渤海J油田化学交替注入液生泡原因分析及对策研究

付武军，郑继龙，吴彬彬，左清泉

1.中海石油气电集团有限责任公司，北京 100028；2.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452

渤海油田的化学驱油显著改善了油田的开发效果，成为海上油田高效开发的主导技术之一。渤海J 油田纵向油层组分布较多，渗透率差别较大，非均质特性比较严重。在渤海J 油田的开发初期以注水开发为主，水驱釆收率仅为13%左右，自2007 年渤海J 油田第一口注水井转用化学驱油以来，取得了明显的增产效果，但在化学驱油的应用过程中，存在溶液含氧引起聚合物降解、含氧量超标引起地面设备管道和地下管柱腐蚀、结垢和堵塞等问题，同时部分井注聚压力高、注入量达不到配注的要求，严重制约化学驱油的开发效果［1］。通过对化学驱油注入体系的现场配注工艺调研与梳理后发现，化学驱油注入体系的配注过程中存在大量气泡。现场化学驱油注入体系中气泡的存在具有以下危害［2-4］：①气体进入地层引起贾敏效应，可能会造成注入压力虚高；②溶液含氧引起聚合物降解，造成聚合物黏度下降，影响驱油效果；③氧含量超标引起地面设备管道和地下管柱被腐蚀，并间接造成结垢和堵塞。

本文从注聚井地层的伤害因素研究入手，主要开展渤海J 油田化学交替注入液生泡原因及对策研究，以满足海上油田化学驱油矿场实施要求，对保障海上油田增产措施开发效果具有重要的指导及借鉴意义。

1 化学交替注入液生泡原因分析

1.1 化学交替注入液配液及注入流程现场调研分析

渤海J 油田化学交替注入液配注工艺流程如图1 所示。通过配液及注入流程分析可知，高压注入泵前与空气连通的节点主要为聚合物干粉上料系统，如图2 所示。该系统主要通过鼓风机将空气作为气源实现干粉聚合物的输送。干粉、空气、低压水快速混合溶解的过程会包裹空气形成含气泡的聚合物母液（质量浓度为6 000 mg∕L，黏度约为3 000 mPa·s）。由于化学交替注入液母液黏度较高，气泡上浮较慢，在熟化过程中无法完全分离，随着溶液进入后续注入环节和地层，产生不利的影响。

图1 渤海J油田化学交替注入液配注工艺流程

图2 干粉上料口

通过对渤海J 油田化学交替注入液的配注工艺流程分析，整个配液以及注入过程中可形成气泡的位置主要集中在溶解罐以及熟化罐中。先后多次对溶解罐和熟化罐中的化学交替注入液母液取样观察分析，发现化学交替注入液中存在的气泡具有如下特点：①化学交替注入液母液样品中含有大量肉眼可见的气泡；②单纯通过延长熟化时间，仅有少部分气泡分离；③化学交替注入液母液中气泡的O2含量超标。通过现场实际观测，气泡分离时间大于10 h，且母液中气泡的O2含量高达10 mg∕L（按规定，现场回注水控制指标中溶解氧含量应小于0.1 mg∕L）。

通过流程梳理以及问题分析，发现气泡存在的原因主要包括：①药剂体系溶解时搅拌形成泡沫；②药剂体系加入工艺中存在空气（O2）；③熟化罐进药位置（高进低出）造成药剂体系二次生泡；④药剂体系熟化时间短，从而影响泡沫的消泡效果［5-6］。

1.2 化学交替注入液配液及注入流程室内模拟实验分析

在室内采用现场化学交替注入液进行配液及注入模拟，从药剂起泡机制、注入工艺及药剂体系等角度重点分析化学交替注入液生泡原因，从而规避渤海J 油田交替注入液中气泡的存在所造成的注入压力虚高、聚合物降解、地面设备管道和地下管柱腐蚀、结垢和堵塞等问题，为渤海油田化学交替注入技术的应用提供指导。

1.2.1 实验前准备

实验温度为油层温度60 ℃；实验用水为渤海J油田地层水（NaHCO3型，矿化度6 321.77 mg∕L）；实验用药剂为NaCl、KCl、MgCl2、Na2CO3、NaHCO3和CaCl2，均为分析纯，天津市津东天正精细化学试剂厂；实验用聚合物为渤海J油田现场取样品。

BSA423S 型电子天平，赛多利斯公司；Quizix注入泵，皆能（亚洲）有限公司；美国博勒飞Brookfield黏度计，广州市东南科创科技有限公司；加压泵、空气压缩机，海安石油科研仪器有限公司；其他常规设备（管线、秒表、烧杯、量筒等），市售。

模拟化学交替注入液室内配制过程以及使用管线、空气压缩机、烧杯、加压泵等，在实验室内组装一套模拟现场注入工艺的流程。为了模拟现场的配注化学交替注入液流程，用空压机和气体流量计模拟现场鼓风机、注入泵模拟现场低压供水、三通模拟现场混合头、烧杯模拟现场溶解罐，从药剂体系注入工艺角度分析化学交替注入液起泡能力，模拟药剂注入地下过程中的起泡过程。该流程如图3所示。

图3 注入工艺流程模拟

1.2.2 实验方法

1）化学交替注入液起泡能力分析

为了测定现场化学交替注入液是否具有起泡能力，具体实验方法如下：

①在室内用渤海J 油田地层水分别配制不同质量浓度（1 000、2 000、3 000、4 000、5 000 和6 000 mg∕L）的化学交替注入液25 mL。

②将配制好的化学交替注入液装入100 mL具塞刻度比色管中，采用振荡法连续振荡20 次，使化学交替注入液与比色管中的空气充分接触。

③静置观察具塞刻度比色管内溶液的发泡及消泡情况。

2）注入工艺对化学交替注入液起泡能力分析

为了验证现场化学交替注入流程中化学交替注入液是否会产生泡沫以及泡沫的生成及破灭规律，重点用于分析不同位置处的泡沫形成原因，为后期消泡体系的加药位置提供指导，具体实验方法如下：

①按照图3 注入工艺流程模拟示意搭建实验流程，并检查流程密封性。

②按照1 mL∕min 的注入速度将地层水注入流程与化学交替注入液主药剂干粉聚合物在流程中的三通处混合。

③调整空压机与气体流量计，使所注入的化学交替注入液主药剂干粉聚合物与地层水在三通处混合后形成的目标溶液质量浓度在2 000 mg∕L（现场注入浓度）左右。

④待流程中流体性能稳定后，观察注入流程各个环节内化学交替注入液内泡沫生成及破灭规律。

3）不同浓度化学交替注入液消泡规律分析

为了测定不同浓度的现场化学交替注入液生泡后泡沫破灭规律及消泡时间的变化情况，具体实验方法如下：

步骤与1）化学交替注入液起泡能力分析的步骤①、②一致，重点用于静置观察药剂体系中泡沫破灭规律及消泡时间。

1.2.3 实验结果与讨论

1）化学交替注入液起泡能力分析结果

对不同质量浓度的化学交替注入液的发泡及消泡能力进行分析，结果如图4所示。

图4 不同浓度化学交替注入液发泡形态

由图4可知：化学交替注入液与空气接触后通过振荡产生大量的泡沫，且随着化学交替注入液浓度的增加，化学交替注入液中的泡沫数量逐渐增多。通过实验可知，由于化学交替注入液主剂聚合物分子结构特点，导致其具有较强的液相增黏性和稳定性，同时在配液过程中，聚合物分子与空气接触后受搅拌作用极易产生泡沫，且不易消泡。

2）注入工艺对化学交替注入液起泡能力分析结果

对注入工艺对化学交替注入液起泡能力影响情况进行分析，结果如图5所示。

图5 注入流程和母液中气泡形态

由图5 可知：配制化学交替注入液的过程会形成大量气泡，并且在注入流程中也会形成大量气泡，所形成的气泡被化学交替注入液所包裹，且泡沫稳定性强、不易破灭。当空气、化学交替注入液主剂聚合物和水接触后，在注入流程中会形成大量的细小泡沫，泡沫在整个流程中稳定性比较强，而且泡沫之间很难发生聚并现象，主要原因是泡沫液膜强度较大。通过化学交替注入液母液中形成的泡沫形态可知，单个泡沫从流程中流出之后，很快发生破灭，但随着泡沫数量的增加，在母液中形成的泡沫逐渐形成稳定的泡沫群，从而促使泡沫抗破灭能力增加。

3）不同浓度化学交替注入液消泡规律分析结果

室内配制不同浓度的化学交替注入液，并观察不同浓度化学交替注入液的消泡时间，对不同浓度化学交替注入液消泡规律进行分析，结果见表1 所示。由表1可知：随着化学交替注入液浓度增加，化学交替注入液的黏度也增大，一方面增加了气泡液膜的表面黏度，另一方面使液膜内的液体不易排出，从而延缓压力差和重力引起的液膜内液体的迁移，阻止膜的变薄并延缓液膜的破裂，使得J油田现场化学交替注入液的消泡时间延长。

表1 不同浓度下化学交替注入液消泡时间

2 化学交替注入液消除气泡对策研究

由前面的实验结果分析可知，化学交替注入液中气泡数量随化学交替注入液浓度的增加而增加，且泡沫消泡时间随化学交替注入液浓度的增加而延长。基于室内化学交替注入液配注工艺分析可知，配注流程中不仅会产生细小泡沫，而且其稳定性强、很难聚并，母液中所形成的泡沫稳泡能力较强。

由于母液浓度、熟化时间、配制方式属于工艺方案优化的结果，化学交替注入液生泡是属于化学交替注入液体系本身特性，均无法改变；同时完全隔绝气体输送的化学交替注入液配制装备在海上油田很难实现，因此，J 油田化学驱油配液过程中需要及时对化学交替注入液母液配制过程中所形成的气泡进行消除，避免注入液溶液降解及管柱腐蚀的危害［7-9］。

液体中形成泡沫及泡沫的稳泡时间主要受表面张力影响，采用化学法消泡效率高、使用便捷，最关键的是筛选最佳的消泡体系。消泡体系注入泡沫体系后能快速在泡沫表面铺展，加快泡沫破灭。一般而言，消泡体系在液膜上铺展越快，液膜变得越薄，破泡能力就越强［10］。为证实该思路的可行性，室内分别配制不同质量浓度（100、150、200、250 和300 mg∕L）的化学交替注入液25 mL，分别装入100 mL 具塞刻度比色管中，再加入200 mg∕L 除泡剂，连续振荡20 次，使化学交替注入液与具塞刻度比色管中的空气充分接触、除泡剂与溶液中的气泡充分接触，静置观察比色管内添加除泡剂后不同浓度化学交替液中的生泡及消泡情况，结果如图6所示。

图6 除泡剂在不同浓度化学交替液中的除泡效果

由图6 可知：在不同浓度化学交替液中添加除泡剂40 min 后，不同浓度化学交替注入液内的泡沫全部消失。因此，通过该实验可知，在化学交替注入液配注过程中添加除泡剂体系可缓解注入液生泡问题。但需要对除泡剂进行室内筛选评价，为目标油田筛选最佳的药剂体系，并开展药剂注入工艺及参数优化研究，从而为解决化学交替注入液的生泡问题提供指导。

3 结论

1）化学交替注入液中气泡数量随化学交替注入液浓度的增加而增加，且泡沫消泡时间随化学交替注入液浓度增加而延长。

2）化学交替注入液母液具有起泡性能和液相增黏性，导致化学交替注入液配制时易起泡、稳泡，且不易消泡。

3）化学交替注入液黏度随浓度的增加而增大，一方面增加了气泡液膜的表面黏度，另一方面使液膜内的液体不易排出，延缓压力差和重力引起的液膜内液体的迁移，阻止膜的变薄并延缓液膜的破裂，使得化学交替注入液的消泡时间延长。

4）除泡剂的加入能消除J 油田化学交替注入液中的气泡数量，达到快速消泡的目的，J 油田化学交替注入液配制过程通过加入除泡剂解决配液生泡问题具有可行性。