边底水油藏蒸汽吞吐耐温冻胶泡沫的研制与评价

2022-05-27何海峰陈安胜彭志敏杨子浩

精细石油化工 2022年3期

何海峰，陈安胜，彭志敏，杨子浩，廖毅

(1.中国石化胜利油田孤东采油厂，山东东营 257237; 2.中国石油大学(北京)，北京 102249)

稠油热采产量主要由蒸汽吞吐量决定。多轮蒸汽吞吐后期，汽窜现象加剧、油层压力降低、边底水向油层入侵，由此产生的高含水现象直接影响了热采井开发效果。冻胶泡沫通过聚合物间的交联反应，可构成稳定的泡沫骨架[1-4]，具有优良的强度和稳定性。冻胶泡沫广泛应用于油田用封堵剂的生产，在边底水稠油油藏扩大蒸汽波及体积、改善热采效果方面具有明显优势[5-9]。

调研发现，在热采过程中，现阶段室内研制及现场应用的冻胶泡沫，仍然存在耐温性能不足，封堵有效期较短的问题。为此，笔者通过筛选耐高温耐盐的聚丙烯酰胺、发泡剂和交联剂，制备了一种具有较高稳定性的耐温冻胶泡沫体系，揭示了其耐温机理，评价了其耐温性能和封堵性能。

1 实验

1.1 材料及仪器

聚丙烯酰胺(AN、FAM、C7)，工业级，法国爱森；聚丙烯酰胺(HBD、ZETAG)，工业级，德国巴斯夫；聚丙烯酰胺(KYPAM)，工业级，恒聚化工；十二烷基硫酸钠(SDS)，92%、α-烯基磺酸钠(AOS)，94%，中轻集团；氯化铬，分析纯，京纯化学；十二烷基苯磺酸钠(SDBS)、硫脲、氯化钠，分析纯；水溶性酚醛树脂(固含量75%)，麦克林试剂；椰油酰胺丙基甜菜碱(CAB-35，固含量35%)，上海圣轩生物科技；黄原胶，工业级，郑州丹尼生物；氮气，纯度99%，北京京高气体；酚醛交联剂A、有机锆交联剂B，自制。

LVDV-Ⅱ型布氏黏度计，Brookfield公司；CX33型光学显微镜，日本奥林巴斯公司；SU8010型扫描电镜，日本日立公司；Waring-Blender型搅拌器，Waring公司；驱替实验装置，中国石油大学(北京)。

1.2 耐温聚合物体系筛选

通过测定不同聚合物溶液在高温高盐环境下的聚合物的黏度保留率来评价其耐温耐盐性能。称量一定质量的聚合物，将其缓慢加入矿化度为30 g/L的矿化水中，搅拌3 h，然后静置24 h待用。将聚合物溶液放入100 ℃的烘箱中老化24 h，通过测定老化前后的聚合物溶液黏度计算聚合物的黏度保留率。

1.3 起泡剂的筛选

将不同类型的起泡剂置于150 ℃恒温箱中老化24 h。将处理后的起泡剂与聚合物溶液混合，用搅拌机起泡。泡沫装入150 ℃的可视化反应釜中，记录泡沫体积和半衰期[10]，对比高温处理前后泡沫综合值变化情况。

1.4 交联剂的筛选

选用不同类型的交联剂与一定浓度的聚合物溶液混合，加入一定量的除氧剂硫脲，搅拌0.5 h。取30 mL注入安瓿瓶内，抽真空3 h，放入150 ℃烘箱内，以强度代码法及黏度法确定成胶状态[11]，记录成胶时间和成胶强度随时间变化的情况。

1.5 冻胶泡沫体系的制备及耐温性能评价

采用先起泡后成胶的方法制备冻胶泡沫。取100 g一定浓度的KYPAM聚合物溶液，加入0.2%交联剂A+0.1%交联剂B+0.5%发泡剂SDS+0.1%硫脲+0.3%黄原胶，用搅拌器制备泡沫。将泡沫置于可视化反应釜中，放入150 ℃恒温箱，定期记录泡沫体积变化和析液情况。

1.6 泡沫冻胶封堵性能评价

评价实验装置如图1所示。连接装置管线，在储水罐中灌入模拟水，将岩心放入夹持器中，开启计算机压力采集装置，保持环压比注入压力高3 MPa左右；注水1.8 PV，泵速为0.6 mL/min。记录平衡压力P0，然后计算岩心的渗透率K。

图1 冻胶泡沫封堵性能测试实验装置

关闭水驱管线，打开平流泵和二氧化碳气瓶，使泡沫发生器产生泡沫。注入泡沫，维持回压不变，注入1.2 PV后，记录压差，将注入泡沫后的岩心夹持器放入150 ℃恒温箱中24 h，使冻胶泡沫老化成胶，再将岩心夹持器接入装置，再次水测岩心渗透率。通过前后压差变化量计算冻胶泡沫的封堵性能。

2 结果与讨论

2.1 聚合物的筛选

在100 ℃、30 g/L NaCl矿化度下，质量浓度为3 g/L的不同类型聚合物溶液老化24 h前后的黏度及黏度保留率见表1。

由表1可见，聚合物KYPAM的黏度保留率最高，具有较好的耐温耐盐性能。相较于其他聚合物，在相同浓度下，KYPAM具有更高的黏度，高黏度有利于增大泡沫液膜的排液阻力、延长泡沫析液时间，在冻胶泡沫体系成胶前稳定泡沫。因此优选KYPAM作为聚合物主剂。

表1 聚合物溶液老化前后的黏度及黏度保留率

2.2 起泡剂成分的选定

2.2.1 起泡性能

常温、30 g/L矿化度的条件下，在200 g聚合物溶液中加入不同质量分数的起泡剂，用Warning-Blender搅拌器以4 000 r/min的转速搅拌起泡，各体系的起泡体积和泡沫半衰期见图2。

图2 起泡体积及析液半衰期与起泡剂质量分数的关系

由图2可见：随起泡剂质量分数的增加，各体系的起泡体积和泡沫半衰期均随之提高，其中AOS体系始终处于较高水平；SDS性能随质量分数的变化较为明显，当质量分数增加到0.5%时，其起泡体积和泡沫半衰期与AOS较为接近，起泡和稳泡性能优良。

2.2.2 耐温性

图3是150 ℃处理前后的泡沫综合值。由图3可见，SDS经高温处理前后的泡沫综合值变化较小，且泡沫综合值均较高，耐温性最优。综合考虑，选择0.5%的SDS作为体系发泡剂比较合适，有利于冻胶泡沫体系的生成及稳定。

图3 起泡剂耐温性能评价

2.3 交联剂的选定

分别以水溶性酚醛树脂、氯化铬、A-B为交联剂，对比150 ℃、30 g/L NaCl矿化度的条件下冻胶体系的成胶时间及强度。图4为不同交联体系的成胶现象。

由图4可见:酚醛树脂冻胶体系耐温性能良好，无脱水现象，但成胶速度较慢、强度较低。氯化铬体系成胶迅速，能在较短时间内形成高强度冻胶；但在高温条件下，交联反应速率过快，脱水现象严重，冻胶强度迅速降低。A-B是一种复合交联体系，相比以上两个体系，A-B体系成胶时间短、强度高，稳定性良好，12 h内无脱水现象，基本符合制备冻胶泡沫的条件。

图4 不同交联体系的成胶现象

A-B体系成胶情况见表2。由表2可见，当聚合物质量浓度为3 g/L、使用0.2%A+0.1%B时，成胶最快、成胶强度最高、稳定性最强，未发生脱水现象，可进一步用于冻胶泡沫的制备。

表2 A-B体系成胶情况

图5是0.2%A+0.1%B时冻胶体系的强度及成胶时间与聚合物浓度的关系。

图5 冻胶黏度及成胶时间与聚合物质量浓度的关系

由图5可见，随聚合物质量浓度的提高，冻胶黏度也随之升高，但增加到3 g/L后，黏度上升趋势变缓，成胶时间随之缩短。

2.4 聚合物质量浓度对冻胶泡沫体系的影响

将不同聚合物浓度的冻胶泡沫置于150 ℃的恒温箱中，考察其泡沫体积、泡沫半衰期及液膜黏度，结果见图6和图7。

图6 冻胶泡沫体积及半衰期与聚合物质量浓度的关系

由图6及图7可见，在冻胶泡沫制备过程中，随聚合物质量浓度的增加，体系半衰期增长，泡沫体积先增加后减少，体系强度随之增强。而在冻胶泡沫的老化过程中，各体系黏度均随老化时间的增长先升高后降低，这是由于随时间的增长，交联反应程度增加，黏度随之增加；但反应程度增加到一定程度出现脱水现象，同时聚合物降解程度加剧，导致体系黏度下降。

图7 不同强度冻胶泡沫液膜黏度与时间的关系

2.5 温度对冻胶泡沫体系的影响

在最优的组分配比条件下制备冻胶泡沫体系，考察温度对其性能的影响，结果见图8。

图8 析液体积及冻胶泡沫黏度与温度的关系

由图8可见，随着温度的升高，冻胶泡沫体系析液量逐渐减少，泡沫黏度呈现先升高后降低的趋势。在150 ℃时，体系黏度达到最高，说明在90～150 ℃，冻胶泡沫的稳定性随温度升高而加强；其原因是随温度升高，交联反应速度加快，有利于泡沫初期形成冻胶壁。而当温度超过150 ℃后，体系黏度略微下降；这是由于温度过高时，聚合物降解速率加快，同时交联反应程度加剧，造成聚合物团聚，体系稳定性降低，黏度下降。

150 ℃条件下，该冻胶泡沫体系析液半衰期为15 d，此时该冻胶泡沫的泡沫保留率仍在70%以上。表明该冻胶泡沫具有较高的高温稳定性，适用于高温油藏蒸汽驱过程中调剖堵水。

2.6 泡沫冻胶的形貌及耐温机理分析

在25 ℃、30 g/L NaCl矿化度条件下，通过光学显微镜及冷冻扫描电镜观察水基泡沫和泡沫冻胶的形貌(图9)。结果发现，与普通水基泡沫相比，冻胶泡沫外壁较厚，泡沫壁的液体析出速度较慢，形状保持球形，其外壁上存在褶皱是交联产生的冻胶骨架，可起到高温下稳定泡沫的作用。

图9 普通泡沫与冻胶泡沫形态

水基泡沫可观测到交织的晶状结构，为起泡剂和高矿化度下析出的NaCl相互缠绕组成，结构连接散乱；而冻胶泡沫的液膜形成网状冻胶结构，结构较为连续，具有较好的强度和刚性，有效增强了泡沫液壁强度和稳定性，从而强化冻胶泡沫耐温耐盐性能。

2.7 泡沫冻胶封堵性能

以0.6 mL/min的速率水驱测试岩心渗透率，记录平衡压差。以气液体积比3∶1，向不同渗透率的岩心中注入1.2 PV冻胶泡沫，在150 ℃下老化24 h,使冻胶泡沫成胶，然后继续水驱，记录压差，计算体系的封堵率。岩心物性参数和不同渗透率岩心的封堵结果见表3、表4和图10。

表3 岩心物性参数表

表4 不同岩心渗透率下冻胶泡沫封堵率

由表3、表4和图10可见，该冻胶泡沫体系体系的封堵性能具有一定的选择性，当渗透率小于100 mD时，冻胶泡沫难以注入，无法起到封堵作用；随岩心渗透率的升高，冻胶泡沫封堵能力先增大后减小，对于渗透率为1 000 mD的高渗岩心，注入该冻胶泡沫体系，其封堵率可达99.92%，水驱7 PV后封堵压仍能保持4 MPa以上，具有优良的封堵性能；当岩心渗透率继续升高时，冻胶泡沫的封堵能力将会下降，但仍高于低渗岩心。