鄭家楨，張貴才，裴海華，單景玲，蔣 平，吳 晗

（1.中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東青島 266580；2.非常規(guī)油氣開(kāi)發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國(guó)石油大學(xué)（華東）），山東青島 266580）

我國(guó)稠油資源豐富，蒸汽驅(qū)是目前開(kāi)采稠油的有效方式之一。但是地層的非均質(zhì)性、蒸汽密度及黏度均很低，容易導(dǎo)致蒸汽超覆、蒸汽竄進(jìn)甚至指進(jìn)現(xiàn)象的發(fā)生，使蒸汽的波及系數(shù)降低，嚴(yán)重影響蒸汽驅(qū)的最終采收率［1-3］。在蒸汽熱采中引入高溫調(diào)驅(qū)劑可以抑制蒸汽竄進(jìn)，提高蒸汽的波及體積，是改善蒸汽驅(qū)開(kāi)發(fā)效果的有效手段［4-5］。高溫泡沫調(diào)驅(qū)劑既可抑制蒸汽的超覆又可降低蒸汽的流度，同時(shí)泡沫還具有“堵大不堵小，堵水不堵油”的選擇性封堵特點(diǎn)。但是常規(guī)起泡劑和穩(wěn)泡劑在高溫下難以保持良好的效果，目前常通過(guò)對(duì)現(xiàn)有表面活性劑的復(fù)配提升起泡劑的性能［6-8］。穩(wěn)泡劑逐漸由有機(jī)材料轉(zhuǎn)向無(wú)機(jī)材料，新型穩(wěn)泡劑如改性納米二氧化硅的應(yīng)用，很大程度上提高了泡沫在高溫環(huán)境中的穩(wěn)定性［9］。本文將磺酸鹽表面活性劑ZAS、聚醚磺酸鹽表面活性劑ZCP-1 和改性納米硅顆粒NS 復(fù)配研制了耐溫300 ℃的三相泡沫調(diào)驅(qū)體系，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)該體系的泡沫性能、耐溫性能、封堵性能和驅(qū)油性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

磺酸鹽表面活性劑ZAS，含量95%，山東達(dá)維化學(xué)劑公司；改性納米硅顆粒NS，粒徑范圍分布在50～100 nm，含量99%，山東達(dá)維化學(xué)劑公司；聚醚磺酸鹽表面活性劑ZCP-1、ZCP-2、ZCP-3、ZCP-4，聚氧乙烯（EO）數(shù)分別為4、6、8、10，含量98%，山東達(dá)維化學(xué)劑公司；實(shí)驗(yàn)用油為脫氣脫水稠油，黏度921 mPa·s（50 ℃），密度0.9785 g/cm3；實(shí)驗(yàn)用水為模擬地層水，礦化度9358 mg/L，主要離子質(zhì)量濃度（單位mg/L）為：Na+2612、K+164、Mg2+157、Ca2+144、Cl-3323、SO42-417、HCO3-2465、CO32-77；填砂管，長(zhǎng)度30 cm、直徑2.5 cm，海安石油科研儀器廠。

LB20ES型Waring Blender 攪拌機(jī)，美國(guó)斯伯明公司；整套高溫驅(qū)油裝置，實(shí)驗(yàn)室定制，海安縣石油科研儀器廠；5800E Series型氣體流量計(jì)，美國(guó)Parker Hannifin公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 起泡性能測(cè)試

采用Waring Blender法，以起泡體積、析液半衰期和泡沫半衰期為指標(biāo)，確定最優(yōu)泡沫體系配方，并評(píng)價(jià)其泡沫性能。具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：先用模擬地層水配制200 mL 的泡沫體系溶液，再取100 mL待測(cè)溶液倒入攪拌器中，在常溫下，以3000 r/min的轉(zhuǎn)速攪拌60 s 后形成均勻穩(wěn)定的泡沫，然后將泡沫迅速倒入1000 毫升的量筒中，記錄泡沫體積、析液量一半和泡沫體積衰減一半時(shí)需要的時(shí)間。

1.2.2 耐溫性能評(píng)價(jià)

以熱老化后泡沫體系的起泡體積、析液半衰期和泡沫半衰期為指標(biāo)，評(píng)價(jià)泡沫體系的耐溫性能。具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：將泡沫體系溶液注入安瓿瓶，封口后置入300 ℃的恒溫箱中老化24 h，采用Waring Blender 法測(cè)定老化后待測(cè)液的起泡體積、析液半衰期和泡沫半衰期。

1.2.3 封堵性能測(cè)試

采用長(zhǎng)度30 cm、直徑2.5 cm 的一維耐高溫填砂管模型進(jìn)行泡沫封堵性能測(cè)試，實(shí)驗(yàn)裝置圖見(jiàn)1。按照中國(guó)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5672—93《注蒸汽用高溫起泡劑評(píng)定方法》，在300 ℃、10 MPa、氣液比1∶1 條件下測(cè)定泡沫體系的阻力因子（泡沫驅(qū)壓差與氣水混注壓差之比），以阻力因子為指標(biāo)評(píng)價(jià)泡沫體系在多孔介質(zhì)中的封堵性能。

1.2.4 巖心驅(qū)油實(shí)驗(yàn)

圖1 泡沫驅(qū)阻力因子測(cè)定實(shí)驗(yàn)裝置流程圖

采用兩根長(zhǎng)度30 cm、直徑2.5 cm 的耐高溫填砂管模型進(jìn)行雙管驅(qū)油實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)裝置流程圖見(jiàn)圖2。具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：首先采用濕法填砂方法填制滲透率級(jí)差為1∶2（滲透率762×10-3/1537×10-3μm2）的巖心；將人造巖心飽和模擬地層水后，飽和油后老化24 h，計(jì)算含油飽和度；以2 mL/min 的注入速率注入蒸汽（蒸汽干度為0.85），當(dāng)產(chǎn)液的含水率大于98%時(shí)以氣液比1∶1注入泡沫，總注入速率為2 mL/min，注入量達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí)停止注入；進(jìn)行后續(xù)蒸汽驅(qū)，當(dāng)產(chǎn)液的含水率大于98%時(shí)停止驅(qū)替；計(jì)量產(chǎn)出液，計(jì)算采收率。

圖2 巖心驅(qū)油實(shí)驗(yàn)裝置流程圖

2 結(jié)果與討論

2.1 三相泡沫體系構(gòu)建和性能評(píng)價(jià)

2.1.1 泡沫體系的篩選和評(píng)價(jià)

磺酸鹽表面活性劑具有良好的起泡性能和耐溫性能，為了適應(yīng)蒸汽驅(qū)高溫的特點(diǎn)，選用磺酸鹽表面活性劑ZAS 與聚醚磺酸鹽表面活性劑ZCP-1（或ZCP-2、ZCP-3、ZCP-4）復(fù)配，復(fù)配泡沫體系的泡沫性能見(jiàn)表1，總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%，ZAS、ZCP-1（或ZCP-2、ZCP-3、ZCP-4）復(fù)配比分別為2∶1、3∶1和4∶1。由表1可知，對(duì)比單一ZAS體系的泡沫性能，復(fù)配體系的起泡體積均有所提高，析液半衰期和泡沫半衰期受不同類(lèi)型和比例聚醚磺酸鹽表面活性劑的影響效果不同，ZAS 和ZCP-4 以2∶1 復(fù)配時(shí)的析液半衰期和泡沫半衰期均大幅度縮短，而ZAS 和ZCP-1以3∶1復(fù)配時(shí)析液半衰期和泡沫半衰期均得到大幅度延長(zhǎng)。聚醚磺酸鹽表面活性劑對(duì)起泡劑ZAS 具有增泡效果，是因?yàn)閮烧邚?fù)配能達(dá)到更低的表面張力，在形成穩(wěn)定液膜的條件下生成更多的泡沫；特定的聚醚磺酸鹽表面活性劑如ZCP-1 能提高ZAS生成泡沫的穩(wěn)定性，是因?yàn)榧尤隯CP-1 后泡沫的靜電斥力增大，薄膜的穩(wěn)定性增強(qiáng)，阻止泡沫的聚并作用。磺酸鹽表面活性劑ZAS 和聚醚磺酸鹽表面活性劑ZCP-1 以3∶1 復(fù)配時(shí)泡沫性能最佳，起泡體積達(dá)到730 mL，析液半衰期和泡沫半衰期分別穩(wěn)定在7.53 min和201 min，因此確定最佳的泡沫體系配方為0.5%的ZAS/ZCP-1（復(fù)配比為3∶1）。

表1 泡沫體系復(fù)配實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1.2 納米顆粒的穩(wěn)泡效果

在ZAS/ZCP-1 泡沫體系（總質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%，復(fù)配比3∶1）中加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的改性納米硅顆粒NS，NS加量對(duì)泡沫體系泡沫性能的影響見(jiàn)圖3。由圖3 可知，隨NS 加量的增大，所形成泡沫體系的泡沫體積逐漸減小，析液半衰期和泡沫半衰期先增加后減小。當(dāng)NS 加量為1.0%時(shí)，三相泡沫體系的起泡體積達(dá)到680 mL，析液半衰期達(dá)26.67 min，泡沫半衰期達(dá)12 h，故確定三相泡沫體系配方為：0.5%ZAS/ZCP-1（復(fù)配比3∶1）+1.0%NS。

圖3 不同NS加量下三相泡沫體系的泡沫性能

泡沫是熱力學(xué)不穩(wěn)定體系，會(huì)自發(fā)產(chǎn)生排液、歧化和聚并現(xiàn)象來(lái)降低自由能，最終破滅。泡沫的穩(wěn)定性主要取決于液膜的穩(wěn)定性，受表面黏度、液相黏度、Marangoni效應(yīng)、液膜表面電荷等因素的影響。穩(wěn)泡劑主要通過(guò)提高泡沫表面或液相黏度、吸附在泡沫液膜表面、提供靜電斥力或增大空間位阻等方式來(lái)提高泡沫的穩(wěn)定性［12-14］。納米顆粒NS 吸附在氣液界面上，可以增加液膜的黏彈性，起到阻止泡沫聚并、穩(wěn)定泡沫的效果，同時(shí)高濃度的NS可以形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，增加液相黏度，延緩泡沫的排液進(jìn)程和氣相的擴(kuò)散作用，進(jìn)一步穩(wěn)定泡沫。隨NS 加量的增大，其阻止液膜變薄的能力增強(qiáng)，但增長(zhǎng)到一定程度后會(huì)影響泡沫的Marangoni 效應(yīng)，導(dǎo)致泡沫的穩(wěn)定性降低，表現(xiàn)為析液半衰期和泡沫半衰期縮短。

2.1.3 三相泡沫體系的耐溫性能

將不同NS 加量的三相泡沫體系置于300 ℃高溫環(huán)境下熱老化處理24 h，熱老化處理后三相泡沫體系的泡沫性能見(jiàn)圖4。由圖4可知，300 ℃熱老化處理24 h后，該三相泡沫體系仍然具有良好的泡沫性能，當(dāng)NS 加量為1.0%時(shí)，起泡體積為600 mL、析液半衰期為18.67 min、泡沫半衰期為10.75 h，與熱老化處理前的泡沫性能（泡沫體積680 mL、析液半衰期26.67 min、泡沫半衰期12 h）相比有一定損失，但是仍能生成穩(wěn)定性良好的高體積泡沫。所構(gòu)建的三相泡沫體系具有良好的耐溫性能，理論上能應(yīng)用于蒸汽驅(qū)高溫環(huán)境中。

圖4 熱老化后不同NS加量下三相泡沫體系的泡沫性能

2.2 三相泡沫體系的封堵性能

以阻力因子為指標(biāo)，評(píng)價(jià)三相泡沫體系的封堵調(diào)驅(qū)性能。在溫度300 ℃、氣液比1∶1條件下，三相泡沫體系在不同滲透率填砂管中的阻力因子見(jiàn)圖5。由圖5可知，該三相泡沫體系在實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)不同滲透率填砂管模型的阻力因子隨填砂管模型滲透率增大而逐漸上升，且均大于30，具有優(yōu)秀的封堵調(diào)驅(qū)能力，符合泡沫型堵劑“堵大不堵小”特點(diǎn)。這是因?yàn)榕菽诘蜐B孔隙介質(zhì)中運(yùn)移時(shí)，由于低滲層孔喉半徑小，產(chǎn)生的毛細(xì)管力大，液膜受到較大壓力而易于破裂，因而封堵能力下降；在高滲孔隙介質(zhì)運(yùn)移時(shí)，能產(chǎn)生穩(wěn)定的泡沫，大量的泡沫堵塞孔道形成疊加的賈敏效應(yīng)，為后續(xù)流體注入提供更大的阻力，迫使后續(xù)流體進(jìn)入泡沫未封堵的區(qū)域。注蒸汽封堵后的蒸汽驅(qū)過(guò)程中，蒸汽在高滲透孔隙介質(zhì)中通過(guò)孔隙時(shí)必須給予足夠的壓差使喉道處泡沫產(chǎn)生變形和破裂，形成的高強(qiáng)度的泡沫液膜使氣相的流動(dòng)能力急劇降低，從而使壓力升高，泡沫的流動(dòng)阻力高于其在低滲透多孔介質(zhì)中的流動(dòng)阻力。起泡劑在地層孔道中產(chǎn)生的泡沫占據(jù)孔隙空間，高強(qiáng)度的泡沫液膜形成巨大的段塞阻力，迫使以后注入的蒸汽轉(zhuǎn)向未波及帶，調(diào)整吸汽剖面，起到封堵調(diào)驅(qū)作用。

圖5 三相泡沫不同滲透率條件下的阻力因子

2.3 三相泡沫體系的驅(qū)油性能

為評(píng)價(jià)上述三相泡沫體系在非均質(zhì)地層條件下提高采收率的能力，采用滲透率級(jí)差為2 的雙管模型在溫度為300 ℃、氣液比為1∶1 下進(jìn)行物理模擬驅(qū)油實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)參數(shù)和采收率見(jiàn)表2，采收率曲線見(jiàn)圖6，分流量曲線見(jiàn)圖7。

圖6 采收率隨注入體積的變化

圖7 分流量隨注入體積的變化曲線

表2 雙管模型驅(qū)油實(shí)驗(yàn)結(jié)果

蒸汽驅(qū)初期，高滲管和低滲管出液口同時(shí)出液，但高滲管出液速率明顯快于低滲管的，隨蒸汽注入量的增加，高滲管采出液由原油變?yōu)樵秃腿闋钜旱幕旌衔?，低滲管出液量逐漸降低直至不出液。轉(zhuǎn)注泡沫后，低滲管恢復(fù)出液，驅(qū)替一段時(shí)間后采出液也變?yōu)樵秃腿闋钜旱幕旌衔?，此時(shí)低滲管出液量快于高滲管。由圖6 和表2 可以看出，當(dāng)在滲透率級(jí)差為2的非均質(zhì)地層條件下進(jìn)行蒸汽驅(qū)時(shí)，注入2.62 PV蒸汽后采出液含水率大于98%，此時(shí)高滲管采收率達(dá)54.34%，而低滲管采收率只有35.63%，綜合采收率45.44%。注入0.5 PV的泡沫后繼續(xù)注入4.51 PV 蒸汽后停止，最終綜合采收率可達(dá)63.37%，較注入泡沫前提高了17.93%。

由圖7 可以看出，蒸汽驅(qū)初期高滲管分流量約70%，低滲管出液量約30%；隨注入量的增大，高滲管分流量越來(lái)越大，而低滲管分流量逐漸降低至0；注入泡沫后，高滲管分流量逐漸減少，而低滲管分流量逐漸上升，最后低滲管分流量穩(wěn)定在60%左右，高滲管分流量穩(wěn)定在40%左右。這說(shuō)明泡沫選擇性地進(jìn)入高滲管并形成了有效封堵，調(diào)整了吸汽剖面，使得后續(xù)注入蒸汽大部分進(jìn)入低滲管，從而大幅提高了低滲管采收率。泡沫只封堵了高滲管中蒸汽沖刷形成的高滲透帶，疊加賈敏效應(yīng)形成很大的滲流阻力，迫使蒸汽進(jìn)入未被封堵的小孔隙，將剩余油驅(qū)替出來(lái)，提高了高滲管的采收率。由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，該三相泡沫調(diào)驅(qū)體系具有良好的提高采收率的能力。

3 結(jié)論

以磺酸鹽表面活性劑ZAS、聚醚磺酸鹽表面活性劑ZCP-1 和改性納米硅顆粒NS 復(fù)配構(gòu)建了耐溫300 ℃三相泡沫調(diào)驅(qū)體系，配方為0.5%ZAS/ZCP-1（復(fù)配比3∶1）+1.0%NS。該三相泡沫體系性能優(yōu)異，常溫下泡沫體積為680 mL、析液半衰期為26.67 min、泡沫半衰期為12 h，300℃熱老化處理后性能穩(wěn)定，起泡體積為600 mL、析液半衰期為18.67 min、泡沫半衰期為10.75 h，可以滿足蒸汽驅(qū)開(kāi)發(fā)需求。

該三相泡沫調(diào)驅(qū)體系在300 ℃高溫條件下可以穩(wěn)定存在且具有較好的封堵性能，能選擇性封堵高滲透層，對(duì)不同滲透率（1000×10-3～4000×10-3μm2）填砂管的阻力因子均大于30，阻力因子隨著巖心滲透率的增加而增大。

該三相泡沫調(diào)驅(qū)體系在滲透率級(jí)差為1∶2的非均質(zhì)地層條件下能提高采收率17.93%。該體系可以調(diào)整吸汽剖面，使蒸汽轉(zhuǎn)向進(jìn)入低滲區(qū)域，提高蒸汽波及體積，改善非均質(zhì)地層蒸汽驅(qū)的開(kāi)發(fā)效果，具備良好的礦場(chǎng)應(yīng)用潛力。