一种能控制气窜的驱油剂

张 胜

（天津大港油田滨港集团博弘石油化工有限公司，天津 300270）

二氧化碳提高采收率已经大规模应用了40多年。理论上来说，二氧化碳气驱对提高微观驱替效率是很有效果的。然而，由于储层非均质性，重力差异和黏度不稳定等因素的影响驱替效率不是很高。而泡沫能作为有效的流度驱替剂从而提高二氧化碳气体的驱替效率。一般来说，这些泡沫薄层在表面活性剂的作用下是吸附在界面的。然而，这些表面活性剂稳定的薄膜往往会被苛刻的油藏条件破坏，如高温高盐油藏。此外，吸附在岩石表面的表面活性剂，在原油中要面临远距离传输泡沫的挑战。而纳米颗粒有在高温高盐条件下稳定泡沫的能力。

1 实验部分

1.1 实验准备

（1）从发电厂得到的粉煤灰，用X射线荧光光谱在4 kW的条件下对粉煤灰的成分进行分析。粉煤灰中不同化合物的百分比（见表1）。用扫描电子显微镜和激光衍射仪对粉煤灰的大小进行分析（见图1）。发现颗粒的d50和d90分别是18 μm和90 μm。烧失量（LOI）是评价粉煤灰含碳量的标准方法。由热重分析仪测定的粉煤灰的LOI为3.5 %[1]。

表1 粉煤灰成分分析

图1 扫描电镜下的粉煤灰

（2）不同的表面活性剂和在这项研究中的性能（见表2）。在泡沫流实验中使用Ottawa填砂管（40目～70目）和贝雷岩心。岩心的渗透率是300 mD，孔隙度为18.9 %。

表2 研究中使用的表面活性剂

（3）粉煤灰纳米粒子的制备。油藏的孔隙结构通常为几微米，粉煤灰的粒度太大注不进，第一步是通过球磨机研磨获得粉煤灰纳米粒子。这个过程由三个步骤组成。简要来说，第一步要热处理，把粉末放在900 ℃的烤箱20 min使其中的碳完全燃烧。获得粉末的这个过程在本文中称为热处理粉煤灰。在第二步中，这个TTFA粉通过两步湿研磨过程。获得TTFA的d50减少到了200 nm。在最后一步，把这些纳米研磨的TTFA样本进行多级离心。在3 000 r/min下进行15 min离心，然后取出上部的10 %。把取出的溶液稀释并再次离心。把相同的过程重复5次。最后把纳米颗粒的d50减少到120 nm。

1.2 实验过程

1.2.1 分散剂稳定性分析 为了找到与TTFA纳米颗粒兼容的分散剂，把0.5 %的TTFA同0.2 %的分散剂混在一起。用近30 min的时间把聚集在一起的混合物分离，以促进分散剂的稳定性。每种混合物需要足够的稳定时间（1.5 h），然后从中间的标本瓶采集样本。把这些样本用光散射粒度分析仪分析。多分散性指数能测量均质性程度和凝聚高值（见表3、图2）。

图2 TTFA纳米粒子和不同分散剂在t=0（上）和t=10 min（下）的稳定性

1.2.2 起泡性测试 基于分散稳定性分析,在玻璃试管筛选出的是0.2 %的分散剂和0.5 % TTFA纳米颗粒的混合物。初步泡沫测试是把5 mL的混合物在大它10倍的试管中震荡，并在室温下观察泡沫结构。记录泡沫高度随时间的衰减值并得到半衰期。这些混合物在t=0时大力摇动玻璃瓶10次的状态（见图3）。样本A是把0.5 %的TTFA纳米粒子分散在去离子水里。观察本实验中的TTFA纳米粒子由于固有的亲水性而没有产生稳定泡沫的倾向。A1（样本D）的发泡能力最强其半衰期大于3 000 min。非离子型表面活性剂-N1样本（样本B）、N2（样本C）、N3（样本F）的发泡能力较强其半衰期分别为1 800 min，2 100 min和1 200 min。样本P1的半衰期小于1 min，说明混合物的起泡性能弱[2]。

图3 不同分散剂-TTFA系统在t=0时的泡沫性能

1.2.3 泡沫纹理分析 泡沫纹理分析作为一种筛选方法来评估TTFA纳米粒子的表面活性，分析时把泡沫稳定在多孔介质中。表面活性剂是基于分散稳定性分析选出来的。这些实验是在室温下压力为8 963.18 kPa进行的。在该条件下，二氧化碳气体处于液态。注射0.5%的TTFA纳米粒子和0.2 %的表面活性剂溶液混合物能产生总流量质量90 %的二氧化碳，产生速率为2 mL/min。观察到的不同表面活性剂通过填砂管的形态（见图4）。在有表面活性剂N2，A1，N3的条件下能观察到强乳化性能。在N1条件下没有明显的乳化现象。P1系统能够在水中产生大量稳定的二氧化碳，但不能产生乳液。在此基础上筛选非离子型表面活性剂N2和阴离子表面活性剂A1进行进一步研究多孔介质泡沫的实验[3]。

1.2.4 泡沫流动实验 泡沫流实验研究表明表面活性剂（非离子或阴离子）和TTFA纳米粒子在稳定原油泡沫时存在的协同作用。这些实验的目的是研究表面活性剂（非离子或阴离子）和TTFA纳米粒子混合物在砂岩岩心的泡沫稳定性。在室温压力为689.48 kPa的条件下进行的。

1.2.4.1 阴离子表面活性剂和纳米颗粒的结合实验首先，在基础条件下注射90 %的盐水（1 % NaCl）和CO2岩心管。该条件下压降稳定在5.86 kPa。

清洗岩心后，在盐水（1% NaCl）中注入0.4 %的阴离子表面活性剂和CO2（A1）溶液。在注入15 PV后压降稳定在40.68 kPa附近。

再次清洗岩心后，在盐水（1 % NaCl）中注入0.4 %的A1和0.4 %的TTFA和CO2的混合物。在这种条件下压降稳定在151 kPa，是第二种情况的3.5倍。

再次清洗岩心后，测定岩心的渗透率。渗透率没有降低，表明岩心并未堵塞。

泡沫阻力因子从7（在有表面活性剂的条件下）增加到25.8（在有表面活性剂和纳米颗粒混合物的条件下）。这表明纳米颗粒和阴离子表面活性剂之间有强烈的协同效应（A1）能把生成的CO2泡沫稳定在多孔介质中。因此，这些热处理后的粉煤灰（TTFA）纳米粒子能通过控制气体流动来提高石油采收率和在地下岩层中封存CO2和粉煤灰。

1.2.4.2 非离子表面活性剂和纳米颗粒结合 实验步骤和上面的类似，注入0.4 %以上的非离子表面活性剂（N2）和占溶液质量90 %的CO2。压降稳定在146.17 kPa。

清洗岩心后，注90 %的0.4 %的非离子表面活性剂和0.4 % TTFA纳米粒子混合物，在这种情况下压降稳定在51.02 kPa，这比只有表面活性剂的情况下低很多。泡沫阻力因子从25（只有表面活性剂的情况下）降低到8.7（有表面活性剂和纳米颗粒混合物的情况下）。

因此，观察到加了纳米颗粒后和非离子表面活性剂之间有拮抗作用之间存在强烈的泡沫阻力因子。在泡沫纹理分析实验中把非离子表面活性剂和TTFA纳米粒子混合后也观察到了类似的结果。可能是非离子表面活性剂会和带负电荷的TTFA纳米粒子发生物理吸附作用，得到的改性纳米没有进入水气界面的最佳表面涂层。需要进一步的实验来从根本上理解TTFA纳米粒子的作用机理[4]。

图4 观察到的不同TTFA-表面活性剂的泡沫形态

2 结论

文章通过纳米粉煤灰和表面活性剂结合产生稳定泡沫。这些纳米粒子是能提高泡沫表面稳定性能的材料。本研究提出了一种能利用主要工业废弃物的方法，它有提高原油采收率和处理废弃物的双重作用。