溫度壓力對CO2泡沫相態(tài)和性能影響研究

楊昌華

1.西安石油大學石油工程學院,2.西部低滲-特低滲油藏開發(fā)與治理教育部工程研究中心：西安 710065

CO2驅(qū)由于一方面驅(qū)油效率高，另一方面還起到碳減排和埋存目地，越來越受到油田的青睞，但在其驅(qū)替過程中，如何抑制氣竄，怎么擴大CO2驅(qū)波及范圍是影響其提高采收率的重要因素[1]。CO2具有氣態(tài)、液態(tài)和超臨界3種不同相態(tài)，不同相態(tài)CO2產(chǎn)生的泡沫外觀和穩(wěn)定性差異較大，泡沫是控制氣體流度的重要手段[2]。CO2易溶于水，是一種酸性氣體，在油藏條件下處于超臨界狀態(tài)，CO2泡沫受溫度壓力的影響大，在不同溫度壓力下能否形成泡沫，泡沫狀態(tài)如何，不同狀態(tài)泡沫封堵能力研究顯得十分必要。泡沫表征方法有體積法、電導率法及壓力法，常用的為Ross-Miles法[3]，但這些評價方法溫度壓力均受限制，不能模擬CO2在不同相態(tài)下的發(fā)泡情況。因此，筆者通過高溫高壓可視化泡沫儀對存在相態(tài)變化的CO2泡沫特性進行研究。

1 實驗

1.1 高溫高壓可視化泡沫儀和試驗方法

高溫高壓泡沫儀由起泡裝置、加熱系統(tǒng)、測壓系統(tǒng)、增壓系統(tǒng)和光源等組成。試驗裝置主要特點：耐高溫高壓，耐溫150 ℃、耐壓20 MPa，可實現(xiàn)不同相態(tài)CO2泡沫穩(wěn)定性評價；可實現(xiàn)高溫高壓條件下高速攪拌起泡，最高轉(zhuǎn)速1 000 r/min，起泡速度快；具有可視觀察窗，可觀察高溫高壓條件下泡沫的起泡及穩(wěn)泡狀態(tài)；測溫點在設備內(nèi)部，可準確測量泡沫實際溫度。

試驗方法：在高溫高壓可視化泡沫儀內(nèi)加入配制好的泡沫劑溶液，并升溫至試驗溫度；充入CO2至試驗壓力，待壓力穩(wěn)定后，以恒定轉(zhuǎn)速(1 000 r/min)攪拌一定時間；記錄泡沫高度、半衰期等。

1.2 原料及試驗條件

實驗用水，濮城沙一下區(qū)塊注入水，礦化度24×104mg/L，Cl-1濃度16×104mg/L，水型為CaCl2；CO2，純度99.9%；起泡劑，甜菜堿類復配而成[4]，泡沫液濃度5 g/L。

濮城沙一下區(qū)塊溫度82.5 ℃，壓力20 MPa，在該條件下CO2是超臨界狀態(tài)(CO2超臨界點溫度為31.1 ℃，壓力7.38 MPa)。

2 不同相態(tài)CO2泡沫特征

CO2在不同溫度和壓力條件下存在不同相態(tài)，產(chǎn)生的CO2泡沫外觀和穩(wěn)定性差異較大。在氣態(tài)、液態(tài)和超臨界條件下，考察CO2與泡沫劑混合后的起泡特征，結果見圖1。

a)2.0 MPa/20 ℃ b)6.0 MPa/20 ℃ c)7.5 MPa/45 ℃

圖1不同相態(tài)條件下CO2泡沫形態(tài)

從圖1看出，(a)為氣態(tài)CO2泡沫，在高溫高壓可視化泡沫儀視窗中可看到明顯泡沫，其形態(tài)與空氣、N2等泡沫外觀相近。(b)為液態(tài)泡沫，從視窗中不能觀察到明顯的泡沫，外觀近似于乳狀液狀態(tài)，呈均勻相。(c)為超臨界態(tài)泡沫，可看到該泡沫介于氣態(tài)和液態(tài)之間，泡沫更細小、致密。從起泡所需時間看，氣態(tài)泡沫需攪拌更長時間，需60 s，發(fā)泡速率較慢；超臨界態(tài)與液態(tài)能快速發(fā)泡，僅需10 s。

3 溫度、壓力對CO2泡沫性能影響

溫度和壓力是CO2相態(tài)變化的重要原因，針對不同相態(tài)(氣態(tài)、液態(tài)及超臨界態(tài))CO2形成的泡沫分別考察了溫度和壓力對泡沫劑性能的影響。

3.1 溫度

固定壓力為8 MPa(超臨界壓力之上)，考察溫度對CO2泡沫液性能的影響，結果見表1。

表1 溫度對CO2泡沫起泡能力的影響

由表1看出，在相同壓力下，隨著溫度升高，CO2泡沫起泡體積降低，但降低幅度有限；泡沫半衰期明顯降低，泡沫與溫度變化關系與文獻[5-6]報道的規(guī)律一致。雖然隨著溫度升高，泡沫氣泡體積和半衰期均降低，但整體表現(xiàn)出泡沫性能良好，在100 ℃下半衰期為87 min。

3.2 壓力

固定溫度82.5 ℃，考察壓力對CO2泡沫性能的影響，結果見表2。

表2 壓力對CO2泡沫起泡能力的影響

由表2看出，隨著壓力增加，CO2泡沫起泡能力和穩(wěn)泡能力均增加，壓力對泡沫體積和半衰期影響明顯。尤其是在超臨界條件下，CO2形成泡沫的起泡能力和穩(wěn)泡能力均明顯增強，說明超臨界條件下，CO2泡沫性能明顯高于常規(guī)的氣態(tài)泡沫。這與在高溫高壓可視化泡沫儀觀察到超臨界CO2不僅能形成泡沫，且泡沫更細小致密結論一致。

4 泡沫封堵能力

為考察不同相態(tài)下(氣態(tài)、液態(tài)及超臨界態(tài))CO2泡沫體系封堵能力，應用物模實驗考察不同相態(tài)下CO2泡沫的封堵能力。物模滲透率均為313×10-3μm2，注水穩(wěn)定后，采用發(fā)泡劑和CO2混合注入，氣液比為1∶1，總注入量為1 PV，記錄各階段模型兩端壓差，結果見表3。

表3 不同相態(tài)CO2泡沫封堵能力

由表3看出，氣態(tài)CO2泡沫封堵能力最差，液態(tài)CO2泡沫居中，封堵性能最好的是超臨界CO2泡沫，這主要是由于氣態(tài)泡沫最不穩(wěn)定；液態(tài)CO2跟發(fā)泡劑形成的是乳狀液，乳狀液本身具有一定的封堵能力；而超臨界態(tài)CO2與發(fā)泡劑形成的泡沫致密細小，具有更長的半衰期和更好的發(fā)泡能力，這與靜態(tài)評價結果一致。

5 結論

1)由高溫高壓可視化泡沫儀研究結果可知，CO2在不同相態(tài)下均可形成泡沫，液態(tài)形成的泡沫呈均勻相，外觀形態(tài)近似于乳狀液狀態(tài)，超臨界CO2形成的泡沫介于氣態(tài)和液態(tài)之間，泡沫更細小、致密。

2)溫度和壓力對泡沫的形成均有一定影響，其中壓力的影響明顯，高壓情況下能顯著提高泡沫穩(wěn)定性。在油藏條件下，CO2處于超臨界狀態(tài)，在該條件下泡沫的起泡速度和半衰期均高于氣態(tài)CO2泡沫，有利于泡沫在油藏內(nèi)的形成和封堵。

3)物模實驗進一步驗證了超臨界CO2形成的泡沫體系封堵效果優(yōu)于氣態(tài)、液態(tài)CO2泡沫。

[1] 李景梅.注CO2開發(fā)油藏氣竄特征及影響因素研究[J].石油天然氣學報,2012,34(3):153-156.

[2] 周國華,宋新旺,王其偉,等.泡沫復合驅(qū)在勝利油田的應用[J].石油勘探與開發(fā),2006,33(3):369-373.

[3] 周風山.使用新舊準標Ross-Miles儀評價發(fā)泡劑發(fā)泡能力的比較[J].油田化學,1990,7(2):194-197.

[4] 楊昌華,王慶,董俊艷,等.高溫高鹽油藏CO2驅(qū)泡沫封竄體系研究與應用[J].石油鉆采工藝,2012,34(5):95-101.

[5] 劉向斌.控制二氧化碳氣竄泡沫配方體系的研制與應用—以宋芳屯油田芳48斷塊為例[J].油氣地質(zhì)與采收率,2011,18(5): 51-53.

[6] 趙仁保,岳湘安,柯文奇,等.氮氣泡沫體系穩(wěn)定性的影響因素研究[J].石油學報,2009,30(1):84-87.