缔合聚合物对泡沫驱油体系流变性的影响

柳建新 （长江大学石油工程学院，湖北 武汉430100）

陈维余，孟科全 （中海油能源发展钻采工程研究院，天津300452）

付美龙 （长江大学石油工程学院，湖北 武汉430100）

泡沫驱油是一种利用氮气、二氧化碳或其他气体与起泡剂混合形成泡沫作为驱油介质的驱油方法。由于泡沫在地层中有较高的表观黏度，且具有 “遇油消泡、遇水稳定”的特性，它在含水饱和度较高的部位具有较高的渗流阻力，迫使注入流体驱动水驱时未波及或弱波及区域的原油，从而扩大波及体积；同时起泡剂本身作为表面活性剂，可在一定程度上降低油水界面张力，也可提高驱油效率[1]。目前泡沫驱已在多个油田得到应用[2～6]，但其不足之处是泡沫本身稳定性较差，因而施工有效期较短而影响其大规模应用。

采用聚合物作为稳泡剂的强化泡沫驱，可以通过提高泡沫液相的黏度增强液膜的表面强度来进一步减缓泡沫的排液速度，而不同的聚合物对泡沫体系稳定性的贡献是不相同的[7，8]。缔合聚合物作为近年来出现的一种新型驱油聚合物，由于具有较好的流变性能、抗温抗盐性能获得较快的发展[9，10]。将其作为泡沫驱的稳泡剂不仅有望获得性能更好的新型泡沫驱油体系，而且为渤海油田聚合物驱后进一步提高采收率提供了一条新的途径[11～13]。

与其他由聚合物作为稳泡剂的泡沫驱体系不同的是，在由表面活性剂和缔合聚合物组成的泡沫结构中，由于聚表相互作用和缔合效应的存在，可能会对泡沫液膜的界面性能产生影响，进而影响泡沫的流变性和稳定性[14，15]。在QHD32－6油藏条件下筛选出合适的泡沫驱油体系，并对其流变性进行系统的评价，探讨了缔合聚合物对泡沫体系流变性的影响机理，以期为开发具有更好稳定性的泡沫驱油体系提供依据。

1 试验部分

1.1 试剂与仪器

复合起泡剂 （自制）；稳泡剂为缔合型聚合物 （WP－1），黄胞胶 （WP－2），部分水解聚丙烯酰胺（WP－3）；配注水为QHD32－6油田地层模拟水，总矿化度4500mg/L

Waring Blender搅拌器 （美国，Waring blender）；泡沫发生器；MCR302高级流变仪 （奥地利，Anton Paar），锥板系统CP75－1 （直径75mm，角度1°）

1.2 试验方法

1.2.1 泡沫综合值测定

采用Waring Blender法测定，用质量浓度为1000mg/L聚合物溶液配制起泡剂质量分数为0.3%的强化泡沫体系溶液200mL，通过Waring磁力搅拌器搅拌后，将泡沫全部倒入量筒中，测定体系的起泡体积和半析水期。以二者的乘积获得泡沫综合值，用以表征体系的起泡性和稳泡性的综合性能[16]。

1.2.2 稳态剪切测试

在恒定剪切速率7.34s－1下测定溶液在65℃时的黏度，直至数据稳定，得到表观黏度；在恒定剪切速率7.34s－1条件下，在45～80℃范围内以5℃/min的升温速度进行温度扫描，得到表观黏度随温度的变化情况；固定测试温度为65℃，剪切速率范围0.001～500s－1，对数取点，获得剪切速率扫描曲线。

1.2.3 黏弹性测定

固定温度65℃，振荡应力为0.04Pa，在0.001～100Hz范围内进行动态频率扫描，得到储能模量（G′）和耗能模量 （G″）随频率的变化规律。

2 结果与讨论

2.1 聚合物种类对泡沫稳定性的影响

分别选择3种不同类型的聚合物作为体系的稳泡剂，通过泡沫综合值筛选出最适合QHD32－6油藏的稳泡剂。如表1数据所示，3种体系泡沫综合值为WP－1＞WP－2＞WP－3，由于缔合聚合物溶液黏度主要由可逆缔合网络结构提供，因此具有较强的抗剪切性能[17]，溶液在经过高速剪切后仍能恢复到较高的黏度，并使泡沫壁具有较高的强度，因此可以选择WP－1为体系稳泡剂。

2.2 表观黏度

在65℃和恒定剪切速率7.34s－1条件下泡沫体系表观黏度如图1所示，无 WP－1的泡沫体系初始黏度只有7mPa·s，且泡沫稳定性很差；而加入WP－1的泡沫体系在整个测试过程中其黏度基本稳定在100mPa·s附近。因此WP－1的加入不仅使体系稳泡性能得到提高，而且可以显著增加体系的黏度。

在恒定剪切速率7.34s－1条件下温度扫描曲线 （图2）表明，随着体系温度升高，体系表观黏度均有所下降，但加入WP－1的体系在80℃时黏度仍有93mPa·s，表明该体系具有较好的抗温特性。这是由于在缔合聚合物溶液中，温度升高可以促进缔合效应的增强[17]，并使其表现出一定的抗温性能所致。

图1 泡沫体系的表观黏度

图2 温度对泡沫体系表观黏度的影响

表1 泡沫体系的综合性能评价数据表

2.3 剪切稀释特性

剪切速率对泡沫体系黏度的影响如图3所示，随着剪切速率增大，泡沫体系的黏度先有所增加，随后迅速下降，表现出典型的带有屈服应力的剪切稀释特性，其流体类型较好地符合宾汉模型特征[18]。这与泡沫在多孔介质中渗流时所观察到的现象[19]基本一致。

宾汉模型方程如下：

式中：σy为屈服应力，Pa；σ为应力，Pa；K为稠度系数，mPa·sn；γ为剪切速率，s－1；n为流动指数，1。

其模型参数通过流变仪自带的Herschel－Bulkley模型程序进行拟合可以获得，如表2所示，WP－1的加入明显提高了泡沫体系的非牛顿特性，并且在屈服应力和增黏性能上都有显著增加，这有利于泡沫在地层中流动时增大封堵大孔道的能力，进一步提高其波及效率。

2.4 黏弹性

通过频率扫描测试可以获得泡沫体系的黏弹性。如图4所示，在低频段泡沫耗能模量高于其储能模量，G′/G″＜1，以黏性流动为主；而在高频段时泡沫弹性响应逐渐大于黏性响应，G′/G″＞1，以弹性流动为主。通过流变仪自带的Crossover模型拟合可以获得G′与G″的交点频率，其中无WP－1泡沫体系的频率为5.6Hz，加入质量分数为0.1%WP－1泡沫体系的频率为3.5Hz，后者表现出更好的弹性行为，在地层渗流过程中更容易发生变形通过喉道，同时其黏弹性有利于驱替盲端的残余油滴，有利于采收率的进一步提高[20]。

图3 剪切速率对泡沫体系黏度的影响

表2 泡沫体系流变曲线拟合结果

由于缔合聚合物在溶液中不同分子上的疏水链段会通过缔合效应形成可逆结构[21]，作为起泡剂的表面活性剂也会以聚表相互作用的形式与疏水链段形成疏水微区[22]，促使液膜表面形成广泛分布的三维网络结构，束缚其中自由水的逃离，并增强液膜的强度和弹性，通过流变性试验间接证实了泡沫液膜表面这种结构的存在。

图4 频率对泡沫体系黏弹性的影响

3 结论

1）添加少量缔合聚合物可以获得稳泡性能较好的泡沫驱油体系，其表观黏度和抗温性能有显著增加。

2）剪切速率扫描试验证实，该泡沫驱油体系的流体类型为带屈服值的宾汉模型，加入缔合聚合物后其非牛顿特性更加显著。

3）频率扫描试验证实，该泡沫驱油体系具有明显的黏弹性，并且加入缔合聚合物后其弹性得到显著增强。

4）该驱油体系可能通过聚表相互作用和缔合效应促使在泡沫液膜表面形成网络结构，并以此机理增强泡沫流体的黏度和稳定性。

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