抗温耐油型强化泡沫驱油体系性能研究

孙 琳，魏 鹏，蒲万芬，荆雪琪，吴轶君，柳 敏

（1.西南石油大学石油与天然气工程学院，四川 成都610500；2.大港油田采油工艺研究院，天津300280）

空气泡沫驱作为一种适合于油田开发后期高含水、高采出程度的三次采油方法，泡沫的高黏度、低流度可以发挥有效的流度控制作用，能够避免水窜和气窜问题，从而提高波及系数和驱油效率［1-4］。在空气泡沫驱的基础上加入疏水缔合聚合物［5］，可在整个溶液中形成空间网络结构［6-7］，显著提高液相的黏度，泡沫强度及稳定性的大幅度提升；还能够改善其在油藏中的适应性，增强泡沫的流度控制能力，提高原油采收率。

大港官15-2断块为一构造-岩性油藏，含油层位为沙河街ES3油组和孔一段枣Ⅱ油组，储层平均孔隙度18.05%、渗透率106.2×10-3μm2，为中孔中渗复杂油藏；同时原油性质较差，含蜡17.1%、沥青胶质含量达27.9%，属重质高凝原油。经过多年开发，目前综合含水87.6%，属于高含水油藏。笔者针对官15-2复杂条件，筛选出一套适宜油藏条件且原油配伍性良好的长期高效疏水缔合聚合物强化泡沫体系，本文对其相关性能进行了报道。

1 实验部分

1.1 主要试剂

十二烷基硫酸钠（ZD8），磺丙基甜菜碱（G5），疏水缔合聚合物（WP9），官15-2地层水（总矿化度21 452mg／L、钙离子281mg／L 、镁离子52 mg／L），官15-2油砂（100～120目）。实验用岩心参数见表1。

表1 岩心参数

1.2 实验方法

泡沫性能测试：用官15-2地层水配置溶液200mL，预热至90℃，然后于 Waring Blender恒速搅拌器中以4 000r／min搅拌1min；将生成的空气泡沫装入置于90℃恒温箱的1L量筒中，并记录其起泡体积和析液半衰期。

图1 高温高压下泡沫性能测试仪器及流程

高压下泡沫性能测试：首先利用官15-2地层水配置泡沫体系溶液；然后将20mL强化泡沫体系倒入高温高压反应釜中并建立试验流程（如图1）；再注入空气对其进行加压至实验需要的压力值；最后，以2 000r／min搅拌1min，在90℃、不同压力下测定其泡沫性能。

2 结果与讨论

2.1 泡沫体系热盐稳定性

对于不同种类或不同结构的起泡剂进行初选，将性能良好的起泡剂与不同稳泡剂进行复配，最终确定强化泡沫体系（ZGP）：0.1%ZD8＋0.05%G5＋0.2%WP9。将强化泡沫体系放入90℃恒温箱中老化，并定期测定其泡沫性能及体系黏度。ZGP的老化结果如表2。

表2 强化泡沫体系老化性能

由表1可知：在老化过程中，ZGP的起泡体积呈现不断上升的趋势，而析液半衰期则逐渐降低。在强化泡沫体系中，聚合物WP9通过增加液膜表面的吸附量和提高基液的黏度［8］，来增加泡沫液膜强度、降低泡沫的排液速率，最终提高泡沫的稳定性。对于强化泡沫体系，WP9在老化过程中了发生明显的热降解、盐降解以及氧化降解反应（鉴于低氧空气具有一定的氧含量，因此泡沫体系在老化过程中未进行除氧处理），致使泡沫液膜的黏度降低、强度变差，最终导致泡沫的析液半衰期变短［9］。ZGP在老化180d后仍然具有相当好的起泡能力，说明起泡剂的性能未被削弱；同时WP9的降解使基液黏度降低，使起泡时需要克服的黏滞阻力变小，导致起泡体积增加。所以ZGP具有优良的热盐稳定性。

2.2 高温高压下泡沫性能

图2是不同压力下的泡沫性能。

由图2可知：泡沫体系在0.1MPa下形成的泡沫直径较大，起泡体积和析液半衰期比较小。但当压力增加到5MPa时，起泡体积增加一倍，压力到达10MPa时起泡体积最大（是原液体积的5倍），压力继续增加时起泡体积略有降低。这是因为高压下空气在泡沫体系表面的吸附以及体相的溶解均增大，且空气与泡沫体系的密度差异降低，泡沫体系的表面张力下降，起泡能力提高，使其形成的泡沫体积较大［10］；而随着压力继续增大，气体压缩得更厉害，起泡体积少许下降。

图2 不同压力下ZGP的泡沫性能

由拉普拉斯方程可知，泡沫液膜Plateau边界与平面膜间的压差和表面张力成正比。随着环境压力增大，表面张力降低，则压差减小，液膜向Plateau边界区域排液的速度相应降低。同时，随着压力增加，泡沫变得更为细腻、均匀，气泡间的压力差降低，阻碍了气泡间的气体扩散，有利于泡沫稳定。当压力增大到20MPa时，析液半衰期延长至49min。由此推断，在油藏温度压力下，该体系具有很好的泡沫性能。

2.3 泡沫体系的乳化性质

当泡沫体系与地层原油接触发生乳化而形成O／W或W／O乳状液时，可以将岩石表面的残余油剥离，有利于增加后续水驱的原油产量。空气泡沫体系在高温下的乳化性能与其驱油效率密切相关。泡沫体系与不同体积的原油混合并预热90℃，使用漩涡混合器将油水混合液振荡5min后定时观察其乳化情况，结果见图3。

图3 泡沫体系的乳化析水情况

由图3可知：开始时原油乳状液具有良好的稳定性，油水开始分离时析水率显著增加，而油水分离后期，随着时间的延长，析水率逐渐趋于平稳；随着油水比增大，析水速率降低。由于泡沫体系中的聚合物能与形成界面膜的表面活性剂的亲水基团发生作用，使油膜强度增加，还能在细小油珠周围形成弹性保护膜，阻止油滴的聚结速度［11］，同时原油中含有较多的石蜡、胶质和沥青质等“天然乳化剂成分”，促使形成的油水界面膜有较高的强度，乳状液稳定好。随着油水比增大，乳状液类型由O／W向W／O转变，油水界面可以吸附大量的沥青质形成多层界面活性剂结构，大幅度的增加乳状液的稳定性［12］，所以油水比大的含油体系析水较慢。

此外，稳定的乳状液有助于在含油泡沫中形成的假乳液膜，假乳液膜是决定含油泡沫破裂与否的关键因素［13-14］，以影响泡沫的耐油性。

2.4 泡沫体系的耐油性质

图4是泡沫体系与不同体积的原油混合后的泡沫性能。

图4 含油泡沫的性能

由图4表明：ZGP与原油混合后可形成大量含油泡沫，且在原油含量60%范围内，含油泡沫的体积与无油泡沫的体积相近；而随着含油量的增加，析液半衰期先增大后减小，在含油量20%范围内表现出一定的稳泡性。这是因为在强力搅拌和高温的情况下，原油被泡沫体系乳化形成的乳状液。当含油量在20%以内时，少量、性质稳定的乳状液微球分布在液膜上，可起到增强泡沫液膜强度的作用［15］，同时聚合物在一定程度上降低了泡沫对原油的敏感性，提高泡沫的析液半衰期。但原油含量过高时，油与泡沫充分接触形成大量的乳状液，它们征用了体系中多数的表面活性剂分子；同时原油中的稠环芳烃等分子的氢键作用力及电荷转移作用较强，影响泡沫液膜中的双电子层结构［16］，使该含油泡沫无法形成稳定的泡沫液膜，表现出消泡性能。

2.5 泡沫体系吸附性质

表面活性剂分子中具有两亲性，它可以以其极性基通过化学吸附或物理吸附，吸附于固体颗粒的表面［11］。因此当泡沫通过多孔性油藏时，泡沫中的表面活性剂可能被岩石吸附而损失，影响体系的泡沫性能。将不同起泡剂浓度的强化泡沫体系与油砂按固液比1∶10混合并放入90℃烘箱，每隔一段时间摇均含砂泡沫体系，48h后取出离心，并测定泡沫性能。重复以上步骤，将同一泡沫体系多次与新鲜油砂接触吸附，结果如图4。

图5 静态吸附对不同浓度的ZGP泡沫性能的影响

由图4可知：在泡沫体系ZGP与油砂的6次吸附过程中，其起泡体积仅在20mL内变化；而析液半衰期呈波动减小趋势，吸附6次后析液半衰期只下降3～4min；随着体系中起泡剂浓度增大，其经历吸附后的析液半衰期降低幅度不断减小。由于油砂表面吸附（或粘附）着黏土矿物和原油，一方面，黏土矿物的水化膨胀性和离子交换能力，以及原油中的一些极性成分（如沥青质），通过静电力、共价键、氢键等作用能够增强对表面活性剂和聚合物的吸附能力；另一方面，油砂表面的油质以乳化和增溶的方式进入体系液相中，如前所述因该体系具有很好的耐油性，少量原油可以在一定程度上提高泡沫的稳定性［17］。随着吸附次数增加，起泡剂和聚合物的吸附损失、体系中含油量增加，最终影响泡沫体系的泡沫性能。ZGP中WP9发生竞争吸附减少了表面活性剂在油砂上的吸附位［18］，以及体系溶液中的高粘滞阻力使表面活性剂分子扩散速率变小，降低表面活性剂在油砂表面的吸附量。因此ZGP在油砂中具有较好的抗吸附能力。

2.6 物模驱替实验

在90℃、14MPa条件下，使用官15-2地原油饱和参数相似的两块新岩心，以注入速率为0.25mL／min依次进行：水驱、空气泡沫驱（注入0.8PV、气液比2∶1）、后续水驱。200-37＃岩心水驱后残余含油饱和度降低到45%，200-40＃岩心的残余含油饱和度为72%时停止水驱，对其进行泡沫驱及后续水驱，结果如图6。

图6 不同含油饱和度下泡沫体系的驱油情况

由图6可知：注入泡沫过程中，实验压差迅速增加，说明泡沫在岩心孔喉处产生有效的封堵。后续水驱中，压差先增加再降低，最后压差波动趋于平稳，且压差值均高于注泡沫前，表明强化泡沫在细小的孔隙中产生封堵的同时不断运移，伴随泡沫破灭不断生成新的泡沫，最终两者达到动态平衡。整个实验过程，累计原油采收率不断增加，在注泡沫后期和后续注水前期，采收率增加幅度最大，后续水驱后期采收率增加缓慢，强化泡沫体系具有良好的驱油增幅效果。

残余含油饱和度45%的岩心中，后续水驱过程中平均压差提高了3～4倍，该强化泡沫体系具有相当好的流度控制能力，且在残余含油饱和度72%的岩心中也表现出优良的提高原油采收率的能力，这与前文评价其具有良好的耐油性相对应。说明在含油饱和度非均匀的油藏条件下，该强化泡沫体系具有较强的驱油能力。

3 结 论

a.泡沫体系ZGP老化180d后的起泡体积720mL、析液半衰期5.3min，泡沫性能表现良好，可在油藏高温条件下长期保持泡沫高效性；同时在油藏的封闭高压条件下可以产生高强度的泡沫，保证泡沫体系具有良好的流度控制能力。

b.ZGP体系能够快速的乳化原油，且形成的乳状液具有很好的稳定性；同时添加不同含油量的ZGP泡沫性能较好，表现出良好的耐油特性。经过6次吸附后，泡体积仅下降20mL，析液半衰期仅缩短5min，ZGP具有一定的抗吸附能力。所以在油藏中，ZGP具有保持优异的泡沫性质的能力。

c.通过室内驱油实验，在低残余油饱和度条件下，强化泡沫体系具有较强的流度控制能力；即使残余油饱和度为72%，仍能发挥其优良的驱油能力，采收率增幅41.8%。强化泡沫驱能够更好地发挥出泡沫驱的综合驱油特性。

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