葛 嵩，盧祥國，劉進祥，徐國瑞，李 翔，張云寶，3

（1.東北石油大學 教育部提高油氣采收率重點實驗室，黑龍江 大慶 163318；2.中海油田服務股份有限公司 油田生產事業(yè)部，天津 300450；3.中海石油（中國）有限公司 天津分公司 渤海石油研究院，天津 300452）

渤海油藏具有非均質性強和巖石膠結強度低等特點，加之長期注水沖刷，對巖石結構破壞十分嚴重，進一步加劇了注入水沿高滲透層或大孔道突進，嚴重影響注水注聚開發(fā)效果。近年來，發(fā)展迅速的泡沫調驅堵水技術已經成為了海上厚油層挖潛進一步提高采收率的關鍵技術，具有廣闊的應用前景?，F有穩(wěn)泡劑多加入聚丙烯酰胺、多肽等聚合物，該類物質雖然能夠增強泡沫的穩(wěn)定性，但是起泡體積低，高溫易分解，所遺留的有機物殘渣會損害地層。也有學者選擇將水溶性無機鹽作為穩(wěn)泡劑，但是無機鹽的存在會造成管線和設備的電化學腐蝕。王騰飛等將Al（OH）3作為穩(wěn)泡劑，但是其穩(wěn)泡和封堵能力不理想。因而，海上油田開發(fā)急需展開新型穩(wěn)泡劑的研究［1-2］。納米顆粒作為新型納米材料，在生活和科研中被廣泛應用［3-6］。國內學者也對納米顆粒作為穩(wěn)泡劑的可行性做了研究，發(fā)現它們可以大幅度提高泡沫的穩(wěn)定性，同時納米顆粒具有較好的耐溫耐鹽性，適于海上油藏條件下的生產［7-8］。

本工作利用納米顆粒穩(wěn)泡劑、起泡劑和氮氣等組成泡沫體系，以渤海典型油藏地質特征和流體為研究對象，通過物理模擬實驗研究了不同因素對泡沫體系封堵效果的影響，為納米顆粒穩(wěn)泡體系在海上油田應用提供理論支持。

1 實驗部分

1.1 原料

泡沫體系由納米顆粒穩(wěn)泡劑、起泡劑和氮氣等組成。起泡劑：非離子表面活性劑PO-FASD，有效含量35%，中海油油服有限公司；穩(wěn)泡劑：贏創(chuàng)6#納米顆粒，有效含量100%，贏創(chuàng)特種化學（上海）有限公司。實驗用水為SZ36-1模擬水，模擬水性質見表1。實驗巖心為人造均質巖心［9-10］，滲透率3 000×10-3mm2，尺寸為4.5 cm×4.5 cm×30 cm。

表1 模擬水性質Table 1 Properties of simulated water

1.2 測試方法

配置不同納米顆粒濃度的納米顆粒氮氣泡沫體系，通過攪拌器剪切180 s發(fā)泡后，測試其泡沫穩(wěn)定性。巖心飽和水測滲透率，注入納米顆粒氮氣泡沫體系，后續(xù)水驅至壓力穩(wěn)定，測試封堵率。改變納米顆粒濃度、氣液比例、段塞尺寸、注入速度、起泡劑濃度、注入方式，研究體系的封堵效果。

2 結果與討論

2.1 穩(wěn)泡劑對泡沫體系的影響

穩(wěn)泡劑納米顆粒濃度對氮氣泡沫穩(wěn)定性的影響表2。

表2 穩(wěn)泡劑納米顆粒濃度對氮氣泡沫穩(wěn)定性的影響Table 2 Effect of nanoparticle concentration on nitrogen foam stability

從表2可看出，在穩(wěn)泡劑類型一定的情況下，隨穩(wěn)泡劑納米顆粒濃度的增加，各項指數均有增加，但當濃度超過0.30%（w）后，起泡體積和析液半衰期呈下降的趨勢。析液半衰期和泡沫半衰期增加，表明泡沫穩(wěn)定性增強。這是因為，當起泡劑與納米顆?；旌闲纬蓱腋∫后w后，納米顆粒會吸附到氣液界面，對泡沫形成保護，減緩液膜的排液速度，同時在一定程度上抑制了氣泡的歧化，使泡沫的穩(wěn)定性增強。

2.2 泡沫體系封堵性能評價

2.2.1 穩(wěn)泡劑對泡沫體系封堵效果的影響

穩(wěn)泡劑納米顆粒濃度對泡沫體系封堵率的影響見表3，注入壓力與納米顆粒濃度和PV數的關系見圖1。從表3可看出，加入納米顆粒后，后續(xù)水結束壓力梯度和封堵率明顯增加，在濃度為0.3%（w）時達到最大值。從圖1可看出，隨穩(wěn)泡劑納米顆粒濃度的增加，注入壓力和后續(xù)水穩(wěn)定壓力呈先增加后降低的趨勢，在濃度0.3%（w）時達到最高。這是因為，未加入穩(wěn)泡劑的普通泡沫由于氣、液黏度差異較大，氣泡不穩(wěn)定易形成氣竄。而加入穩(wěn)泡劑后，由于穩(wěn)泡劑的納米顆粒本身脫附能較大，與液膜結合力較強，納米顆粒吸附后形成機械強度較大的保護膜，可減小泡沫與巖心孔喉摩擦對泡沫的破壞，使泡沫在巖心運移過程中的穩(wěn)定性大大增強。緊密排列的顆粒會對液膜中水動力流動產生阻力，減小液膜的排液速度。同時，也減小了氣體與液體的接觸面積，抑制氣泡的歧化，泡沫本身的穩(wěn)定性也得到加強。

表3 納米顆粒濃度對泡沫體系封堵率的影響Table 3 Effect of nanoparticle concentration on plugging rate of foam system

圖1 注入壓力與注入PV數關系Fig.1 Relationship between injection pressure and injection PV number.

穩(wěn)泡劑中納米顆粒的穩(wěn)泡機理見圖2。從圖2可看出，表面活性劑分子會吸附到納米顆粒表面，降低界面張力，進一步加強納米顆粒吸附到氣液界面的能力。但納米顆粒在氣液界面吸附量是有限的，當表面達到吸附平衡后再增加納米顆粒濃度，反而不利于泡沫的穩(wěn)定，導致后續(xù)水穩(wěn)定壓力有所降低。當納米顆粒濃度超過0.3%（w）時，泡沫的起泡體積開始減少，半衰期也開始縮短。這可能是當氣液界面納米顆粒的吸附量達到平衡后，再增加納米顆粒濃度，未被吸附的顆粒量會增多，顆粒間會出現團聚形成團聚體，團聚體會擠壓泡體，導致泡壁破裂，從而降低泡沫的強度。同時未被吸附的納米顆粒會吸附大量的表面活性劑，導致發(fā)泡體積降低，最終導致泡沫的起泡和穩(wěn)泡性能反而下降［11-13］。

圖2 納米顆粒穩(wěn)泡機理Fig.2 Mechanism diagram of bubble stabilization.

2.2.2 氣液比對泡沫體系封堵效果的影響

氣液比對泡沫體系封堵率的影響見表4。從表4可看出，隨氣液比增加，后續(xù)水結束壓力梯度和封堵率先升高后降低，在氣液比2∶1時達到最大值。隨氣液比升高，泡沫的表觀黏度也會隨之升高，泡沫在多孔介質中滯留量增多，使得泡沫的封堵能力增強。而當氣液比較大時，多孔介質中形成泡沫的尺寸較大，通過孔喉時發(fā)生擠壓，導致泡沫在巖心中運移時易發(fā)生破裂。同時，由于泡沫中的液相的減少，泡沫液膜變薄，泡沫容易聚并破裂且發(fā)生氣竄，使得通過多孔介質的流動阻力變?。?4-16］。因此，泡沫在多孔介質中存在一個最佳的氣液比，該氣液比下形成的泡沫穩(wěn)定性較好，封堵能力強。綜上所述，適宜的氣液比在（1∶1）～（2∶1）之間。

表4 氣液比對泡沫體系封堵率的影響Table 4 Effect of gas-liquid ratio on the plugging rate of the foam system

2.2.3 段塞尺寸對泡沫體系封堵效果的影響

段塞尺寸對泡沫體系封堵率的影響見表5，從表5可看出，隨段塞尺寸的增加，后續(xù)水結束壓力梯度和封堵率均呈增加趨勢。表明注入的泡沫體系具有良好的封堵效果，泡沫納米顆粒加入可以增強泡沫強度，使泡沫在巖心中不容易破裂，降低氣體流度。同時作為固相，納米顆粒對地層也有暫時封堵作用，納米顆粒在多孔介質中封堵和運移，也加強了泡沫的生成。雖然增加段塞尺寸，封堵率有一定提高，從技術經濟角度考慮推薦段塞尺寸為0.10～0.15 PV。

表5 段塞尺寸對泡沫體系封堵率的影響Table 5 Effect of slug size on the plugging rate of the foam system

2.2.4 注入速度對泡沫體系封堵效果的影響

注入速度對泡沫體系封堵率的影響見圖3。從圖3可看出，隨注入速度增加，注入壓力升高，后續(xù)水穩(wěn)定壓力也隨之升高。由于起泡劑體系本身黏度較高，發(fā)泡需克服一定阻力。當注入速率較低時，產生的克服發(fā)泡所需的能量較低，因此產生泡沫的數量較少，泡沫穩(wěn)定性差，從而導致壓差上升幅度較小，后續(xù)水穩(wěn)定壓力較低。當達到一定注入速率后，產生較大流動能力，產生的泡沫數量較多，從而注入壓力增幅較高，后續(xù)水穩(wěn)定壓力也較高。但泡沫在巖心中也同時受到孔喉剪切作用，若注入速度過高，泡沫也會由于剪切變稀而使流動阻力減小。因此，可以綜合設備注入能力、儲層巖石破裂壓力和低滲透層啟動壓力等因素確定礦場注液速度。

圖3 注入壓力與注入PV數關系Fig.3 Relationship between injection pressure and injection PV number.

2.2.5 起泡劑濃度對泡沫體系封堵效果的影響

起泡劑濃度對泡沫體系封堵率影響見圖4。

圖4 注入壓力和注入PV數的關系Fig.4 Relationship between injection pressure and injection PV number.

從圖4可看出，起泡劑濃度增加時，泡沫驅注入壓力升高，后續(xù)水穩(wěn)定壓力升高。當起泡劑濃度升高到0.3%（w）時，后續(xù)水驅階段穩(wěn)定注入壓力值明顯增加，但繼續(xù)增大濃度，注入壓力差異不大。這可能是因為，由于納米顆粒會吸附起泡劑，導致起泡劑濃度較低時產生泡沫較少，封堵率較低。當起泡劑濃度增加時，納米顆粒因吸附較多的起泡劑使其疏水性增強，產生泡沫數目增多且穩(wěn)定性提高，封堵率增加。進一步增加起泡劑濃度，起泡劑在納米顆粒表面形成雙層吸附顆粒，泡沫穩(wěn)定性進一步提高。但同時納米顆粒對于起泡劑的吸附達到飽和，繼續(xù)增加起泡劑濃度對泡沫穩(wěn)定性影響較小。因此，從技術經濟角度考慮，適宜的起泡劑濃度為0.4%～0.5%（w）。

2.2.6 注入方式對泡沫體系封堵效果的影響

注入方式對泡沫體系封堵率的影響見表6。從表6可看出，同時注入方式的后續(xù)水結束壓力梯度和封堵率都高于交替注入方式。同時注入方式的注入壓力和后續(xù)水穩(wěn)定壓力均較高。這是因為，采用同時注入方式時，氮氣與發(fā)泡劑體系混合更充分，生成泡沫較多且穩(wěn)定，可對巖心內水流通道進行更為持續(xù)的封堵。而采用交替注入方式時，泡沫體系不穩(wěn)定，易造成氣竄，難以形成較大的封堵壓差，封堵能力較低。但考慮到地層破裂壓力的限制，應該綜合考慮現場實際情況選擇注入方式。

表6 注入方式對泡沫體系封堵率的影響Table 6 Effect of injection mode on the plugging rate of the foam system

3 結論

1）穩(wěn)泡劑納米顆粒具有較好的穩(wěn)泡性能，當納米顆粒濃度為0.3%（w）時，穩(wěn)泡效果較好。

2）對泡沫體系進行封堵，適宜的條件為：穩(wěn)泡劑納米顆粒濃度為0.3%（w）、氣液比在（1∶1）～（2∶1）、段塞尺寸為0.10～0.15 PV、起泡劑濃度0.4%～0.5%（w）。

3）應綜合設備注入能力、儲層巖石破裂壓力和低滲透層啟動壓力等因素來確定礦場注液速度。

4）與氣液交替注入方式相比較，氣液同時注入發(fā)泡效果較好，封堵率較高，但后者可能造成注入困難。需綜合考慮礦場儲層滲透性和破裂壓力等因素來選擇注入方式。