二氧化碳黏弹性泡沫驱体系的优化*

董 越，周 明，高振东，郭 肖，董海波，李林凯，王振宇

（1.延长油田股份有限公司，陕西延安 716000；2.油气藏地质及开发工程国家重点实验室，西南石油大学，四川成都 610500；3.西南石油大学新能源与材料学院，四川成都 610500）

0 前言

低渗透油藏普遍具有“低孔、低渗、低产”的特征，常规的注水、注气方法能改善低渗透油藏的开发效果，但是在开发中后期易出现“注不进”、水窜或气窜、注入流体波及效率低等现象，导致低渗透油藏动用程度低，采收率低［1-2］。泡沫驱通过改善流度比、降低油水界面张力提高洗油效率和增加地层能量，同时降低启动压力和注水压力，提高混合流体的渗流能力，从而提高低渗透油藏的采收率。泡沫具有调剖、驱油作用的主要原因在于泡沫在多孔介质内的渗流特性，即泡沫堵大不堵小及堵水不堵油，因而泡沫可在高、低渗透率岩心中均匀推进。同时，泡沫还具有一定的降低界面张力的作用，因而泡沫具有提高采收率的作用［3］。延长特低渗油藏的普通水驱效果不佳，而聚合物可能会由于孔径过小而无法注进，故考虑采用泡沫驱［4-11］。

近年来，由于氮气来源广泛且制备方法趋于成熟，氮气泡沫驱被成功应用并取得良好效果［12-13］。空气泡沫驱在中高渗透油田的实施技术已相对成熟，但是空气中氧气的存在会诱发许多风险因素，如爆炸、燃烧、腐蚀等，可能会造成巨大的经济损失和油井事故［14］。随着能源需求的增长和全球变暖加剧，二氧化碳驱提高采收率技术越来越受关注，二氧化碳泡沫驱将地质二氧化碳的储存和提高采收率结合起来［15］。在驱油过程中，二氧化碳泡沫破灭后，其气相能与原油多次接触达到混相，降低原油黏度，提高采收率［16］。泡沫的稳定性对于提高最终采收率至关重要，但原油与泡沫之间的相互作用使泡沫不稳定，降低了泡沫的驱油效率。通常通过添加聚合物来提高泡沫稳定性，但二氧化碳泡沫溶于水呈酸性，会导致聚合物溶液黏度下降。本文针对低渗透油藏水、气驱效果不理想，聚合物较难注进的问题，在无聚合物、无碱条件下，通过筛选起泡剂、助起泡剂、稳定剂和络合剂，制备了一种具有良好耐盐性的含有蠕虫状胶束的二氧化碳黏弹性泡沫驱体系，研究了其在高矿化度下的起泡性能以及形成蠕虫状胶束情况。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

月桂酰胺基丙基甜菜碱（UCAB），有效含量30%，深圳星业科技有限公司；十二烷基硫酸钠（SDS，有效含量≥85%）、三乙醇胺（有效含量≥99%）、乙二胺四乙酸（EDTA，有效含量≥99%），成都市科龙化工试剂厂。实验用水为模拟地层水，矿化度为60 546 mg/L，主要离子质量浓度（单位mg/L）：Na+11 286、K+5 226、Ca2+4 207、Mg2+3 276、Cl-35 307，HCO3-1 244；CO2气体，成都市新都金能达气体有限公司。

FCM-5000W 型金相显微镜，济南五星测试仪器有限公司；Brookfield II 黏度计，美国博勒飞有限公司；RS600型流变仪，德国Haake公司。

1.2 实验方法

（1）泡沫溶液的制备

将模拟地层水加入装有搅拌器的500 mL 的烧杯中，然后边搅拌边缓慢加入一定量的稳定剂和络合剂，待分散均匀后加入一定量的助起泡剂和主起泡剂，在稳定剂、络合剂和起泡剂完全溶解后停止搅拌，即得泡沫溶液。

（2）泡沫性能的测定

在设定温度下，将200 mL的泡沫溶液加入恒速搅拌器中，然后通入CO21 min，在6000 r/min的转速下搅拌1 min，即得泡沫。将得到的白色泡沫快速倒入1000 mL 的量筒中，记录最初的泡沫体积（Vmax）；当泡沫体积减少至初始泡沫体积的一半时，记录半衰期t1/2。

泡沫的综合指数（IFC）可反映一般泡沫的发泡能力和泡沫稳定性，但还不能表达黏弹性二氧化碳泡沫的性能。为简单起见，将来的原IFC计算公式进行改进，增加了泡沫视黏度ν，确定了一个改进的泡沫复合指数（IFCV）计算公式：

（3）泡沫微观形貌观察

采用矿化度为65 541 mg/L 的模拟地层水配制0.25% UCAB+0.20% SDS+0.09%三乙醇胺+0.08%EDTA 的泡沫溶液，在45 ℃下通入CO21 min，在6000 r/min 的转速下搅拌1 min，形成泡沫。在金相显微镜下观察所制备黏弹性二氧化碳泡沫的微观形貌。

（4）黏弹性的测试

采用RS600 型流变仪测定所制备泡沫体系的黏弹性。测试系统为双筒，使用转子为DG41Ti。应力扫描范围0.001～1.0 Pa，应力扫描时固定频率为1 Hz。频率扫描范围为0.01～1Hz，在应力恒定为0.1 Pa下进行。数据记录由计算机自动控制。

2 结果与讨论

2.1 黏弹性二氧化碳泡沫体系性能的影响因素

采用表面活性剂复配，能够自组装形成蠕虫状胶束溶液，带有一定黏弹性。在以往的研究中，多采用阳离子表面活性剂与反离子作用生成蠕虫状胶束溶液。在充分考虑起泡性和耐盐性的基础上，在模拟地层水矿化度（60 546 mg/L）、油藏温度（45 ℃）条件下，选用两性表面活性剂UCAB 为主表面活性剂，阴离子表面活性剂SDS 为助起泡剂，加入稳定剂和络合剂制备黏弹性泡沫溶液。在综合考虑改进泡沫复合指数IFCV和黏度的基础上优化了各组泡沫体系。

2.1.1 起泡剂用量的影响

固定SDS 用量为0.15%，不同UCAB 用量下泡沫溶液的黏度以及泡沫的起泡体积、半衰期及改进的泡沫复合指数IFCV计算结果见表1。从表1 可知，随着UCAB 用量的增大，泡沫溶液黏度逐渐增大，起泡体积逐渐降低，半衰期逐渐增加，而泡沫复合指数IFCV先增大后减小。其原因是表面活性剂自组装形成蠕虫状胶束，使溶液黏度增加，泡沫液膜变厚变强，延长了泡沫破灭的时间，因此半衰期增加，泡沫复合指数IFCV增大；泡沫溶液黏度增加到一定程度时，起泡体积过低，因此泡沫复合指数减小。当UCAB用量达到0.25%时，泡沫复合指数IFCV达到最大，为172 515 mL·min·mPa·s，故主剂UCAB用量确定为0.25%。

表1 UCAB用量对泡沫性能的影响（45 ℃，SDS用量0.15%）

2.1.2 助起泡剂用量对泡沫性能的影响

固定UCAB 用量为0.25%，不同助起泡剂SDS用量下泡沫溶液的黏度以及泡沫的起泡体积、半衰期及改进的泡沫复合指数IFCV计算结果见表2。从表2可知，随着助起泡剂SDS用量的增大，泡沫溶液的黏度增加，起泡体积减小，半衰期先增长后缩短，而泡沫的IFCV先增大后减小。其原因是表面活性剂自组装形成蠕虫状胶束，使溶液黏度增加，泡沫液膜变厚变强，延长了泡沫破灭的时间，因此半衰期增加，IFCV增大。溶液黏度增加到一定程度时，起泡体积过低，因此泡沫复合指数开始减小。当助起泡剂SDS 用量为0.2%时，IFCV达到最大，故助起泡剂SDS 用量确定为0.2%。在此条件下所产生的泡沫细腻、均匀、稳定。

表2 SDS用量对泡沫性能的影响（45 ℃，0.25%UCAB）

2.1.3 稳泡剂用量对泡沫性能的影响

向0.25% UCAB+0.20% SDS 的泡沫溶液中加入一定量的稳泡剂三乙醇胺，不同三乙醇胺用量下泡沫溶液的黏度以及泡沫的起泡体积、半衰期及改进的泡沫复合指数IFCV计算结果见表3。

表3 泡沫稳定剂三乙醇胺浓度的确定

随着三乙醇胺用量的增大，泡沫溶液黏度增大，起泡体积略微降低，半衰期延长，IFCV增大；当三乙醇胺用量为0.09%时，IFCV最大，继续增大三乙醇胺用量时，IFCV略有降低。泡沫破裂主要是由液膜排液和气泡内气体扩散共同作用的结果。泡沫在表面张力较低时更容易生成，而液膜的表面电荷、表面张力与表面黏度会影响液膜的强度。而泡沫稳定性关键取决于液膜的表面黏度。提高液膜的表面黏度，液膜就不会因为受到外界干扰而轻易破裂，这样液膜的排液速率就会减小，气泡内的气体穿透液膜的能力也会降低，最终增加了体系的稳定性。三乙醇胺是一种黏稠性液体，能够一定程度提高液膜的表面黏度，延迟了破坏液膜的时间，延长半衰期，使IFCV值增大。当泡沫溶液中三乙醇胺用量高于0.09%后，IFCV减小，主要是液膜厚度增加程度有限。泡沫溶液中三乙醇胺用量为0.09%时，稳泡性能最佳。

2.1.4 络合剂EDTA浓度对泡沫性能的影响

在0.25%UCAB+0.2%SDS+0.09%三乙醇胺的泡沫液体系中加入一定量的络合剂EDTA，不同EDTA 用量下泡沫溶液的黏度以及泡沫的起泡体积、半衰期及改进的泡沫复合指数IFCV计算结果见表4。从表4 可以看出，随着EDTA 用量的增加，泡沫溶液黏度略有增加，泡沫的起泡体积先增后减，半衰期增大；当EDTA 用量为0.08%时，IFCV达到最大，为370 272 mL·min·mPa·s。络合剂EDTA 能络合模拟地层水中的钙镁离子，而钙镁离子会影响泡沫的性能。随着EDTA 用量的增大，络合的钙镁离子增多，从而钙镁离子对泡沫性能的影响减小，故泡沫复合指数增大。当EDTA 用量为0.08%时，已经将钙镁离子络合完了，自身反而会对泡沫产生影响，IFCV会降低。

表4 EDTA用量对泡沫性能的影响

2.2 泡沫的微观形貌

黏弹性二氧化碳泡沫的微观形貌如图1 所示。从图1可知，分散相由流体（二氧化碳）成核组成，连续相由液膜组成，液膜中除水之外，还有表面活性剂和少量三乙醇胺和EDTA。三乙醇胺作为黏稠性液体存在于连续相液膜中，增强液膜的表面黏度；EDTA 络合了水相中的钙镁离子，也存在于液膜当中，EDTA 有利地屏蔽了钙镁离子对表面活性剂的作用。SDS 和UCAB 作为表面活性剂，处于连续相和分散相之间的界面上，其亲水基指向连续相液膜，而疏水基指向分散相气泡内部，即气相。二氧化碳气体作为分散相由连续相的液体包围形成气泡，大量的气泡汇聚最终形成泡沫。泡沫成不规则的六边形或五边形等多边形，表明黏弹性二氧化碳泡沫具有一般泡沫特征。另外，该泡沫还具有较高的视黏度，具有较强的界面膜，即具有聚合物基泡沫的特征。SDS 的硫酸根基团不仅可与UCAB 的季铵盐发生静电作用，而且可与反离子金属阳离子发生静电作用，同时UCAB的羧酸根阴离子也可与反离子金属阳离子静电作用。三重静电作用导致两表面活性剂自组装交替排列，形成蠕虫状胶束，如图2所示。加入过量的SDS、无机盐和升高温度，都会使蠕虫状胶束支化变短，胶束之间的缠结程度减弱，黏弹性下降。

图1 黏弹性二氧化碳泡沫的微观形貌

图2 表面活性剂自组装形成蠕虫状胶束过程

2.3 泡沫的黏弹性

在温度45 ℃下，用矿化度为65 541 mg/L的模拟地层水配制的配方为0.25%UCAB+0.20%SDS+0.09%三乙醇胺+0.08%EDTA 的泡沫溶液，通入二氧化碳形成的二氧化碳泡沫的弹性模量（G'）及黏性模量（G''）与剪切频率（ω）的变化如图3所示。从图3 可以看出，所形成的二氧化碳泡沫具有一定的黏弹性，说明自组装形成了蠕虫状胶束。随着剪切频率的增加，G'和G''均呈上升趋势。当ω＜0.066 rad/s时，G'＜G''；当ω＞0.066 rad/s 时，G'＞G''。这是因为两性表面活性剂的阳离子基团及阴离子表面活性剂的阴离子基团与反离子之间达到静电平衡，自组装形成蠕虫状胶束。在低频区胶束之间发生缠结，形成“网络结构”，此时G'＜G''；而在高频区，胶束之间“网络结构”发生解缠结，导致黏度下降，并且弹性模量大于黏性模量。

图3 CO2泡沫的弹性模量（G'）及黏性模量（G''）与剪切频率（ω）的关系

3 结论

在无聚合物、无碱条件下所筛选的最佳配方为0.25% UCAB+0.20% SDS +0.09% 三乙醇胺+0.08%EDTA的泡沫体系具有良好的起泡性和稳定性，其泡沫复合指数IFCV为370 272 mL·min·mPa·s。所形成的黏弹性CO2泡沫呈不规则的五边形或六边形等，具有一般泡沫特征。

小分子自组装形成了蠕虫状胶束的结构，该结构相互缠结和缔合，体现了聚合物的黏弹性。二氧化碳溶于水呈酸性，会使稳泡剂作用减弱，而两性表面活性剂受酸性影响较小，且在特殊盐溶液中能够自组装形成蠕虫状胶束，具有良好的黏弹性，一方面使泡沫液膜增强，延长液膜破灭时间，另一方面降低液膜排液速率，提高了泡沫体系的稳定性。