新型抗高盐泡沫体系研发及性能评价

赵 琳， 李爱芬， 陈 凯， 唐健健

( 中国石油大学(华东) 石油工程学院，山东 青岛 266555 )

0 引言

泡沫驱既能显著提高波及系数，又能提高洗油效率[1-2]，从而大幅度提高原油采收率[3]，已成为最具发展前景的三次采油技术.长庆、中原、江汉、河南等油田地层水矿化度达到几十万毫克每升[4].目前，抗盐起泡剂一般抗矿化度在几千或几万的(低于30 g/L)，大于50 g/L的泡沫体系报道甚少.因此，研发抗高盐泡沫体系，具有实际应用价值和社会效益.

常用的起泡剂主要有阴离子型、非离子型及两性型等[5].阴离子型起泡剂来源广、起泡性能好、成本低，但抗盐性差.非离子型起泡剂抗盐性强[6]，但起泡及稳泡性能较差，且易受浊点影响.两性型起泡剂起泡性及抗盐性均较好，但稳泡性能较差，且成本较高，一般复配使用[7].

针对高盐油藏，笔者选用较为常见的羟磺基甜菜碱、十二醇及十二烷基二甲基苄基氯化铵(1227)，通过复配及正交实验，研发抗高盐泡沫体系，评价泡沫体系的耐温、耐盐及遇油稳定性，测定泡沫体系的阻力因子，评价泡沫体系在非均质模型中的驱油效果.

1 实验

1.1 仪器与试剂

仪器：罗氏泡沫仪、水浴锅、分析天平、填砂管(φ2.5 cm×100 cm)、中间容器、D-250L恒速恒压泵、ISCO泵、回压阀、泡沫发生器、六通阀、常规玻璃仪器等.

试剂：羟磺基甜菜碱、十二醇、十二烷基二甲基苄基氯化铵(1227).实验用水为某油田地层水(矿化度为79.312 g/L)，水质分析数据见表1；实验用油为某油田原油与煤油以体积比6∶4混合，地层温度50 ℃时模拟油黏度为2.2 mPa·s.

表1 某油田地层水水样分析 mg/L

1.2 方法及步骤

1.2.1 复配体系的研发及耐温耐盐性评价

用Ross-miles法[8]测定不同质量分数的甜菜碱溶液、甜菜碱与十二醇、1227复配溶液的起泡性能和稳泡性能，复配研发性能优良的泡沫体系；通过正交实验优化最佳质量分数，评价最佳配方的耐温、耐盐性以及遇油后的稳定性.

1.2.2 阻力因子测定

图1 泡沫体系阻力因子实验流程

泡沫阻力因子[9-10]是泡沫在岩心运移达到平衡时，岩心两端所建立的压差与单纯注水时的压差的比值，是泡沫封堵能力的重要指标.温度为50 ℃、气液体积比为1∶1时，测定注入泡沫后的压差变化及阻力因子，其实验流程见图1.

步骤：(1)将填砂管洗净，填砂，抽空饱和水；(2)以2 mL/min注入速度水驱至压力稳定，记录压力，计算水相渗透率；(3)设定回压2 MPa，按气液体积比为1∶1向泡沫发生器同时注入N2和泡沫体系，产生泡沫后通过六通阀混合注入填砂管，待压力稳定后，记录填砂管两端压差，计算阻力因子.

1.2.3 驱油效果评价

充填2根渗透率相差较大的填砂管，并联接入实验流程，一次水驱地层水从高渗突破，形成水流通道；低渗填砂管波及面积较小，采收率很低.注入泡沫后，评价泡沫体系的调驱效果.

步骤：(1)同阻力因子实验(1)～(2)；(2)分别对2根填砂管饱和油，老化24 h，记录饱和油体积；(3)将2根填砂管并联接入实验流程，以恒定速度2 mL/min水驱，分别记录2根填砂管的累计出油量，计算一次水驱总采收率；(4)向模型注入0.6 PV(PV为注入孔隙体积倍数)泡沫.(5)以恒定速度水驱至出口端含水率98%以上，记录2根填砂管的累计出油量，计算二次水驱总采收率.

2 结果与讨论

2.1 泡沫体系

图2 不同质量分数下甜菜碱的起泡高度及半衰期变化

温度为50 ℃时，不同质量分数的羟磺基甜菜碱的起泡高度及半衰期见图2.

由图2可知，不同质量分数时甜菜碱的起泡性能基本相当，溶解性较好.与稳泡性对比，质量分数为0.40%时的半衰期最长，即泡沫稳定性最好.随着甜菜碱质量分数的增加，气液界面吸附的分子逐渐变多，界面张力迅速下降，产生的泡沫其稳定性逐渐增强；当甜菜碱分子在界面吸附达到饱和时，疏水作用将导致甜菜碱分子以胶束形式均匀分布在溶液中，界面张力不再降低，泡沫稳定性不再增加.

质量分数为0.40%的羟磺基甜菜碱与不同质量分数的十二醇进行复配，其实验结果见图3.

由图3可知，当十二醇质量分数为0.04%时，起泡性能与稳泡性能最佳，半衰期超过4.0 h，较纯甜菜碱溶液的半衰期(1.1 h)有较大升高，原因是十二醇与甜菜碱分子之间存在强烈的缔合作用.十二醇的疏水链与甜菜碱分子疏水链之间存在一定的相互吸引作用，十二醇的羟基与甜菜碱分子极性头基之间能产生氢键，因而十二醇能插入到甜菜碱分子吸附层之间，产生更为紧密的表面吸附层.同时，饱和吸附量的增加，增大溶液的表面黏度，从而增加泡沫的稳定性.

质量分数为0.40%甜菜碱与0.04%十二醇复配，半衰期较纯的甜菜碱有较大上升，但稳定时间还不理想.选用十二烷基二甲基苄基氯化铵(1227)，固定甜菜碱、十二醇质量分数，改变1227的质量分数进行复配实验，其结果见图4.

图3 质量分数为0.40%甜菜碱与不同质量分数十二醇复配的起泡高度及半衰期变化

图4 固定质量分数甜菜碱、十二醇与不同质量分数1227复配的起泡高度及半衰期变化

由图4可知，1227的质量分数为0.10%时，半衰期约为16 h，稳泡性能明显增强.随质量分数继续增加，起泡高度与半衰期变化较小.说明1227与甜菜碱及十二醇具有良好的相容性，起到很好的协同作用.

2.2 正交试验

在甜菜碱溶液中加入十二醇与1227，起泡高度略有增加，半衰期明显改善.为优化最佳质量分数，以3种物质的质量分数为因素，通过评价半衰期进行三因素三水平正交试验.正交试验的因素与水平见表2，试验结果见表3.

表2 正交试验的因素与水平

表3 正交试验结果

由表3可知，除第1组实验，其余8组半衰期大于10 h，表明3种物质具有极好的协同作用.其中1227是影响泡沫稳定性的最重要因素.抗高盐泡沫体系最佳质量分数配方为0.40%羟磺基甜菜碱、0.04%十二醇与0.10%1227.

2.3 耐温耐盐性

不同温度时，泡沫体系的起泡高度及半衰期见图5.

由图5可知，泡沫体系的起泡高度随温度的升高，先增大后减小；稳泡性能随温度的升高不断降低.在温度为45～65 ℃时泡沫体系性能较好.在一定温度范围内，温度升高时溶液膨胀，起泡剂分子间距离增大，动能增加，分子容易摆脱水的束缚而逃逸到水面，导致表面吸附的起泡剂分子增多，表面张力下降，即表现为起泡体积增加.随温度升高，液膜的水分蒸发加剧，使液膜变薄，排液速度加快，泡沫容易破灭，稳定性变差.

不同矿化度下，泡沫体系的起泡高度及半衰期见图6.

由图6可知，随矿化度不断升高，起泡高度略有下降，稳泡性能略有上升.在矿化度为10～160 g/L时，泡沫体系起泡高度高于12.8 cm，半衰期大于12.5 h，说明盐对泡沫液膜具有增强作用，泡沫体系可在高盐油藏中使用并推广.

图5 不同温度时泡沫体系的耐温性

图6 不同矿化度时泡沫体系的耐盐性

2.4 遇油稳定性

在温度为50 ℃时，将最佳质量分数配方溶液在罗氏泡沫仪中起泡后，加入一定量的模拟油，测定遇油后泡沫体系的半衰期，实验结果见图7.

由图7可知，少量原油对泡沫稳定性影响不大，但随着原油质量分数的增加，泡沫稳定性下降.这是因为油对泡沫有抑制和破坏作用，无论何种起泡剂配制的泡沫，接触油后稳定性都将下降.当原油质量分数较少时，油与泡沫接触不充分，对稳定性的影响不大；当原油质量分数增大，油与泡沫充分接触，油对泡沫的影响会明显增强.结果表明，该泡沫体系所起泡沫在含油质量分数为20.00%的静态条件下仍有较强的稳定性.

2.5 阻力因子测定

在温度为50 ℃、气液体积比为1∶1时，阻力因子实验数据见表4，泡沫驱产生的压差与注入孔隙体积倍数的关系见图8.

表4 温度为50 ℃时阻力因子实验数据

图7 温度为50 ℃时模拟油对泡沫稳定性的影响

图8 阻力因子随注入孔隙体积倍数的变化曲线

由表4与图8可知，气液体积比为1∶1时，注入约0.6 PV泡沫，填砂管两端压差趋于稳定，稳定压差是水驱稳定压差的409倍.研发的抗高盐泡沫体系具有很好的封堵能力.

2.6 驱替效果

将渗透率相差较大的2根填砂管并联接入流程图1.其中，高渗填砂管水测渗透率为3 657×10-3μm2，孔隙体积为235 mL；低渗填砂管水测渗透率为477×10-3μm2，孔隙体积为210 mL.渗透率级差为7.7.非均质模型驱替实验数据见表5.

由表5可知，注入泡沫体系后，高渗填砂管采收率提高13.9%，低渗填砂管采收率提高25.4%，模型总采收率提高18.6%.泡沫体系改善高渗管中的洗油效率，对高渗管起到很好的封堵效果，解放低渗区，改善模型的非均质性，起到良好的调剖增油效果.

表5 非均质模型驱油实验数据

3 结论

(1)针对高盐油藏，通过复配及正交试验研发性能优良的抗高盐泡沫体系，最佳质量分数配方为0.40%羟磺基甜菜碱、0.04%十二醇与0.10%十二烷基二甲基苄基氯化铵，明显改善泡沫性能，为后续泡沫体系的研发提供思路.

(2)泡沫体系在温度45～65 ℃时性能良好，起泡高度大于12.0 cm，半衰期大于12.0 h；在矿化度10～160 g/L时，起泡高度高于12.8 cm，半衰期大于12.5 h；所起泡沫在含油质量分数为20%的静态条件下仍有较强的稳定性.

(3)气液体积比为1∶1时，注入泡沫0.6 PV左右，压差接近稳定，阻力因子为409.表明泡沫体系起到了较强的封堵效果.

(4)非均质模型驱油实验中，注入泡沫体系0.6 PV后，总采收率提高18.6%，具有良好的调剖增油效果.