草舍油田CO2驅(qū)用氣溶性發(fā)泡劑性能評(píng)價(jià)

張 壯，王海燕，徐 騫，張宏錄

（中國(guó)石化華東油氣分公司石油工程技術(shù)研究院，江蘇南京210031）

CO2驅(qū)油作為一項(xiàng)提高原油采收率的關(guān)鍵技術(shù)，在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用[1]。其不僅具有適用范圍廣、成本低、增油效果顯著等特點(diǎn)，還對(duì)溫室氣體減排和環(huán)境保護(hù)有重要的促進(jìn)作用[2-3]。草舍油田是國(guó)內(nèi)較早進(jìn)行CO2驅(qū)油試驗(yàn)的油田，取得了較好的開(kāi)發(fā)效果。但在開(kāi)發(fā)后期，由于CO2的黏性指進(jìn)、重力超覆以及油層的非均質(zhì)性[4]，部分采油井氣竄嚴(yán)重，成為影響采收率提高的主要原因。目前文獻(xiàn)報(bào)道的CO2防氣竄的方法有水氣交替注入、CO2+泡沫、CO2增稠封竄、聚合物凝膠封竄等[5-8]，其中CO2+泡沫是一種較為可行的控制氣竄的方法[9-10]，多采用水溶性發(fā)泡劑生成泡沫體系，但在草舍油田等低滲透油田，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)存在注入困難，注入壓力高等難以克服的技術(shù)難題。為此，研究人員研制出能溶解于CO2中的氣溶性發(fā)泡劑，隨CO2注入地層，形成穩(wěn)定的泡沫體系，封堵氣竄通道[11-13]。通過(guò)對(duì)中國(guó)石化勝利油田研制的含氟和含硅2 種氣溶性發(fā)泡劑體系進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)，優(yōu)選出1種適合草舍油田的CO2驅(qū)泡沫封竄體系，為下步草舍油田單井試驗(yàn)研究奠定基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及儀器

實(shí)驗(yàn)材料：含氟發(fā)泡劑A（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5 %的水溶液，圖1）、含硅發(fā)泡劑B（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%的水溶液，圖2）、CO2氣體、乙醇助溶劑、不同粒徑地層砂、草舍油田地層水（總礦化度35 625 mg/L，各離子質(zhì)量濃度為：K++Na+13 792 mg/L，Ca2+100 mg/L，Mg2+61 mg/L，Cl-21 612 mg/L）。

圖1 含氟發(fā)泡劑A化學(xué)結(jié)構(gòu)式Fig.1 Chemical structure formula of fluorine-containing foaming agent A

圖2 含硅發(fā)泡劑B化學(xué)結(jié)構(gòu)式Fig.2 Chemical structure formula of silicon-containing foaming agent B

實(shí)驗(yàn)儀器：高溫高壓可視化電磁耦合攪拌式泡沫儀（以下簡(jiǎn)稱泡沫儀）、手搖泵、U 型溶解管、取樣器、CO2鋼瓶、氣體流量計(jì)、平流泵、填砂管、恒溫箱、壓力表、回壓閥、中間容器、增壓泵等。溶解度及起泡性能測(cè)試流程見(jiàn)圖3，封堵性能評(píng)價(jià)流程見(jiàn)圖4。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1）溶解性能：利用手搖泵向泡沫儀注入定量發(fā)泡劑溶液（或質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的發(fā)泡劑乙醇助溶劑溶液）。利用增壓泵將鋼瓶中的CO2打入泡沫儀，調(diào)節(jié)溫度壓力至實(shí)驗(yàn)預(yù)定條件。攪拌使發(fā)泡劑溶液充分混合后，靜置15 min。待發(fā)泡劑溶液在超臨界CO2中達(dá)到溶解平衡后，利用取樣器從泡沫儀上部取樣；將取樣器中的樣品由底部出口以小流速開(kāi)啟，緩慢釋放出CO2飽和溶液。溶解其中的發(fā)泡劑析出，被U型管中的溶液吸收，測(cè)量得到發(fā)泡劑量。CO2量通過(guò)管路中連接的流量計(jì)來(lái)測(cè)量。計(jì)算得到該溫度、壓力條件下發(fā)泡劑在CO2中的溶解度。

圖3 發(fā)泡劑在CO2中溶解度測(cè)量及起泡性能測(cè)試流程Fig.3 Testing flow of solubility measurement and foam performance of foaming agent in CO2

圖4 CO2泡沫封堵性能評(píng)價(jià)流程Fig.4 Evaluation flow of plugging performance of CO2 foam

2）起泡性能：配制預(yù)定濃度的發(fā)泡劑水溶液攪拌，將發(fā)泡劑溶液倒入中間容器，開(kāi)啟泡沫儀控溫裝置，設(shè)定實(shí)驗(yàn)溫度。利用手搖泵將中間容器中的發(fā)泡劑溶液泵入泡沫儀，記錄液面高度。向泡沫儀中通入CO2氣體達(dá)到預(yù)定壓力值。開(kāi)啟泡沫儀攪拌裝置，以恒定轉(zhuǎn)速（1 000 r/min）攪拌3 min。關(guān)閉泡沫儀攪拌裝置，開(kāi)始計(jì)時(shí)并記錄泡沫高度。記錄泡沫高度隨時(shí)間變化及半衰期。實(shí)驗(yàn)結(jié)束，排出發(fā)泡劑溶液和CO2氣體，待儀器冷卻用蒸餾水清洗。

起泡體積反映的是發(fā)泡劑產(chǎn)生泡沫的能力，半衰期則反映的是發(fā)泡劑所產(chǎn)生泡沫的穩(wěn)定性，兩個(gè)參數(shù)相對(duì)獨(dú)立，任何一個(gè)參數(shù)均不能反映發(fā)泡劑在地層多孔介質(zhì)中的性能。為此，在實(shí)驗(yàn)中引入了泡沫綜合值來(lái)評(píng)價(jià)發(fā)泡劑產(chǎn)生泡沫的綜合性能，公式如下：

式中：F為泡沫綜合值，mL·min；V0為起泡體積，mL；T12為半衰期，min。

3）CO2泡沫封堵能力評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)：填砂管內(nèi)按適當(dāng)粒徑配比制作模擬地層巖心。填砂管模型組安裝進(jìn)恒溫箱，連接設(shè)備。憋壓，檢驗(yàn)裝置氣密性。真空泵抽真空，填砂管自吸水，記錄吸入蒸餾水的體積。平流泵以一定流速飽和水，計(jì)算孔隙體積，記錄填砂管兩端壓差計(jì)算得到實(shí)際滲透率。使用相同流量并采用不同方式注入發(fā)泡劑溶液。待溶液完全充滿填砂管后記錄下不同注入方式時(shí)填砂管兩端壓差。根據(jù)所測(cè)水驅(qū)和CO2泡沫驅(qū)時(shí)產(chǎn)生的壓差計(jì)算阻力因子，評(píng)價(jià)CO2泡沫體系的封堵能力。

式中：Z為阻力因子，ΔPfoam為CO2泡沫體系驅(qū)替時(shí)產(chǎn)生的壓差，MPa；ΔPwater為水驅(qū)時(shí)產(chǎn)生的壓差，MPa。

2 結(jié)果與討論

2.1 溶解性能評(píng)價(jià)

對(duì)含氟發(fā)泡劑A 和含硅發(fā)泡劑B 在超臨界CO2（臨界溫度31.1 ℃，臨界壓力7.38 MPa）中溶解度進(jìn)行測(cè)定。在溫度40 ℃、不同壓力（9.6～19.2 MPa）條件下，2 種發(fā)泡劑在有助溶劑和無(wú)助溶劑存在情況下，超臨界CO2中的溶解度測(cè)定結(jié)果如圖5所示。2種發(fā)泡劑在超臨界CO2中的溶解度均隨著壓力的升高而增大。在未加助溶劑情況下，2種氣溶性發(fā)泡劑在超臨界CO2中有一定的溶解，但溶解度不大。利用相似相容原理，采用乙醇作為助溶劑提高其溶解度，加入助溶劑后，溶解度大幅增加。分析認(rèn)為，2 種發(fā)泡劑中的含氟鏈段、含硅鏈段、含聚氧乙烯基、羰基、醚基等基團(tuán)為較好的親CO2基團(tuán)，一般在CO2中均具有較好的溶解性。助溶劑的加入使得發(fā)泡劑與CO2之間的相互作用進(jìn)一步活化，發(fā)泡劑各基團(tuán)上的氧原子與醇類助溶劑上的氫原子形成一種較強(qiáng)的氫鍵作用力，使得其溶解度顯著增加[13]。

圖5 40℃下含氟發(fā)泡劑A和含硅發(fā)泡劑B在超臨界CO2中的溶解度Fig.5 Solubility of fluorine-containing foaming agent A and silicon-containing foaming agent B in supercritical CO2 at the temperature of 40℃

只有當(dāng)發(fā)泡劑在超臨界CO2中的溶解度大于1%，才具備實(shí)際應(yīng)用價(jià)值[14]。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，2種氣溶性發(fā)泡劑在乙醇助溶劑的輔助下在超臨界CO2中的溶解度分別達(dá)到1.93%和2.51%，具備形成穩(wěn)定泡沫的有利條件。草舍油田地層壓力在25 MPa左右，在此壓力條件下，發(fā)泡劑的溶解度將進(jìn)一步增加。因此，研制的2種發(fā)泡劑均能達(dá)到形成穩(wěn)定泡沫的溶解條件，可滿足礦場(chǎng)應(yīng)用需求。

2.2 起泡性能評(píng)價(jià)

利用高溫高壓可視化電磁耦合攪拌式泡沫儀，評(píng)價(jià)2種發(fā)泡劑在模擬地層高溫高壓（110 ℃、15 MPa）、氣液比1∶1的實(shí)驗(yàn)條件下不同濃度的起泡性能（圖6）。隨著發(fā)泡劑濃度的增加，起泡體積基本不變（圖6a）。含氟發(fā)泡劑A平均起泡體積達(dá)到224.4 mL，含硅發(fā)泡劑B 平均起泡體積達(dá)到259.1 mL。半衰期則隨著發(fā)泡劑濃度的增加而逐漸增加，當(dāng)發(fā)泡劑濃度增加到1.5 %時(shí)，半衰期增加的幅度變緩（圖6b）。分析認(rèn)為，當(dāng)發(fā)泡劑濃度低于1.5%時(shí)，泡沫的液膜強(qiáng)度隨濃度增加而增強(qiáng)，泡沫的穩(wěn)定性逐漸增強(qiáng)，半衰期亦隨之升高；當(dāng)發(fā)泡劑濃度高于1.5%時(shí)，泡沫的含液量增多，導(dǎo)致其穩(wěn)定性變差，半衰期增幅變緩[15]。

由圖6c 可知，含硅發(fā)泡劑B 所產(chǎn)生泡沫的綜合性能優(yōu)于含氟發(fā)泡劑A。CO2泡沫綜合值隨著發(fā)泡劑濃度的增加而增加，當(dāng)濃度達(dá)到1.5 %時(shí)增幅變緩，此時(shí)發(fā)泡劑的起泡性能達(dá)到最優(yōu)。

從溶解性能和起泡性能綜合考慮，優(yōu)選含硅發(fā)泡劑B作為草舍油田CO2驅(qū)泡沫封竄體系。模擬地層高溫高壓（110 ℃、15 MPa）條件下，濃度1.5%的含硅發(fā)泡劑起泡體積達(dá)到261 mL，半衰期達(dá)到115 min。

圖6 CO2泡沫起泡性能與發(fā)泡劑濃度的關(guān)系Fig.6 Relation between foaming property of CO2 foam and concentration of foaming agent

2.3 封堵性能評(píng)價(jià)

針對(duì)優(yōu)選的含硅發(fā)泡劑B 開(kāi)展不同注入方式下的CO2泡沫封堵能力評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)條件：溫度110 ℃，壓力15 MPa，發(fā)泡劑濃度1.5%，草舍油田地層水。填砂管尺寸：內(nèi)徑25 mm，長(zhǎng)度60 cm，孔隙體積85 mL，滲透率（7.43～9.35）×10-3μm2。2種注入方式：0.15PV發(fā)泡劑溶液段塞與0.15PV CO2段塞交替注入，發(fā)泡劑與CO2共同注入。氣液比1∶1，注入速度為0.5 mL/min。測(cè)得的泡沫阻力因子曲線如圖7、圖8所示。

圖7 含硅發(fā)泡劑與CO2交替注入時(shí)阻力因子曲線Fig.7 Foam resistance factor curve of alternating injection by silicon-containing foaming agent and CO2

圖8 含硅發(fā)泡劑與CO2同時(shí)注入時(shí)阻力因子曲線Fig.8 Foam resistance factor curve of simultaneous injection by silicon-containing foaming agent and CO2

由圖7可知，隨著發(fā)泡劑溶液段塞和CO2段塞的交替注入，阻力因子逐漸升高，注入第4 輪次阻力因子達(dá)到46左右，封堵效果較好，可應(yīng)用于CO2驅(qū)氣竄油藏的封竄。

在此基礎(chǔ)上，實(shí)驗(yàn)研究含硅發(fā)泡劑溶液與CO2共同注入時(shí)的泡沫阻力因子，結(jié)果如圖8所示。連續(xù)注入0.6PV 發(fā)泡劑溶液和0.6PV CO2，阻力因子僅能達(dá)到10～12。實(shí)驗(yàn)所用填砂管滲透率為9.35×10-3μm2，而交替注入時(shí)所用填砂管滲透率為7.43×10-3μm2，在其他條件相同時(shí)，高滲透率所達(dá)到的阻力因子要高于低滲透率，因?yàn)闈B透率越高，孔隙對(duì)泡沫的剪切作用弱，泡沫體系的阻力因子越高。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，發(fā)泡劑與CO2同時(shí)注入封堵效果沒(méi)有段塞交替注入效果好，分析認(rèn)為同等用量交替注入發(fā)泡劑與CO2混合更均勻，泡沫更多，阻力因子高[13-17]。因此，現(xiàn)場(chǎng)注入時(shí)采用CO2和發(fā)泡劑交替注入方式，能夠?qū)崿F(xiàn)較好的封堵效果。

3 結(jié)論與建議

1）從溶解、起泡、封堵等方面綜合考慮，優(yōu)選含硅發(fā)泡劑B作為草舍油田CO2驅(qū)泡沫封竄體系，其在高溫高壓（110 ℃、15 MPa）條件下，起泡體積達(dá)到261 mL，半衰期達(dá)到115 min，阻力因子達(dá)到40以上，展現(xiàn)出良好的發(fā)泡性能和封堵性能。

2）含硅氣溶性發(fā)泡劑體系的最優(yōu)注入濃度為1.5%，注入時(shí)采用CO2和發(fā)泡劑交替注入方式。

3）建議下一步在草舍油田開(kāi)展氣溶性發(fā)泡劑封竄體系單井試驗(yàn)研究，為CO2驅(qū)防氣竄進(jìn)行新的技術(shù)探索。