一种耐高温泡沫体系起泡及驱油性能的室内评价*

2020-09-05万家瑰刘庆旺范振忠尉小明

化学工程师 2020年6期

万家瑰，刘庆旺，孙傲，范振忠，尉小明

（1.东北石油大学，黑龙江大庆 163318；2.国家能源稠（重）油开采研发中心，辽宁盘锦 124000）

目前，稠油开发方式以热采为主，包括蒸汽吞吐、蒸汽驱、火烧油层和蒸汽辅助重力泄油（SAGD）等技术[1]。其中蒸汽驱技术发展较早，理论也比较完善[2]，但是在注蒸汽开发过程中，由于蒸汽与原油黏度的差异和油藏非均质性的影响导致蒸汽超覆和指进，降低了注蒸汽开采体积波及系数，导致稠油注蒸汽开采效果变差[3，4]。辽河油田齐40区块，蒸汽驱单层突进现象严重，汽窜问题突出，笼统注气井层间矛盾不断加剧，分注井随着注汽时间的延长，区块平面、纵向动用不均问题日益突出。

为解决上述问题，可以选择耐高温泡沫体系提高注蒸汽开采效果，一方面泡沫黏度比蒸汽大，降低了驱替介质的流度，减弱了蒸汽超覆和指进[5]；另一方面，泡沫可以通过封堵高渗孔道，改善后续驱替介质在油层中的分配，使后续驱替液均匀地在油层中推进，提高波及系数，有效提高原油的采收率[6]。该技术要求起泡剂具有耐高温、耐高矿化度、与地层流体（特别是油）配伍性好等特点，并且适合在汽窜严重的注蒸汽稠油油藏中应用。

1 实验部分

1.1 试剂及仪器

十二烷基二甲基羟基磺基甜菜碱、十二醇聚氧乙烯醚磺酸钠、十六烷基三甲基溴化铵、亲水性SiO2纳米颗粒、疏水性SiO2纳米颗粒、CaCO3纳米颗粒，以上均为化学纯上海阿拉丁股份有限公司生产；水解聚丙烯酰胺（工业品，分子量1200万，水解度30%，大庆油田助剂厂）；模拟地层水（矿化度2600mg·L-1）；辽河油田齐 40 区块稠油（50℃时粘度为 4600mPa·s）；人造岩心（尺寸 4.5cm×4.5cm×30cm）。

JJ系列高速搅拌器（无锡石油仪器设备有限公司）；ZNG-2型滚子加热炉（青岛胶南分析仪器厂）；HKY-3型泡沫评价测试装置（海安县石油科研仪器有限公司）；ZDY-50型多功能岩心驱替装置（南通仪创实验仪器有限公司）；可视化泡沫微观物理模拟装置（一维，海安县石油科研仪器有限公司）。

1.2 实验方法

1.2.1 泡沫体系性能评价用于评价泡沫体系性能的方法有很多种，较为常用的是通过检测泡沫体积变化和半衰期，Waring-Blender法是一种极为简便易操作的泡沫性能检测方法，具有实验周期短，使用条件广泛，重现性好，能够准确地反应泡沫体系的发泡性和稳定性。

（1）泡沫体积在一定的温度下，将一定浓度的起泡剂与气相液相混合，混合后泡沫体系的高度即为泡沫体积，起泡剂的性能对泡沫体积影响非常大。

（2）泡沫析液半衰期半衰期是衡量泡沫稳定程度的一个重要指标，搅拌产生泡沫后，泡沫体系中液体析出生成泡沫所用液体体积一半所耗时间叫做半衰期，半衰期越长，说明液膜中排液速度越慢，稳定性越好。

（3）实验过程实验时向1000mL的量杯中加入待测溶液100mL，以恒定速度搅拌60s后停止搅拌，记录产生的泡沫体积、析液半衰期。

1.2.2 泡沫体系的耐高温性能评价将均匀分散好的100mL泡沫体系置于不锈钢高压容器中，放入滚子加热炉中，设置温度300℃热滚老化，隔2h取出发泡剂溶液，冷却后，使用Waring-Blender法，对老化后的发泡剂溶液进行泡沫性能评价，记录产生的泡沫体积、析液半衰期。

1.2.3 泡沫模拟驱替效率的评价

（1）岩心抽真空，饱和模拟地层水，计算孔隙度，测岩心水相渗透率；

（2）连接管线及各部件，试压20.0MPa不刺不漏；

（3）将恒温箱升至设定温度，恒温3h，根据需要，以0.5mL·min-1的速度用3～5倍孔隙体积的原油驱替岩心中的水，使岩心中的含油饱和度达到实验设计要求；

（4）将烘箱升至设定的温度，恒温5h，将回压略低于该温度条件下的饱和蒸汽压，打开泵按照设计的气液比将水（或药剂）和空气注入泡沫发生器；

（5）开旁通阀，使注入混合流体通过旁通，使盘管中全部充满混合流体；

（6）关闭旁通阀，当岩心入口压力略低于实验温度下饱和蒸汽压时，打开岩心入口阀门，再开岩心出口阀，开始蒸汽驱或空气泡沫复合驱实验；

（7）对产出的油、水进行计量，计算驱油效率。

2 结果与讨论

2.1 耐高温泡沫体系的确定

蒸汽驱后利用耐高温泡沫进一步提高原油采收率，所用发泡剂需具有以下条件[7，8]：（1）泡沫起泡能力好，与气体接触后能够产生大量的泡沫，泡沫稳定性强，性能稳定，半衰期长；（2）与储层流体配伍性良好，在和高矿化度地层水、原油及各种化学添加剂接触后，仍能够保持原来的性质及稳定性；（3）具有耐高温的性质，满足蒸汽驱的要求，经过高温处理（大于200℃）依然可以保持一定的发泡能力。

根据以上要求，选择十二烷基二甲基羟基磺基甜菜碱+十二醇聚氧乙烯醚磺酸钠作为起泡剂。磺基甜菜碱是一种具有磺酸盐基团的两性表面活性剂，具有较强的发泡性能，而且具有磺酸盐基团，耐温性较强；十二醇聚氧乙烯醚磺酸钠是一种阴-非离子表面活性剂，兼具阴离子与非离子特点的表面活性剂，官能团较少，主链为饱和的碳链，具有较高的耐温性能。

泡沫体系仅依靠表面活性剂无法达到较长的半衰期，需要不同的稳泡剂与之复配使用[9]，根据所需泡沫体系需要具有耐高温的性质，所以依靠聚合物提高液膜粘度来达到稳泡效果的方式较难实现，因为绝大多数聚合物都无法耐受300℃高温。实验选择耐温性较强的固相稳泡剂，备选的固相稳泡剂[10,11]有亲水性SiO2纳米颗粒、疏水性SiO2纳米颗粒、CaCO3纳米颗粒。

室内选择的耐高温泡沫体系十二烷基二甲基羟基磺基甜菜碱+十二醇聚氧乙烯醚磺酸钠+亲水性纳米二氧硅+十六烷基三甲基溴化铵，通过对不同组分加量的优化，确定耐高温泡沫体系的配方。

2.2 发泡剂使用浓度的确定

选择十二烷基二甲基羟基磺基甜菜碱+十二醇聚氧乙烯醚磺酸钠作为起泡剂，添加不同的浓度，在25℃下，评价其泡沫体积及半衰期，见表1。

表1 不同发泡剂浓度的泡沫体系的泡沫体积及半衰期Tab.1 Foam volume and half-life of foam system with different foaming agentconcentration

由表1可知，两种发泡剂都具有良好的发泡能力，单独使用十二烷基二甲基羟基磺基甜菜碱发泡剂，其泡沫体积大于500mL，与十二醇聚氧乙烯醚磺酸钠复配后，不但泡沫体积增加，半衰期也延长，当两种发泡剂的加量各为0.5%时，泡沫体积最大，半衰期最长。

2.3 稳泡剂的筛选

实验选择水解聚丙烯酰胺和耐温性较强的亲水性SiO2纳米颗粒、疏水性SiO2纳米颗粒、CaCO3纳米颗粒固相稳泡剂作为泡沫体系的稳泡剂，稳泡剂加量为0.5%，评价其耐温性能，测定养护300℃后的泡沫体积和半衰期，见表2。

表2 不同稳泡剂的筛选Tab.2 Selection of different foam stabilizers

由表2可知，加入水解聚丙烯酰胺后，高温下泡沫体系的半衰期略有提高，泡沫体积变化不大；加入固体颗粒后，泡沫体系半衰期得到了明显提升，加入颗粒的种类不同，稳泡性能都有不同程度的提升。其中纳米CaCO3颗粒对于泡沫体积的提升较为明显，而对稳泡性能的提升幅度小于亲水SiO2颗粒，加入亲水性纳米SiO2颗粒的泡沫体系半衰期都得到了大幅提升。

2.4 阳离子表面活性剂的筛选

考虑亲水SiO2在水中呈负电荷，所以适量加入少量阳离子表面活性剂会进一步提高纳米颗粒在液膜上的附着程度，所以重新配制了发泡剂，在加入0.5%的亲水性纳米SiO2的同时加入不同浓度的十六烷基三甲基溴化铵，评价其耐温性能，测定300℃下的泡沫体积和半衰期，见表3。

表3 阳离子表面活性剂对泡沫性能影响Tab.3 Effect of cationic surfactant on foam properties

由表3可知，向泡沫体系中加入阳离子表面活性剂会使发泡体系的泡沫体积略微增加，但是可以大幅提升亲水性SiO2颗粒的稳泡能力，这是由于阳离子表面活性剂会与SiO2纳米颗粒发生吸附的，使SiO2纳米颗粒更加稳定的吸附在气液界面，达到更为优良的稳泡效果。

根据以上实验，确定的耐高温泡沫体系配方为：0.5%十二烷基二甲基羟基磺基甜菜碱+0.5%十二醇聚氧乙烯醚磺酸钠+0.5%亲水性SiO2纳米颗粒+0.1%十六烷基三甲基溴化铵，300℃高温下，泡沫体积650 mL，半衰期54.6min。

2.5 泡沫体系的耐温性能评价

温度对泡沫驱体系的影响主要是泡沫体系在地层中稳定性和发泡能力的影响。适当的升温会提高泡沫的发泡能力，因为温度会提高泡沫体系中表面活性剂的活性，提高其发泡能力。但是当温度过高时，普通的表面活性剂会发生降解从而失去活性，使发泡性能降低，泡沫体积减小。选择具有耐温性能的表面活性剂可以降低高温对表面活性剂的影响，使表面活性剂在经过高温之后仍然可以保持一定的起泡能力与稳泡能力。

按照上述配方配制5份100mL发泡剂溶液，在300℃热滚老化，每隔1h取出1份发泡剂溶液，测定不同老化时间后，发泡剂溶液的泡沫体积和半衰期，见表4。

表4 老化时间对泡沫体系影响Tab.4 Effect of aging time on foam system

由表4可知，泡沫体系的泡沫体积逐渐降低，而半衰期变化不大。这是由于泡沫体系中的表面活性剂长时间在高温条件下会出现一定程度的失活现象，而SiO2纳米颗粒的耐温性能较强，300℃的高温不会对其造成较大影响，所以依靠SiO2纳米颗粒稳定的泡沫体系在高温老化后，其稳泡性能依然可以保持较高的水平。

2.6 泡沫体系的抗盐性能评价

泡沫体系在驱油过程中势必会与地层水接触，一般的表面活性剂发泡剂在遇到地层中Ca2+、Mg2+等会产生沉淀，使其在泡沫液膜上的吸附量减少，液膜会越来越薄直至消泡。因此，针对高矿化度的地层需要对其进行抗盐能力测试，才能确定此类泡沫体系是否能够适用于当前地层条件。不同矿化度下泡沫体系的泡沫性能见表5。

表5 不同矿化度下泡沫体系的泡沫性能Tab.5 Foam properties with different salinity

由表5可知，随着矿化度的增大，泡沫体系的性能也不断下降，且半衰期下降较多。这是由于无机盐的存在会影响SiO2纳米颗粒表面的电荷，从而影响泡沫的稳定性，而发泡性能在矿化度较低时并未受太大影响，这是由于泡沫体系中存在一定含量的阴-非离子表面活性剂，对无机盐有一定的耐受能力，所以泡沫体系的发泡能力并未受到太大影响。

2.7 泡沫体系的抗油性能评价

用柴油作为实验用油，分别往5份相同的泡沫体系中加入5%，10%，20%，30%，40%的柴油，在室温条件下，测量泡沫体系的泡沫体积与半衰期，见表6。

表6 柴油含量对泡沫体系的影响Tab.6 Effect of diesel content on foam system

由表6可见，当泡沫体系加入柴油5%后，泡沫的半衰期开始小幅度缩短，泡沫体积也受到影响，当柴油的加入量达到30%后，泡沫的半衰期急剧减少，泡沫体积同样降低，这是因为泡沫基液中含有表面活性剂，柴油添加到泡沫基液中可以被乳化成小油珠，在界面张力的推动下会进入到泡沫结构当中，从而破坏泡沫界膜的完整性，降低泡沫的稳定性。

2.8 不同泡沫体系注入量对驱替效率的影响

泡沫驱油过程中，采收率往往随着泡沫剂的注入量增加而提高，但是由于现场使用需要综合考虑成本与波及体积问题，所以需要选择合适的泡沫体系注入量，实现以较少泡沫体系的注入即可达到提高采收率的效果。选择泡沫体系的注入量分别为0.1PV、0.2PV、0.3PV、0.4PV、0.5PV，热空气注入温度选择为250℃，实验结果见表7。

表7 不同泡沫体系注入量对驱替效率的影响Tab.7 Effect of different foam injection amount on displacement efficiency

由表7可见，泡沫体系注入量不断增加，驱替效率随之提高，当注入泡沫体系达到0.4PV后，采收液中的泡沫量较少，大部分泡沫体系以液体形式被驱出，说明当气体注入之后，在岩心前端形成了泡沫封堵，而后端的发泡溶液以液体形式被驱出较多，造成了一定程度的浪费，同时泡沫体系提高采收率变缓，驱替效率降低。

2.9 岩心渗透率对驱替效率的影响

实验选择了两种渗透率相差较大的人造岩心，注入参数保持不变，评价岩心渗透率对驱替效率的影响，见表8。

表8 不同渗透率对驱替效率的影响Tab.8 Influence of different permeability on displacement efficiency

由表8可见，岩心渗透率高，采收率提高幅度增大，这是由于渗透率较低的岩心不利于泡沫的生成，无法完全发挥泡沫复合驱替的效果。泡沫对渗透率较高的岩心进行有效封堵，随着注入压力增大，会迫使更多的后续注入蒸汽进入动用程度较低的岩心孔隙中，将存在的剩余油驱出，最终提高了整个岩心的采收率。

2.10 泡沫体系在岩心孔隙中的微观驱油模拟

制作可视化微观孔隙驱油模型，用原油饱和岩心，在室温下用模拟地层水对原油进行驱替后，注入泡沫体系进行进一步驱替。见图1。

图1 泡沫体系提高了岩心中原油的采收率Fig.1 Foam improves oil recovery in core

由图1可见，由于右边孔道中存在大量泡沫，产生了叠加的贾敏效应，使得右边孔道流动阻力增加，致使后续的泡沫体系流向含有大量原油、未被驱替到的左边孔道，从而提高了波及系数。对泡沫驱来说，泡沫通过叠加的贾敏效应提高了驱油体系的流动阻力，迫使后续的泡沫体系进入剩余油较多的孔道，提高了注入驱油体系的波及系数，是泡沫驱提高采收率的最重要的机理。