李 原 狄勤豐 王文昌 華 帥

(上海大學(xué)力學(xué)與工程科學(xué)學(xué)院,上海 200072)

引言

由于儲(chǔ)集層孔隙度與滲透率的差異,油藏表現(xiàn)出不同的非均質(zhì)性[1].非均質(zhì)油藏在開(kāi)發(fā)過(guò)程中氣竄或水竄問(wèn)題突出,波及效率較低,嚴(yán)重影響了開(kāi)發(fā)效果.泡沫有密度小、視黏度高的特點(diǎn),在多孔介質(zhì)中流動(dòng)時(shí)會(huì)不斷變形產(chǎn)生額外的阻力[2],大幅增加氣體的表觀黏度.研究表明,泡沫能夠先進(jìn)入高滲層,并隨著流動(dòng)堵塞高滲層,分流驅(qū)替液進(jìn)入低滲層從而提高油藏的開(kāi)發(fā)效果.所以泡沫驅(qū)能夠防止黏性指進(jìn)和氣竄現(xiàn)象,被廣泛應(yīng)用于非均質(zhì)油藏的開(kāi)發(fā)[3].

泡沫在油藏多孔介質(zhì)中運(yùn)移時(shí)的穩(wěn)定性是影響泡沫調(diào)剖作用和驅(qū)油效率的關(guān)鍵因素.傳統(tǒng)的表面活性劑泡沫在實(shí)際儲(chǔ)層環(huán)境中的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性面臨巨大挑戰(zhàn).高溫、高鹽環(huán)境及巖石微通道壁面的吸附將大幅度降低一般表面活性劑的作用[4].近年來(lái),大量的研究表明,納米顆粒可以在嚴(yán)苛的條件下提高泡沫的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性[5-6].加入合適參數(shù)的納米顆粒后,可提高泡沫在儲(chǔ)層條件下的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性,有效提高波及效率和驅(qū)油效果.

目前常用的泡沫穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法包括Ross-Miles 法[7]、Waring-Blender 法[8]、電導(dǎo)率法[9]等,都是在容器中進(jìn)行的表觀泡沫穩(wěn)定性評(píng)價(jià),屬于宏觀靜態(tài)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)范圍.泡沫在孔隙運(yùn)移時(shí)是一個(gè)不斷破滅并再生的動(dòng)態(tài)過(guò)程,使用脫離多孔介質(zhì)的靜態(tài)評(píng)價(jià)方法不能充分反映泡沫微觀流動(dòng)情況.微觀透明模型和阻力因子雖然從一定程度可以分析泡沫在多孔介質(zhì)中的穩(wěn)定性和流動(dòng)行為,但前者與實(shí)際流動(dòng)環(huán)境有較大差異,后者受到諸多條件和因素影響.張景楠等[10]基于核磁共振技術(shù)和質(zhì)量守恒原理,提出了一種巖心中泡沫動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)方法,并對(duì)比了幾種段塞方式下均質(zhì)巖心中泡沫整體的穩(wěn)定性.

本文基于有效孔隙體積守恒原理,結(jié)合核磁共振技術(shù)手段,建立了泡沫在巖心滲流過(guò)程中的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法.對(duì)表面活性劑泡沫體系和納米顆粒強(qiáng)化泡沫體系在非均質(zhì)巖心中的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性及驅(qū)替效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)和分析.

1 巖心內(nèi)部泡沫動(dòng)態(tài)穩(wěn)定因子模型

1.1 泡沫驅(qū)中動(dòng)態(tài)穩(wěn)定因子的定義

巖心入口處氣、液的體積比f(wàn)in可定義為

式中,Vg,in和Vl,in分別是巖心入口處的氣相體積含量和泡沫液體體積,mL.氣、液體積分別由氣體流量計(jì)和恒流驅(qū)替泵控制,為已知量.

巖心中的氣液體積比f(wàn)c可表示為

式中,Vgc是巖心中氣相體積,mL;Vlc是巖心中泡沫液體體積,mL.

泡沫驅(qū)中泡沫的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定因子sf可定義為

當(dāng)sf<1 時(shí),泡沫氣相較液相更易竄出巖心,表明此時(shí)泡沫穩(wěn)定性較差;當(dāng)sf>1 時(shí),泡沫排液,氣體滯留在巖心中;當(dāng)sf= 1 時(shí),此時(shí)泡沫的在巖心中達(dá)到理想穩(wěn)定狀態(tài).因此可以通過(guò)比較泡沫驅(qū)過(guò)程中sf的數(shù)值來(lái)判斷泡沫穩(wěn)定性.

1.2 泡沫驅(qū)中動(dòng)態(tài)穩(wěn)定因子的計(jì)算方法

利用核磁共振技術(shù)可以測(cè)定巖心中油、水含量的變化.在實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí),氮?dú)鈿庠礋o(wú)核磁信號(hào),需要對(duì)其含量進(jìn)行相關(guān)轉(zhuǎn)換.當(dāng)驅(qū)替壓力較低時(shí),可以忽略巖心骨架壓縮性,認(rèn)為巖心有效孔隙體積不變[11],此時(shí)孔隙體積為三相體積之和

式中,Vpc為巖心孔隙體積,mL;Voc為巖心內(nèi)部所含油相的體積,mL.巖心內(nèi)氣體體積含量和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定因子可表示為

室內(nèi)實(shí)驗(yàn)中氣體流量計(jì)控制的氣體為標(biāo)準(zhǔn)狀況下氣體流量,因此需將Vg轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的體積.根據(jù)壓縮因子修正后的氣體狀態(tài)方程為

式中,p為氣體壓力,MPa;V為氣體體積,mL;Z為壓縮因子,無(wú)量綱,依據(jù)p和T以及GB/T 3864—2008《工業(yè)氮》標(biāo)準(zhǔn)擬定[12];n為氣體物質(zhì)的量,mol;Rp為氣體常數(shù),取8.31 J/(mol·K),T為氣體溫度,K.將內(nèi)部壓力、溫度下氣體狀態(tài)方程與標(biāo)準(zhǔn)狀況下氣體狀態(tài)方程聯(lián)立并化簡(jiǎn),可得

式中,Vg′為標(biāo)況壓力條件下巖心內(nèi)部氣體體積,mL;Tc,T0分別為巖心內(nèi)部溫度和標(biāo)況溫度,K;pc為巖心內(nèi)部壓力,MPa (取巖心壓力檢測(cè)點(diǎn)的平均值);p0為標(biāo)況壓力,101.325 kPa.

將式(8)代入式(6)可得到泡沫的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定因子計(jì)算方法

2 泡沫動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)

2.1 泡沫驅(qū)核磁共振可視化實(shí)驗(yàn)方法

將核磁共振技術(shù)與傳統(tǒng)泡沫驅(qū)替實(shí)驗(yàn)方法相結(jié)合,可以形成一種泡沫驅(qū)核磁共振可視化實(shí)驗(yàn)方法[13].核磁共振中的弛豫現(xiàn)象反映了質(zhì)子宏觀磁化矢量在外加射頻場(chǎng)的激發(fā)下偏離平衡態(tài)后恢復(fù)的時(shí)間.由于受到巖石孔隙結(jié)構(gòu)和潤(rùn)濕性等影響,當(dāng)孔隙內(nèi)充滿流體時(shí),各孔隙流體具有不同的弛豫時(shí)間.在多孔介質(zhì)中,孔隙的半徑與流體的橫向弛豫時(shí)間T2成正比[14].這意味著孔徑越大,流體的橫向弛豫時(shí)間就越長(zhǎng).同時(shí),儀器所測(cè)T2譜曲線圍成的峰面積與巖心內(nèi)含有氫質(zhì)子的流體的質(zhì)量成正比[15].利用這一性質(zhì)可以對(duì)驅(qū)替過(guò)程中巖心內(nèi)油、氣、水含量的變化進(jìn)行計(jì)算并測(cè)量巖心中微觀孔隙中流體的分布情況.

核磁共振實(shí)驗(yàn)儀器采用蘇州紐邁電子科技有限公司生產(chǎn)的Mini-MRI,其共振頻率為23.293 MHz,磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.5 T,磁極直徑為374 mm,磁體溫度為32 °C.利用CPMG 序列采集巖心中流體信號(hào)的衰減曲線,經(jīng)反演處理后得到T2譜.其中實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下:90°脈寬為19 μs,180°脈寬為34 μs,采樣點(diǎn)數(shù)為750016,采樣頻率200 kHz,重復(fù)采樣等待時(shí)間4000 ms,模擬增益為10,數(shù)字增益為3,采樣累加次數(shù)為8,回波時(shí)間為0.25 ms,回波個(gè)數(shù)為15000,反演采用SIRT 法,迭代次數(shù)為10 000.

核磁共振成像技術(shù)可以采集巖心驅(qū)替過(guò)程中內(nèi)部流體的信號(hào)以確定流體的分布以及含量.本實(shí)驗(yàn)選擇SE (自旋回波)序列作為核磁成像序列.在一幅SE 序列圖像中,圖像上每點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度S可由下式來(lái)描述[16]

式中Aρ為質(zhì)子自旋密度,T1為縱向弛豫時(shí)間,T2為橫向弛豫時(shí)間,TR為重復(fù)時(shí)間,TE為回波時(shí)間.

為了在非均質(zhì)巖心泡沫驅(qū)替過(guò)程中快速實(shí)現(xiàn)清晰成像,采用短TE和長(zhǎng)TR即質(zhì)子密度加權(quán)方法對(duì)成像參數(shù)進(jìn)行設(shè)置[17].在成像圖像中由于流體弛豫時(shí)間的差異,可以明確分辨出低滲層和高滲層的流體信號(hào),反映泡沫在各滲流層的波及效率和驅(qū)替特征.由于冠狀面可以有效地消除重力對(duì)泡沫遷移特征的影響,采用這種模式來(lái)觀察泡沫在不同時(shí)刻沿著驅(qū)替壓力梯度方向的運(yùn)動(dòng).將原始圖像數(shù)據(jù)中的干擾信號(hào)濾除,進(jìn)行統(tǒng)一映射,并添加偽彩,即可得到巖心核磁共振圖像.

所用的實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1,主要包括:氮?dú)馄?、氣體流量計(jì)、恒流驅(qū)替泵、中間容器、泡沫發(fā)生器、核磁驅(qū)替裝置模塊和控制單元.

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental device

2.2 實(shí)驗(yàn)材料和巖心參數(shù)

所用的實(shí)驗(yàn)材料包括陰離子表面活性劑SDS(十二烷基硫酸鈉)、兩塊非均質(zhì)巖心(級(jí)差5∶1,外觀如圖2)、氯化亞錳(MnCl2).親水納米氧化硅(Sigma-Aldrich),平均粒徑為20 nm,純度大于99.8%,模擬油由柴油和原油按照體積比9∶1 進(jìn)行配置(25 °C 時(shí)黏度為4.2 mPa·s);模擬地層水含有CaCl2,MgCl2,NaCl,質(zhì)量比為1∶2∶5,礦化度為8000 mg/L.

圖2 非均質(zhì)砂巖巖心的(a)冠狀面和(b)橫截面Fig.2 (a) Coronal plane and (b) transverse plane of heterogeneous sandstone core

實(shí)驗(yàn)所用雙層非均質(zhì)巖心由兩種不同粒徑分布的石英砂(180 目～200 目和100 目～120 目)經(jīng)環(huán)氧樹(shù)脂粘接,在模具中分別平鋪兩層后,在15 MPa壓力擠壓下形成長(zhǎng)方體樣品.將樣品烘干后鉆取其兩層交界處,并切割形成柱狀非均質(zhì)巖心.樣品高滲層的滲透率為2468.4 mD,孔隙度為22.5%;低滲層的滲透率為532.8 mD,孔隙度21.2%.對(duì)兩塊巖心進(jìn)行了物性參數(shù)測(cè)量,結(jié)果見(jiàn)表1.

表1 巖心物性參數(shù)Table 1 Physical parameters of cores

由于油和水在多孔介質(zhì)中的核磁共振弛豫時(shí)間有重疊部分,使得實(shí)驗(yàn)獲得的T2譜中無(wú)法區(qū)分油信號(hào)和水信號(hào),核磁共振圖像中也無(wú)法區(qū)分巖心中油和水的分布.已有實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在水中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的MnCl2時(shí),對(duì)泡沫性質(zhì)影響較小[18].但是Mn2+與水中氫質(zhì)子會(huì)直接接觸發(fā)生自旋交換作用,使水中氫質(zhì)子的弛豫衰減加快,水相的弛豫時(shí)間大幅度下降,從而達(dá)到在泡沫驅(qū)過(guò)程中區(qū)分油、水核磁信號(hào)的目的.

2.3 實(shí)驗(yàn)步驟

(1)在測(cè)量巖心長(zhǎng)度、直徑后,將其放入恒溫干燥箱中抽真空烘干,隨后取出測(cè)量干重.在核磁共振驅(qū)替實(shí)驗(yàn)裝置中利用0.5% MnCl2溶液以0.5 mL/min的速度對(duì)巖心進(jìn)行飽和,并測(cè)試不同時(shí)刻巖心的T2譜,進(jìn)行MnCl2溶液體積標(biāo)定.待巖心完全飽和后,利用鹽水驅(qū)替,測(cè)量不同流量下巖心兩端的壓差以獲得水測(cè)滲透率,直至巖心T2譜線不再偏移(即MnCl2濃度足夠低,對(duì)核磁信號(hào)不再有影響).再將巖心放入恒溫烘干箱中加熱至105 °C 烘干,24 h 后取出巖心備用.

(2)調(diào)節(jié)核磁共振驅(qū)替可視化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的儀器參數(shù),對(duì)干燥巖心基底進(jìn)行T2譜測(cè)試.

(3)由于非均質(zhì)巖心中低滲層部分的滲透率較低,利用油驅(qū)水建立束縛水的方法難以使低滲層完全飽和油,且?guī)r心原始含水量會(huì)影響泡沫穩(wěn)定因子的計(jì)算.所以本實(shí)驗(yàn)中將非均質(zhì)巖心抽真空后直接飽和模擬油,測(cè)試飽和模擬油過(guò)程中不同時(shí)刻巖心的T2譜,進(jìn)行模擬油體積標(biāo)定.

(4)利用模擬地層水分別配制兩組起泡劑(0.5%SDS + 0.5% MnCl2),其中一組加入納米顆粒,經(jīng)磁力攪拌和超聲分散后得到含有0.2%納米顆粒的泡沫液.將泡沫液倒入中間容器中,開(kāi)啟驅(qū)替泵開(kāi)關(guān)和氮?dú)馄块y門(mén),使泡沫液和氮?dú)馔瑫r(shí)進(jìn)入泡沫發(fā)生器.調(diào)節(jié)氣體和液體流量使標(biāo)況下兩者的體積比為2∶1,并使其總流量為1.0 mL/min.待泡沫發(fā)生器生成穩(wěn)定均勻的泡沫后向巖心內(nèi)注入8.0 PV (孔隙體積)泡沫,讀取注入階段的驅(qū)替壓力.為了忽略巖心壓縮性的影響,注入泡沫時(shí)夾持器出口處不加載回壓,夾持器內(nèi)為恒溫32 °C.

(5) 泡沫注入過(guò)程中在注入體積為1.0 PV,2.0 PV,3.0 PV,5.0 PV,8.0 PV 時(shí)進(jìn)行巖心T2譜的測(cè)試,根據(jù)MnCl2溶液和模擬油標(biāo)定結(jié)果得到泡沫液體體積和模擬油體積,并根據(jù)式(9)計(jì)算得到此節(jié)點(diǎn)下泡沫的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定因子.在節(jié)點(diǎn)0.0 PV,0.5 PV,3.5 PV,7.5 PV 處進(jìn)行核磁共振成像來(lái)反映流體信號(hào)的分布和含量的大小.由于水相中的MnCl2抑制了水的弛豫時(shí)間,且氮?dú)鉀](méi)有核磁信號(hào),所以核磁共振圖像可以較好地反映模擬油的分布情況.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 巖心中水相和油相的標(biāo)定結(jié)果

巖心C-01 在飽和MnCl2溶液過(guò)程中的T2譜測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖3.可以看出MnCl2溶液T2譜峰峰值弛豫時(shí)間位于1.0 ms 左右.在飽和水初期,水信號(hào)增長(zhǎng)較慢,而在中后期較快,30 min 時(shí)巖心內(nèi)的MnCl2溶液已經(jīng)接近飽和.

圖3 飽和MnCl2 溶液過(guò)程中巖心C-01 的T2 譜Fig.3 T2 spectrum of C-01during injection of MnCl2 solution

表2 和圖4 給出了C-01 內(nèi)的MnCl2溶液質(zhì)量與T2峰面積關(guān)系,可以發(fā)現(xiàn)兩者之間存在較好的線性關(guān)系.擬合結(jié)果如下

圖4 C-01 MnCl2 溶液標(biāo)定曲線Fig.4 Calibration curve of MnCl2 solution in core C-01

表2 C-01 中MnCl2 溶液質(zhì)量與T2 譜峰面積關(guān)系Table 2 Relationship between the mass of MnCl2 solution in C-01 and the peak area of T2 spectrum

式中Aw是MnCl2溶液的T2譜峰面積,無(wú)量綱.斜率表示T2譜的743.68 單位峰面積對(duì)應(yīng)巖心中1.0 gMnCl2溶液,即質(zhì)量標(biāo)定結(jié)果為743.68 單位峰面積/g.MnCl2溶液的密度為1.01 g/mL,得到T2譜峰面積Aw1與MnCl2溶液體積Vw1之間的關(guān)系為

也即體積標(biāo)定結(jié)果為751.11 單位峰面積/mL.

同樣,可以得到巖心C-02T2譜峰面積與MnCl2溶液體積的對(duì)應(yīng)關(guān)系

利用相同的標(biāo)定方法可以獲得兩塊非均質(zhì)巖心中T2譜峰面積和油相體積的對(duì)應(yīng)關(guān)系

通過(guò)標(biāo)定結(jié)果可以計(jì)算出巖心泡沫驅(qū)過(guò)程中油、水體積,計(jì)算方法如下

式中Vi為液體體積,i代表油相或者水相,mL;cr為標(biāo)定結(jié)果,單位峰面積,mL?1;ai為油、水的T2譜幅值;ai0為巖心基底幅值;tmax和tmin分別為油相或水相信號(hào)橫向弛豫時(shí)間的左、右端點(diǎn)值,ms.

3.2 T2 譜和核磁共振圖像測(cè)試結(jié)果

為了比較,本文利用表面活性劑泡沫和納米顆粒強(qiáng)化泡沫分別對(duì)巖心C-01 和C-02 進(jìn)行了驅(qū)替實(shí)驗(yàn),T2譜測(cè)試結(jié)果分別見(jiàn)圖5 和圖6,可以看出:

圖5 SDS 泡沫驅(qū)油過(guò)程中巖心C-01 的T2 譜Fig.5 T2 spectrum of core C-01 for SDS foam flooding

圖6 納米顆粒強(qiáng)化SDS 泡沫驅(qū)過(guò)程中巖心C-02 的T2 譜Fig.6 T2 spectrum of core C-02 for nanoparticles-enhanced SDS foam flooding

(1)根據(jù)核磁共振原理和前期實(shí)驗(yàn)結(jié)果,可以判定左側(cè)的信號(hào)峰為MnCl2溶液形成的水峰(弛豫時(shí)間在1.0 ms 左右),右側(cè)的信號(hào)峰為模擬油形成的油峰.根據(jù)測(cè)試結(jié)果,高滲層中主要包含大弛豫時(shí)間孔道(峰值～1000 ms)和中弛豫時(shí)間孔道(峰值附近),而低滲層主要包含中弛豫時(shí)間孔道和小弛豫時(shí)間孔道(10 ms～峰值)[17].

(2)水峰規(guī)律:泡沫驅(qū)過(guò)程中水峰上升很快,表明泡沫進(jìn)入巖心后,泡沫中的水快速占據(jù)了巖心.當(dāng)注入泡沫超過(guò)2.0 PV 后水峰達(dá)到較高值,然后在后續(xù)注入泡沫過(guò)程中,巖心C-01 的水峰變化較小,巖心C-02 的水峰緩慢上升.

(3)油峰規(guī)律:在泡沫驅(qū)過(guò)程中兩塊巖心的油峰面積注入量在0 到2.0 PV 之間大幅下降,對(duì)應(yīng)水峰有大幅上升,且譜線峰頂點(diǎn)明顯左移,表明注入前期泡沫液體占據(jù)了巖心的高滲層和大孔道.當(dāng)注入量大于2.0 PV 后,油峰下降趨勢(shì)逐漸變緩,水峰上升緩慢,說(shuō)明此時(shí)泡沫氣體開(kāi)始積累,泡沫中氣相驅(qū)油的作用逐漸顯著.此階段,譜線峰頂點(diǎn)開(kāi)始明顯右移,說(shuō)明中、小孔道的油減少的更多,泡沫起到調(diào)剖作用[10].與巖心C-01 相比,巖心C-02 中油峰下降的更多,即納米顆粒強(qiáng)化泡沫體系具有更強(qiáng)的驅(qū)油效果.在小弛豫時(shí)間段(100 ms 附近),巖心C-02 的T2譜幅值明顯下降更多,表明納米顆粒強(qiáng)化泡沫波及了更多小孔道.

圖7 給出了兩塊巖心的核磁共振成像圖(泡沫注入方向?yàn)閺南轮辽?.可以看出,當(dāng)巖心飽和油后,由于弛豫時(shí)間的差異,左側(cè)信號(hào)較弱為低滲層,右側(cè)信號(hào)較強(qiáng)為高滲層.對(duì)于表面活性劑泡沫,注入量為0.5 PV 時(shí)高、低滲層均形成了對(duì)油相的驅(qū)替前緣,前緣后方油相信號(hào)量明顯下降,高滲層的驅(qū)替前緣移動(dòng)幅度更大.SDS 泡沫注入量為3.5 PV 時(shí),高滲層僅分布少量殘余油,呈低信號(hào)強(qiáng)度,主要集中在巖心注入方向的末端.低滲層還大量分布有中等強(qiáng)度的信號(hào),說(shuō)明泡沫在低滲層的穩(wěn)定性還較低.7.5 PV時(shí),高滲層信號(hào)進(jìn)一步下降,而低滲層在注入方向的中、后段還存在較多殘余油.對(duì)于納米顆粒強(qiáng)化泡沫體系,驅(qū)油規(guī)律大致相同,但泡沫注入量在3.5 PV和7.5 PV 時(shí)對(duì)應(yīng)的各層前緣移動(dòng)明顯加快,說(shuō)明納米顆粒強(qiáng)化泡沫的波及速率更大.7.5 PV 時(shí),僅在巖心巖心末端存在少量殘余油,說(shuō)明納米顆粒強(qiáng)化泡沫對(duì)低滲層具有更強(qiáng)的驅(qū)替能力.

圖7 泡沫驅(qū)過(guò)程中非均質(zhì)巖心的磁共振成像(信號(hào)為油相,(a)～(d)為SDS 泡沫驅(qū),(e)～(f)為納米顆粒強(qiáng)化SDS 泡沫驅(qū))Fig.7 Magnetic resonance images of heterogeneous cores during foam flooding (signal represents oil phase,(a)～(d):SDS foam,(e)～(f):nanoparticles-enhanced SDS foam)

3.3 泡沫動(dòng)態(tài)穩(wěn)定因子的變化規(guī)律

圖8 給出了泡沫在多孔介質(zhì)中流動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性變化特征,反映出以下的變化規(guī)律.

圖8 非均質(zhì)巖心中泡沫動(dòng)態(tài)穩(wěn)定因子變化情況Fig.8 Foam dynamic stability factor in heterogeneous cores

第一階段(Ⅰ～Ⅱ時(shí)間段)為動(dòng)態(tài)穩(wěn)定因子快速下降階段.當(dāng)泡沫注入量為1.0 PV 時(shí),巖心C-01 和巖心C-02 中泡沫的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定因子由1.0 分別下降至0.285 和0.360.造成動(dòng)態(tài)穩(wěn)定因子下降的原因有以下幾點(diǎn):(1)泡沫剛進(jìn)入巖心時(shí),在不連續(xù)毛管力產(chǎn)生的端部效應(yīng)作用下,泡沫會(huì)出現(xiàn)相分離[19].(2)初始階段,巖心中的含油飽和度較高.當(dāng)泡沫與油滴接觸后,后者會(huì)進(jìn)入泡沫體系中液膜表面進(jìn)行鋪展,形成不穩(wěn)定的假乳液膜,造成氣泡的聚并及破裂[20-22],體現(xiàn)為明顯的泡沫遇油消泡特征.(3)部分表面活性劑分子、納米顆粒會(huì)吸附在微孔道壁面,使得用來(lái)穩(wěn)定泡沫的表面活性劑或納米顆粒減少,導(dǎo)致泡沫的表觀黏度降低,泡沫穩(wěn)定性下降,不能形成有效的封堵效果[23].這些因素使巖心內(nèi)部泡沫的穩(wěn)定性快速降低.

第二階段(Ⅱ～Ⅲ時(shí)間段)為動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性因子逐漸上升階段.當(dāng)注入量從1.0 PV 增大到5.0 PV,泡沫的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定因子分別上升至0.574 和0.761.泡沫液大量占據(jù)孔道后,巖心含油飽和度快速降低,油相的消泡作用減弱,泡沫的穩(wěn)定性逐漸恢復(fù).隨著泡沫不斷注入,表面活性劑、納米顆粒經(jīng)對(duì)流和擴(kuò)散使其濃度不斷增大.由于疊加和滯留作用,氣泡在高滲層堆積和封堵,導(dǎo)致高滲層中的泡沫的流動(dòng)阻力增大[24-26],高滲層的大孔隙不斷被泡沫流體占據(jù),泡沫氣體表觀黏度逐漸增大[27].圖9 給出了泡沫驅(qū)過(guò)程中巖心內(nèi)部的氣、水體積變化特征,可以看出,2.0 PV 后兩塊巖心中水相的體積基本穩(wěn)定,但是泡沫氣體的含量持續(xù)上升,這使得巖心中的氣液比逐漸上升,泡沫動(dòng)態(tài)穩(wěn)定因子逐漸增加.

圖9 泡沫驅(qū)過(guò)程巖心中氣、液體積變化情況Fig.9 Variation of gas and liquid volume in core during foam flooding

第三階段(Ⅲ～Ⅳ時(shí)間段)為動(dòng)態(tài)穩(wěn)定因子趨于穩(wěn)定階段.隨著殘余油飽和度不斷下降和圈閉氣體飽和度不斷上升,泡沫氣相在巖心中的積累得到進(jìn)一步增加,泡沫的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性因子逐漸升高.從圖7可以看出,注入量達(dá)7.5 PV 時(shí),巖心中的殘余油主要分布在巖心低滲層中、后段,泡沫需要克服很大的流動(dòng)阻力才能夠波及,而過(guò)大的流動(dòng)阻力會(huì)增加對(duì)液膜施加的毛細(xì)管壓力,不利于泡沫穩(wěn)定[28],所以泡沫的表觀黏度會(huì)逐漸趨于穩(wěn)定.圖9 中表明巖心內(nèi)氣體和液體的體積在注入5.0 PV～8.0 PV 泡沫過(guò)程中變化均較小.這反映了泡沫的生成和消泡作用逐漸達(dá)到了動(dòng)態(tài)平衡.

對(duì)比兩種泡沫體系可知,納米顆粒強(qiáng)化泡沫體系可以抑制不穩(wěn)定階段泡沫的失穩(wěn),并明顯增加了最大動(dòng)態(tài)穩(wěn)定因子,說(shuō)明納米顆粒可以減緩油相的消泡作用,顯著增加泡沫強(qiáng)度[29-30].

3.4 驅(qū)油效率與泡沫動(dòng)態(tài)穩(wěn)定因子的關(guān)系

圖10 反映了驅(qū)油效率的變化情況.在0～1.0 PV期間,由于巖心含油飽和度高,油的流動(dòng)能力強(qiáng),泡沫液能快速驅(qū)出高滲層中的油相.但是動(dòng)態(tài)穩(wěn)定因子隨時(shí)間的變化速率dsf/dt<0,即泡沫的破滅速度大于生成速度.此階段驅(qū)油效率決定于水相,而泡沫性質(zhì)對(duì)水相的流度沒(méi)有影響[31-32].在泡沫注入量為1.0 PV 時(shí),兩塊巖心的驅(qū)油效率基本一致.1.0 PV ～2.0 PV 期間,巖心中的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定因子開(kāi)始上升,即dsf/dt>0,此時(shí)泡沫氣、液同時(shí)發(fā)揮驅(qū)替作用.2.0 PV時(shí)刻,巖心C-02 的驅(qū)油效率略高于巖心C-01.注入量大于2.0 PV 后,巖心中水的體積基本維持穩(wěn)定,殘余油主要分布在低滲層的中、小孔道而水難以直接波及,此時(shí)泡沫氣體起到主要的驅(qū)油作用.2.0 PV ～8.0 PV 期間,SDS 泡沫和納米顆粒強(qiáng)化泡沫SDS 的驅(qū)油效率分別提高16.6%和20.1%,表明后者具有更高的驅(qū)油效率.納米顆粒強(qiáng)化泡沫的dsf/dt較大,說(shuō)明注入的泡沫不易消泡,驅(qū)替前緣更加穩(wěn)定均一,具有更高的驅(qū)油能力和波及效果.

圖10 泡沫驅(qū)過(guò)程中巖心驅(qū)油效率的變化情況Fig.10 Variation of oil displacement efficiency during foam flooding

4 結(jié)論

(1)結(jié)合核磁共振技術(shù)和巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn),本文方法可直接判斷巖心內(nèi)部泡沫液體與氣體體積隨泡沫驅(qū)過(guò)程的變化規(guī)律,進(jìn)而評(píng)價(jià)巖心內(nèi)部泡沫在流動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性.

(2)對(duì)于非均質(zhì)巖心而言,泡沫在驅(qū)替過(guò)程中的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性呈現(xiàn)驟減、遞增和穩(wěn)定3 個(gè)階段,這與泡沫首先占據(jù)高滲層,隨后逐步波及低滲層的特點(diǎn)吻合.

(3)相比于普通表面活性劑泡沫,納米顆粒提高了泡沫的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性,加強(qiáng)了高滲層的封堵能力及低滲層的波及效果.泡沫注入量為8.0 PV 時(shí),表面活性劑泡沫和納米顆粒強(qiáng)化的泡沫動(dòng)態(tài)穩(wěn)定因子分別為0.596 和0.794,驅(qū)油效率分別為73.4%和81.3%.

(4)泡沫產(chǎn)油速率和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定因子變化速率密切相關(guān).當(dāng)巖心中的含水體積基本不變時(shí),泡沫的產(chǎn)油速率和穩(wěn)定因子增長(zhǎng)速率變化一致.即此時(shí)泡沫的驅(qū)油效果主要取決于動(dòng)態(tài)穩(wěn)定因子,因此可利用動(dòng)態(tài)穩(wěn)定因子對(duì)泡沫驅(qū)油效率進(jìn)行預(yù)測(cè).