新型调驱一体化高温烟道气驱用泡沫剂室内评价

2022-01-14邓宏伟

特种油气藏 2021年6期

邓宏伟

(中国石化胜利油田分公司，山东东营 257015)

0 引言

中国稠油油藏目前依赖热采开发，单纯蒸汽吞吐开采稠油油藏采收率仅有20%左右，尤其大部分老油田经过长时间的蒸汽开采进入高含水期或特高含水期，汽窜严重，影响正常生产。泡沫在地层中视黏度较高，可以封堵高渗层和大孔道，有很好的封堵调剖功能[1-5]。烟道气作为注汽锅炉废气价格低廉，烟道气泡沫驱既具有蒸汽驱、氮气驱、二氧化碳驱和泡沫驱等多重优点[6]，又可以显著提高热效率。例如胜利油田注汽锅炉的平均热效率为85%，其中，排烟温度为240 ℃，热损失为9.8%，如将产生的水蒸气与烟道气一同注入油层，无烟道气排放，热效率提高至95%～99%，还可减少二氧化碳排放[7]，是一项很有潜力和值得推广的技术。但目前大部分商业化的泡沫剂在烟道气的高温条件下起泡性、稳泡性较差，且烟道气组成复杂[8-10]，包括可溶性和不溶性气体，尤其其中的二氧化碳液膜渗透系数较大，进一步降低了泡沫剂体系的起泡性能和泡沫稳定性，达不到理想泡沫的封堵调剖效果，制约了技术的发展。对于提高泡沫剂的耐温性和稳定性，学者们进行了大量的实验探索[11-14]，但关于耐高温老化的泡沫剂结构分析、烟道气等复杂气体体系用泡沫剂的研究十分有限[15]。针对上述问题，该文制备了新型三元共聚物(PNCAS)泡沫剂，通过性能评价，可以作为一种优良的调驱一体化泡沫剂。

1 实验材料及方法

1.1 实验材料

实验用水为胜利油田孤岛三区油藏地层水(矿化度为5 750 mg/L)；实验用油为孤岛油田中二北区块2-29×535井原油；CO2、N2纯度为99.9%，林德气体有限公司；PNCAS泡沫剂制备工艺参考Yang等[16]相关论文，实验用泡沫剂为300 ℃下老化72 h的PNCAS泡沫剂；石英砂，粒径为150 μm；SiO2纳米颗粒，直径为20 nm，有效含量为99.5%，南京宏德纳米材料有限公司提供。

筛选合成的烟道气驱用泡沫剂，要求在起泡能力强、稳定性好的基础上兼具耐高温和耐复杂气体组分能力。磺酸盐类阴离子表面活性剂起泡能力强，分子量较大，在长直链的基础上含有众多支链，链与链之间能够形成交联网状结构，含有多芳环、双键类磺酸盐或羧酸盐，具有较好的耐温性；烟道气中的主要成分包括N2、CO2、O2等，其中高水溶性气体(如CO2)在泡沫液中的溶解与扩散会造成液膜破裂而消泡，因此，CO2是筛选泡沫剂时考虑的重点。CO2的液膜渗透系数较大，CO2泡沫衰减的主要机理是气体扩散，提高泡沫剂的分子量和调整链的极性可以提高液膜的致密性和降低二氧化碳的溶解度，进而提高泡沫稳定性。综上所述，对现有的泡沫剂分子结构进行优化，认为N-甲基丁烯酮羧酸盐(耐温)、乙烯基苯磺酸盐(耐二氧化碳)和乙烯基吡络烷酮的三元共聚物PNCAS兼具上述结构，可用于高温烟道气驱。三元共聚物PNCAS分子式如下：

1.2 实验装置及实验方法

1.2.1 泡沫性能评价实验

由于烟道气中含有CO2，在高温高压下CO2可由气相转变为超临界流体，导致泡沫性能发生变化，烟道气驱用泡沫的评价必须在高压条件下进行[17-28]。使用可视化高温高压泡沫仪(海安石油，内径为60 mm，高度为427 mm，有效容积为1 200 mL的高压容器)对泡沫性能进行评价(图1)。具体实验步骤如下。

(1) 向泡沫发生器中注入质量分数为0.4%的泡沫剂溶液10 ml。

(2) 将CO2钢瓶和N2钢瓶按比例1∶4收集600 ml的混合气体到活塞容器。打开泡沫发生器的出口阀，缓慢打开进气阀。当气体从出气阀溢出时，迅速关闭出口阀。

(3) 设定磁力搅拌器转速为800 r/min，搅拌30 min。记录不同压力、不同温度以及不同CO2体积分数下泡沫的起泡高度和半衰期。

图1 可视化高温高压泡沫仪示意图

1.2.2 封堵与驱油性能测试实验

封堵性能和驱油性能测试装置如图2所示，包括模型系统、动力系统、温度控制系统、压力控制系统、回压控制系统、数据采集系统6个模块。实验条件：系统回压为3 MPa，气液比为1∶2，泡沫剂质量分数为0.4%。测试条件如表1。渗透率级差为1∶4的双管并联驱替实验应用同样装置，实验条件如表2。微观可视化驱油实验中将高低渗模型替换为以实验区块物性数据为基础制作的玻璃刻蚀仿真模型。实验方法如下。

图2 封堵性能和驱油性能装置流程图

表1 阻力因子测试条件

表2 渗透率级差为1∶4的双管并联驱替实验条件

(1) 预处理：选取合适的石英砂放入烧杯，倒入铬酸洗液浸泡12 h，以消除固体岩石表面污垢和杂质对实验的影响；泡完取出，用去离子水冲洗干净，烘干备用。

(2) 利用备好的石英砂制作所需的填砂模型。

(3) 填砂模型称重，饱和地层水,计算孔隙体积和孔隙度，玻璃刻蚀仿真模型饱和地层水。

(4) 设定恒温箱温度为实验温度。油驱水将双管模型和玻璃刻蚀模型驱替至束缚水状态。

(5) 利用双管模型和玻璃刻蚀模型开展不同注入介质驱油实验，记录产油量、产液量，含水率等实验数据。

(6) 1号填砂模型饱和水测定其压差后，在不同温度下进行泡沫驱测定模型两端压差。2号填砂模型饱和水并测定其压差后，进行75 ℃油驱水至束缚水状态。进行不同温度泡沫驱测得模型两端压差。

2 实验结果与讨论

2.1 PNCAS泡沫剂性能评价

2.1.1 PNCAS泡沫剂静态性能评价

采用TX 500C型全量程旋转滴界面张力仪测试界面张力，测试体系为新型泡沫剂与模拟地层水配制的质量分数为1%的溶液，另称取原油10 g，加入10%的二甲苯，降低原油黏度以方便注射样品。在60 ℃时，测试界面张力为0.10 mN/m，80 ℃时，测试表面张力为0.07 mN/m，表明泡沫剂为低油水界面张力，表面活性好。泡沫剂在地层中会有较少的吸附损耗，为保证泡沫剂的稳定性和减缓地层对泡沫剂体系的色谱分离作用，测试泡沫剂的静态吸附量，质量分数为0.4%的泡沫剂水溶液在液固比为1∶1时，饱和吸附量为3.180 mg/g，液固比达到20∶1时，泡沫剂的饱和吸附量为0.077 mg/g，说明其在地层中吸附损耗较小。

2.1.2 高温老化对泡沫性能的影响

烟道气的出口温度一般为140～260 ℃，要求与之配伍的泡沫剂要在长时间高温老化后仍能保持气泡性能和稳定性。选取300 ℃作为老化温度，首先测定300 ℃纯CO2老化72 h后的泡沫起泡体积为434 ml，半衰期为150 s，仍保持了处理前的气泡性能，说明泡沫剂结构能够耐受高温和CO2的复合环境。考虑到现场注入过程中可能会存在残氧，高温氧化可能会破坏聚合物网络，减弱泡沫剂性能，因此，测定了300 ℃纯O2老化72 h后的泡沫性能，泡沫剂体系依旧能保持处理前水平，说明PNCAS泡沫剂不但耐CO2和O2，而且具有很好的耐温性。

2.1.3 质量分数对泡沫性能的影响

随着PNCAS泡沫剂质量分数的增加，泡沫的半衰期和起泡体积都呈现出先增加后降低最后稳定的趋势。这是由于高分子表面活性剂PNCAS的加入，提高了溶液的黏度，降低了界面张力，两方面因素协同作用提高了起泡剂的起泡性能和稳定性。当表面活性剂质量分数明显高于临界胶束质量分数时，界面张力不再发生显著改变，高黏度使得气体分散于气液界面需要消耗更多的功，起泡体积减小，同时泡沫携液量增加，在重力作用下，加速了液膜的排液速度，气泡内的压力增加，加快了泡沫内气体的扩散速度，使得起泡体积和半衰期同时下降，之后趋于平稳。实验得到最佳泡沫剂质量分数为0.4%，后续实验均采用该质量分数进行讨论。

2.1.4 不同条件对泡沫性能的影响

烟道气中的CO2组分在加压过程中会有相态变化，50 ℃、8 MPa以上时会转变为超临界状态，CO2密度增大，此时形成的“泡沫”类似于乳液，与气态泡沫理化性质有很大差别，因此，高压条件下CO2泡沫性能测试是十分必要的。图3为质量分数为0.4%的PNCAS矿化水溶液在不同压力下，模拟烟道气泡沫性能测试实验。可以看出，压力对泡沫稳定性有明显的作用，随着压力升高，起泡高度变化不大，而半衰期显著提高。这与离子型表面活性剂变化规律相似，分子结构中的烷基苯磺酸盐具有较强的亲水性，表面活性剂的亲水/亲CO2平衡不会因CO2压力(密度)的增大而被破坏。同时，随压力升高，泡沫半径变小，表面积变大，液膜变薄，排液速度降低，延缓了液膜破裂，提高了泡沫性能。

图3 不同条件下的泡沫性能

随温度升高，烟道气泡沫起泡高度和半衰期都减小。因为高温导致水分蒸发速度加快，降低了液膜致密性和强度，同时，温度升高还会降低体系表面黏度和表面弹性，使得液膜强度下降，泡沫容易破灭。起泡剂分子中亲水基的水合作用随温度升高而降低，疏水基碳链之间的凝聚能力减弱，使得起泡剂分子间的缔合作用减弱，而且已形成的胶束因为动能增加使其增加了相互接触的机会，从而形成带电大分子，大分子之间电荷相斥使能量增加，难以继续形成胶束，因而起泡体积呈下降趋势。但在120 ℃、12 MPa下，泡沫半衰期仍有27 min(图3)，说明PNCAS泡沫剂的耐高温稳定性优异。考虑到一般油层的温度不超过120 ℃，该泡沫剂适用于工业推广。

随着CO2注入体积分数增大，较纯N2条件下泡沫体系的起泡高度和半衰期明显降低，认为是CO2液膜渗透系数大于N2，易扩散破坏液膜稳定性引起的。但起泡高度和半衰期减小趋势明显弱于温度变化引起的减小趋势，说明CO2注入体积分数的影响要小于温度影响。CO2注入体积分数小于40%时，起泡高度和半衰期变化不大，说明PNCAS泡沫剂可以耐受CO2注入体积分数高达40%的环境。

2.2 PNCAS封堵性能评价

泡沫在多孔介质中的封堵能力是泡沫体系能否应用于泡沫驱油的关键因素，可以用阻力因子来衡量。文中分别测量了饱和水状态和残余油状态的阻力因子，随温度的升高，高温泡沫剂的阻力因子先增后减，在220 ℃达最大值1 293和1 186，当温度继续升高时，阻力因子迅速下降，温度为300 ℃时，阻力因子分别降为508和418，仍保持较大数值。说明高温泡沫剂能够大幅度降低蒸汽的流速，减少气窜，增加蒸汽波及体积，且在中性模型下的阻力因子大于油性条件下的阻力因子，即在中性条件下使用效果更好。

2.3 PNCAS泡沫剂驱油性能评价

PNCAS泡沫剂具有较低的界面张力，本身具有一定的表面活性剂驱油功能。实验前先饱和原油直至岩心出口端无原油产出，模拟实际油田未开发状况；75 ℃水驱后(矿化度为5 750 mg/L)，直至岩心出口端含水为95%(油田水驱极限)，计算水驱采收率。再进行75 ℃泡沫驱，泡沫驱达到极限后再转水驱。实验结果表明，75 ℃水驱含水率达到95%，驱油效率仅为27.38%。随后转泡沫驱，含水率迅速下降至65%，之后含水率逐渐上升；泡沫驱2.5倍孔隙体积时含水率达到97%，驱油效率提高至59.43%，和水驱相比驱油效率提高32.05个百分点。这是由于泡沫剂具有良好的泡沫性能，泡沫剂能降低油水界面张力起到一定的表面活性剂驱作用。转后续水驱，含水率上升至99%，后续水驱驱油效率上升至62.39%，仅提高约3.00个百分点。

为了进一步评价封堵性能和驱油性能，进行了渗透率级差为1∶4的双管并联驱替实验。如图4所示，高渗管水驱后含水率达到91.6%，转泡沫驱后含水率略有下降。后续水驱前期，由于泡沫仍有残留，含水率上升缓慢，始终在92%左右。驱替至2倍孔隙体积后，泡沫剂被驱替至残余状态，含水率上升较快。低渗管前期水驱流体未流动，转泡沫驱后，经过短暂的无水期，含水率迅速上升至50%。后续水驱过程中含水率逐渐上升，但始终低于高渗管。泡沫驱油调剖效果显著，低渗管驱油效率提高了42.00个百分点，高渗管提高了13.60个百分点，后续水驱也提高了约8.00个百分点，低渗管提高幅度明显高于高渗管。这是由于泡沫剂的阻力因子较大，对高渗管有良好的封堵性能，泡沫提高波及系数，堵大不堵小，堵水不堵油，有良好的调剖功能，从而提高波及系数。由此可见，该实验条件下泡沫驱效果良好，该泡沫体系有效启动了低渗层，具有很好的调驱一体化功能。

为了更好地评价PNCAS泡沫剂性能，进行了微观可视化驱油实验，并对实验结果进行了数值模拟反演。蒸汽驱过程中，形成了大量的高渗通道，转PNCAS泡沫驱替后，在高渗区域形成了大量的泡沫(图5中白色气泡)，迫使液流转向(图中红色箭头)，加之贾敏效应的作用(图5中蓝圈)，进一步扩大波及体积，实现了烟道气调剖和封堵。对实验结果进行了数值模拟反演(图6)。蒸汽驱过程中，受地层非均质性影响，驱替具有明显的方向性，依据地层系数对其生产参数进行了干预，仍无法有效抑制蒸汽和烟气的窜流。但转PNCAS泡沫驱替后，温度场发育较均匀，蒸汽波及效率得到有效提高。模型计算结果显示，其驱替压差有所提高，达到0.4 MPa以上，采出程度也显著提高，蒸汽泡沫驱阶段提高采出程度36.30个百分点。