耐溫耐鹽凍膠泡沫體系的優(yōu)選與評價

吳勝飛，李子甲，，何龍，，張雯，黃雪莉，原紅杰

(1.新疆大學(xué) 化工學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830046；2.中國石化西北油田分公司，新疆 烏魯木齊 830011)

塔河油田為碳酸鹽巖油氣藏，儲深5 400～6 600 m，儲溫130 ℃，礦化度高達(dá)2.1×105mg/L[1]。經(jīng)過長期的注水采油，地層非均質(zhì)性嚴(yán)重，層間和層內(nèi)滲透率差異較大，導(dǎo)致注入水通常會繞過阻力較大的含油區(qū)，沿水驅(qū)高滲通道到達(dá)油井，致使地層的含油區(qū)變?yōu)椤八绤^(qū)”，水驅(qū)波及區(qū)域減小，導(dǎo)致注入水無效循環(huán)，油井采收率大幅度下降，其深部調(diào)驅(qū)是目前亟需解決的問題[2-3]。普通泡沫體系的作業(yè)時間和強(qiáng)度有限，單一凍膠體系選擇性差，難以滿足深井調(diào)驅(qū)的要求[4]。

本文將泡沫驅(qū)油和凍膠調(diào)剖技術(shù)相結(jié)合，研發(fā)出一種集洗、驅(qū)、調(diào)為一體的凍膠泡沫調(diào)驅(qū)體系，其油水選擇性強(qiáng)，適應(yīng)于塔河高溫高鹽油藏深井調(diào)驅(qū)的凍膠泡沫體系。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

聚丙烯酰胺P-71(相對分子量400萬)、聚丙烯酰胺與磺酸鹽共聚物P-9(相對分子量600萬，AMPS含量>30%)、短碳鏈甜菜堿LHSB、長碳鏈甜菜堿OHSB、十二烷基氧化胺類、起泡劑SLSF-3、SLNC-02、SLSF-4均為工業(yè)級；海藻酸鈉(SA)、對苯二酚、烏洛托品(六亞甲基四胺)均為分析純；塔河模擬地層水，自配，離子組成見表1。

表1 塔河四區(qū)模擬地層水離子組成Table 1 Ion composition of simulated formation water in Tahe four area

TRACER界面張力流變儀；BSRD-3060型混調(diào)器/攪拌器；173-001-1-C型五軸滾子爐；LDY50-200采油化學(xué)劑評價儀。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 起泡劑性能評價 實(shí)驗(yàn)采用Waring-Blende法評價起泡劑的起泡性能[5]，以起泡體積(V0)和析液半衰期(t1/2)作為主要評價指標(biāo)，F(xiàn)CI反應(yīng)泡沫綜合性能，其計算公式為：

式中FCI——泡沫綜合指數(shù)，mL·s；

Vmax——最大起泡體積，mL；

t1/2——泡沫析液半衰期，s。

1.2.2 凍膠泡沫基液的配制 自來水配制濃度 5 g/L 的起泡劑溶液，按最優(yōu)配比分別加入海藻酸鈉0.5%、烏洛托品0.5%和對苯二酚0.5%，攪拌30 min，加入聚合物P-71 0.5%和P-9 1%，充分?jǐn)嚢? h，即可得凍膠泡沫基液。整個攪拌過程不能過快，否則基液易起泡。

1.2.3 起泡劑和凍膠配伍性評價 采用界面張力流變儀對起泡劑和凍膠體系的配伍性進(jìn)行評價。取25 mL凍膠泡沫基液放入樣品池中，采用上升法進(jìn)行測試，選取穩(wěn)定段進(jìn)行計算。儀器設(shè)定參數(shù)為：每隔30 s開始振蕩，振蕩體積為10%，每周期振蕩5次。選取穩(wěn)定段通過程序計算出動態(tài)表面張力均值。

1.3 填砂管物模實(shí)驗(yàn)

1.3.1 油水選擇性實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)選用一定目數(shù)的石英砂裝填兩根相同滲透率的填砂管，其編號為a、b。裝填準(zhǔn)則和評定方法參照中國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5345—2007《巖石中兩相流體相對滲透率測定方法》，具體實(shí)驗(yàn)步驟：①濕法填砂，記錄孔隙體積；②地層水以1.5 mL/min流速正向水驅(qū)至壓力穩(wěn)定，并記錄壓力，計算填砂管滲透率；③將b填砂管以1.5 mL/min流速注入飽和煤油(染紅色)；④兩根填砂管高溫老化24 h后，按氣液比1∶1分別注入 0.5 PV 凍膠泡沫體系，130 ℃老化12 h；⑤分別以1.5 mL/min流速再次水驅(qū)至壓力穩(wěn)定；⑦計算填砂管a、b的阻力系數(shù)/殘余阻力系數(shù)。

1.3.2 雙管驅(qū)油實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)通過改變石英砂目數(shù)來調(diào)控填砂管的滲透率，采用高低滲雙管并聯(lián)模型模擬塔河油藏地層的非均質(zhì)性。其實(shí)驗(yàn)步驟：①濕法填砂，記錄孔隙體積；②地層水以1.5 mL/min流速正向水驅(qū)至壓力穩(wěn)定，并記錄壓力(P0)，計算填砂管滲透率；③在130 ℃下以1.5 mL/min流速分別向高低滲砂管注入煤油(染紅色)直至壓力穩(wěn)定。④將砂管高溫老化24 h后，雙管并聯(lián)以1.5 mL/min流速水驅(qū)至含水率98%以上；⑤按氣液比1∶1注入1 PV凍膠泡沫體系，記錄穩(wěn)定壓力(P1)，并在高溫130 ℃下放置12 h；⑥繼續(xù)以1.5 mL/min流速水驅(qū)至含水率98%以上，記錄穩(wěn)定壓力(P2)；⑦計算其分流率和采收率。

2 結(jié)果與討論

2.1 起泡劑評價條件的確定

2.1.1 實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)速的優(yōu)選 通過Waring-Blende評價泡沫性能時，目前無明確的轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)。然而轉(zhuǎn)速的大小直接影響泡沫的氣液比，從而進(jìn)一步影響其結(jié)構(gòu)和性能。因此，實(shí)驗(yàn)采用自來水配制5 g/L的起泡劑溶液，評價6種起泡劑在1 000～5 000 r/min范圍內(nèi)，每隔1 000 r/min轉(zhuǎn)速的泡沫性能，實(shí)驗(yàn)溫度為室溫25 ℃。結(jié)果見圖1、圖2。

圖1 轉(zhuǎn)速對起泡體積的影響Fig.1 Influence of rotating speed on foaming volume

圖2 轉(zhuǎn)速對析液半衰期的影響Fig.2 Influence of rotating speed on half-life

由圖1和圖2可知，6種起泡劑的起泡體積和析液半衰期隨著轉(zhuǎn)速的增加先迅速增加后穩(wěn)定或略有降低，長碳鏈甜菜堿類在轉(zhuǎn)速為3 000 r/min時起泡性能達(dá)到最優(yōu)，這是因?yàn)殚L碳鏈甜菜堿類溶于自來水中導(dǎo)致溶液黏度增加，致使溶液起泡能力降低，但穩(wěn)定性大幅度增強(qiáng)，當(dāng)轉(zhuǎn)速繼續(xù)增大，長碳鏈甜菜堿類起泡劑分子受到一定程度的破壞，導(dǎo)致起泡性能下降[6]。其余5種類型的起泡劑均在4 000 r/min時為趨緩特征點(diǎn)，起泡性能差別不大。6種起泡劑的泡沫性能在4 000 r/min時均表現(xiàn)良好，因此確定 4 000 r/min 為以下實(shí)驗(yàn)的轉(zhuǎn)速。

2.1.2 起泡劑濃度梯度實(shí)驗(yàn) 起泡劑濃度對起泡體積和析液半衰期的影響見圖3、圖4。

圖3 起泡劑濃度對起泡體積的影響Fig.3 Influence of foaming agent concentrationon foaming volume

圖4 起泡劑濃度對析液半衰期的影響Fig.4 Influence of foaming agent concentrationon the half-life

由圖3和圖4可知，隨著起泡劑濃度的增加，起泡體積及析液半衰期均有不同程度的上升，長碳鏈甜菜堿類起泡劑起泡性能差，說明其不適合自來水配液體系，因此，后續(xù)不再考察其性能。其余5種起泡劑均在濃度為5 g/L時，出現(xiàn)趨緩特征點(diǎn)。綜合上述實(shí)驗(yàn)分析及油田實(shí)際應(yīng)用情況，起泡劑較合適的濃度為5 g/L。

2.2 耐溫抗鹽起泡劑的篩選

2.2.1 礦化度對泡沫性能的影響 分別采用自來水和地層水配制濃度為5 g/L的起泡劑溶液，分析礦化度對5種起泡劑性能的影響，結(jié)果見圖5和圖6。

圖5 自來水和地層水配液的起泡體積對比Fig.5 Comparison of foaming volume between tapwater and formation water

圖6 自來水和地層水配液的析液半衰期對比Fig.6 Comparison of the half-life of tap waterand formation water

由圖5和圖6可知，5種類型的起泡劑采用地層水作為溶劑時，對比自來水配液起泡體積均發(fā)生不同幅度的下降，但下降幅度較小，同時其析液半衰期的增幅在2倍左右。這是因?yàn)樵诟叩V化度下，高含量的無機(jī)鹽使泡沫變的細(xì)膩、均勻，液膜厚度增大[7]，同時與表面活性劑分子作用形成復(fù)合膜，阻礙液膜的排液速度和泡沫間氣體的擴(kuò)散，從而增強(qiáng)了泡沫的穩(wěn)定性。短碳鏈甜菜堿類采用地層水為溶劑時，起泡能力和泡沫穩(wěn)定性均明顯小于其他4種起泡劑，說明短碳鏈甜菜堿類起泡劑耐鹽性較差，因此，后續(xù)實(shí)驗(yàn)不再考察其性能。

2.2.2 起泡劑耐溫實(shí)驗(yàn) 將自來水配制的5 g/L的起泡劑溶液裝入老化罐中，放置于130 ℃的五軸滾子爐中老化，到達(dá)設(shè)定的時間節(jié)點(diǎn)時，取出部分起泡劑溶液，冷卻至室溫，測定氣泡體積和析液半衰期，結(jié)果見表2。根據(jù)老化前后的泡沫性能，評判起泡劑的熱穩(wěn)定性。

表2 起泡劑130 ℃熱滾后發(fā)泡性能Table 2 Foaming properties of foaming agent after hot rolling at 130 ℃

由表2可知，SLSF-4、SLNC-02、SLSF-3三種起泡劑在130 ℃條件下處理8 d，其泡沫性能依舊穩(wěn)定，說明三種起泡劑未發(fā)生引起性能改變的熱分解行為，均表現(xiàn)出優(yōu)良的起泡性能和穩(wěn)定性。

十二烷基氧化胺類起泡劑，隨著老化時間的增加，泡沫性能迅速下降，當(dāng)老化4 d時，即無法形成穩(wěn)定性泡沫，且起泡劑溶液變?yōu)榘迭S色，說明十二烷基氧化銨類起泡劑由于長時間的受熱，發(fā)生引起性能變化的熱分解行為[8]，導(dǎo)致起泡能力失效。

2.3 起泡劑與凍膠配伍性實(shí)驗(yàn)

SLNC-02、SLSF-3、SLSF-4三種起泡劑的動態(tài)表面張力測試結(jié)果見圖7～圖9。

圖7 SLNC-02起泡劑動態(tài)表面張力測試Fig.7 Dynamic surface tension test ofSLNC-02 foaming agent

圖8 SLSF-3起泡劑動態(tài)表面張力測試Fig.8 Dynamic surface tension test of SLSF-3 foaming agent

圖9 SLSF-4起泡劑動態(tài)表面張力測試Fig.9 Dynamic surface tension test of SLSF-4 foaming agent

由圖7～圖9可知，三種起泡劑的動態(tài)表面張力在200～300 s時間段趨于平穩(wěn)，通過程序分別計算出SLNC-02、SLSF-3、SLSF-4起泡劑的表面張力均值為34.15，36.05，29.81 mN/m，SLSF-4起泡劑的表面張力最低，說明其與凍膠基液復(fù)配后起泡性能和泡沫穩(wěn)定性較好[9]，即SLSF-4起泡劑和凍膠的配伍性最好。因此，后續(xù)實(shí)驗(yàn)選擇SLSF-4起泡劑進(jìn)行測試。

2.4 填砂管物模實(shí)驗(yàn)

2.4.1 凍膠泡沫體系的油水選擇性能 凍膠泡沫體系的油水封堵調(diào)流性能見圖10。

表3 填砂后填砂管的參數(shù)Table 3 Parameters of sand filling pipe after sand filling

圖10 凍膠泡沫體系的油水封堵調(diào)流性能Fig.10 Oil-water plugging and flow regulationperformance of gel-foam system

由圖10可知，注入凍膠泡沫后，填砂管a和b的殘余阻力系數(shù)先上升后趨于穩(wěn)定，說明凍膠泡沫對地層中的含水層和含油層都有不同程度的調(diào)流降滲作用[10]，但在相同滲透率下，飽和水填砂管的殘余阻力系數(shù)為36.21，是飽和油填砂管的2.5倍。一方面，是因?yàn)橄蝻柡陀吞钌肮苤凶⑷?.5 PV凍膠泡沫后，其殘余油使凍膠泡沫在成膠前發(fā)生“遇油消泡”行為[11]，僅在多孔介質(zhì)表面形成膠體，并未對孔喉進(jìn)行有效的封堵；另一方面，由于凍膠泡沫具有一定的鹽敏性，成膠前其液膜與地層水中的Ca2+發(fā)生作用，增強(qiáng)凍膠泡沫的穩(wěn)定性，致使飽和水填砂管的殘余阻力系數(shù)遠(yuǎn)高于飽和油填砂管。

2.4.2 雙管驅(qū)油實(shí)驗(yàn) 凍膠泡沫體系注入前后各填砂管分流情況和驅(qū)油效果見圖11、圖12。

表4 雙管并聯(lián)模型填砂后填砂管參數(shù)Table 4 Parameters of sand filling pipe after sand filling in the dual-pipe parallel model

由圖11可知，水驅(qū)段主要是高滲填砂管出油和水為主，經(jīng)過凍膠泡沫調(diào)驅(qū)后，主要是低滲填砂管流出液體，同時伴隨著壓力增大，說明注入凍膠泡沫時，由于高滲管流動阻力小，其大部分被注入高滲管中，老化后形成有效封堵，使后續(xù)水驅(qū)主要是低滲填砂管產(chǎn)出油和水。由此可知，凍膠泡沫體系優(yōu)先進(jìn)入高滲區(qū)，降滲效果明顯，表現(xiàn)出較好的選擇性增油控水能力。

圖11 凍膠泡沫體系注入前后各填砂管分流情況(c和d并聯(lián))Fig.11 Distribution of sand filling pipes before and afterthe injection of gelatin foam system(c and d in parallel)

圖12 凍膠泡沫體系注入前后驅(qū)油效果(c和d并聯(lián))Fig.12 Oil displacement effect of gel-foam systembefore and after injection(c and d in parallel)

由圖12可知，注入凍膠泡沫體系后，含水率明顯下降，采收率大幅度上升，說明其作用效果明顯，正常水驅(qū)，采收率僅為40.38%，注入凍膠泡沫時起泡劑對高滲管中的殘余油起到乳化作用，并將其攜帶而出，采收率增長為3.75%，老化后，低滲出油采收率增長為35.67%，最終采收率達(dá)到79.79%，說明該凍膠泡沫體系使注入水轉(zhuǎn)向，提高水驅(qū)波及系數(shù)[12]，同時具有強(qiáng)的洗油能力，進(jìn)一步提高采油效率。

3 結(jié)論

(1)在室溫條件下，通過對6種起泡劑在不同轉(zhuǎn)速和濃度下的泡沫性能評價，確定了起泡劑評價較適的轉(zhuǎn)速4 000 r/min和質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%。

(2)通過起泡劑的耐溫耐鹽性實(shí)驗(yàn)，SLSF-4、SLNC-02、SLSF-3均適應(yīng)于塔河高溫高鹽油藏，但SLSF-4起泡劑與抗稀釋凍膠配伍性最優(yōu)，其動態(tài)表面張力為29.81 mN/m。

(3)在相同滲透率下，凍膠泡沫體系對飽和水填砂管封堵調(diào)流性能好，其殘余阻力系數(shù)為36.21，是飽和油填砂管的2.5倍，說明在注水采油時當(dāng)壓力達(dá)到一定范圍，含油區(qū)將變?yōu)閮?yōu)勢通道，采收率隨之增大，因此凍膠泡沫體系具有好的油水選擇性。

(4)雙管驅(qū)油實(shí)驗(yàn)表明，凍膠泡沫優(yōu)先進(jìn)入高滲層，并進(jìn)行強(qiáng)有力的封堵，同時洗出高滲管的殘余油3.75%，后續(xù)水驅(qū)增油高達(dá)35.67%，極大提高采收率。