SiO2 /SDS復(fù)合體系CO2泡沫驅(qū)油性能實驗研究

王 鵬，李兆敏，李 楊，袁澤波，張 弛

(1.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(xué)(華東) 石油工程學(xué)院，山東 青島 266580；3.塔里木油田分公司 勘探開發(fā)研究院,新疆 庫爾勒 841000；4.塔里木油田分公司 勘探事業(yè)部,新疆 庫爾勒 841000)

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SiO2/SDS復(fù)合體系CO2泡沫驅(qū)油性能實驗研究

王 鵬1，李兆敏2，李 楊3，袁澤波1，張 弛4

(1.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(xué)(華東) 石油工程學(xué)院，山東 青島 266580；3.塔里木油田分公司 勘探開發(fā)研究院,新疆 庫爾勒 841000；4.塔里木油田分公司 勘探事業(yè)部,新疆 庫爾勒 841000)

以無機(jī)SiO2納米顆粒與SDS協(xié)同穩(wěn)定的CO2泡沫為研究對象，研究了該復(fù)合體系泡沫的耐溫、耐油性能，并通過物理模擬實驗研究了其驅(qū)油機(jī)理及性能。結(jié)果表明：復(fù)合體系中SDS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%、SiO2納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%時，CO2泡沫在80 ℃條件下半衰期可達(dá)25.3 min，相比較單一SDS體系CO2泡沫半衰期延長23.8 min；原油體積分?jǐn)?shù)10%時，復(fù)合體系CO2泡沫半衰期相較于單一SDS體系CO2泡沫延長18 min；復(fù)合體系CO2泡沫對于附著在巖石壁面上的原油具有更為明顯的“擦除”作用，這種作用與泡沫在多孔介質(zhì)中的快速反復(fù)運(yùn)動相結(jié)合能夠進(jìn)一步提高洗油效率；隨著復(fù)合體系質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，采收率增幅逐漸增加，當(dāng)SiO2納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到1.5%時，可提高采收率30.3%；22～80 ℃實驗溫度范圍內(nèi)，復(fù)合體系CO2泡沫提高采收率均達(dá)到20%以上。

SiO2納米顆粒；CO2泡沫驅(qū)；耐溫性；耐油性；驅(qū)油機(jī)理

王 鵬，李兆敏，李 楊，等.SiO2/SDS復(fù)合體系CO2泡沫驅(qū)油性能實驗研究[J].西安石油大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2016，31(6)：72-79.

WANG Peng，LI Zhaomin，LI Yang，et al.Experimental study on oil displacing ability of CO2foam stabilized by SiO2/SDS composite system[J].Journal of Xi'an Shiyou University (Natural Science Edition),2016,31(6):72-79.

引 言

泡沫流體在地層中具有較高的阻力系數(shù)，能夠選擇性地封堵高滲透區(qū)域，從而提高了波及系數(shù)。同時，起泡劑能夠降低油水界面張力，提高洗油效率。因此，泡沫驅(qū)是一項重要的提高采收率技術(shù)。而隨著對“碳排放”要求的日益嚴(yán)格，將CO2應(yīng)用到泡沫驅(qū)中的研究與應(yīng)用日益受到重視。

自1994年至2012年，中國已進(jìn)行了20項泡沫驅(qū)礦場試驗[1]。在現(xiàn)場應(yīng)用的過程中發(fā)現(xiàn)，部分礦場試驗中由于泡沫強(qiáng)度過低，在多孔介質(zhì)中易破滅，導(dǎo)致氣竄現(xiàn)象發(fā)生[2-4]。因此，優(yōu)化泡沫配方體系是提高泡沫驅(qū)應(yīng)用效果的重要途徑。為適應(yīng)油藏環(huán)境，泡沫體系需有較高的耐溫、耐鹽及耐油性能。近年來，研發(fā)了諸如凍膠強(qiáng)化泡沫、聚合物強(qiáng)化泡沫及納米顆粒強(qiáng)化泡沫等一些新型泡沫配方體系，并受到了越來越多的關(guān)注[5]。其中，納米顆粒泡沫體系的穩(wěn)定性最強(qiáng)，能夠?qū)⑴菽€(wěn)定性提高一個數(shù)量級以上[6-7]。納米顆粒既能夠作為獨(dú)立的穩(wěn)泡劑對泡沫起到穩(wěn)定作用，也能夠與表面活性劑產(chǎn)生協(xié)同作用提高泡沫的穩(wěn)定性[8-10]。由于納米顆粒有著固體顆粒的特性，其耐溫、耐鹽性能遠(yuǎn)高于普通表面活性劑及聚合物[11]。隨著納米技術(shù)的發(fā)展，納米材料的制備成本也在逐步降低，有著良好的工業(yè)化推廣前景。

對于納米顆粒在CO2泡沫中的應(yīng)用國內(nèi)外均有研究。在基礎(chǔ)理論研究方面，主要集中于納米顆粒的穩(wěn)泡機(jī)理研究[12]。一般認(rèn)為，納米顆粒提高CO2泡沫穩(wěn)定性的機(jī)理主要包括脫附能理論、最大毛細(xì)壓理論及增大液膜機(jī)械強(qiáng)度理論等[13-15]。在應(yīng)用類研究方面，泡沫靜態(tài)評價實驗研究較多，得到了納米顆粒獨(dú)立穩(wěn)泡或與表面活性劑協(xié)同穩(wěn)泡的規(guī)律與認(rèn)識[9,16]。而對于驅(qū)油方面的應(yīng)用類研究較少，對于添加納米顆粒后CO2泡沫的驅(qū)油機(jī)理與性能缺乏認(rèn)識。因此，為進(jìn)一步完善納米顆粒CO2泡沫在驅(qū)油應(yīng)用中的認(rèn)識，以SiO2納米顆粒與SDS(十二烷基硫酸鈉)協(xié)同穩(wěn)定的CO2泡沫為研究對象，研究了添加納米顆粒對于CO2泡沫耐溫、耐油性能的影響，并通過填砂管模型實驗研究了該種復(fù)合體系泡沫的驅(qū)油機(jī)理及性能。

1 實驗部分

1.1 實驗藥品

十二烷基硫酸鈉(SDS，分析純)、疏水SiO2納米顆粒(德國Wacker公司H18型，平均粒徑20 nm)、乙醇、CO2(純度>99%)、蒸餾水、石英砂(包括10～20目、40～60目、80～100目3種)、模擬油(原油與煤油復(fù)配而成，40 ℃下黏度187 mPa·s)。

1.2 實驗設(shè)備

電子天平、GJ-3S型高速攪拌器、HJ-4磁力攪拌器、超聲波分散儀、填砂管模型(Ф25 mm×300 mm)、多孔介質(zhì)玻璃刻蝕模型(40 mm×40 mm，平均孔道尺寸為60 μm)、微觀實驗系統(tǒng)、恒溫箱、耐壓中間容器、泡沫發(fā)生器、回壓閥、雙柱塞微量泵、氣體質(zhì)量流量計、真空泵。

1.3 實驗方法

1.3.1 泡沫性質(zhì)靜態(tài)評價實驗 依據(jù)實驗方案分別配制不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的SDS和SDS/SiO2混合溶液，采用Waring Blender法進(jìn)行泡沫評價。具體方法為：①依據(jù)實驗方案分別配制不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的SDS和SDS/SiO2混合溶液，其中配制SDS/SiO2混合溶液時需借助超聲波分散儀實現(xiàn)；②量取100 mL分散液倒入高速攪拌器樣品杯中(耐油性能測試中需依據(jù)實驗方案向樣品杯中滴入不同體積的模擬油)，將樣品杯放置于恒溫箱中恒溫1 h；③從恒溫箱中取出樣品杯前，先向樣品杯中連續(xù)通入CO2氣體3 min，然后設(shè)置高速攪拌器轉(zhuǎn)速為8 000 r/min，攪拌時間為3 min；④待攪拌結(jié)束時，立即將泡沫倒入量筒中，并放置于恒溫箱中，讀取起泡體積，并記錄底部析出液體體積達(dá)到50 mL時所用的時間作為泡沫半衰期(耐油性能測試中，讀取起泡體積后需依據(jù)實驗方案向量筒中滴入不同體積的模擬油)。每種質(zhì)量分?jǐn)?shù)的樣品測量3次，取平均值作為最終結(jié)果。

1.3.2 微觀模型驅(qū)油實驗 實驗步驟為：①配制SiO2納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%、SDS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%的復(fù)合體系起泡劑溶液及質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的SDS起泡劑溶液；②按照圖1所示流程連接實驗裝置；③出口端回壓設(shè)置為2 MPa，模型夾持器內(nèi)圍壓設(shè)置為2 MPa，加熱至40 ℃，恒溫1 h；④首先以0.01 mL/min速度對模型飽和水，然后以0.01 mL/min速度飽和模擬油，繼續(xù)恒溫0.5 h后以0.02 mL/min速度進(jìn)行水驅(qū)，驅(qū)替至出口端含水率98%時轉(zhuǎn)為泡沫驅(qū)，其中起泡劑及CO2注入速度均為0.01 mL/min。實驗過程采用微觀成像系統(tǒng)進(jìn)行記錄。

圖1 微觀實驗裝置流程Fig.1 Flow chart of micro experiment

1.3.3 填砂管模型驅(qū)油實驗 實驗步驟為：①利用石英砂填制水測滲透率為1 800～2 200 μm2的填砂管模型，并測量記錄孔隙體積；②依據(jù)實驗方案配制一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的起泡劑溶液；③按照圖2所示流程連接實驗裝置，按照實驗方案設(shè)定恒溫箱溫度，恒溫4 h；④設(shè)定回壓2 MPa，以0.1 mL/min的注入速度飽和模擬油，結(jié)束后根據(jù)出口端出水量計算原始含油飽和度；⑤水驅(qū)時注入速度設(shè)定為1 mL/min，出口端含水率達(dá)到98%時轉(zhuǎn)為泡沫驅(qū)，泡沫驅(qū)時起泡劑及CO2注入速度均設(shè)定為0.5 mL/min，即設(shè)定氣液體積比為1∶1；注入1 PV泡沫后進(jìn)行后續(xù)水驅(qū)，含水率達(dá)到98%時停止實驗；⑥實驗過程中記錄注入端壓力變化、出口端產(chǎn)液量。

圖2 填砂管模型驅(qū)油實驗裝置流程Fig.2 Flow chart of parallel-core displacement experiment

2 實驗結(jié)果與分析

SDS與SiO2納米顆粒對CO2泡沫的協(xié)同穩(wěn)定機(jī)理主要包括改善顆粒在界面的吸附位置、減弱泡沫的歧化作用、改善界面性質(zhì)以及增大體相黏度[15]。H18型SiO2顆粒與SDS僅在二者的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比介于0.10～0.40時存在協(xié)同作用，并且質(zhì)量分?jǐn)?shù)比在0.17附近時協(xié)同穩(wěn)定作用最強(qiáng)。因此，在本研究所使用的SiO2/SDS復(fù)合體系中，SDS與H18型SiO2納米顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)配比均為0.17。

2.1 復(fù)合體系CO2泡沫的穩(wěn)定性

2.1.1 復(fù)合體系CO2泡沫的耐溫性能 在溫度較高的地層條件下，由于普通表面活性劑耐溫性較差，產(chǎn)生的泡沫質(zhì)量不高，易發(fā)生氣竄，因此在現(xiàn)場應(yīng)用過程中影響了泡沫作用的發(fā)揮。由于SiO2納米顆粒具有固體的特性，因此，耐溫性較好，有助于高溫下泡沫的穩(wěn)定，從而具有拓展泡沫應(yīng)用范圍的潛力。

為研究溫度對SDS/SiO2復(fù)合體系泡沫的影響，進(jìn)行了不同溫度下的起泡實驗。該實驗中單一SDS體系質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%，復(fù)合體系中SDS質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.25%，SiO2納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%，實驗結(jié)果如圖3及圖4所示。

圖3 起泡體積隨溫度變化Fig.3 Varying of foaming volume with temperature

圖4 泡沫半衰期隨溫度變化Fig.4 Varying of foam half-life with temperature

從圖3及圖4中可以看出，該實驗條件下，2種起泡劑體系起泡體積隨溫度的升高呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，但變化幅度較小。在一定范圍內(nèi)，溫度的升高利于降低起泡劑溶液的黏度、增加表面活性劑的活性，因此起泡體積會隨溫度的升高而出現(xiàn)小幅的增加。2種泡沫體系的半衰期隨溫度的升高而逐漸減小，并且相較于起泡體積，溫度對半衰期的影響程度更為顯著。溫度對于泡沫穩(wěn)定性的影響主要有以下3個方面：

(1)溫度的變化改變了體系的界面性質(zhì)。圖5為在CO2氛圍下測得的復(fù)合體系的界面性質(zhì)隨溫度的變化規(guī)律。從圖5中可以看出，隨著溫度的升高，表面張力逐漸增大，而黏彈性模量逐漸減小。這主要是由于溫度的升高使得表面活性劑及SiO2納米顆粒的動能增加，從而不利于顆粒及表面活性劑在氣液界面的吸附，結(jié)果導(dǎo)致了表面張力及黏彈性模量表現(xiàn)出如圖5的變化趨勢。而表面張力的增加及黏彈性模量的降低勢必會降低泡沫的穩(wěn)定性。

圖5 復(fù)合體系界面性質(zhì)隨溫度變化Fig.5 Varying of interface property of composite system with temperature

(2)溫度的增加降低了復(fù)合體系的黏度。隨著溫度的升高，復(fù)合體系黏度會隨之下降，從而加快了泡沫的排液過程，降低了泡沫的穩(wěn)定性。

(3)隨著溫度的升高，液膜的水分蒸發(fā)速度加快，導(dǎo)致液膜變薄，泡沫更易破滅，從而不利于泡沫的穩(wěn)定；并且CO2在水中的擴(kuò)散速度增加，加快了泡沫歧化作用。

雖然納米顆粒的加入并不能改變泡沫穩(wěn)定性隨溫度升高而降低的趨勢，但通過對比可以發(fā)現(xiàn)，相同溫度下，復(fù)合體系泡沫的穩(wěn)定性遠(yuǎn)高于單一SDS泡沫。例如，在溫度達(dá)到80 ℃時，單一SDS泡沫的半衰期僅為0.51 min，而復(fù)合體系泡沫的半衰期為25.3 min(圖4)。這說明，納米顆粒的加入大大增強(qiáng)了CO2泡沫的耐溫性能。

2.1.2 復(fù)合體系CO2泡沫的耐油性能 原油能夠在泡沫液膜表面鋪展并進(jìn)入液膜，對泡沫液膜造成破壞，并最終導(dǎo)致泡沫的破滅。在這一機(jī)理的作用下，地層中的泡沫遇到原油時穩(wěn)定性變差，從而降低了泡沫驅(qū)的應(yīng)用效果。因此，提高泡沫體系的耐油性能對于改善泡沫驅(qū)應(yīng)用效果具有重要意義。為評價復(fù)合體系CO2泡沫的耐油性能，進(jìn)行了耐油性能的靜態(tài)泡沫評價實驗。

現(xiàn)場應(yīng)用過程中，泡沫與原油的接觸方式主要分為2種：一種是地面形成的泡沫注入地層后直接與原油相接觸；另一種是在多孔介質(zhì)的剪切作用下，原油、起泡劑及氣體共同混合后形成泡沫。為模擬這2種情況，分別進(jìn)行了2種形式的泡沫耐油實驗。在1#實驗組中，在攪拌形成泡沫后滴入不同體積的原油；而在2#實驗組中，在攪拌前加入原油，之后進(jìn)行攪拌起泡。2組實驗中，單一SDS體系質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%，復(fù)合體系中SDS質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.25%，SiO2納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%。實驗溫度均為22 ℃，實驗結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同實驗方式下泡沫半衰期隨原油體積分?jǐn)?shù)的變化Fig.6 Varying of foam half-time with volume fraction of crude oil under different experiment methods

從圖6中可以看出，對于單一SDS泡沫體系，當(dāng)原油體積分?jǐn)?shù)達(dá)到0.5%時，半衰期已降低至未加入原油時半衰期的50%左右；當(dāng)原油體積分?jǐn)?shù)達(dá)到10%時，泡沫的半衰期僅為0.2 min。說明這種普通CO2泡沫體系的耐油性較差。而對于復(fù)合泡沫體系，原油體積分?jǐn)?shù)達(dá)到1%時，半衰期仍維持在未加入原油時半衰期的50%以上，且在原油體積分?jǐn)?shù)達(dá)到10%時，2種實驗方式下的泡沫半衰期均在18 min以上。這表明復(fù)合CO2泡沫體系具有更高的耐油性能。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，相同原油體積分?jǐn)?shù)下，2#實驗組中泡沫半衰期均小于1#實驗組，這可能是由于1#實驗組中加入的原油與泡沫接觸面積小且不均勻，使得原油對泡沫體系的影響小于2#實驗組。

2.2 復(fù)合體系CO2泡沫的驅(qū)油機(jī)理

起泡劑為表面活性劑，因此泡沫驅(qū)油的機(jī)理包含了表面活性劑驅(qū)的機(jī)理，即：降低油水界面張力、乳化作用、聚并形成油帶及潤濕反轉(zhuǎn)；并且，由于泡沫流體獨(dú)特的滲流特征，具有“堵大不堵小”的選擇性封堵作用，因此能夠提高波及系數(shù)，從而提高采收率；此外，泡沫中的氣相與原油的相互作用能夠增大原油體積、降低原油黏度，兼具了氣驅(qū)的優(yōu)勢。

而SiO2納米顆粒的加入對泡沫的性質(zhì)產(chǎn)生了一定的改變，這勢必會影響到泡沫對原油的驅(qū)替作用。為研究復(fù)合體系泡沫的驅(qū)油特性，進(jìn)行了微觀驅(qū)油實驗，圖7—圖10為實驗過程中采集的圖像。

從圖7可以看出，水驅(qū)后仍有大量殘余油沿巖石壁面分布。這是由于水驅(qū)過程中一旦發(fā)生突破，后續(xù)注入水便沿水竄通道流動，對壁面上的殘余油驅(qū)替作用較小。

圖7 水驅(qū)后殘余油分布Fig.7 Residual oil distribution after water flooding

圖8為水驅(qū)后單一SDS泡沫驅(qū)油過程。由于SDS穩(wěn)定的泡沫體系能夠降低油水界面張力，因此對壁面上的殘余油具有一定的驅(qū)替作用，但從圖8中可以看出，驅(qū)替效果不是十分明顯。這主要是由于泡沫液膜強(qiáng)度較小，在原油黏度較大的情況下，泡沫在驅(qū)替原油時容易發(fā)生形變而繞過原油通過，從而減小了對原油的驅(qū)替作用。此外，由圖9可知，普通SDS泡沫體系耐油性能較差，原油的存在使得泡沫穩(wěn)定性變差，聚并現(xiàn)象明顯，使得泡沫粒徑變大，易形成大的氣相連續(xù)通道，不利于發(fā)揮泡沫驅(qū)油。

圖8 單一SDS泡沫驅(qū)中氣泡變形通過巖石壁面原油的過程Fig.8 Process of bubble deforming and passing through the crude oil on rock surface in SDS foam flooding

圖9 氣泡在原油作用下的聚并過程Fig.9 Coalescence of bubbles due to the effect of crude oil

圖10 SDS/SiO2泡沫對巖石壁面原油的驅(qū)替過程Fig.10 Process of foam displacing the crude oil in crock surface in SDS/SiO2 foam flooding

圖10為水驅(qū)后復(fù)合體系泡沫的驅(qū)油過程。通過與圖8對比發(fā)現(xiàn)，復(fù)合體系泡沫對壁面的原油具有類似“擦除”的作用，能夠?qū)⒃蛷谋诿嫔稀安脸毕聛?，使其與壁面脫離，進(jìn)而被攜帶流動。這是由于SiO2的加入提高了液膜的黏彈性模量，使其具有更高的機(jī)械強(qiáng)度，因此在形變過程中對原油的作用力較大，能夠?qū)⒃椭饾u“擦除”下來。復(fù)合體系泡沫的這一特性相對于普通泡沫體系具有明顯的優(yōu)勢，進(jìn)一步提高了洗油效率。

在實驗中發(fā)現(xiàn)，水驅(qū)過程中注入水的流動較為平緩，而泡沫驅(qū)過程中由于泡沫的封堵作用，在通過孔喉時會引起壓差，因此會出現(xiàn)壓力波動現(xiàn)象，表現(xiàn)為泡沫在運(yùn)移過程中不是始終沿著一條流線單向運(yùn)移，而是會在某一處由于壓力的反復(fù)波動，出現(xiàn)快速的往復(fù)運(yùn)動。這種快速往復(fù)運(yùn)動會對原油造成各個方向的反復(fù)擠壓，使原油更易從壁面脫離，進(jìn)一步提高了洗油效率。由于復(fù)合體系泡沫強(qiáng)度高，對原油的作用力大，因此增強(qiáng)了這種快速往復(fù)運(yùn)動引起的驅(qū)油作用。

2.3 復(fù)合體系CO2泡沫的驅(qū)油性能

為研究質(zhì)量分?jǐn)?shù)及溫度對復(fù)合泡沫體系驅(qū)油性能的影響，進(jìn)行了填砂管模型驅(qū)油實驗，表1為各組實驗參數(shù)。其中，實驗C1—C5為復(fù)合體系質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響規(guī)律實驗，實驗溫度均為40 ℃，體系中SDS與SiO2納米顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)配比均為0.17；T1—T10為溫度的影響規(guī)律實驗，實驗中單一SDS體系質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%，復(fù)合體系中SDS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%，SiO2納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%。

表1 巖心驅(qū)油實驗參數(shù)Tab.1 Parameters of sandpack displacement experiments

2.3.1 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響 圖11—圖12分別為不同復(fù)合體系質(zhì)量分?jǐn)?shù)下驅(qū)替壓差及采出程度隨注入體積的變化。從圖11中可以看出，在一次水驅(qū)過程中，當(dāng)注入體積達(dá)到0.47 PV時注入水突破，壓差迅速下降，結(jié)合圖12可知，當(dāng)注入水突破后采收率增加十分緩慢。這是由于注入水突破后會形成水竄通道，之后的注入水將沿此通道流動，無法波及到更多的原油，且由于油水界面張力大，洗油效率低，因此位于水竄通道的原油也有部分無法被驅(qū)替出，最終導(dǎo)致采收率增加緩慢。當(dāng)注入泡沫時，一方面泡沫會對水竄通道形成一定的封堵作用，使得注入水能夠波及到更多的原油，提高了波及系數(shù)； 另一方面，由于起泡劑能夠降低油水界面張力，從而提高了洗油效率，因此使得采出程度的提高較為明顯。隨著后續(xù)注入水的不斷沖刷，泡沫逐漸被驅(qū)替出，水竄通道重新形成，因此采收率逐漸趨于平穩(wěn)。

圖11 不同SiO2納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)下驅(qū)替壓差隨注入體積的變化Fig.11 Variation of displacement pressure drop with injection volume under different particle mass fraction of SDS/SiO2 displacement liquid

圖12 不同SiO2納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)下采出程度隨注入體積的變化Fig.12 Variation of recovery percent of reserves with injection volume under different particle mass fraction of SDS/SiO2 displacement liquid

通過圖13可以發(fā)現(xiàn)，未加入SiO2納米顆粒時，CO2泡沫驅(qū)提高采收率較低，僅為9.8%，這是由于原油的存在降低了泡沫的穩(wěn)定性，泡沫調(diào)驅(qū)性能下降；而隨著SiO2納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，采收率增幅逐漸增加，當(dāng)其質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到1.5%時，可提高采收率30.3%。SiO2納米顆粒的加入能夠提高CO2泡沫的耐油性，提高了CO2泡沫的穩(wěn)定性，使得泡沫能夠更好地發(fā)揮調(diào)剖作用；另一方面，SiO2納米顆粒提高了液膜的機(jī)械強(qiáng)度，能夠?qū)Ω街趲r石表面的原油形成有效的“擦除”作用，從而進(jìn)一步提高了洗油效率，進(jìn)而提高了采收率。但當(dāng)繼續(xù)增加質(zhì)量分?jǐn)?shù)至2.0%時，采收率增幅變化不大，為34.2%，表明當(dāng)SiO2納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)足夠大時，繼續(xù)增加其質(zhì)量分?jǐn)?shù)對提高采收率效果影響較小。這是由于注入速度一定的情況下，剪切速率不變，而由于SiO2納米顆粒在氣液界面的脫附能較大，繼續(xù)增加顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)已無法使得形成的泡沫性能得到相應(yīng)提高，因此產(chǎn)生的泡沫質(zhì)量變化不大，從而無法在較大程度上影響驅(qū)油效果。

圖13 采出程度隨SiO2納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化Fig.13 Variation of recovery percent of reserves with mass fraction of SiO2 nanoparticle

2.3.2 溫度的影響 圖14為一次水驅(qū)后不同體系泡沫驅(qū)所提高的采收率大小隨溫度的變化規(guī)律。從圖中可以看出，隨著溫度的增加，2種體系泡沫驅(qū)的提高采收率大小均逐漸下降。但在溫度由40 ℃升高至50 ℃時，單一SDS體系獲得的最終采收率已開始出現(xiàn)明顯的下降趨勢，提高采收率由10.8%下降至5.0%；當(dāng)溫度繼續(xù)升高至80 ℃時，提高采收率僅為1%。結(jié)合圖4中靜態(tài)評價實驗結(jié)果可知，該溫度下CO2泡沫穩(wěn)定性較差，僅是依靠表面活性劑降低油水界面張力來實現(xiàn)采收率的提高，失去了泡沫驅(qū)的優(yōu)勢。而對于復(fù)合體系泡沫，在實驗溫度范圍內(nèi)，雖然提高采收率程度有所下降，但仍然能夠維持在20%以上，說明復(fù)合體系泡沫在驅(qū)油過程中耐溫性能優(yōu)良，能夠應(yīng)用在溫度較高的油藏中。

圖14 水驅(qū)后不同體系泡沫驅(qū)提高的采收率隨溫度的變化Fig.14 Variation of enhanced oil recovery of different oil displacement systems with temperature after water flooding

3 結(jié) 論

(1)SiO2納米顆粒能夠提高CO2泡沫的耐溫及耐油性能。復(fù)合體系中SDS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%、SiO2納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%時，CO2泡沫在80 ℃條件下半衰期可達(dá)25.3 min，相比較單一SDS體系CO2泡沫半衰期延長23.8 min；原油體積分?jǐn)?shù)10%時，復(fù)合體系CO2泡沫半衰期相較于單一SDS體系CO2泡沫半衰期延長18 min。

(2)微觀驅(qū)油實驗表明，由于復(fù)合體系CO2泡沫機(jī)械強(qiáng)度高，相對于普通CO2泡沫對于附著在巖石壁面上的原油具有更明顯的“擦除”作用，且這種“擦除”作用結(jié)合泡沫在多孔介質(zhì)中的快速反復(fù)運(yùn)動能夠進(jìn)一步提高洗油效率。

(3)填砂管模型驅(qū)油實驗表明，隨著復(fù)合體系質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，采收率增幅逐漸增加，當(dāng)SiO2納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到1.5%時，可提高采收率30.3%；隨著溫度的升高，水驅(qū)后提高采收率程度下降，但22～80 ℃實驗溫度內(nèi)，復(fù)合體系CO2泡沫驅(qū)提高采收率均在20%以上。

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責(zé)任編輯：賀元旦

Experimental Study on Oil Displacing Ability of CO2Foam Stabilized by SiO2/SDS Composite System

WANG Peng1，LI Zhaomin2，LI Yang3，YUAN Zebo1，ZHANG Chi4

(1.Research Institute of Oil and Gas Engineering,Tarim Oilfield Company,Korla 841000,Xinjiang,China;2.Faculty of Petroleum Engineering,China University of Petroleum (East China),Qingdao 266580,Shandong,China;3.Exploration and Development Research Institute,Tarim Oilfield Company,Korla 841000,Xinjiang,China;4.Exploration Division,Tarim Oilfield Company,Korla 841000,Xinjiang,China)

The temperature resistance and the oil tolerance of the CO2foam system stabilized by SiO2nanoparticles and SDS were discussed,and the oil displacement mechanism and the oil displacement capability of it were studied using simulation experiments.It is shown that when the mass fraction of SDS and SiO2nanoparticle in the system is 0.25% and 1.5% respectively,the half life of the CO2foam system can reach to 25.3 min at 80℃,and it is longer 23.8 min than that of the CO2foam stabilized only by SDS.When the volume fraction of crude oil is 10%,the half life of the CO2foam system is longer 18.0 min than that of the CO2foam stabilized only by SDS.The CO2foam system has stronger "erasing" effect on the crude oil attached to the wall of a rock,and the "erasing" effect being combined with the fast repeated movement of foam in porous media combination can further improve oil displacement efficiency.With the increase of the mass fraction of SDS and SiO2nanoparticle in the composite CO2foam system,the increase of recovery factor enhancees gradually,and when the mass fraction of SiO2nanoparticles reaches 1.5%,the recovery factor can be increased by 30.3%.In the experimental temperature range of 22～80 ℃，the oil recovery factor enhanced by the composite CO2foam system is higher than 20%.

SiO2nanoparticle;CO2foams flooding;temperature resistance;oil tolerance;oil displacing mechanism

2016-09-15

國家自然科學(xué)基金“改性納米二氧化硅和表面活性劑協(xié)同作用的CO2泡沫穩(wěn)定機(jī)理及滲流特征”(編號：51274228)；國家自然科學(xué)基金“油藏條件下超臨界CO2乳液轉(zhuǎn)相乳化規(guī)律及滲流特征”(編號：51304229)；山東省自然科學(xué)基金“改性二氧化硅納米顆粒對CO2泡沫穩(wěn)定性的影響機(jī)理及應(yīng)用研究” (編號：2012ZRE28014)

王鵬(1990-)，男，碩士，助理工程師，主要從事提高采收率研究。E-mail：yxpwp2008@163.com

10.3969/j.issn.1673-064X.2016.06.011

TE357

1673-064X(2016)06-0072-08

A