SiO2/SDS复合体系CO2泡沫的调驱性能

王　鹏， 李兆敏， 徐海霞， 李　杨， 洪英霖， 何　强

( 1. 中国石油塔里木油田分公司 油气工程研究院,新疆 库尔勒　841000；　2. 中国石油大学(华东) 石油工程学院，山东 青岛　266580；　3. 中国石油塔里木油田分公司 勘探开发研究院,新疆 库尔勒　841000；　4. 中国石油塔里木油田分公司 塔中油气开发部,新疆 库尔勒　841000 )



SiO2/SDS复合体系CO2泡沫的调驱性能

王鹏1， 李兆敏2， 徐海霞1， 李杨3， 洪英霖4， 何强4

( 1. 中国石油塔里木油田分公司 油气工程研究院,新疆 库尔勒841000；2. 中国石油大学(华东) 石油工程学院，山东 青岛266580；3. 中国石油塔里木油田分公司 勘探开发研究院,新疆 库尔勒841000；4. 中国石油塔里木油田分公司 塔中油气开发部,新疆 库尔勒841000 )

为探索SiO2/SDS复合体系CO2泡沫在调驱方面的应用潜力，通过物理模拟实验研究该泡沫体系的封堵及分流性能，并对SiO2纳米颗粒在岩心中的滞留情况进行评价。结果表明：随着SiO2纳米颗粒质量分数升高，泡沫体系封堵性能增强，当颗粒的质量分数达到1.0%时其封堵性能增幅减缓；随着温度升高，其封堵性能下降；随着压力升高，其封堵性能增强，当压力达到8 MPa时其封堵性能趋于稳定；并且泡沫体系的分流性能也随着SiO2纳米颗粒质量分数的升高而增强，当颗粒质量分数升高至1.5%时能够实现流度反转；当颗粒质量分数低于1.5%时，在多孔介质中的滞留量较少，对于多孔介质的影响较小，而当颗粒质量分数高于2.0%时，对多孔介质产生较大的伤害。

纳米颗粒； SiO2/SDS体系； CO2泡沫； 调驱性能； 颗粒滞留

0　引言

泡沫流体在油气钻采工程中有广阔的应用前景[1-2]，而CO2泡沫的应用有利于减少温室气体排放，有较高社会经济效益。由于CO2分子结构存在特殊性，CO2泡沫的稳定性较差，在一定程度上限制其应用范围[3-6]，因此，提高CO2泡沫的稳定性具有重要意义。二氧化硅、锂皂石、碳酸钙等无机纳米颗粒能够作为独立的起泡剂产生泡沫[7-9]，为寻找提高CO2泡沫稳定性方法提供新思路。由于无机纳米颗粒比普通表面活性剂具有更好的耐温、耐盐性能，且尺寸较小，不易堵塞多孔介质[10-11]，因此在油气田开发中有较好的应用潜力。Yu J等[12-13]根据实验讨论气液比、注入速度,以及渗透率等因素对仅由SiO2纳米颗粒稳定的CO2泡沫封堵性能的影响，并评价该泡沫体系的驱油性能，相比气液混注，添加SiO2纳米颗粒后能够在一定程度上提高体系的封堵及驱油性能。截至目前，纳米颗粒体系泡沫在提高采收率方面的应用仅在实验方面获得进展，尚无现场应用的报道。

近年来，经过表面改性后的纳米颗粒可与表面活性剂产生协同作用，从而对泡沫起到更好的稳定作用[14-16]。有关纳米颗粒与表面活性剂复配体系泡沫的研究，多集中在与稳泡机理及静态评价相关的基础性理论及实验研究，对于它在驱油、封堵中的应用类研究较少。李兆敏等[17]根据静态评价实验，研究SiO2纳米颗粒与SDS(十二烷基硫酸钠)对CO2泡沫的协同作用规律及机理，SDS与H18型SiO2纳米颗粒在合适的质量分数配比下，能够显著提高CO2泡沫的稳定性。为进一步探索该CO2泡沫体系在调驱方面的应用潜力，在李兆敏等优选出的配方体系[17]基础上，根据物理模拟实验，研究该体系的调驱性能及其影响因素和纳米颗粒在岩心中的滞留情况。

1　实验

1.1药品

十二烷基硫酸钠(SDS，分析纯，美国Sigma公司生产)；H18型改性SiO2纳米颗粒(纯度大于99.8%，平均粒径为20 nm，德国Wacker公司生产)；CO2(纯度大于99%)；蒸馏水；石英砂(10～20目、40～60目、80～100目)。

1.2设备

填砂管模型(φ25 mm×300 mm)，耐压中间容器，泡沫发生器，回压阀，恒温箱，双柱塞微量泵，高精度天平，气体质量流量计，超声波分散仪，真空泵。

1.3方法

1.3.1单岩心泡沫封堵性能

实验步骤：(1)利用不同目数的石英砂填制渗透率为2 000×10-3μm2的填砂管模型，初步测定气测渗透率，称取岩心管质量M0；(2)利用真空泵对填砂管抽真空3 h，饱和水后称取岩心管质量M1，则孔隙体积V= (M1-M0)/ρw(ρw为水的密度)；(3)测定水测渗透率，测定渗透率为(1 800～2 200)×10-3μm2时，可进行下一步实验，否则，调整石英砂目数重新填制；(4)使用超声波分散仪等设备，参考李兆敏等的实验方法[17]，根据实验方案配制一定质量分数的起泡剂溶液(下同)；(5)按照图1所示流程图连接实验装置，并根据实验方案设定恒温箱温度，恒温4 h；(6)根据实验方案设定回压，水驱速度设定为1 mL/min；泡沫驱采用起泡剂与CO2混注方式，起泡剂及CO2注入速度设定为0.5 mL/min(设定气液比为1∶1)，两者经过泡沫发生器形成泡沫后进入岩心；(7)记录注入端压力变化。

图1　单岩心泡沫封堵性能实验流程Fig.1 The flow chart of single core displacement experiment

1.3.2双岩心泡沫分流性能

实验步骤：(1)利用不同目数的石英砂填制渗透率分别为2 000×10-3μm2的高渗岩心和250×10-3μm2的低渗填砂管模型，初步测定气测渗透率，称取岩心管质量；(2)利用真空泵对填砂管抽真空3 h，饱和水后称取岩心管质量，计算孔隙体积；(3)测定水测渗透率，测定高渗岩心渗透率为(1 800～2 200)×10-3μm2、低渗岩心渗透率为(200～300)×10-3μm2,且级差为7.5～8.5时，可进行下一步实验，否则，调整石英砂目数重新填制；(4)根据实验方案配制一定质量分数的起泡剂溶液；(5)按照并联岩心驱替实验流程连接实验装置，并根据实验方案设定恒温箱温度为40 ℃，恒温4 h，见图2；(6)设定回压为2 MPa，水驱速度设定为5 mL/min，泡沫驱时起泡剂及CO2注入速度设定为2.5 mL/min，即设定气液比为1∶1；(7)

图2　并联岩心驱替实验装置流程Fig.2 The flow chart of parallel cores displacement experiment

记录高渗岩心及低渗岩心出口端的产液量。

1.3.3SiO2纳米颗粒在岩心中的滞留

实验步骤：(1)根据实验方案配制不同质量分数的起泡剂溶液，根据1.3.1中实验步骤进行单岩心泡沫封堵性能实验，实验温度设定为40 ℃，实验回压设定为2 MPa，后续水驱注入孔隙体积倍数为6.5 PV，注入体积在实验过程中收集出口端产出液，并对产出液进行烘干后称量产出颗粒的质量；(2)驱替实验结束后重新测定渗透率。

2　结果与分析

2.1封堵性能

根据李兆敏等[17]的研究结果，文中采用的SiO2/SDS复配体系中SDS与H18型SiO2纳米颗粒的质量分数配比为0.17，以获得最佳协同稳泡效果。为研究颗粒质量分数、温度及压力对该CO2泡沫体系封堵性能的影响，分别进行多组实验，各组实验参数见表1。

表1　单岩心实验参数

图3　泡沫封堵性能随SiO2颗粒质量分数变化关系Fig.3 The relationship between the block ability of foam with the concentration of SiO2 nanoparticles

2.1.1SiO2纳米颗粒质量分数

通过实验C1-C5可获得泡沫的封堵性能随SiO2纳米颗粒质量分数的变化关系，见图3。由图3可知：仅由SDS稳定的CO2泡沫封堵性能较差，阻力因子仅为87，残余阻力因子为22(文中残余阻力因子为后续水驱0.5 PV后的阻力因子)；当SiO2纳米颗粒质量分数为0.50%时阻力因子可达248，是单一SDS稳定的CO2泡沫的3倍，说明SiO2纳米颗粒的加入能够明显提高CO2泡沫的封堵性能。随着SiO2纳米颗粒质量分数的提高，阻力因子逐渐升高，但当SiO2纳米颗粒质量分数达到1.0%后，阻力因子的提高幅度开始变缓。这是由于在颗粒质量分数较低时，随着质量分数的增加，泡沫的稳定性及机械强度增强，因而其封堵性能也随之提高；当SiO2纳米颗粒质量分数较大时(大于1.0%)，由于流体在岩心流动过程中的剪切作用有限，加之颗粒在气液界面的脱附能较大[15]，继续提高颗粒质量分数对于泡沫质量的增强效果不再明显，因此当SiO2纳米颗粒质量分数达到1.0%时阻力因子增幅开始变缓。

2.1.2温度

普通表面活性剂耐温性较差，因此在一些高温油藏应用过程中影响CO2泡沫作用的发挥。由于SiO2纳米颗粒具有固体特性，因此耐温性较好。为研究SiO2纳米颗粒的加入对CO2泡沫耐温性能影响，进行T1-T8实验，结果见图4和图5。

图4　单一SDS与SDS/SiO2泡沫驱替压差随注入孔隙体积倍数的变化关系Fig.4 The relationship between SDS or SDS/SiO2 foam flooding differential pressure and injected PV

由图4可知，温度对SDS稳定的CO2泡沫的影响更为显著，当温度由40 ℃升至60 ℃时，最大驱替压差降幅明显；当温度达80 ℃时，阻力因子降至11.64，说明形成的CO2泡沫质量较差，无法进行有效封堵。由图5可知，在实验温度范围内，温度对复合体系泡沫的影响相对较小，当温度达到80 ℃时阻力因子可达245，能够形成有效封堵。说明SiO2纳米颗粒的加入能有效提高CO2泡沫体系的耐温性能，这对扩展CO2泡沫的应用范围、提高其应用效果具有重要意义。

2.1.3压力

在现场应用中，CO2区别于空气及氮气的一个重要性质是其混相压力低，在与原油发生混相后CO2与原油的界面张力可降到最低，从而能够提高驱油效率；并且当压力高于7.28 MPa、温度高于31.2 ℃时，CO2可达到超临界状态，其密度与液体相近，黏度及扩散性与气体类似，是一种介于液相与气相之间的特殊相态。进行P1-P5实验，结果见图6。

图5　阻力因子随温度的变化关系Fig.5 The relationship between the resistance factor and temperature

图6　泡沫封堵性能随压力的变化关系Fig.6 The relationship between the block ability of foam with pressure

由图6可知，随着压力升高，阻力因子逐渐增大，当压力达到8 MPa时，阻力因子增幅变小。这是由于随着压力升高，CO2密度随之增大，一方面，减小与水的密度差，降低CO2与水的界面张力，提高泡沫的稳定性；另一方面，增加泡沫的表观黏度，从而提高泡沫的封堵能力。当压力达到8 MPa时，由于实验温度(40 ℃)高于临界温度，CO2为超临界状态，继续增加压力对于CO2泡沫稳定性的影响相对较小，因此阻力因子的增幅变小。

2.2分流性能

保持SiO2纳米颗粒与SDS质量分数比及渗透率级差不变，分别进行5组实验研究颗粒质量分数对复合体系泡沫分流效果的影响，其参数见表2，结果见图7。

表2　并联岩心实验参数

相比高渗岩心，低渗岩心由于毛管力较大，使得气泡与液膜之间的压差大，导致气泡易发生破裂形成气窜，减弱泡沫的封堵性能，从而降低流动阻力，泡沫能够实现分流作用[18]。泡沫的强度越高、稳定性越好，其分流效果也越明显。

由图7可知，在注入单一SDS泡沫体系过程中，相比单纯水驱，高渗岩心出口端分液率有所下降，但高渗岩心出口端分液率的降幅及低渗岩心出口端分液率的增幅较小，说明单一SDS稳定的CO2泡沫的分流效果较差。当SiO2纳米颗粒质量分数为0.5%时，其分流效果相比单一SDS形成的CO2泡沫有所加强；继续增加SiO2纳米颗粒质量分数至1.0%时可观察到明显的分流现象，高渗岩心与低渗岩心出口端分液率基本持平；当质量分数进一步增至1.5%时实现流度反转，即高渗岩心出口端分液率高于低渗岩心出口端的，并且流度反转维持1.0 PV的注入时间。说明随着SiO2纳米颗粒的加入，CO2泡沫的稳定性增强，机械强度增大，抗冲刷能力增强，进而增强分流效果，并延长分流作用的维持时间。

图7　不同起泡剂质量分数下泡沫的分流性能

2.3纳米颗粒在岩心中的滞留

由岩心驱替实验可知，一方面，SiO2纳米颗粒的加入对提高CO2泡沫的封堵与分流性能具有显著作用。另一方面，SiO2纳米颗粒尺寸相对表面活性剂较大，在地层运移过程中造成不同程度的滞留、吸附现象，从而对地层有一定的影响。Yu J在实验中发现，纳米颗粒在岩心中滞留较少，并且对岩心渗透率的影响不大[13]。该实验所用颗粒种类与文中实验不同，并未加入表面活性剂，因此滞留情况也不同，有必要通过岩心实验对H18型SiO2纳米颗粒在岩心中的滞留情况进行研究。实验岩心参数见表3，累积颗粒采出率随注入孔隙体积倍数变化见图8，最终颗粒采收率及驱替前后渗透率比值随SiO2纳米颗粒质量分数变化见图9。

表3　实验岩心参数

图8　累积颗粒采出率随注入孔隙体积倍数变化关系

Fig.8 The cumulative nanoparticles recovery ratio as a function of injection volume

图9　最终颗粒采出率及驱替前后渗透率比值随SiO2纳米颗粒质量分数变化关系Fig.9 The ultimate nanoparticles recovery ratio and the ratio of permeability as a function of the concentration of SiO2

由图8可知，在注入泡沫孔隙体积0.7 PV时,出口端开始有SiO2纳米颗粒产出，后续水驱注入3.0 PV时80%以上的颗粒已被驱替出来。由图9可知，颗粒质量分数低于1.5%时，随着颗粒质量分数的升高，颗粒最终采出率逐渐下降，但采出率均在90.0%以上；当颗粒质量分数升至2.0%时，颗粒的采出率明显下降，仅为84.8%。当质量分数低于1.5%时,对岩心渗透率影响较小；当颗粒质量分数为2.0%时，驱替后的岩心渗透率下降至原始渗透率的82%。

这是由于当颗粒质量分数低于1.5%时，颗粒在多孔介质中的分散状态较为均匀，运移情况较好，能够被后续注入水顺利的驱替出来，在多孔介质中滞留量较少，对于岩心的堵塞程度较轻；当颗粒质量分数高于1.5%时，在多孔介质运移过程中，颗粒逐渐在孔喉结构堆积架桥，造成不同程度的堵塞现象，从而使部分颗粒无法被后续注入水驱替出来，对岩心伤害严重。

3　结论

(1)随着SiO2纳米颗粒质量分数的升高，SiO2/SDS复合体系CO2泡沫的封堵性能增强，当颗粒质量分数达到1.0%时其封堵性能增幅减缓；随着温度的升高，其封堵性能下降，在80 ℃温度条件下阻力因子达到245，说明该复合体系泡沫具有较好的耐温性能；随着压力的升高，其封堵性能增强，当压力达8 MPa时封堵能力趋于平缓。

(2)随着SiO2纳米颗粒质量分数的升高，该复合体系的分流性能增强，当颗粒质量分数增至1.5%时能够实现流度反转。

(3)在该实验条件下，SiO2纳米颗粒质量分数低于1.5%时在多孔介质中的滞留量较小，对于多孔介质的影响较小；当颗粒质量分数高于2.0%时对多孔介质产生较大的伤害。

[1]李兆敏,李冉,史江恒,等.泡沫在油气田开发中的应用及展望(Ⅰ)——起泡剂及泡沫流体在井筒中的应用[J].油田化学,2012,29(4):507-512.

Li Zhaomin, Li Ran, Shi Jiangheng, et al. Application and outlook of foam in oil and gas field development(Ⅰ): Foaming agent and application of foam fluid in wellbore [J]. Oilfield Chemistry, 2012,29(4):507-512.

[2]李兆敏,李冉,刘伟,等.泡沫在油气田开发中的应用及展望(Ⅱ)——泡沫流体在近井及地层中的应用[J].油田化学,2013,30(1):155-160.

Li Zhaomin, Li Ran, Liu Wei, et al. Application and outlook of foam in oil and gas field development (Ⅱ): Application of foam fluid in immediate vicinity of wellbore and formation [J]. Oilfield Chemistry, 2013,30(1):155-160.

[3]Espinoza D A, Caldelas F M, Johnston K P, et al. Nanoparticle-stabilized supercritical CO2foams for potential mobility control applications [C]. SPE 129925, 2010.

[4]Farajzadeh R. Enhanced transport phenomena in CO2sequestration and CO2EOR [D]. Delft: Delft University of Technology, 2009.

[5]Hanssen J E, Dalland M. Increased oil tolerance of polymer-enhanced foams: Deep chemistry or just "simple" displacement effects [C]. SPE 59282, 2000.

[6]Binks B P, Horozov T S. Colloidal particles at liquid interfaces: An introduction in colloidal particles at liquid interfaces [M]. Cambridge: Cambridge Univ. Press, 2006.

[7]Binks B P. Particles as surfactants-Similarities and differences [J]. J Colloids Interface Sci., 2002,7(1):21-41.

[8]Binks B P, Horozov T S. Aqueous foams stabilized solely by silica nanoparticles [J]. Angewandte Chemie, 2005,117(24):3788-3791.

[9]Cui Z G, Cui Y Z, Cui Z C, et al. Aqueous foams stabilized by in situ surface activation of CaCO3nanoparticles via adsorption of anionic surfactant [J]. Langmuir, 2010,26(15):12567-12574.

[10]Rodriguez E, Roberts M, Yu H, et al. Enhanced migration of surface-treated nanoparticles in sedimentary rocks [C]. SPE 124418, 2009.

[11]Yu H, Kotsmar C, Yoon K Y, et al. Transport and retention of aqueous dispersions of paramagnetic nanoparticles in reservoir rocks [C]. SPE 129887, 2010.

[12]Yu J, Robert L. Study of the effect of different factors on nanoparticle-stablized CO2foam for mobility control [C]. SPE 159282, 2012.

[13]Yu J, Mo D, Liu N, et al. The application of nanoparticle-stabilized CO2foam for oil recovery [C]. SPE 164074, 2013.

[14]张水燕.锂皂石及HMHEC与表面活性剂协同稳定的泡沫[D].济南:山东大学,2008.

Zhang Shuiyan. Foams stabilized by laponite/surfactants and HMHEC/surfactants [D]. Ji'nan: Shandong University, 2008.

[15]Robin S, Kishore K M. Synergistic stabilization of foams by a mixture of nanoparticles and surfactants [C]. SPE 169126, 2014.

[16]刘骞.短链两亲分子及表面活性剂与亲水颗粒协同稳定的泡沫[D].济南:山东大学,2010.

Liu Qian. Aqueous foam stabilized by short-chain amphiphiles/particles and surfactant/particles [D]. Ji'nan: Shandong University, 2010.

[17]李兆敏,王鹏,李松岩,等.SiO2纳米颗粒与SDS对CO2泡沫的协同稳定作用[J].东北石油大学学报,2014,38(3):110-115.

Li Zhaomin, Wang Peng, Li Songyan, et al. Study on the synergistic effect of SiO2nanoparticles and SDS on CO2foam [J]. Journal of Northeast Petroleum University, 2014, 38(3):110-115.

[18]李松岩.氮气泡沫分流酸化工艺技术研究[D].青岛:中国石油大学,2009.

Li Songyan. Research on diverted acidizing with nitrogen foam fluid [D]. Qingdao: China University of Petroleum, 2009.

2016-02-19；编辑：关开澄

国家自然科学基金项目(51274228;51304229;U1262102)；山东省自然科学基金项目 (2012ZRE28014)；高等学校博士学科点专项科研基金项目(20120133110008)

王鹏(1990-)，男，助理工程师，主要从事提高采收率技术方面的研究。

10.3969/j.issn.2095-4107.2016.04.011

TE357

A

2095-4107(2016)04-0088-08