yu J在實驗中發(fā)現(xiàn)，納米顆粒在巖心中滯留較少，并且對巖心滲透率的影響不大[13]。該實驗所用顆粒種類與文中實驗不同，并未加入表面活性劑，因此滯留情況也不同，有必要通過巖心實驗對H18型SiO2納米顆粒在巖心中的滯留情況進行研究。實驗巖心參數(shù)見表3，累積顆粒采出率隨注入孔隙體積倍數(shù)變化見圖8，最終顆粒采收率及驅替前后滲透率比值隨SiO2納米顆粒質量分數(shù)變化見圖9。

表3　實驗巖心參數(shù)

圖8　累積顆粒采出率隨注入孔隙體積倍數(shù)變化關系

Fig.8 The cumulative nanoparticles recovery ratio as a function of injection volume

圖9　最終顆粒采出率及驅替前后滲透率比值隨SiO2納米顆粒質量分數(shù)變化關系Fig.9 The ultimate nanoparticles recovery ratio and the ratio of permeability as a function of the concentration of SiO2

由圖8可知，在注入泡沫孔隙體積0.7 PV時,出口端開始有SiO2納米顆粒產(chǎn)出，后續(xù)水驅注入3.0 PV時80%以上的顆粒已被驅替出來。由圖9可知，顆粒質量分數(shù)低于1.5%時，隨著顆粒質量分數(shù)的升高，顆粒最終采出率逐漸下降，但采出率均在90.0%以上；當顆粒質量分數(shù)升至2.0%時，顆粒的采出率明顯下降，僅為84.8%。當質量分數(shù)低于1.5%時,對巖心滲透率影響較?。划旑w粒質量分數(shù)為2.0%時，驅替后的巖心滲透率下降至原始滲透率的82%。

這是由于當顆粒質量分數(shù)低于1.5%時，顆粒在多孔介質中的分散狀態(tài)較為均勻，運移情況較好，能夠被后續(xù)注入水順利的驅替出來，在多孔介質中滯留量較少，對于巖心的堵塞程度較輕；當顆粒質量分數(shù)高于1.5%時，在多孔介質運移過程中，顆粒逐漸在孔喉結構堆積架橋，造成不同程度的堵塞現(xiàn)象，從而使部分顆粒無法被后續(xù)注入水驅替出來，對巖心傷害嚴重。

3　結論

(1)隨著SiO2納米顆粒質量分數(shù)的升高，SiO2/SDS復合體系CO2泡沫的封堵性能增強，當顆粒質量分數(shù)達到1.0%時其封堵性能增幅減緩；隨著溫度的升高，其封堵性能下降，在80 ℃溫度條件下阻力因子達到245，說明該復合體系泡沫具有較好的耐溫性能；隨著壓力的升高，其封堵性能增強，當壓力達8 MPa時封堵能力趨于平緩。

(2)隨著SiO2納米顆粒質量分數(shù)的升高，該復合體系的分流性能增強，當顆粒質量分數(shù)增至1.5%時能夠實現(xiàn)流度反轉。

(3)在該實驗條件下，SiO2納米顆粒質量分數(shù)低于1.5%時在多孔介質中的滯留量較小，對于多孔介質的影響較小；當顆粒質量分數(shù)高于2.0%時對多孔介質產(chǎn)生較大的傷害。

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2016-02-19；編輯：關開澄

國家自然科學基金項目(51274228;51304229;U1262102)；山東省自然科學基金項目 (2012ZRE28014)；高等學校博士學科點專項科研基金項目(20120133110008)

王鵬(1990-)，男，助理工程師，主要從事提高采收率技術方面的研究。

10.3969/j.issn.2095-4107.2016.04.011

TE357

A

2095-4107(2016)04-0088-08