張瑞香， 王 杰， 高 軍

(1.中國石油大學 勝利學院 油氣工程學院, 山東 東營 257061; 2.中石化勝利油田技術檢測中心, 山東 東營257061; 3.中石化中原油田技術監(jiān)測中心計量監(jiān)測站, 河南 濮陽 457001)

0 引 言

泡沫流體應用于油田開發(fā)國內外已有多年的歷史。目前，油田常用的起泡劑為表面活性劑，常用的泡沫驅油技術主要包括傳統(tǒng)油田泡沫驅、強化泡沫驅和泡沫復合驅。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)泡沫驅在油田中的應用并不廣泛，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泡沫不能進入油藏深處，起到深度調剖的作用。由于傳統(tǒng)泡沫驅存在的種種問題，故研究人員提出了強化泡沫驅，強化泡沫驅是指在泡沫體系中加入聚合物，通過增加體相黏度的方法從而提高泡沫穩(wěn)定性[1-5]。相對于傳統(tǒng)泡沫，強化泡沫具有較高的穩(wěn)定性，尤其是當強化泡沫與地層中的原油接觸時，可相對較好地維持泡沫的穩(wěn)定性[6-11]。此外，強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各種因素的敏感程度。強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增加體相黏度來增強泡沫穩(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會在一定程度上降低起泡液的黏度，泡沫穩(wěn)定性也會有所下降[12-16]?？偟膩碚f，目前所應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，且兩親聚合物的結構里含有親水基和疏水基，具有一定的表面活性，可以產生泡沫。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、原油飽和度對兩親聚合物泡沫在多孔介質中的流動規(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場中的應用提供支撐依據。

1 實驗部分

1.1 實驗儀器及試劑

DHZ-50-180型化學驅動態(tài)模擬評價裝置，填砂管直徑25 mm，長度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(相對分子質量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 實驗方法

(1) 兩親聚合物泡沫滲流實驗。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，計算孔隙度φ；③ 將飽和好的填砂巖心模型放置到恒溫箱內，恒溫12 h；④ 組裝實驗裝置，改變氣液比、滲透率、溫度、注入流速、原油飽和度等參數進行兩親聚合物泡沫滲流實驗，回壓為1.3 MPa，其中阻力因子Fr的計算：Fr=Δp2/Δp1(Δp1為單純注水時壓差；Δp2為注泡沫時壓差)。

(2) 兩親聚合物泡沫分流實驗。①～③的方法與(1)中相同；④ 把兩根填砂管模型進行并聯，以4 mL/min的速度注入泡沫，分別測兩根模型出口的產液量并計算產液速度。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 結果與討論

2.1 氣液比對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替壓差要大于單獨的煉化Ⅰ型兩親聚合物驅，這主要是因為通入的氣體與煉化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產生賈敏效應來提高滲流阻力，煉化Ⅰ型兩親聚合物泡沫的封堵能力較強。從圖1中還可看出，當氣液比從1∶3增加到2∶1時，隨著氣液比的增加，穩(wěn)定后的流動壓差變大，這主要是因為隨著氣體注入量的增加，在填砂管中產生的泡沫數量增多，被捕集的泡沫增多，泡沫的賈敏效應疊加增強，提高了泡沫的封堵能力，從而使得其驅替壓差變大；由于產生泡沫數量的增多，所以隨著氣液比的增加，驅替達到相對穩(wěn)定狀態(tài)時所需注入泡沫的量相對較小。從圖中還可以看出，在泡沫的注入過程中，壓力曲線不是光滑的曲線，這是因為在巖心的多孔介質中泡沫的破裂或流動造成的；當氣液比從2∶1增到3∶1時，穩(wěn)定后的驅替壓差變小，這主要是因為氣體體積的增多導致泡沫質量變大，泡沫液膜強度降低，導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“幾”字形，當氣液比在1∶1～2∶1時，泡沫的阻力因子最大，考慮到高氣液比時容易造成氣竄，所以在后續(xù)實驗中選擇的氣液比為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入，泡沫數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，可以封堵高深層，動用低滲透層中的原油，這對非均質油藏的開發(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。這主要是因為：泡沫本身的產生需要一定的能量，如果注入速度較小，提供的能量便較小，這時產生的泡沫數量較少，對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，產生泡沫的數量越來越多，當注入速度變大到一定程度后，產生足夠多的泡沫，封堵效果較好，阻力因子變大，但高流速會對泡沫產生較大的剪切作用，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，且在實際應用時，較高的注入速度容易導致氣竄，使泡沫驅效果變差，所以應根據實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，最終達到一個較為穩(wěn)定的壓差水平。這是由于隨著泡沫注入量的增多，被捕集泡沫越來越多，且形成的泡沫比較穩(wěn)定，泡沫的封堵效果較好，流動阻力逐漸增大，當泡沫的形成和破裂達到相對平衡時，最終的驅替壓差就保持在一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)。在兩親聚合物泡沫的注入過程中，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，封堵能力變弱，驅替壓差變?。涣硪环矫?，殘余油巖心中部分空隙中總有一部分原油無法被驅出，泡沫無法進入其中，使得進入殘余油巖心中總的泡沫數量相對較少，所以其封堵效果較差，穩(wěn)定后驅替壓差相對較小。當巖心中的殘余油含量增多時，巖心兩端的壓差變小。這主要是因為高含油巖心中油含量比較高，形成穩(wěn)定泡沫的能力變差，封堵效果相對較差，驅替過程中壓差相對較??；當驅替壓差穩(wěn)定后，由于高殘余油巖心有相對較多的剩余油沒有被采出，所以其穩(wěn)定壓差要略小于低殘余油巖心。

圖5 原油對泡沫滲流特性的影響

2.5 溫度對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。這主要是因為兩親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。當溫度升高時，兩親聚合物溶液的黏度降低，滲流阻力減小，從而導致阻力因子變小；同時，兩親聚合物溶液黏度的降低會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，溫度的升高會使泡沫液膜水分蒸發(fā)加劇使液膜變薄，排液速度增快，導致泡沫更容易破滅，使泡沫滲流阻力減??；溫度較高時，氣體的擴散作用增強，也會使泡沫穩(wěn)定性變差，從而導致滲流阻力減小。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，由于儲層中存在滲透率級差，在水驅階段，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，這時驅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越小，有時低滲填砂模型中的分流量超過了高滲。這說明了兩親聚合物泡沫驅可以有效調節(jié)高、低滲層的非均質性，使注入流體在不同滲透率的巖心內比較均勻推進。這主要是因為在高滲填砂模型中，兩親聚合物泡沫視黏度較高，流動阻力大[6]；而在低滲填砂模型中，泡沫視黏度相對較低，流動阻力較小，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整。

由于兩親聚合物泡沫的調剖作用使高、低滲填砂模型之間的滲透率差異變小，所以在后續(xù)水驅的初始階段，兩者之間的分流量差異較小；隨著后續(xù)水驅的不斷進行，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)水對兩親聚合物泡沫的不斷剪切導致泡沫黏度的降低，泡沫調剖能力下降；另一方面則是由于泡沫本身為不穩(wěn)定體系，會隨著時間的增加，泡沫逐漸破裂，封堵能力下降。在后續(xù)水驅的后半階段，高、低滲填砂模型中的分流量都達到一個相對比較穩(wěn)定的水平，且高滲分流量要大于低滲分流量，但相對于水驅階段，高、低滲的分流量已經得到較好的改善。

Ⅰ-水驅；Ⅱ-兩親聚合物泡沫驅；Ⅲ-后續(xù)水驅

從圖8可以看出，當儲層滲透率級差變大時，水驅階段，高、低滲填砂模型中的分流量相差很大，這時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，相對應的低滲填砂模型分流量迅速上升，儲層的非均質性得到較好的改善，說明兩親聚合物泡沫對不同滲透率級差的巖心具有良好的適應性。

Ⅰ-水驅；Ⅱ-兩親聚合物泡沫驅；Ⅲ-后續(xù)水驅

3 結 論

(1) 兩親聚合物泡沫在多孔介質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，這時兩親聚合物泡沫的封堵能力最強。

(2) 兩親聚合物泡沫在多孔介質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兩親聚合物泡沫在多孔介質中的滲流阻力變小。

(3) 兩親聚合物泡沫可以有效封堵儲層中的高滲透層，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比較均勻地推進，且對不同滲透率級差的巖心具有良好的適應性。