兩親聚合物泡沫在多孔介質(zhì)中的滲流及分流特性

張瑞香， 王 杰， 高 軍

(1.中國(guó)石油大學(xué) 勝利學(xué)院 油氣工程學(xué)院, 山東 東營(yíng) 257061; 2.中石化勝利油田技術(shù)檢測(cè)中心, 山東 東營(yíng)257061; 3.中石化中原油田技術(shù)監(jiān)測(cè)中心計(jì)量監(jiān)測(cè)站, 河南 濮陽(yáng) 457001)

0 引 言

泡沫流體應(yīng)用于油田開發(fā)國(guó)內(nèi)外已有多年的歷史。目前，油田常用的起泡劑為表面活性劑，常用的泡沫驅(qū)油技術(shù)主要包括傳統(tǒng)油田泡沫驅(qū)、強(qiáng)化泡沫驅(qū)和泡沫復(fù)合驅(qū)。傳統(tǒng)油田泡沫主要指氣體直接分散在表面活性劑溶液中形成的分散體系，但傳統(tǒng)泡沫驅(qū)在油田中的應(yīng)用并不廣泛，這主要是：①表面活性劑在地層中吸附滯留量較大，大大降低了其使用效率；②在原油存在情況下，由于泡沫穩(wěn)定性降低使傳統(tǒng)泡沫的封堵作用大大減弱；③泡沫不能進(jìn)入油藏深處，起到深度調(diào)剖的作用。由于傳統(tǒng)泡沫驅(qū)存在的種種問(wèn)題，故研究人員提出了強(qiáng)化泡沫驅(qū)，強(qiáng)化泡沫驅(qū)是指在泡沫體系中加入聚合物，通過(guò)增加體相黏度的方法從而提高泡沫穩(wěn)定性[1-5]。相對(duì)于傳統(tǒng)泡沫，強(qiáng)化泡沫具有較高的穩(wěn)定性，尤其是當(dāng)強(qiáng)化泡沫與地層中的原油接觸時(shí)，可相對(duì)較好地維持泡沫的穩(wěn)定性[6-11]。此外，強(qiáng)化泡沫具有較高的黏度和極好的流度控制能力，聚合物加入大大降低了起泡劑對(duì)各種因素的敏感程度。強(qiáng)化泡沫中加入的聚合物主要包括普通聚合物和兩親聚合物兩種，普通聚合物主要是通過(guò)增加體相黏度來(lái)增強(qiáng)泡沫穩(wěn)定性，而兩親聚合物除了增加體相黏度外，還可與起泡劑分子相互作用從而進(jìn)一步提高泡沫穩(wěn)定性，但起泡劑分子與兩親聚合物分子相互作用時(shí)會(huì)在一定程度上降低起泡液的黏度，泡沫穩(wěn)定性也會(huì)有所下降[12-16]?？偟膩?lái)說(shuō)，目前所應(yīng)用的泡沫基本上都含有表面活性劑，由于兩親聚合物本身具有較高的黏度，且具有良好的耐溫、抗鹽性，且兩親聚合物的結(jié)構(gòu)里含有親水基和疏水基，具有一定的表面活性，可以產(chǎn)生泡沫。本文以兩親聚合物作為起泡劑，研究了兩親聚合物泡沫在多孔介質(zhì)中的滲流規(guī)律，主要包括氣液比、滲透率、溫度、注入流速、原油飽和度對(duì)兩親聚合物泡沫在多孔介質(zhì)中的流動(dòng)規(guī)律的影響及兩親聚合物泡沫的分流特性，為兩親聚合物泡沫在現(xiàn)場(chǎng)中的應(yīng)用提供支撐依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器及試劑

DHZ-50-180型化學(xué)驅(qū)動(dòng)態(tài)模擬評(píng)價(jià)裝置，填砂管直徑25 mm，長(zhǎng)度500 mm，南通華興石油儀器有限公司制造。煉化Ⅰ型兩親聚合物(相對(duì)分子質(zhì)量1 350×104，水解度24.95%，固含量89%)，大慶煉化一廠。

大慶油田模擬原油由大慶三廠脫水原油與航空煤油按13∶10的比例配制而成，45 ℃下模擬原油的黏度為9.8 mPa·s，密度為0.84 g/cm3。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

(1) 兩親聚合物泡沫滲流實(shí)驗(yàn)。① 用合適的石英砂填制填砂巖心模型，稱取干重；② 將填砂巖心模型抽真空4 h后，飽和模擬地層水，稱取濕重，計(jì)算孔隙度φ；③ 將飽和好的填砂巖心模型放置到恒溫箱內(nèi)，恒溫12 h；④ 組裝實(shí)驗(yàn)裝置，改變氣液比、滲透率、溫度、注入流速、原油飽和度等參數(shù)進(jìn)行兩親聚合物泡沫滲流實(shí)驗(yàn)，回壓為1.3 MPa，其中阻力因子Fr的計(jì)算：Fr=Δp2/Δp1(Δp1為單純注水時(shí)壓差；Δp2為注泡沫時(shí)壓差)。

(2) 兩親聚合物泡沫分流實(shí)驗(yàn)。①～③的方法與(1)中相同；④ 把兩根填砂管模型進(jìn)行并聯(lián)，以4 mL/min的速度注入泡沫，分別測(cè)兩根模型出口的產(chǎn)液量并計(jì)算產(chǎn)液速度。注入方式為氣液交替注入，起泡液為0.15%的煉化Ⅰ型兩親聚合物溶液。

2 結(jié)果與討論

2.1 氣液比對(duì)兩親聚合物泡沫滲流規(guī)律的影響

圖1為不同氣液比下的煉化Ⅰ型兩親聚合物泡沫和煉化Ⅰ型兩親聚合物的滲流曲線。可以看出，煉化Ⅰ型兩親聚合物泡沫體系的驅(qū)替壓差要大于單獨(dú)的煉化Ⅰ型兩親聚合物驅(qū)，這主要是因?yàn)橥ㄈ氲臍怏w與煉化Ⅰ型兩親聚合物體系形成了泡沫，煉化Ⅰ型兩親聚合物泡沫可以通過(guò)產(chǎn)生賈敏效應(yīng)來(lái)提高滲流阻力，煉化Ⅰ型兩親聚合物泡沫的封堵能力較強(qiáng)。從圖1中還可看出，當(dāng)氣液比從1∶3增加到2∶1時(shí)，隨著氣液比的增加，穩(wěn)定后的流動(dòng)壓差變大，這主要是因?yàn)殡S著氣體注入量的增加，在填砂管中產(chǎn)生的泡沫數(shù)量增多，被捕集的泡沫增多，泡沫的賈敏效應(yīng)疊加增強(qiáng)，提高了泡沫的封堵能力，從而使得其驅(qū)替壓差變大；由于產(chǎn)生泡沫數(shù)量的增多，所以隨著氣液比的增加，驅(qū)替達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)所需注入泡沫的量相對(duì)較小。從圖中還可以看出，在泡沫的注入過(guò)程中，壓力曲線不是光滑的曲線，這是因?yàn)樵趲r心的多孔介質(zhì)中泡沫的破裂或流動(dòng)造成的；當(dāng)氣液比從2∶1增到3∶1時(shí)，穩(wěn)定后的驅(qū)替壓差變小，這主要是因?yàn)闅怏w體積的增多導(dǎo)致泡沫質(zhì)量變大，泡沫液膜強(qiáng)度降低，導(dǎo)致兩親聚合物泡沫的穩(wěn)定性變差，泡沫的封堵能力變差。

圖1 兩親聚合物泡沫和兩親聚合物的注入壓差隨注入體積的變化曲線

從圖2可以看出，隨著氣液比的增加，兩親聚合物泡沫的阻力因子先增大后減小，呈現(xiàn)“幾”字形，當(dāng)氣液比在1∶1～2∶1時(shí)，泡沫的阻力因子最大，考慮到高氣液比時(shí)容易造成氣竄，所以在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中選擇的氣液比為1∶1。

圖2 阻力因子隨氣液比變化曲線

2.2 滲透率對(duì)兩親聚合物泡沫滲流規(guī)律的影響

從圖3可以看出，隨著滲透率的增加，兩親聚合物泡沫在巖心中的阻力因子不斷變大，這主要是由兩方面引起[3-4]：首先，在流量條件相同的情況下，兩親聚合物泡沫在不同滲透率巖心中所受到的剪切速率不同，滲透率越高的巖心中泡沫所受的剪切速率越小，而泡沫具有剪切變稀性，所以泡沫在高滲透層中具有較高的表觀黏度，使泡沫的滲流阻力變大，泡沫阻力因子升高；其次，在滲透率較大的巖心中具有較大的孔道，易于兩親聚合物泡沫的進(jìn)入，泡沫數(shù)量的增多使其封堵效果變好，阻力因子變大。由于泡沫在高滲透層中有較大的滲流阻力，所以泡沫具有“堵大不堵小” 的性質(zhì)，可以封堵高深層，動(dòng)用低滲透層中的原油，這對(duì)非均質(zhì)油藏的開發(fā)是十分有利的。

圖3 兩親聚合物泡沫阻力因子隨滲透率變化曲線

2.3 注入速度對(duì)兩親聚合物泡沫滲流規(guī)律的影響

從圖4可以看出，隨著注入速度的增加，兩親聚合物泡沫在多孔介質(zhì)中的阻力因子逐漸增大，但增大的幅度逐漸變小。這主要是因?yàn)椋号菽旧淼漠a(chǎn)生需要一定的能量，如果注入速度較小，提供的能量便較小，這時(shí)產(chǎn)生的泡沫數(shù)量較少，對(duì)巖心中的大孔道的封堵效果較差，從而使泡沫的阻力因子較小。隨著注入速度的增大，產(chǎn)生泡沫的數(shù)量越來(lái)越多，當(dāng)注入速度變大到一定程度后，產(chǎn)生足夠多的泡沫，封堵效果較好，阻力因子變大，但高流速會(huì)對(duì)泡沫產(chǎn)生較大的剪切作用，由于泡沫具有剪切變稀性，從而使泡沫穩(wěn)定性變差，導(dǎo)致阻力因子變小。所以在兩者的共同作用下，隨著注入速度的增大，泡沫的阻力因子增大的幅度并非是線性增大的，且在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，較高的注入速度容易導(dǎo)致氣竄，使泡沫驅(qū)效果變差，所以應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的注入速度。

圖4 兩親聚合物泡沫阻力因子隨注入速度變化曲線

2.4 原油對(duì)兩親聚合物泡沫滲流規(guī)律的影響

從圖5可以看出，隨著兩親聚合物泡沫注入體積的增加，巖心兩端的壓差逐漸升高，最終達(dá)到一個(gè)較為穩(wěn)定的壓差水平。這是由于隨著泡沫注入量的增多，被捕集泡沫越來(lái)越多，且形成的泡沫比較穩(wěn)定，泡沫的封堵效果較好，流動(dòng)阻力逐漸增大，當(dāng)泡沫的形成和破裂達(dá)到相對(duì)平衡時(shí)，最終的驅(qū)替壓差就保持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。在兩親聚合物泡沫的注入過(guò)程中，飽和水巖心的壓力上升比殘余油巖心快，且飽和水巖心的穩(wěn)定驅(qū)替壓差要大于殘余油巖心的。這主要是由兩方面引起的[5]：一方面，在殘余油巖心中，由于原油的存在，泡沫的穩(wěn)定性變差，封堵能力變?nèi)?，?qū)替壓差變??；另一方面，殘余油巖心中部分空隙中總有一部分原油無(wú)法被驅(qū)出，泡沫無(wú)法進(jìn)入其中，使得進(jìn)入殘余油巖心中總的泡沫數(shù)量相對(duì)較少，所以其封堵效果較差，穩(wěn)定后驅(qū)替壓差相對(duì)較小。當(dāng)巖心中的殘余油含量增多時(shí)，巖心兩端的壓差變小。這主要是因?yàn)楦吆蛶r心中油含量比較高，形成穩(wěn)定泡沫的能力變差，封堵效果相對(duì)較差，驅(qū)替過(guò)程中壓差相對(duì)較?。划?dāng)驅(qū)替壓差穩(wěn)定后，由于高殘余油巖心有相對(duì)較多的剩余油沒(méi)有被采出，所以其穩(wěn)定壓差要略小于低殘余油巖心。

圖5 原油對(duì)泡沫滲流特性的影響

2.5 溫度對(duì)兩親聚合物泡沫滲流規(guī)律的影響

從圖6可以看出，隨著溫度的升高，兩親聚合物泡沫的阻力因子逐漸變小，且變小的幅度逐漸變大。這主要是因?yàn)閮捎H聚合物泡沫在孔隙中的分布形態(tài)主要為氣泡和未變成泡沫的液體。當(dāng)溫度升高時(shí)，兩親聚合物溶液的黏度降低，滲流阻力減小，從而導(dǎo)致阻力因子變??；同時(shí)，兩親聚合物溶液黏度的降低會(huì)使兩親聚合物泡沫的液膜排液速度變快，泡沫穩(wěn)定性變差，封堵能力變差。另外，溫度的升高會(huì)使泡沫液膜水分蒸發(fā)加劇使液膜變薄，排液速度增快，導(dǎo)致泡沫更容易破滅，使泡沫滲流阻力減??；溫度較高時(shí)，氣體的擴(kuò)散作用增強(qiáng)，也會(huì)使泡沫穩(wěn)定性變差，從而導(dǎo)致滲流阻力減小。在這兩方面的影響下，隨著溫度的升高，兩親聚合物泡沫的阻力因子不斷減小，且并非線性減小。

圖6 兩親聚合物泡沫阻力因子隨溫度變化曲線

2.6 兩親聚合物泡沫分流特性

從圖7可以看出，由于儲(chǔ)層中存在滲透率級(jí)差，在水驅(qū)階段，高滲填砂模型中的分流量約占總量的80%，而低滲填砂模型中的分流量約占20%，兩者相差較大，這時(shí)驅(qū)替水主要在高滲填砂模型中竄流，低滲填砂模型中水的分流量很小。隨著兩親聚合物泡沫的注入，高滲填砂模型中的分流量迅速降低，低滲填砂模型中的分流量則相應(yīng)地變大，隨著注入兩親聚合物泡沫量的不斷增加，高、低滲填砂模型分流量差異越來(lái)越小，有時(shí)低滲填砂模型中的分流量超過(guò)了高滲。這說(shuō)明了兩親聚合物泡沫驅(qū)可以有效調(diào)節(jié)高、低滲層的非均質(zhì)性，使注入流體在不同滲透率的巖心內(nèi)比較均勻推進(jìn)。這主要是因?yàn)樵诟邼B填砂模型中，兩親聚合物泡沫視黏度較高，流動(dòng)阻力大[6]；而在低滲填砂模型中，泡沫視黏度相對(duì)較低，流動(dòng)阻力較小，從而使泡沫流體在不同滲透率巖心中的分流量得到有效調(diào)整。

由于兩親聚合物泡沫的調(diào)剖作用使高、低滲填砂模型之間的滲透率差異變小，所以在后續(xù)水驅(qū)的初始階段，兩者之間的分流量差異較小；隨著后續(xù)水驅(qū)的不斷進(jìn)行，低滲填砂模型中的分流量在不斷降低，而高滲填砂模型中的分流量則逐漸升高。這主要是由兩方面引起的，一方面是后續(xù)水對(duì)兩親聚合物泡沫的不斷剪切導(dǎo)致泡沫黏度的降低，泡沫調(diào)剖能力下降；另一方面則是由于泡沫本身為不穩(wěn)定體系，會(huì)隨著時(shí)間的增加，泡沫逐漸破裂，封堵能力下降。在后續(xù)水驅(qū)的后半階段，高、低滲填砂模型中的分流量都達(dá)到一個(gè)相對(duì)比較穩(wěn)定的水平，且高滲分流量要大于低滲分流量，但相對(duì)于水驅(qū)階段，高、低滲的分流量已經(jīng)得到較好的改善。

Ⅰ-水驅(qū)；Ⅱ-兩親聚合物泡沫驅(qū)；Ⅲ-后續(xù)水驅(qū)

從圖8可以看出，當(dāng)儲(chǔ)層滲透率級(jí)差變大時(shí)，水驅(qū)階段，高、低滲填砂模型中的分流量相差很大，這時(shí)高滲填砂模型的分流量約占總量的90%，低滲管僅有10%。在兩親聚合物泡沫驅(qū)階段，隨著兩親聚合物泡沫的注入，高滲填砂模型的分流量迅速降低，相對(duì)應(yīng)的低滲填砂模型分流量迅速上升，儲(chǔ)層的非均質(zhì)性得到較好的改善，說(shuō)明兩親聚合物泡沫對(duì)不同滲透率級(jí)差的巖心具有良好的適應(yīng)性。

Ⅰ-水驅(qū)；Ⅱ-兩親聚合物泡沫驅(qū)；Ⅲ-后續(xù)水驅(qū)

3 結(jié) 論

(1) 兩親聚合物泡沫在多孔介質(zhì)中的阻力因子隨著氣液比的增加先增大后減小，存在最佳的氣液比，最佳氣液比在1∶1～2∶1，這時(shí)兩親聚合物泡沫的封堵能力最強(qiáng)。

(2) 兩親聚合物泡沫在多孔介質(zhì)中的阻力因子隨著注入速度的增加或滲透率的升高而變大；溫度的升高或原油存在時(shí)兩親聚合物泡沫在多孔介質(zhì)中的滲流阻力變小。

(3) 兩親聚合物泡沫可以有效封堵儲(chǔ)層中的高滲透層，減小高、低滲透層的滲透率差異，從而使注入流體在不同滲透率層內(nèi)比較均勻地推進(jìn)，且對(duì)不同滲透率級(jí)差的巖心具有良好的適應(yīng)性。