新型調(diào)驅(qū)一體化高溫?zé)煹罋怛?qū)用泡沫劑室內(nèi)評價(jià)

鄧宏偉

(中國石化勝利油田分公司，山東 東營 257015)

0 引 言

中國稠油油藏目前依賴熱采開發(fā)，單純蒸汽吞吐開采稠油油藏采收率僅有20%左右，尤其大部分老油田經(jīng)過長時(shí)間的蒸汽開采進(jìn)入高含水期或特高含水期，汽竄嚴(yán)重，影響正常生產(chǎn)。泡沫在地層中視黏度較高，可以封堵高滲層和大孔道，有很好的封堵調(diào)剖功能[1-5]。煙道氣作為注汽鍋爐廢氣價(jià)格低廉，煙道氣泡沫驅(qū)既具有蒸汽驅(qū)、氮?dú)怛?qū)、二氧化碳驅(qū)和泡沫驅(qū)等多重優(yōu)點(diǎn)[6]，又可以顯著提高熱效率。例如勝利油田注汽鍋爐的平均熱效率為85%，其中，排煙溫度為240 ℃，熱損失為9.8%，如將產(chǎn)生的水蒸氣與煙道氣一同注入油層，無煙道氣排放，熱效率提高至95%～99%，還可減少二氧化碳排放[7]，是一項(xiàng)很有潛力和值得推廣的技術(shù)。但目前大部分商業(yè)化的泡沫劑在煙道氣的高溫條件下起泡性、穩(wěn)泡性較差，且煙道氣組成復(fù)雜[8-10]，包括可溶性和不溶性氣體，尤其其中的二氧化碳液膜滲透系數(shù)較大，進(jìn)一步降低了泡沫劑體系的起泡性能和泡沫穩(wěn)定性，達(dá)不到理想泡沫的封堵調(diào)剖效果，制約了技術(shù)的發(fā)展。對于提高泡沫劑的耐溫性和穩(wěn)定性，學(xué)者們進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)探索[11-14]，但關(guān)于耐高溫老化的泡沫劑結(jié)構(gòu)分析、煙道氣等復(fù)雜氣體體系用泡沫劑的研究十分有限[15]。針對上述問題，該文制備了新型三元共聚物(PNCAS)泡沫劑，通過性能評價(jià)，可以作為一種優(yōu)良的調(diào)驅(qū)一體化泡沫劑。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)用水為勝利油田孤島三區(qū)油藏地層水(礦化度為5 750 mg/L)；實(shí)驗(yàn)用油為孤島油田中二北區(qū)塊2-29×535井原油；CO2、N2純度為99.9%，林德氣體有限公司；PNCAS泡沫劑制備工藝參考Yang等[16]相關(guān)論文，實(shí)驗(yàn)用泡沫劑為300 ℃下老化72 h的PNCAS泡沫劑；石英砂，粒徑為150 μm；SiO2納米顆粒，直徑為20 nm，有效含量為99.5%，南京宏德納米材料有限公司提供。

篩選合成的煙道氣驅(qū)用泡沫劑，要求在起泡能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好的基礎(chǔ)上兼具耐高溫和耐復(fù)雜氣體組分能力?；撬猁}類陰離子表面活性劑起泡能力強(qiáng)，分子量較大，在長直鏈的基礎(chǔ)上含有眾多支鏈，鏈與鏈之間能夠形成交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，含有多芳環(huán)、雙鍵類磺酸鹽或羧酸鹽，具有較好的耐溫性；煙道氣中的主要成分包括N2、CO2、O2等，其中高水溶性氣體(如CO2)在泡沫液中的溶解與擴(kuò)散會造成液膜破裂而消泡，因此，CO2是篩選泡沫劑時(shí)考慮的重點(diǎn)。CO2的液膜滲透系數(shù)較大，CO2泡沫衰減的主要機(jī)理是氣體擴(kuò)散，提高泡沫劑的分子量和調(diào)整鏈的極性可以提高液膜的致密性和降低二氧化碳的溶解度，進(jìn)而提高泡沫穩(wěn)定性。綜上所述，對現(xiàn)有的泡沫劑分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，認(rèn)為N-甲基丁烯酮羧酸鹽(耐溫)、乙烯基苯磺酸鹽(耐二氧化碳)和乙烯基吡絡(luò)烷酮的三元共聚物PNCAS兼具上述結(jié)構(gòu)，可用于高溫?zé)煹罋怛?qū)。三元共聚物PNCAS分子式如下：

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 泡沫性能評價(jià)實(shí)驗(yàn)

由于煙道氣中含有CO2，在高溫高壓下CO2可由氣相轉(zhuǎn)變?yōu)槌R界流體，導(dǎo)致泡沫性能發(fā)生變化，煙道氣驅(qū)用泡沫的評價(jià)必須在高壓條件下進(jìn)行[17-28]。使用可視化高溫高壓泡沫儀(海安石油，內(nèi)徑為60 mm，高度為427 mm，有效容積為1 200 mL的高壓容器)對泡沫性能進(jìn)行評價(jià)(圖1)。具體實(shí)驗(yàn)步驟如下。

(1) 向泡沫發(fā)生器中注入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%的泡沫劑溶液10 ml。

(2) 將CO2鋼瓶和N2鋼瓶按比例1∶4收集600 ml的混合氣體到活塞容器。打開泡沫發(fā)生器的出口閥，緩慢打開進(jìn)氣閥。當(dāng)氣體從出氣閥溢出時(shí)，迅速關(guān)閉出口閥。

(3) 設(shè)定磁力攪拌器轉(zhuǎn)速為800 r/min，攪拌30 min。記錄不同壓力、不同溫度以及不同CO2體積分?jǐn)?shù)下泡沫的起泡高度和半衰期。

圖1 可視化高溫高壓泡沫儀示意圖

1.2.2 封堵與驅(qū)油性能測試實(shí)驗(yàn)

封堵性能和驅(qū)油性能測試裝置如圖2所示，包括模型系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、回壓控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)6個(gè)模塊。實(shí)驗(yàn)條件：系統(tǒng)回壓為3 MPa，氣液比為1∶2，泡沫劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%。測試條件如表1。滲透率級差為1∶4的雙管并聯(lián)驅(qū)替實(shí)驗(yàn)應(yīng)用同樣裝置，實(shí)驗(yàn)條件如表2。微觀可視化驅(qū)油實(shí)驗(yàn)中將高低滲模型替換為以實(shí)驗(yàn)區(qū)塊物性數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)制作的玻璃刻蝕仿真模型。實(shí)驗(yàn)方法如下。

圖2 封堵性能和驅(qū)油性能裝置流程圖

表1 阻力因子測試條件

表2 滲透率級差為1∶4的雙管并聯(lián)驅(qū)替實(shí)驗(yàn)條件

(1) 預(yù)處理：選取合適的石英砂放入燒杯，倒入鉻酸洗液浸泡12 h，以消除固體巖石表面污垢和雜質(zhì)對實(shí)驗(yàn)的影響；泡完取出，用去離子水沖洗干凈，烘干備用。

(2) 利用備好的石英砂制作所需的填砂模型。

(3) 填砂模型稱重，飽和地層水,計(jì)算孔隙體積和孔隙度，玻璃刻蝕仿真模型飽和地層水。

(4) 設(shè)定恒溫箱溫度為實(shí)驗(yàn)溫度。油驅(qū)水將雙管模型和玻璃刻蝕模型驅(qū)替至束縛水狀態(tài)。

(5) 利用雙管模型和玻璃刻蝕模型開展不同注入介質(zhì)驅(qū)油實(shí)驗(yàn)，記錄產(chǎn)油量、產(chǎn)液量，含水率等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

(6) 1號填砂模型飽和水測定其壓差后，在不同溫度下進(jìn)行泡沫驅(qū)測定模型兩端壓差。2號填砂模型飽和水并測定其壓差后，進(jìn)行75 ℃油驅(qū)水至束縛水狀態(tài)。進(jìn)行不同溫度泡沫驅(qū)測得模型兩端壓差。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 PNCAS泡沫劑性能評價(jià)

2.1.1 PNCAS泡沫劑靜態(tài)性能評價(jià)

采用TX 500C型全量程旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀測試界面張力，測試體系為新型泡沫劑與模擬地層水配制的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的溶液，另稱取原油10 g，加入10%的二甲苯，降低原油黏度以方便注射樣品。在60 ℃時(shí)，測試界面張力為0.10 mN/m，80 ℃時(shí)，測試表面張力為0.07 mN/m，表明泡沫劑為低油水界面張力，表面活性好。泡沫劑在地層中會有較少的吸附損耗，為保證泡沫劑的穩(wěn)定性和減緩地層對泡沫劑體系的色譜分離作用，測試泡沫劑的靜態(tài)吸附量，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%的泡沫劑水溶液在液固比為1∶1時(shí)，飽和吸附量為3.180 mg/g，液固比達(dá)到20∶1時(shí)，泡沫劑的飽和吸附量為0.077 mg/g，說明其在地層中吸附損耗較小。

2.1.2 高溫老化對泡沫性能的影響

煙道氣的出口溫度一般為140～260 ℃，要求與之配伍的泡沫劑要在長時(shí)間高溫老化后仍能保持氣泡性能和穩(wěn)定性。選取300 ℃作為老化溫度，首先測定300 ℃純CO2老化72 h后的泡沫起泡體積為434 ml，半衰期為150 s，仍保持了處理前的氣泡性能，說明泡沫劑結(jié)構(gòu)能夠耐受高溫和CO2的復(fù)合環(huán)境。考慮到現(xiàn)場注入過程中可能會存在殘氧，高溫氧化可能會破壞聚合物網(wǎng)絡(luò)，減弱泡沫劑性能，因此，測定了300 ℃純O2老化72 h后的泡沫性能，泡沫劑體系依舊能保持處理前水平，說明PNCAS泡沫劑不但耐CO2和O2，而且具有很好的耐溫性。

2.1.3 質(zhì)量分?jǐn)?shù)對泡沫性能的影響

隨著PNCAS泡沫劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，泡沫的半衰期和起泡體積都呈現(xiàn)出先增加后降低最后穩(wěn)定的趨勢。這是由于高分子表面活性劑PNCAS的加入，提高了溶液的黏度，降低了界面張力，兩方面因素協(xié)同作用提高了起泡劑的起泡性能和穩(wěn)定性。當(dāng)表面活性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯高于臨界膠束質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)，界面張力不再發(fā)生顯著改變，高黏度使得氣體分散于氣液界面需要消耗更多的功，起泡體積減小，同時(shí)泡沫攜液量增加，在重力作用下，加速了液膜的排液速度，氣泡內(nèi)的壓力增加，加快了泡沫內(nèi)氣體的擴(kuò)散速度，使得起泡體積和半衰期同時(shí)下降，之后趨于平穩(wěn)。實(shí)驗(yàn)得到最佳泡沫劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%，后續(xù)實(shí)驗(yàn)均采用該質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行討論。

2.1.4 不同條件對泡沫性能的影響

煙道氣中的CO2組分在加壓過程中會有相態(tài)變化，50 ℃、8 MPa以上時(shí)會轉(zhuǎn)變?yōu)槌R界狀態(tài)，CO2密度增大，此時(shí)形成的“泡沫”類似于乳液，與氣態(tài)泡沫理化性質(zhì)有很大差別，因此，高壓條件下CO2泡沫性能測試是十分必要的。圖3為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%的PNCAS礦化水溶液在不同壓力下，模擬煙道氣泡沫性能測試實(shí)驗(yàn)。可以看出，壓力對泡沫穩(wěn)定性有明顯的作用，隨著壓力升高，起泡高度變化不大，而半衰期顯著提高。這與離子型表面活性劑變化規(guī)律相似，分子結(jié)構(gòu)中的烷基苯磺酸鹽具有較強(qiáng)的親水性，表面活性劑的親水/親CO2平衡不會因CO2壓力(密度)的增大而被破壞。同時(shí)，隨壓力升高，泡沫半徑變小，表面積變大，液膜變薄，排液速度降低，延緩了液膜破裂，提高了泡沫性能。

圖3 不同條件下的泡沫性能

隨溫度升高，煙道氣泡沫起泡高度和半衰期都減小。因?yàn)楦邷貙?dǎo)致水分蒸發(fā)速度加快，降低了液膜致密性和強(qiáng)度，同時(shí)，溫度升高還會降低體系表面黏度和表面彈性，使得液膜強(qiáng)度下降，泡沫容易破滅。起泡劑分子中親水基的水合作用隨溫度升高而降低，疏水基碳鏈之間的凝聚能力減弱，使得起泡劑分子間的締合作用減弱，而且已形成的膠束因?yàn)閯幽茉黾邮蛊湓黾恿讼嗷ソ佑|的機(jī)會，從而形成帶電大分子，大分子之間電荷相斥使能量增加，難以繼續(xù)形成膠束，因而起泡體積呈下降趨勢。但在120 ℃、12 MPa下，泡沫半衰期仍有27 min(圖3)，說明PNCAS泡沫劑的耐高溫穩(wěn)定性優(yōu)異?？紤]到一般油層的溫度不超過120 ℃，該泡沫劑適用于工業(yè)推廣。

隨著CO2注入體積分?jǐn)?shù)增大，較純N2條件下泡沫體系的起泡高度和半衰期明顯降低，認(rèn)為是CO2液膜滲透系數(shù)大于N2，易擴(kuò)散破壞液膜穩(wěn)定性引起的。但起泡高度和半衰期減小趨勢明顯弱于溫度變化引起的減小趨勢，說明CO2注入體積分?jǐn)?shù)的影響要小于溫度影響。CO2注入體積分?jǐn)?shù)小于40%時(shí)，起泡高度和半衰期變化不大，說明PNCAS泡沫劑可以耐受CO2注入體積分?jǐn)?shù)高達(dá)40%的環(huán)境。

2.2 PNCAS封堵性能評價(jià)

泡沫在多孔介質(zhì)中的封堵能力是泡沫體系能否應(yīng)用于泡沫驅(qū)油的關(guān)鍵因素，可以用阻力因子來衡量。文中分別測量了飽和水狀態(tài)和殘余油狀態(tài)的阻力因子，隨溫度的升高，高溫泡沫劑的阻力因子先增后減，在220 ℃達(dá)最大值1 293和1 186，當(dāng)溫度繼續(xù)升高時(shí)，阻力因子迅速下降，溫度為300 ℃時(shí)，阻力因子分別降為508和418，仍保持較大數(shù)值。說明高溫泡沫劑能夠大幅度降低蒸汽的流速，減少氣竄，增加蒸汽波及體積，且在中性模型下的阻力因子大于油性條件下的阻力因子，即在中性條件下使用效果更好。

2.3 PNCAS泡沫劑驅(qū)油性能評價(jià)

PNCAS泡沫劑具有較低的界面張力，本身具有一定的表面活性劑驅(qū)油功能。實(shí)驗(yàn)前先飽和原油直至巖心出口端無原油產(chǎn)出，模擬實(shí)際油田未開發(fā)狀況；75 ℃水驅(qū)后(礦化度為5 750 mg/L)，直至巖心出口端含水為95%(油田水驅(qū)極限)，計(jì)算水驅(qū)采收率。再進(jìn)行75 ℃泡沫驅(qū)，泡沫驅(qū)達(dá)到極限后再轉(zhuǎn)水驅(qū)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，75 ℃水驅(qū)含水率達(dá)到95%，驅(qū)油效率僅為27.38%。隨后轉(zhuǎn)泡沫驅(qū)，含水率迅速下降至65%，之后含水率逐漸上升；泡沫驅(qū)2.5倍孔隙體積時(shí)含水率達(dá)到97%，驅(qū)油效率提高至59.43%，和水驅(qū)相比驅(qū)油效率提高32.05個(gè)百分點(diǎn)。這是由于泡沫劑具有良好的泡沫性能，泡沫劑能降低油水界面張力起到一定的表面活性劑驅(qū)作用。轉(zhuǎn)后續(xù)水驅(qū)，含水率上升至99%，后續(xù)水驅(qū)驅(qū)油效率上升至62.39%，僅提高約3.00個(gè)百分點(diǎn)。

為了進(jìn)一步評價(jià)封堵性能和驅(qū)油性能，進(jìn)行了滲透率級差為1∶4的雙管并聯(lián)驅(qū)替實(shí)驗(yàn)。如圖4所示，高滲管水驅(qū)后含水率達(dá)到91.6%，轉(zhuǎn)泡沫驅(qū)后含水率略有下降。后續(xù)水驅(qū)前期，由于泡沫仍有殘留，含水率上升緩慢，始終在92%左右。驅(qū)替至2倍孔隙體積后，泡沫劑被驅(qū)替至殘余狀態(tài)，含水率上升較快。低滲管前期水驅(qū)流體未流動，轉(zhuǎn)泡沫驅(qū)后，經(jīng)過短暫的無水期，含水率迅速上升至50%。后續(xù)水驅(qū)過程中含水率逐漸上升，但始終低于高滲管。泡沫驅(qū)油調(diào)剖效果顯著，低滲管驅(qū)油效率提高了42.00個(gè)百分點(diǎn)，高滲管提高了13.60個(gè)百分點(diǎn)，后續(xù)水驅(qū)也提高了約8.00個(gè)百分點(diǎn)，低滲管提高幅度明顯高于高滲管。這是由于泡沫劑的阻力因子較大，對高滲管有良好的封堵性能，泡沫提高波及系數(shù)，堵大不堵小，堵水不堵油，有良好的調(diào)剖功能，從而提高波及系數(shù)。由此可見，該實(shí)驗(yàn)條件下泡沫驅(qū)效果良好，該泡沫體系有效啟動了低滲層，具有很好的調(diào)驅(qū)一體化功能。

為了更好地評價(jià)PNCAS泡沫劑性能，進(jìn)行了微觀可視化驅(qū)油實(shí)驗(yàn)，并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了數(shù)值模擬反演。蒸汽驅(qū)過程中，形成了大量的高滲通道，轉(zhuǎn)PNCAS泡沫驅(qū)替后，在高滲區(qū)域形成了大量的泡沫(圖5中白色氣泡)，迫使液流轉(zhuǎn)向(圖中紅色箭頭)，加之賈敏效應(yīng)的作用(圖5中藍(lán)圈)，進(jìn)一步擴(kuò)大波及體積，實(shí)現(xiàn)了煙道氣調(diào)剖和封堵。對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了數(shù)值模擬反演(圖6)。蒸汽驅(qū)過程中，受地層非均質(zhì)性影響，驅(qū)替具有明顯的方向性，依據(jù)地層系數(shù)對其生產(chǎn)參數(shù)進(jìn)行了干預(yù)，仍無法有效抑制蒸汽和煙氣的竄流。但轉(zhuǎn)PNCAS泡沫驅(qū)替后，溫度場發(fā)育較均勻，蒸汽波及效率得到有效提高。模型計(jì)算結(jié)果顯示，其驅(qū)替壓差有所提高，達(dá)到0.4 MPa以上，采出程度也顯著提高，蒸汽泡沫驅(qū)階段提高采出程度36.30個(gè)百分點(diǎn)。

圖4 雙管并聯(lián)驅(qū)替采收率實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖5 泡沫驅(qū)調(diào)剖和封堵作用

圖6 蒸汽驅(qū)和泡沫驅(qū)反演溫度場

3 結(jié) 論

(1) 分析耐高溫泡沫劑分子結(jié)構(gòu)，研制出PNCAS泡沫劑，PNCAS泡沫劑在300 ℃處理72 h后具有與處理前同等的泡沫性能和穩(wěn)定性，能耐受CO2、N2、O2等復(fù)雜氣體組分環(huán)境。

(2) 壓力對泡沫性能具有顯著的作用，高溫和高CO2體積分?jǐn)?shù)未對泡沫有顯著的消極影響，PNCAS泡沫劑可耐受CO2體積分?jǐn)?shù)為40%以下的氣體環(huán)境。

(3) PNCAS泡沫劑具有較低的界面張力和較好的封堵能力，界面張力可達(dá)10-2數(shù)量級，300 ℃時(shí)，阻力因子大于400，可以作為一種優(yōu)良的調(diào)驅(qū)一體化泡沫劑。

(4) PNCAS泡沫劑在泡沫驅(qū)中既能提高驅(qū)油效率又能擴(kuò)大波及體積，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)可提高驅(qū)油效率32.00個(gè)百分點(diǎn)，低滲管提高驅(qū)油效率42.00個(gè)百分點(diǎn)，可抑制蒸汽驅(qū)(蒸汽驅(qū)+煙道氣驅(qū))過程中汽竄，進(jìn)一步提高非均質(zhì)油藏采收率。