高穩(wěn)定性泡沫凝膠研制及性能評價

羅文利, 何楚琦, 馮利娟, 鄒新源, 吳 煒, 樊 劍, 黃 麗

(1.中國石油勘探開發(fā)研究院 提高石油采收率國家重點實驗室，北京 100083； 2.中國石油大學(xué)(北京) 提高采收率研究院，北京 102249；3.新疆油田公司 勘探開發(fā)研究院，新疆克拉瑪依 834000)

延長組長6油藏屬巖性或構(gòu)造巖性油藏，無邊底水或邊底水不活躍，原始驅(qū)動類型為彈性溶解氣驅(qū)。試驗區(qū)主力油層儲量豐度58.7×104t/km2，單儲系數(shù)3.26×104t/(km2·m)，含油面積9.9 km2，可采儲量110.9×104t，可采儲量標(biāo)定采收率為24.5%。試驗區(qū)ZJ53井區(qū)1999年投入開發(fā)，先后經(jīng)歷了產(chǎn)能建設(shè)階段、穩(wěn)產(chǎn)階段、調(diào)整階段，由于該區(qū)塊儲層非均質(zhì)性強，一系列的開發(fā)矛盾也逐漸顯現(xiàn)，為了緩解開發(fā)矛盾，區(qū)塊進(jìn)行了相應(yīng)的注水調(diào)整和注水政策，進(jìn)行了四個井組的空氣泡沫驅(qū)試驗，并開始準(zhǔn)備對區(qū)塊進(jìn)行整體空氣泡沫驅(qū)試驗。但目前普通泡沫驅(qū)受到泡沫穩(wěn)定性限制，并未發(fā)揮出應(yīng)有的效果。

泡沫凝膠是由起泡劑、聚合物和交聯(lián)劑的水溶液在氣體作用下起泡而形成的[1-2]。泡沫壁中的聚合物和交聯(lián)劑發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，形成的三維立體空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)構(gòu)成泡沫的骨架，使泡沫凝膠具備普通水基泡沫難以比擬的強度和穩(wěn)定性[3]。泡沫凝膠是一種選擇性調(diào)堵劑，調(diào)堵機(jī)理主要體現(xiàn)在以下幾個方面：成膠前，泡沫凝膠以泡沫形態(tài)存在，起到水基堵劑的作用，將優(yōu)先進(jìn)入含水飽和度高的地層即出水層，并在水層穩(wěn)定存在，通過賈敏效應(yīng)對水起封堵作用；注入的泡沫起到選擇性調(diào)堵的作用，泡沫在含水飽和度高的地層能夠穩(wěn)定存在，在含油飽和度高的地層則會消泡；泡沫凝膠注入地層后，該泡沫體系在一定時間內(nèi)成膠，以凝膠為外相，極大地促進(jìn)了泡沫體系的穩(wěn)定性，從而更有效地封堵高滲層[4-9]。

1 實驗部分

1.1 試劑及材料

部分水解聚丙烯酰胺(HPAM)AZ，相對分子質(zhì)量2 000萬，固含率87%，河南正佳環(huán)保有限公司；交聯(lián)劑T1、T2，中石油勘探開發(fā)研究院提供；穩(wěn)定劑CK1、CK2、CK3，東營市勝都石油技術(shù)有限公司生產(chǎn)；發(fā)泡劑FP388、FP288，由中石油勘探開發(fā)研究院提供；發(fā)泡劑OP-10、AOS、SDS，均為分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；氮氣(純度為99%)，北京永騰氣體有限公司。

1.2 起泡劑的篩選

使用10 000 mg/L的地層水配置不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的發(fā)泡劑溶液，取200 mL置于 Waring攪拌器中，在8 000 r/min轉(zhuǎn)速下攪拌3 min之后倒入具塞量筒內(nèi)。常溫下，記錄量筒內(nèi)泡沫的初始體積V0，記錄量筒中析出100 mL液體所需的時間t1/2。評價起泡能力和泡沫穩(wěn)定性的參數(shù)主要是起泡體積V0和半衰期t1/2，將起泡體積與半衰期的乘積定義為泡沫綜合值FC，并通過參數(shù)FC來反映起泡劑的綜合性能[10]。

1.3 交聯(lián)劑的篩選

使用10 000 mg/L的模擬礦化水配制5 000 mg/L的AZ聚合物母液，在聚合物溶液中加入交聯(lián)劑，攪拌均勻后置于安瓿瓶內(nèi)，抽真空后封口，置于80 ℃烘箱中恒溫，定期取出觀察。采用GSC目測代碼法(見表1)確定成膠時間及強度[11]，以此評判交聯(lián)劑的性能。

表1 GSC強度代碼法Table 1 GSC strength code method

1.4 穩(wěn)泡劑的篩選

將穩(wěn)泡劑加入到上述含有發(fā)泡劑的氯化鈉溶液中，同樣取200 mL置于Waring攪拌器中，8 000 r/min攪拌3 min形成泡沫，將所得的泡沫倒入具塞量筒中，一份置于常溫，另一份置于80 ℃恒溫烘箱中，分別記錄泡沫體積和半衰期。

1.5 泡沫凝膠的制備

取一定濃度的聚合物溶液200 mL，加入硫脲，篩選所得交聯(lián)劑、發(fā)泡劑、穩(wěn)泡劑，使用Waring攪拌器8 000 r/min攪拌3 min形成泡沫，將產(chǎn)生的泡沫密封于具塞量筒中，置于80 ℃的烘箱中靜候形成泡沫凝膠[12]。

1.6 泡沫凝膠穩(wěn)定性能評價

在其他組分不變的情況下，改變聚合物的濃度，研究其對體系穩(wěn)定性的影響。實驗過程使用布氏黏度計測量泡沫黏度，將制備好的泡沫凝膠放入80 ℃玻璃加熱套中，恒溫5 min測其黏度(為保護(hù)泡沫,黏度在1.5 r/min下測量)，取一個較為平穩(wěn)的讀數(shù)。采用常規(guī)量筒法記錄析液量，使用200 mL基液制備泡沫，將泡沫密封于1 000 mL帶塞量筒中，置于80 ℃烘箱中靜置24 h，觀察量筒底部析出液的體積。

1.7 泡沫凝膠封堵性能評價

采用長度為30 cm 、寬度為4.5 cm 的均質(zhì)長方砂巖巖心進(jìn)行實驗，首先對巖心抽真空并飽和水，將巖心裝入巖心加持器內(nèi)，設(shè)置回壓為12 MPa，環(huán)壓為15 MPa。以0.8 mL/min的速度注入一定量的模擬水，隨后將巖心夾持器放到80 ℃ 烘箱恒溫6 h。然后以0.6 mL/min的速度注入氣液體積比為3∶1的泡沫，注入完成后將巖心夾持器兩端封死，并在80 ℃烘箱內(nèi)靜置12 h，使泡沫形成泡沫凝膠。最后以0.8 mL/min的速度注入一定量的模擬水。實驗裝置如圖1所示，實驗過程中的注入壓力通過與壓力傳感器相連接的計算機(jī)記錄。

圖1 泡沫凝膠巖心封堵性能評價實驗裝置

Fig.1Experimentdeviceofgelfoamreservoirpluggingperformance

2 結(jié)果與分析

2.1 起泡劑成分的選定

實驗考察了OP-10、AOS、SDS、FP288、FP388五種發(fā)泡劑的性能，結(jié)果見圖2—4。

圖2 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)起泡劑的起泡體積

Fig.2Foamvolumewithdifferentmassfractionoffoamagent

圖3 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)起泡劑的泡沫析液半衰期

Fig.3Half-lifewithdifferentconcentrationofdifferentmassfractionoffoamagent

圖4 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)起泡劑的泡沫綜合值

Fig.4Comprehensiveabilityofseveralfoamagentwithdifferentmassfractionoffoamagent

由圖2、3可以看出，起泡劑起泡體積及半衰期均隨起泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而增大，但當(dāng)達(dá)到臨界質(zhì)量分?jǐn)?shù)后增長開始變緩，對應(yīng)的泡沫綜合值也呈現(xiàn)對應(yīng)的趨勢。五種發(fā)泡劑中，AOS、SDS、FP388的起泡體積較大，而AOS、FP288和FP388在起泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于0.4%后，半衰期明顯高于其它起泡劑。

泡沫在地層中的調(diào)驅(qū)能力受泡沫的數(shù)量( 反映為起泡體積V0) 和穩(wěn)定性( 反映為半衰期t1/2) 的綜合影響，因此可以將起泡體積與半衰期的乘積作為一個主要參數(shù)，用于評價泡沫調(diào)驅(qū)過程中起泡劑的性能，并將該參數(shù)定義為起泡劑的泡沫綜合值FC，其定義式如式(1):

FC=t(1/2)V0(1)

式(1)中，F(xiàn)C為泡沫綜合值，mL·s，t(1/2)為析液半衰期，s，V0為泡沫體積，mL。

由圖4可以看出，質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.4%的FP388和0.4%的AOS泡沫綜合值較高且增長已經(jīng)趨于平緩，可以認(rèn)為這兩種發(fā)泡劑的綜合性能較好，在地層中預(yù)期調(diào)驅(qū)能力較好，但質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.4%的FP388半衰期高于質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.4%的AOS，從穩(wěn)定性考慮FP388更適合泡沫凝膠體系，故最終選擇質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.4%的FP388作為高穩(wěn)定性泡沫凝膠組分。這是由于本研究中使用的FP288主要成分是改性后的磺酸鹽類表面活性劑，F(xiàn)P388則由氟碳類甜菜堿及其他成分復(fù)配而成，F(xiàn)P288特性與常用的磺酸鹽表活劑AOS類似，而氟碳類甜菜堿的性能主要與其結(jié)構(gòu)有關(guān)，氟碳表面活性劑中的氟碳鏈在水溶液表面形成排列整齊的單分子膜，就像在溶液表面鋪了一層氟碳化合物，由于氟碳鏈?zhǔn)杷饔脧娏?，故可將水溶液表面張力降到極低水平，另一方面由于氟碳鍵鍵能較高，故其耐溫性及穩(wěn)定性也極好。

2.2 交聯(lián)劑成分的選定

選取耐溫耐鹽性能較好的AZ聚合物作為泡沫凝膠體系的聚合物組分。相同條件下，比較了水溶性酚醛樹脂、氯化鉻、T1 & T2交聯(lián)劑的成膠時間和成膠強度,實驗結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同交聯(lián)劑成膠實驗現(xiàn)象(24 h)

Fig.5Crosslinkexperimentresultofseveralcrosslinker(24h)

由圖5可見，酚醛樹脂作為交聯(lián)劑，體系成膠過慢且強度較低，所成凝膠幾乎不掛壁；氯化鉻成膠時間快但容易脫水，容易過度交聯(lián)產(chǎn)生沉淀；T1 & T2交聯(lián)劑成膠時間較快且強度可控，故對其與聚合物進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)選。上述實驗結(jié)果主要與三者的交聯(lián)機(jī)理有關(guān)，HPAM /酚醛的交聯(lián)機(jī)理是HPAM支鏈中的—CONH2與酚醛發(fā)生縮合反應(yīng)，形成空間網(wǎng)狀的凍膠，由于 HPAM 與酚醛交聯(lián)劑是通過化學(xué)鍵交聯(lián)，因此體系不易被破壞，耐高溫性能較好; HPAM 與鉻離子的交聯(lián)，是一個有許多中間步驟的復(fù)雜反應(yīng)，但隨著溫度的上升，反應(yīng)速率迅速加快，聚合物成膠的傾向強烈，無法控制甚至脫水；T1 & T2交聯(lián)劑是一種復(fù)配型交聯(lián)劑，含有高價金屬及有機(jī)交聯(lián)成分，因此不僅成膠時間快，而且耐溫性良好。

AZ聚合物與T1 & T2交聯(lián)劑成膠結(jié)果如表2所示。由表2可見，不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的T1 & T2交聯(lián)劑與AZ聚合物均可形成穩(wěn)定的凝膠，當(dāng)聚合物和交聯(lián)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，凝膠的成膠時間變短，凝膠強度增強。因為聚合物和交聯(lián)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，丙烯酰胺的交聯(lián)點越多，酰胺加成反應(yīng)越快，成膠時間越短[13]。成膠時間為4～8 h時，比較利于泡沫凝膠的穩(wěn)定，因此選擇質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.3%～0.4%的T1 & T2作為高強度泡沫凝膠體系的交聯(lián)劑組分，質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%～0.3%的AZ聚合物作為體系聚合物組分。

表2 AZ聚合物與T1 & T2交聯(lián)劑成膠實驗結(jié)果Table 2 The crosslink experiment of AZ polymer between T1 & T2 crosslinker

續(xù)表2

2.3 穩(wěn)泡劑成分的選定

理論上制備泡沫凝膠，只需要聚合物、交聯(lián)劑、發(fā)泡劑三種組分，但在實際制備過程中發(fā)現(xiàn)，聚合物與交聯(lián)劑的交聯(lián)時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)長于泡沫自身的半衰期，所以在體系還未形成凝膠骨架和外壁時，泡沫就已破滅，使泡沫凝膠無法成型。因此，需要在以上三種組分的基礎(chǔ)上加入一些有利于泡沫穩(wěn)定的穩(wěn)定劑，從而延長泡沫的半衰期，使交聯(lián)時間與泡沫半衰期相匹配。實驗考查了CK1、CK2、CK3三種穩(wěn)泡劑對FP388的穩(wěn)定效果，實驗結(jié)果如表3所示。

表3 不同種類穩(wěn)泡劑對泡沫穩(wěn)定性的影響Table 3 The influence of several foam stabilizer to foam agent

由表3可知，隨著穩(wěn)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，泡沫體積均逐漸下降，半衰期逐漸增長，泡沫綜合值呈上升趨勢。在相同穩(wěn)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)時，穩(wěn)泡劑CK2加入后，泡沫的半衰期明顯增長，穩(wěn)定性比其他種類的穩(wěn)泡劑效果要好，這是因為CK2中含有生物聚合物成分，它可以大幅增加體系黏度，使泡沫液膜黏度增高，阻礙膜上液體流動排出，從而使泡沫穩(wěn)定。另一方面增加泡沫的黏度，可以延長泡沫的半衰期，避免泡沫在交聯(lián)反應(yīng)之前就發(fā)生破滅，使泡沫交聯(lián)時間和泡沫半衰期得以匹配，促使泡沫形成凝膠外壁，構(gòu)成泡沫凝膠體系。選擇CK2作為泡沫凝膠體系的穩(wěn)泡劑，綜合經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)泡性能，選擇質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.3%作為最優(yōu)加量。

2.4 泡沫凝膠穩(wěn)定性能評價

凝膠泡沫體系是一種不穩(wěn)定體系，體系性能會隨時間變化而變化，屬于切稀流體，泡沫受到較強剪切作用后會發(fā)生破滅，無法使用測試凝膠強度的手段來測試凝膠泡沫，決定泡沫穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素是液膜的強度，而液膜的強度取決于界面吸附膜的堅固度，可由表面黏度來度量[14]。凝膠泡沫由凝膠骨架和填充氣體組成，理論上泡沫總量等于基液量和注入氣體總量，若泡沫液膜未能交聯(lián)形成凝膠骨架，泡沫就會破裂，在帶塞量筒底部聚集，所以析液量越多，說明泡沫越不穩(wěn)定，破滅的泡沫越多，而剩余的泡沫量越少，凝膠泡沫體系越不穩(wěn)定。

在選定了泡沫凝膠的各種成分之后，使用了質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.4%的FP388作為發(fā)泡劑，質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.3%的AZ作為聚合物，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.3%、0.3%的T1 & T2作為交聯(lián)劑，質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.3%的CK2作為穩(wěn)泡劑，進(jìn)行了泡沫凝膠的制備，將其置于80 ℃恒溫烘箱中，定期檢測其黏度及析液量隨時間變化，實驗結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，制得的泡沫凝膠析液量隨時間變化而增加，在12 d時到達(dá)半衰期，同樣其黏度在半衰期前隨時間增長而增大，半衰期后開始下降；30 d時其析液量最多達(dá)到110 mL，泡沫黏度仍在40 000 mPa·s以上，可以認(rèn)為所制得的泡沫凝膠具有極好的穩(wěn)定性。

圖6 泡沫凝膠黏度及泡沫析液量隨時間的變化

Fig.6Foamgelviscosityandtheamountoffoamchangewithtime

2.5 泡沫凝膠封堵性能評價

使用制備的泡沫凝膠對500、1 000、2 000 mD的巖心進(jìn)行封堵實驗，實驗過程中的壓差如圖7所示。

由圖7可知，在泡沫注入階段，巖心的滲透率越高注入壓差越低，說明體系優(yōu)先進(jìn)入大孔道。12 h后泡沫在巖心內(nèi)部形成泡沫凝膠，再次進(jìn)行水驅(qū)，發(fā)現(xiàn)壓差相比第一次水驅(qū)大幅增加，水驅(qū)7 PV后仍有較高的壓差，說明此泡沫凝膠不僅具有良好的封堵性能，而且相對于普通泡沫而言，其耐沖刷性良好。經(jīng)計算，該泡沫凝膠體系對500、1 000、2 000 mD的巖心封堵率分別為98.93%、99.92%、99.89%，說明體系對中高滲油藏可以形成有效封堵。

圖7 泡沫凝膠封堵體系巖心封堵實驗壓差變化

Fig.7Pressurevariationofgelfoamsystemsealingexperiment

3 結(jié)論

通過室內(nèi)研究，確定了泡沫凝膠體系配方(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：0.4%的發(fā)泡劑FP388+0.3%的AZ聚合物+0.3%的交聯(lián)劑T1+0.3%的交聯(lián)劑T2+0.3%的穩(wěn)泡劑CK2。該配方制備的泡沫凝膠在80 ℃，10 000 mg/L礦化度條件下，泡沫半衰期能夠達(dá)到12 d，且在30 d內(nèi)黏度處于較高水平并保持穩(wěn)定。

泡沫凝膠在成膠前具有泡沫選擇性封堵的特性，能夠優(yōu)先進(jìn)入大孔道并形成封堵，在成膠之后具有凝膠的特性，能對油藏孔隙形成有效封堵，說明泡沫凝膠堵水技術(shù)適用于滲透率比較高的地層，對封堵裂縫、非均質(zhì)油藏具有較好的應(yīng)用前景。

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