王彥玲，孟令韜，李強(qiáng)，梁雷，蘭金城，蔣保洋，許寧

(中國(guó)石油大學(xué) (華東)石油工程學(xué)院，山東 青島 266580)

長(zhǎng)慶油田黃3區(qū)儲(chǔ)層裂縫發(fā)育，CO2驅(qū)油出現(xiàn)嚴(yán)重氣竄、氣體超覆等現(xiàn)象[1-3]，導(dǎo)致采收率大幅降低[4-5]。泡沫流體具有良好的封堵性[6-7]，但低滲油藏苛刻環(huán)境限制了常規(guī)泡沫體系的應(yīng)用[8-10]。中外學(xué)者研發(fā)了復(fù)合強(qiáng)化泡沫體系[10-12]，Sun等[13]將疏水SiO2納米顆粒引入泡沫體系，通過(guò)協(xié)同穩(wěn)定作用，提升了體系穩(wěn)定性。田中嵐等[14]研發(fā)了一種水溶性聚合物HVC，加入后使體系耐溫達(dá)110 ℃。然而單一引入聚合物或納米顆粒難以同時(shí)達(dá)到耐溫抗油要求[15-16]。本文制備了一種三元復(fù)合CO2強(qiáng)化泡沫體系，通過(guò)與常規(guī)泡沫體系對(duì)比，研究了耐溫抗油封堵性能，為長(zhǎng)慶油田黃3區(qū)CO2驅(qū)防氣竄提供新思路。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

發(fā)泡劑：QH-3、QH-4、CQ-1、CQ-5、ZG-5、ZG-6、ZG-7；聚合物穩(wěn)定劑：PL-1，納米SiO2顆粒，粒徑平均為20 nm；實(shí)驗(yàn)用油：長(zhǎng)慶油田黃3區(qū)脫水原油，油藏溫度85 ℃下，黏度4.2 mPa·s；實(shí)驗(yàn)用氣體：CO2，純度99.9%；露頭巖心(Φ25 mm×300 mm)，實(shí)驗(yàn)用水為模擬地層水，總礦化度為59 183 mg/L，離子組成見表1，以上材料均由長(zhǎng)慶化工集團(tuán)有限公司提供。

表1 模擬地層水離子組成Table 1 The ionic composition of injected water

Waring 7012s型攪拌儀;FOAMSCANTMHTHP型高溫泡沫分析儀;SY1CO4型注氣驅(qū)巖心評(píng)價(jià)系統(tǒng)，包括恒壓恒流泵、臺(tái)式恒溫箱、巖心夾持器(Φ25 mm×300 mm)、壓力傳感器、圍壓控制手動(dòng)泵、回壓系統(tǒng)等，儀器示意圖見圖1。

圖1 SY1CO4型注氣驅(qū)巖心評(píng)價(jià)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of SY1CO4 type gas injection core evaluation system

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 不同種類發(fā)泡劑篩選

采用Waring Blender法對(duì)長(zhǎng)慶油田常用的7種不同類型發(fā)泡劑開展性能評(píng)價(jià)。常溫常壓下，取100 mL發(fā)泡劑溶液倒入高速攪拌杯中，通CO2氣體排盡杯中空氣，蓋好蓋子在CO2氣體氛圍下以7 000 r/min的速度下攪拌2 min，將發(fā)泡充分的泡沫倒入1 000 mL的量筒中，記錄起泡體積V0，表征泡沫發(fā)泡能力；當(dāng)量筒下方析出50 mL液體時(shí)，記錄消耗的時(shí)間，即泡沫析液半衰期t1/2，表征泡沫穩(wěn)定性。

2.2 三元復(fù)合CO2強(qiáng)化泡沫體系配方優(yōu)選

設(shè)計(jì)3因素3水平正交實(shí)驗(yàn)，采用Waring Blender法，以泡沫綜合值(FCI)為指標(biāo)[17]，對(duì)強(qiáng)化泡沫體系的配方進(jìn)行優(yōu)選。泡沫綜合值的計(jì)算方法為：

式中V0——起泡體積，mL；

2.3 三元復(fù)合CO2強(qiáng)化泡沫體系抗油耐溫性能研究

實(shí)驗(yàn)參照中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/SY 1816—2015《泡沫驅(qū)用起泡劑技術(shù)規(guī)范》，以泡沫起泡體積與泡沫析液半衰期為指標(biāo)，對(duì)QH-3泡沫體系與強(qiáng)化泡沫體系抗油耐溫能力研究。

2.4 三元復(fù)合CO2強(qiáng)化泡沫體系封堵性能研究

封堵性能研究實(shí)驗(yàn)步驟：①85 ℃恒溫箱中烘巖心8 h；②取出巖心，冷卻，抽真空，飽和模擬地層水12 h；③模擬地層溫度85 ℃，氣測(cè)滲透率；③設(shè)定圍壓10 MPa，以氣液同注的方式(氣液比1∶1、注入速度0.3 mL/min)在不同滲透率的巖心中分別注入強(qiáng)化泡沫體系與QH-3泡沫體系；④記錄注入時(shí)巖心兩端壓力變化，計(jì)算不同體系阻力系數(shù)。

3 結(jié)果與討論

3.1 不同類型發(fā)泡劑篩選

發(fā)泡劑種類是決定泡沫穩(wěn)定性的重要因素，不同種類的發(fā)泡劑分子結(jié)構(gòu)不同，在液膜中的排列和與氣液界面的相互作用不同，從而影響液膜的厚度、彈性以及排液速度，導(dǎo)致泡沫呈現(xiàn)出不同的穩(wěn)定性[18]。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2，QH-3陰離子型發(fā)泡劑起泡體積為910 mL，泡沫析液半衰期達(dá)13 min，泡沫穩(wěn)定性優(yōu)于其他種類發(fā)泡劑，這是由于陰離子型發(fā)泡劑親水能力強(qiáng)，對(duì)水分子產(chǎn)生的束縛作用降低了泡沫的排液速度使析液半衰期延長(zhǎng)[19]。因此選擇陰離子型QH-3作為三元復(fù)合CO2強(qiáng)化泡沫體系的發(fā)泡劑。

圖2 常溫常壓下不同類型發(fā)泡劑篩選Fig.2 Screening of different types of foaming agents at room temperature and pressure

3.2 三元復(fù)合CO2強(qiáng)化泡沫體系配方優(yōu)選

聚合物與納米顆?？梢越档捅砻鎻埩Α⑻岣吲菽ざ?、增強(qiáng)泡沫液膜的機(jī)械強(qiáng)度、減緩重力與毛細(xì)管壓力對(duì)液膜排液速度的影響，達(dá)到增強(qiáng)泡沫體系穩(wěn)定性的作用[20-22]。將聚合物PL-1、納米SiO2顆粒與QH-3發(fā)泡劑復(fù)配形成強(qiáng)化泡沫體系，設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)研究不同單劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)三元復(fù)合CO2強(qiáng)化泡沫體系泡沫綜合值的影響，結(jié)果見表2。

表2 三元復(fù)合CO2強(qiáng)化泡沫體系配方優(yōu)選Table 2 Optimal formulation of ternary composite CO2 enhanced foam system

由正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，相比于單一發(fā)泡劑QH-3，復(fù)配后的三元復(fù)合CO2強(qiáng)化泡沫體系擁有更好的穩(wěn)定性，泡沫析液半衰期得到顯著提高，但起泡體積卻隨聚合物PL-1與納米SiO2顆粒的加入而逐漸降低，這是由于聚合物與納米顆粒本身沒有起泡性能，且其表面會(huì)吸附一定質(zhì)量發(fā)泡劑，降低了溶液中的發(fā)泡劑濃度使得泡沫體積下降。當(dāng)發(fā)泡劑QH-3含量為0.5%，聚合物PL-1含量為0.2%與納米SiO2顆粒含量為0.3%(發(fā)泡劑QH-3取K2、聚合物PL-1取K1、納米SiO2顆粒取K2)時(shí)，三元復(fù)合CO2強(qiáng)化泡沫體系泡沫綜合值最大，故得三元復(fù)合CO2強(qiáng)化泡沫體系的配方為：0.5%發(fā)泡劑QH-3+0.2%聚合物穩(wěn)定劑PL-1+0.3%納米SiO2顆粒，氣體為CO2。

3.3 三元復(fù)合CO2強(qiáng)化泡沫體系抗油性能

分別用長(zhǎng)慶油田黃3區(qū)模擬地層水與含油15%的溶液作為基液配制強(qiáng)化泡沫體系與QH-3普通泡沫體系，倒入高速攪拌容器中，在轉(zhuǎn)速為7 000 r/min下攪拌2 min，對(duì)比觀察2種泡沫體系是否受到原油侵入影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3，在未加入原油時(shí)三元復(fù)合CO2強(qiáng)化泡沫體系與QH-3泡沫體系起泡體積相差不大，但原油的介入使QH-3泡沫體系起泡體積急劇下降至500 mL，其原因是原油能在泡沫液膜表面鋪展并進(jìn)入液膜，對(duì)液膜造成破壞，導(dǎo)致泡沫的破滅[23]。而三元復(fù)合CO2強(qiáng)化泡沫體系在含原油15%下產(chǎn)生的泡沫細(xì)膩穩(wěn)定，多為細(xì)小起泡的聚集體，起泡體積仍可達(dá)到780 mL，半衰期達(dá)20 min，未受原油明顯影響，證明抗油性能良好。

圖3 不同泡沫體系抗油性測(cè)試Fig.3 Oil resistance test of different foam systems(a)強(qiáng)化泡沫體系未加入原油起泡情況;(b)強(qiáng)化泡沫體系含油15%起泡情況;(c)QH-3泡沫體系未加入原油起泡情況;(d)QH-3泡沫體系含油15%起泡情況

3.4 三元復(fù)合CO2強(qiáng)化泡沫體系耐溫性能

長(zhǎng)慶油田黃3區(qū)油藏溫度為85 ℃，設(shè)置5個(gè)溫度梯度(分別為75，85，95，105，115 ℃)，使用高溫泡沫分析儀對(duì)比考察強(qiáng)化泡沫體系與QH-3泡沫體系在不同溫度下的性能差異。結(jié)果見圖4，隨著溫度的上升，三元復(fù)合CO2強(qiáng)化泡沫體系與QH-3泡沫體系的起泡體積與析液半衰期均呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。但三元復(fù)合CO2強(qiáng)化泡沫體系下降幅度不大且明顯優(yōu)于QH-3泡沫體系，在115 ℃時(shí)仍可保持起泡體積850 mL半衰期20.7 min，耐溫性能良好。

溫度升高氣液界面上表面活性劑定向吸附層松弛，導(dǎo)致表面粘度下降，降低泡沫穩(wěn)定性，而聚合物與納米粒子的加入可以有效地改善發(fā)泡性能，在氣水界面形成疏水網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)泡沫耐溫性能[24]。

圖4 溫度對(duì)強(qiáng)化泡沫體系與QH-3泡沫體系的影響Fig.4 Effect of temperature on enhanced foam system and QH-3 foam system

3.5 三元復(fù)合CO2強(qiáng)化泡沫體系封堵性能研究

模擬油藏環(huán)境，采用不同滲透率的巖心，對(duì)三元復(fù)合CO2強(qiáng)化泡沫體系與QH-3泡沫體系的封堵性能開展實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)所用巖心基礎(chǔ)參數(shù)見表3。

表3 實(shí)驗(yàn)巖心基礎(chǔ)參數(shù)Table 3 Basic parameters of experimental core

結(jié)果見圖5，隨著泡沫注入量的增加，阻力因子逐步上升，且三元復(fù)合CO2強(qiáng)化泡沫體系在兩種滲透率的巖心中阻力因子明顯優(yōu)于QH-3泡沫體系。但相比于滲透率為101.3×10-3μm2的巖心，強(qiáng)化泡沫體系對(duì)滲透率為42.6×10-3μm2的巖心封堵效果更好，在注入量為0.8 PV時(shí)阻力因子可達(dá)114。泡沫在巖心中產(chǎn)生流動(dòng)阻力的主要原因是氣泡在巖心縫洞表面形成了一層具有黏彈作用的薄膜，隨著氣泡的注入，薄膜在縫洞表面對(duì)新注入的氣泡產(chǎn)生拖拽力，泡沫越穩(wěn)定則薄膜附著的拖拽力越大[25]，三元復(fù)合CO2強(qiáng)化泡沫體系泡沫耐溫抗油穩(wěn)定，表現(xiàn)出良好的封堵性能與流度控制能力。

圖5 模擬油藏環(huán)境阻力因子隨注入量變化Fig.5 Variation of resistance factor with injection volume under simulated reservoir environment

4 結(jié)論

(1)將納米SiO2顆粒、聚合物PL-1與優(yōu)選的QH-3陰離子型發(fā)泡劑復(fù)配制備了抗油耐溫型三元復(fù)合CO2泡沫體系，通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)確定了體系的配方為0.5%發(fā)泡劑QH-3+0.2%聚合物穩(wěn)定劑PL-1+0.3%納米SiO2顆粒。

(2)對(duì)常規(guī)的QH-3泡沫體系與三元復(fù)合CO2泡沫體系開展了性能測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,相比于QH-3泡沫體系，三元復(fù)合CO2強(qiáng)化泡沫體系的抗油耐溫封堵性能提升明顯，在85 ℃，含油飽和度65.18%的巖心中，注入0.8 PV時(shí)阻力因子可達(dá)114，具有較好的流量控制與封竄能力。