高稳定性泡沫凝胶研制及性能评价

罗文利, 何楚琦, 冯利娟, 邹新源, 吴 炜, 樊 剑, 黄 丽

(1.中国石油勘探开发研究院 提高石油采收率国家重点实验室，北京 100083； 2.中国石油大学(北京) 提高采收率研究院，北京 102249；3.新疆油田公司 勘探开发研究院，新疆克拉玛依 834000)

延长组长6油藏属岩性或构造岩性油藏，无边底水或边底水不活跃，原始驱动类型为弹性溶解气驱。试验区主力油层储量丰度58.7×104t/km2，单储系数3.26×104t/(km2·m)，含油面积9.9 km2，可采储量110.9×104t，可采储量标定采收率为24.5%。试验区ZJ53井区1999年投入开发，先后经历了产能建设阶段、稳产阶段、调整阶段，由于该区块储层非均质性强，一系列的开发矛盾也逐渐显现，为了缓解开发矛盾，区块进行了相应的注水调整和注水政策，进行了四个井组的空气泡沫驱试验，并开始准备对区块进行整体空气泡沫驱试验。但目前普通泡沫驱受到泡沫稳定性限制，并未发挥出应有的效果。

泡沫凝胶是由起泡剂、聚合物和交联剂的水溶液在气体作用下起泡而形成的[1-2]。泡沫壁中的聚合物和交联剂发生交联反应，形成的三维立体空间网状结构构成泡沫的骨架，使泡沫凝胶具备普通水基泡沫难以比拟的强度和稳定性[3]。泡沫凝胶是一种选择性调堵剂，调堵机理主要体现在以下几个方面：成胶前，泡沫凝胶以泡沫形态存在，起到水基堵剂的作用，将优先进入含水饱和度高的地层即出水层，并在水层稳定存在，通过贾敏效应对水起封堵作用；注入的泡沫起到选择性调堵的作用，泡沫在含水饱和度高的地层能够稳定存在，在含油饱和度高的地层则会消泡；泡沫凝胶注入地层后，该泡沫体系在一定时间内成胶，以凝胶为外相，极大地促进了泡沫体系的稳定性，从而更有效地封堵高渗层[4-9]。

1 实验部分

1.1 试剂及材料

部分水解聚丙烯酰胺(HPAM)AZ，相对分子质量2 000万，固含率87%，河南正佳环保有限公司；交联剂T1、T2，中石油勘探开发研究院提供；稳定剂CK1、CK2、CK3，东营市胜都石油技术有限公司生产；发泡剂FP388、FP288，由中石油勘探开发研究院提供；发泡剂OP-10、AOS、SDS，均为分析纯，国药集团化学试剂有限公司；氮气(纯度为99%)，北京永腾气体有限公司。

1.2 起泡剂的筛选

使用10 000 mg/L的地层水配置不同质量分数的发泡剂溶液，取200 mL置于 Waring搅拌器中，在8 000 r/min转速下搅拌3 min之后倒入具塞量筒内。常温下，记录量筒内泡沫的初始体积V0，记录量筒中析出100 mL液体所需的时间t1/2。评价起泡能力和泡沫稳定性的参数主要是起泡体积V0和半衰期t1/2，将起泡体积与半衰期的乘积定义为泡沫综合值FC，并通过参数FC来反映起泡剂的综合性能[10]。

1.3 交联剂的筛选

使用10 000 mg/L的模拟矿化水配制5 000 mg/L的AZ聚合物母液，在聚合物溶液中加入交联剂，搅拌均匀后置于安瓿瓶内，抽真空后封口，置于80 ℃烘箱中恒温，定期取出观察。采用GSC目测代码法(见表1)确定成胶时间及强度[11]，以此评判交联剂的性能。

表1 GSC强度代码法Table 1 GSC strength code method

1.4 稳泡剂的筛选

将稳泡剂加入到上述含有发泡剂的氯化钠溶液中，同样取200 mL置于Waring搅拌器中，8 000 r/min搅拌3 min形成泡沫，将所得的泡沫倒入具塞量筒中，一份置于常温，另一份置于80 ℃恒温烘箱中，分别记录泡沫体积和半衰期。

1.5 泡沫凝胶的制备

取一定浓度的聚合物溶液200 mL，加入硫脲，筛选所得交联剂、发泡剂、稳泡剂，使用Waring搅拌器8 000 r/min搅拌3 min形成泡沫，将产生的泡沫密封于具塞量筒中，置于80 ℃的烘箱中静候形成泡沫凝胶[12]。

1.6 泡沫凝胶稳定性能评价

在其他组分不变的情况下，改变聚合物的浓度，研究其对体系稳定性的影响。实验过程使用布氏黏度计测量泡沫黏度，将制备好的泡沫凝胶放入80 ℃玻璃加热套中，恒温5 min测其黏度(为保护泡沫,黏度在1.5 r/min下测量)，取一个较为平稳的读数。采用常规量筒法记录析液量，使用200 mL基液制备泡沫，将泡沫密封于1 000 mL带塞量筒中，置于80 ℃烘箱中静置24 h，观察量筒底部析出液的体积。

1.7 泡沫凝胶封堵性能评价

采用长度为30 cm 、宽度为4.5 cm 的均质长方砂岩岩心进行实验，首先对岩心抽真空并饱和水，将岩心装入岩心加持器内，设置回压为12 MPa，环压为15 MPa。以0.8 mL/min的速度注入一定量的模拟水，随后将岩心夹持器放到80 ℃ 烘箱恒温6 h。然后以0.6 mL/min的速度注入气液体积比为3∶1的泡沫，注入完成后将岩心夹持器两端封死，并在80 ℃烘箱内静置12 h，使泡沫形成泡沫凝胶。最后以0.8 mL/min的速度注入一定量的模拟水。实验装置如图1所示，实验过程中的注入压力通过与压力传感器相连接的计算机记录。

图1 泡沫凝胶岩心封堵性能评价实验装置

Fig.1Experimentdeviceofgelfoamreservoirpluggingperformance

2 结果与分析

2.1 起泡剂成分的选定

实验考察了OP-10、AOS、SDS、FP288、FP388五种发泡剂的性能，结果见图2—4。

图2 不同质量分数起泡剂的起泡体积

Fig.2Foamvolumewithdifferentmassfractionoffoamagent

图3 不同质量分数起泡剂的泡沫析液半衰期

Fig.3Half-lifewithdifferentconcentrationofdifferentmassfractionoffoamagent

图4 不同质量分数起泡剂的泡沫综合值

Fig.4Comprehensiveabilityofseveralfoamagentwithdifferentmassfractionoffoamagent

由图2、3可以看出，起泡剂起泡体积及半衰期均随起泡剂质量分数的增大而增大，但当达到临界质量分数后增长开始变缓，对应的泡沫综合值也呈现对应的趋势。五种发泡剂中，AOS、SDS、FP388的起泡体积较大，而AOS、FP288和FP388在起泡剂质量分数高于0.4%后，半衰期明显高于其它起泡剂。

泡沫在地层中的调驱能力受泡沫的数量( 反映为起泡体积V0) 和稳定性( 反映为半衰期t1/2) 的综合影响，因此可以将起泡体积与半衰期的乘积作为一个主要参数，用于评价泡沫调驱过程中起泡剂的性能，并将该参数定义为起泡剂的泡沫综合值FC，其定义式如式(1):

FC=t(1/2)V0(1)

式(1)中，FC为泡沫综合值，mL·s，t(1/2)为析液半衰期，s，V0为泡沫体积，mL。

由图4可以看出，质量分数0.4%的FP388和0.4%的AOS泡沫综合值较高且增长已经趋于平缓，可以认为这两种发泡剂的综合性能较好，在地层中预期调驱能力较好，但质量分数0.4%的FP388半衰期高于质量分数0.4%的AOS，从稳定性考虑FP388更适合泡沫凝胶体系，故最终选择质量分数0.4%的FP388作为高稳定性泡沫凝胶组分。这是由于本研究中使用的FP288主要成分是改性后的磺酸盐类表面活性剂，FP388则由氟碳类甜菜碱及其他成分复配而成，FP288特性与常用的磺酸盐表活剂AOS类似，而氟碳类甜菜碱的性能主要与其结构有关，氟碳表面活性剂中的氟碳链在水溶液表面形成排列整齐的单分子膜，就像在溶液表面铺了一层氟碳化合物，由于氟碳链疏水作用强烈，故可将水溶液表面张力降到极低水平，另一方面由于氟碳键键能较高，故其耐温性及稳定性也极好。

2.2 交联剂成分的选定

选取耐温耐盐性能较好的AZ聚合物作为泡沫凝胶体系的聚合物组分。相同条件下，比较了水溶性酚醛树脂、氯化铬、T1 & T2交联剂的成胶时间和成胶强度,实验结果如图5所示。

图5 不同交联剂成胶实验现象(24 h)

Fig.5Crosslinkexperimentresultofseveralcrosslinker(24h)

由图5可见，酚醛树脂作为交联剂，体系成胶过慢且强度较低，所成凝胶几乎不挂壁；氯化铬成胶时间快但容易脱水，容易过度交联产生沉淀；T1 & T2交联剂成胶时间较快且强度可控，故对其与聚合物进行进一步优选。上述实验结果主要与三者的交联机理有关，HPAM /酚醛的交联机理是HPAM支链中的—CONH2与酚醛发生缩合反应，形成空间网状的冻胶，由于 HPAM 与酚醛交联剂是通过化学键交联，因此体系不易被破坏，耐高温性能较好; HPAM 与铬离子的交联，是一个有许多中间步骤的复杂反应，但随着温度的上升，反应速率迅速加快，聚合物成胶的倾向强烈，无法控制甚至脱水；T1 & T2交联剂是一种复配型交联剂，含有高价金属及有机交联成分，因此不仅成胶时间快，而且耐温性良好。

AZ聚合物与T1 & T2交联剂成胶结果如表2所示。由表2可见，不同质量分数的T1 & T2交联剂与AZ聚合物均可形成稳定的凝胶，当聚合物和交联剂质量分数增加，凝胶的成胶时间变短，凝胶强度增强。因为聚合物和交联剂质量分数越大，丙烯酰胺的交联点越多，酰胺加成反应越快，成胶时间越短[13]。成胶时间为4～8 h时，比较利于泡沫凝胶的稳定，因此选择质量分数0.3%～0.4%的T1 & T2作为高强度泡沫凝胶体系的交联剂组分，质量分数0.2%～0.3%的AZ聚合物作为体系聚合物组分。

表2 AZ聚合物与T1 & T2交联剂成胶实验结果Table 2 The crosslink experiment of AZ polymer between T1 & T2 crosslinker

续表2

2.3 稳泡剂成分的选定

理论上制备泡沫凝胶，只需要聚合物、交联剂、发泡剂三种组分，但在实际制备过程中发现，聚合物与交联剂的交联时间远远长于泡沫自身的半衰期，所以在体系还未形成凝胶骨架和外壁时，泡沫就已破灭，使泡沫凝胶无法成型。因此，需要在以上三种组分的基础上加入一些有利于泡沫稳定的稳定剂，从而延长泡沫的半衰期，使交联时间与泡沫半衰期相匹配。实验考查了CK1、CK2、CK3三种稳泡剂对FP388的稳定效果，实验结果如表3所示。

表3 不同种类稳泡剂对泡沫稳定性的影响Table 3 The influence of several foam stabilizer to foam agent

由表3可知，随着稳泡剂质量分数的增加，泡沫体积均逐渐下降，半衰期逐渐增长，泡沫综合值呈上升趋势。在相同稳泡剂质量分数时，稳泡剂CK2加入后，泡沫的半衰期明显增长，稳定性比其他种类的稳泡剂效果要好，这是因为CK2中含有生物聚合物成分，它可以大幅增加体系黏度，使泡沫液膜黏度增高，阻碍膜上液体流动排出，从而使泡沫稳定。另一方面增加泡沫的黏度，可以延长泡沫的半衰期，避免泡沫在交联反应之前就发生破灭，使泡沫交联时间和泡沫半衰期得以匹配，促使泡沫形成凝胶外壁，构成泡沫凝胶体系。选择CK2作为泡沫凝胶体系的稳泡剂，综合经济性和稳泡性能，选择质量分数0.3%作为最优加量。

2.4 泡沫凝胶稳定性能评价

凝胶泡沫体系是一种不稳定体系，体系性能会随时间变化而变化，属于切稀流体，泡沫受到较强剪切作用后会发生破灭，无法使用测试凝胶强度的手段来测试凝胶泡沫，决定泡沫稳定性的关键因素是液膜的强度，而液膜的强度取决于界面吸附膜的坚固度，可由表面黏度来度量[14]。凝胶泡沫由凝胶骨架和填充气体组成，理论上泡沫总量等于基液量和注入气体总量，若泡沫液膜未能交联形成凝胶骨架，泡沫就会破裂，在带塞量筒底部聚集，所以析液量越多，说明泡沫越不稳定，破灭的泡沫越多，而剩余的泡沫量越少，凝胶泡沫体系越不稳定。

在选定了泡沫凝胶的各种成分之后，使用了质量分数0.4%的FP388作为发泡剂，质量分数0.3%的AZ作为聚合物，质量分数分别为0.3%、0.3%的T1 & T2作为交联剂，质量分数0.3%的CK2作为稳泡剂，进行了泡沫凝胶的制备，将其置于80 ℃恒温烘箱中，定期检测其黏度及析液量随时间变化，实验结果如图6所示。由图6可知，制得的泡沫凝胶析液量随时间变化而增加，在12 d时到达半衰期，同样其黏度在半衰期前随时间增长而增大，半衰期后开始下降；30 d时其析液量最多达到110 mL，泡沫黏度仍在40 000 mPa·s以上，可以认为所制得的泡沫凝胶具有极好的稳定性。

图6 泡沫凝胶黏度及泡沫析液量随时间的变化

Fig.6Foamgelviscosityandtheamountoffoamchangewithtime

2.5 泡沫凝胶封堵性能评价

使用制备的泡沫凝胶对500、1 000、2 000 mD的岩心进行封堵实验，实验过程中的压差如图7所示。

由图7可知，在泡沫注入阶段，岩心的渗透率越高注入压差越低，说明体系优先进入大孔道。12 h后泡沫在岩心内部形成泡沫凝胶，再次进行水驱，发现压差相比第一次水驱大幅增加，水驱7 PV后仍有较高的压差，说明此泡沫凝胶不仅具有良好的封堵性能，而且相对于普通泡沫而言，其耐冲刷性良好。经计算，该泡沫凝胶体系对500、1 000、2 000 mD的岩心封堵率分别为98.93%、99.92%、99.89%，说明体系对中高渗油藏可以形成有效封堵。

图7 泡沫凝胶封堵体系岩心封堵实验压差变化

Fig.7Pressurevariationofgelfoamsystemsealingexperiment

3 结论

通过室内研究，确定了泡沫凝胶体系配方(质量分数)为：0.4%的发泡剂FP388+0.3%的AZ聚合物+0.3%的交联剂T1+0.3%的交联剂T2+0.3%的稳泡剂CK2。该配方制备的泡沫凝胶在80 ℃，10 000 mg/L矿化度条件下，泡沫半衰期能够达到12 d，且在30 d内黏度处于较高水平并保持稳定。

泡沫凝胶在成胶前具有泡沫选择性封堵的特性，能够优先进入大孔道并形成封堵，在成胶之后具有凝胶的特性，能对油藏孔隙形成有效封堵，说明泡沫凝胶堵水技术适用于渗透率比较高的地层，对封堵裂缝、非均质油藏具有较好的应用前景。

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