CO2响应性增强泡沫体系室内试验研究

2021-11-12刘笑春白海龙彭明兰

石油钻探技术 2021年5期

吕伟，刘笑春，白海龙，彭明兰

（1.中国石油长庆油田分公司油气工艺研究院，陕西西安710018；2.中国石油长庆油田分公司工程技术管理部，陕西西安710018；3.中国石油长庆油田分公司第二采油厂，甘肃庆阳745100）

近年来，低渗透油藏开发受到越来越多的重视[1]。注气是低渗透油藏开发的重要技术[2]，其中CO2溶于原油可降黏，溶于水生成碳酸可溶解碳酸盐等岩石矿物，改善储层渗透性，在国内外注气开发油田得到了大量应用[3-7]。低渗透油藏CO2驱可有效补充地层能量，显著提高原油采收率。但由于存在高渗条带和天然裂缝，低渗透油藏CO2驱时，极易发生气窜，严重降低了CO2的利用率和增产效果[8-12]。泡沫体系是常用的气窜封堵体系，可以实现深部调驱，已在胜利、长庆、大庆、大港和中原等油田成功应用。但是，常规泡沫强度不高，对裂缝及高渗条带等强窜流通道的封堵效果较差，不适于非均质严重储层的气窜控制。冻胶和聚合物可以通过增强液膜机械强度来提高泡沫强度和封堵能力，且可以通过控制聚合物和冻胶体系的浓度调节强化泡沫的强度，以满足不同非均质储层的封堵，但聚合物和冻胶泡沫体系在注入前黏度已比较高，在储层孔隙中的流动阻力大，注入性较差，深部调驱效果受限。为此，笔者研究形成了CO2响应性增强泡沫体系，利用响应体系与气窜通道中CO2作用后的增黏特性提高泡沫强度，实现了气窜通道的精准、高效封堵，提高了低渗透油藏CO2驱的开发效果。

1 CO2响应性增强泡沫体系研究

通过评价油田常用发泡剂的耐温性和耐盐性优选发泡剂，将优选出的发泡剂与小分子胺类CO2响应体系复配，形成CO2响应性增强泡沫体系。

1.1 发泡剂优选

参照石油天然气行业标准“钻井液用发泡剂评价程序”（SY/T 5350—2009），以泡沫综合值（发泡体积与半衰期的乘积）为指标，评价发泡剂的综合性能。首先，采用去离子水配制不同质量分数的发泡剂溶液，采用搅拌法测定泡沫综合值，通过泡沫综合值优化发泡剂加量；在加量优化基础上，分别配制矿化度为5×104和10×104mg/L的发泡剂溶液，以泡沫综合值评价发泡剂的耐盐性；配制耐盐发泡剂溶液，用高温老化罐密封后置于恒温箱（温度分别设置为80和100℃）中老化72 h，评价发泡剂的耐温耐盐性能，优选出发泡剂。

图1 所示为α-烯烃磺酸钠（AOS）、脂肪酸甲酯磺酸盐（MES）、十二烷基硫酸钠（SDS）、椰油酰胺丙基二甲胺乙内酯（CAB-35）、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠（AES）和非离子表面活性剂ZYGK-3等6种发泡剂不同加量下的泡沫综合值。从图1可以看出，发泡剂加量对泡沫综合值影响显著。以泡沫综合值200 000 mL·s为界限，根据图1确定6种发泡剂的加量范围和推荐加量，结果见表1。

图1 不同发泡剂在不同加量下的泡沫综合值Fig.1 Foam comprehensivevaluesof different foaming agentsin different dosages

利用矿化度为5×104和10×104mg/L的水，配制了6种发泡剂溶液（发泡剂加量采用表1中的推荐加量），测定其泡沫综合值，结果见图2。由图2可知，CAB-35、ZYGK-3和AOS等3种发泡剂在矿化度为10×104mg/L时仍具有良好的发泡性能。

图2 不同发泡剂溶液在不同矿化度下的泡沫综合值Fig.2 Foam comprehensive values of different foaming agent solutionsat different salinities

利用不同矿化度的模拟地层水，配制CAB-35，ZYGK-3和AOS等3种发泡剂的溶液（发泡剂的加量采用表1中的推荐加量），密封后在8 0和100℃温度下老化72 h，测定泡沫综合值，结果见图3。由图3可知，在高矿化度下老化后，AOS依然具有良好的发泡能力和泡沫稳定性能。因此，发泡剂选用AOS，加量为0.10%。0.10%AOS溶液在高温高盐条件下具有良好的发泡性能和泡沫稳定性，可以满足苛刻条件下CO2驱气窜封堵的需求。

图3 不同发泡剂溶液在不同温度下的泡沫综合值Fig.3 Foam comprehensive values of different foaming agent solutionsat different temperatures

表1 发泡剂加量优化结果Table1 Optimization result of foaming agent dosage

1.2 CO2响应性增强泡沫体系

将发泡剂AOS、小分子胺和去离子水按比例（0.10%AOS+4.00%小分子胺+水）加入到三口烧瓶中，以转速120 r/min搅拌5 min形成均匀溶液，静置1 h后除去表面泡沫，即为CO2响应性增强泡沫体系。该体系为透明澄清液体，在与CO2作用前，黏度为1.1 mPa·s，具有优良的注入性能；与CO2充分接触后，黏度显著升高，最高可达到20.3 mPa·s。

2 CO2响应性增强泡沫体系性能评价

2.1 综合性能

设计密封搅拌杯，充入CO2气体（纯度99.99%），采用Waring Blender法评价常规泡沫体系（配方为0.10%AOS+水）和CO2响应性增强泡沫体系的泡沫综合性能，搅拌速度5 000 r/min，搅拌时间3 min，结果见表2。

由表2可知：与常规CO2泡沫体系相比，CO2响应性增强泡沫体系的起泡体积较小，但泡沫稳定性显著增强；CO2响应性增强泡沫体系的泡沫综合值可达常规泡沫体系的11倍以上。这说明CO2响应性增强泡沫体系具有良好的起泡能力和优异的泡沫稳定性能。

表2 CO2响应性增强泡沫性能Table 2 Performance of CO2 responsive enhanced foam system

2.2 流变性和黏弹性

利用安东帕Physica MCR301流变仪的椎板系统（量杯半径14.466 mm，转子半径13.330 mm）在70℃下测定CO2响应性增强泡沫体系的稳态流变性及动态黏弹性，分析CO2响应性增强泡沫体系的稳定机理。测试稳态流变性时，剪切速率为0.01～2000.00 s-1；测试动态黏弹性时，先进行振幅扫描确定线性平台区，然后在线性平台区范围内进行频率扫描，频率为0.01～100.00 Hz。

常规CO2泡沫体系和CO2响应性增强泡沫体系的稳态流变曲线如图4所示。由图4可知，2种泡沫体系均具有明显的剪切稀释特性，随剪切速率增大，表观黏度迅速降低。CO2响应性增强泡沫体系中的小分子胺可与CO2通过可逆反应形成阳离子聚和物[13-14]，使液膜黏度急剧升高，增大了液膜中流体流动的阻力，导致低剪切速率下其表观黏度明显高于常规泡沫体系。剪切速率7.34 s-1下，常规沫体系和CO2响应性增强泡沫体系的表观黏度分别为4.9和55.1 mPa·s。

图4 不同泡沫体系的稳态流变曲线Fig.4 Steady-state rheological curves of different foam systems

对图4中的流变曲线进行拟合，流变方程均符合幂律流体流变模式[15]，相应的稠度系数K和流变指数n如表3所示。与常规泡沫体系相比，CO2响应性增强泡沫体系的稠度系数显著增大，这与表观黏度升高一致；其流变指数减小，说明CO2响应性增强泡沫体系的剪切稀释性更强。

表3 不同泡沫体系的稠度系数和流变指数Table 3 Consistency coefficients and flow behavior indexesof different foam systems

图5 所示为常规泡沫体系和CO2响应性增强泡沫体系的黏弹性能。其中，储能模量和损耗模量分别代表泡沫体系的弹性和黏性。由图5可知：在低频率范围内，常规泡沫体系和CO2响应性增强泡沫体系的储能模量大于损耗模量，均以弹性为主；在高频率范围内，2种泡沫体系的储能模量大于损耗模量，表现出明显的黏性。这是因为，泡沫是气泡的聚集体，具有独特的空间多面体结构，泡沫的黏弹性来源于相对移动分散介质的液层内摩擦、分散相气泡间的碰撞和挤压[16-17]。低频率剪切时，分散相气泡间的碰撞和挤压作用占主导，因此，常规泡沫体系和CO2响应性增强泡沫体系表现出较强的弹性。随着剪切频率增大，泡沫单体趋于整齐排列，一部分泡沫因变形过大而破裂，导致液层内摩擦占主导，表现出明显的黏性。CO2响应性增强泡沫体系由于加入了小分子胺，液相黏度升高，泡沫液膜的机械强度增强，因此CO2响应性增强泡沫体系表现出更强的黏弹性，具有更优异的泡沫稳定性能。

图5 不同泡沫体系的黏弹性能Fig.5 Viscoelastic performance of different foam systems

2.3 提高采收率性能

采用不同渗透率的长岩心（φ2.5 cm×30.0 cm石英砂环氧树脂胶结岩心）组成非均质驱替模型，评价常规泡沫体系和CO2响应性增强泡沫体系对非均质储层的封堵和增产效果。试验用油为长庆油田五里湾一区原油，气油比72 m3/t，饱和压力7.5 MPa，黏度1.95 mPa·s。非均质驱替模型岩心渗透率分别为118.5和5.2 mD，渗透率级差22.8。试验温度70 ℃，岩心出口端回压10 MPa，泡沫注入方式采用液-气段塞注入（先注液后注气）方式，气液比1∶1，段塞为0.1倍孔隙体积，泡沫注入量为1.0倍孔隙体积。岩心驱替试验装置如如图6所示。

图6 岩心驱替试验装置示意Fig.6 Coreflooding device

试验时首先以0.15 mL/min的速度进行CO2驱，出口端不产油后转注1.0倍孔隙体积的泡沫，然后继续进行CO2驱。试验结果如图7所示。从图7可以看出：泡沫封堵前，CO2驱采收率只有18%左右，且大部分原油产自高渗透岩心，低渗透岩心基本未动用；CO2驱时的压差较低，注入泡沫后压差迅速增大，说明泡沫体系能有效增加气窜通道中的渗流阻力，控制气体在优势通道中的窜流；CO2响应性增强泡沫体系的封堵阻力系数可达到60，远大于常规泡沫体系的封堵阻力系数（12），说明小分子胺使泡沫体系的黏弹性增强，可以显著提高泡沫体系的封堵能力；在CO2驱基础上，常规泡沫封堵体系可以使采收率提高约10百分点，而CO2响应性增强泡沫体系可以使采收率提高约23百分点。说明CO2响应性增强泡沫体系使气体在窜流通道中的流动阻力增大，黏性力增强，从而可以使更多的气体转向低渗透岩心中，显著增加气驱波及体积。