章 楊，宋 鶴，李德祥，張 亮，楊昌華，2，李向良，任韶然

(1.中國(guó)石油大學(xué)石油工程學(xué)院，山東青島 266580;2.中國(guó)石化中原油田采油工程技術(shù)研究院，河南濮陽(yáng) 457001;3.中國(guó)石化勝利油田地質(zhì)科學(xué)研究院，山東東營(yíng) 257015)

注CO2泡沫可以在非均質(zhì)油藏中實(shí)現(xiàn)CO2驅(qū)的流度控制和封堵作用，減弱氣竄和黏性指進(jìn)現(xiàn)象［1-7］。CO2水溶液呈酸性且CO2本身具有較好的水溶性和油溶性，所以常用起泡劑形成的CO2泡沫不如氮?dú)夂涂諝馀菽€(wěn)定。非離子表面活性劑(如烷基酚聚氧乙烯醚)具有不電離、耐電解質(zhì)、對(duì)pH值不敏感、親水基聚氧乙烯基水溶性強(qiáng)、界面活性高和結(jié)構(gòu)柔順等優(yōu)點(diǎn)［8-13］。筆者針對(duì)壬基酚聚氧乙烯醚系列起泡劑在不同條件下產(chǎn)生的CO2泡沫性能進(jìn)行研究，分析表面活性劑結(jié)構(gòu)和油藏條件對(duì)CO2泡沫性能的影響，為CO2泡沫驅(qū)用起泡劑的選用、分子設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)中所用壬基酚聚氧乙烯醚表面活性劑的結(jié)構(gòu)為

其中(聚氧乙烯基)EO聚合度n分別為7、10、15、18和21，其HLB值為12.3～16.5。濁點(diǎn)測(cè)試試驗(yàn)使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%的表面活性劑蒸餾水溶液，TX-7的水溶液呈擴(kuò)散狀。試驗(yàn)測(cè)得所用表面活性劑在蒸餾水中的濁點(diǎn)范圍如表1所示，礦化度(NaCl含量)對(duì)表活劑(N-NP-15c)濁點(diǎn)的影響見(jiàn)表2。溶液中電解質(zhì)含量增加，表活劑的濁點(diǎn)溫度降低，將對(duì)起泡劑的抗溫性能產(chǎn)生影響。

表1 表面活性劑性質(zhì)Table 1 Properties of surfactants

表2 不同礦化度條件下表面活性劑N-NP-15c濁點(diǎn)Table 2 Cloud points of N-NP-15c with different salinities

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 高溫高壓條件下CO2泡沫性能測(cè)試

高溫高壓條件下CO2泡沫性能測(cè)試裝置如圖1所示。該試驗(yàn)裝置主要由高壓可視化泡沫儀、控制箱(溫度控制和攪拌控制)、起泡劑注入系統(tǒng)、氣體注入系統(tǒng)和清洗系統(tǒng)組成。裝置的核心是高壓可視化泡沫儀(內(nèi)徑60 mm，高度427 mm，有效容積1200 mL的圓柱形容器)，工作壓力20 MPa，溫度150℃。泡沫儀內(nèi)裝有一個(gè)高壓電磁耦合攪拌器。容器前后端各有3個(gè)高壓可視化窗口用于觀察產(chǎn)生泡沫的狀態(tài)。

試驗(yàn)步驟如下:

圖1 高壓攪拌可視化CO2泡沫性能測(cè)試試驗(yàn)裝置Fig.1 High pressure visualization experimental device for testing CO2foam performance

(1)向泡沫儀內(nèi)泵入一定量起泡劑溶液;

(2)向泡沫儀內(nèi)充入一定量CO2氣體;

(3)加熱至試驗(yàn)溫度后，充入CO2至預(yù)定壓力;

(4)高速(1000 r/min)攪拌2 min，記錄初始泡沫高度，測(cè)試泡沫半衰期;

(5)在不同溫度和壓力下重復(fù)試驗(yàn)。

評(píng)價(jià)起泡劑所產(chǎn)生泡沫性能的指標(biāo)包括起泡體積(起泡劑的發(fā)泡能力)和半衰期(起泡劑所產(chǎn)生泡沫的穩(wěn)定性)，為了綜合評(píng)價(jià)起泡劑所產(chǎn)生泡沫的性能，定義泡沫綜合性能指數(shù)為

式中，F(xiàn)z為泡沫綜合性能指數(shù)，mL·min;V為起泡體積，mL;t為泡沫破滅半衰期，min。

1.2.2 CO2泡沫封堵能力和流度測(cè)試(驅(qū)替)

高溫高壓條件下CO2泡沫封堵能力和流度測(cè)試裝置如圖2所示。該試驗(yàn)裝置主要由填砂管(或巖心)模型、流體注入系統(tǒng)、恒溫系統(tǒng)、回壓系統(tǒng)和溫度壓力測(cè)試系統(tǒng)組成。

圖2 CO2泡沫流度控制和封堵能力測(cè)試試驗(yàn)裝置Fig.2 Experimental device for CO2foam mobility control and shut-off capacity test

試驗(yàn)步驟如下:

(1)利用不同粒度的石英砂填制填砂管;

(2)抽真空飽和鹽水，測(cè)量吸入水體積，計(jì)算孔隙度;

(3)地層水驅(qū)替，測(cè)量填砂管滲透率;

(4)高溫高壓飽和地層水;

(5)交替/混合注入起泡劑溶液和CO2段塞進(jìn)行驅(qū)替，測(cè)量填砂管前后端壓力。

評(píng)價(jià)CO2泡沫的封堵能力和流度的指標(biāo)主要采用計(jì)算的阻力因子Z，其定義式為

式中，Δpfoam為注泡沫過(guò)程中填砂管前后端壓差，MPa;Δpwater為注水過(guò)程中填砂管前后端壓差，MPa。

研究不同因素對(duì)表面活性劑產(chǎn)生CO2泡沫性能的影響，設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案如表3所示。

表3 試驗(yàn)方案Table 3 Experimental scheme

2 試驗(yàn)結(jié)果討論

2.1 EO聚合度對(duì)起泡劑性能的影響

對(duì)表1所列的5種起泡劑分別進(jìn)行CO2泡沫性能測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。結(jié)果表明，隨著EO聚合度的增大，CO2泡沫的起泡體積和半衰期均有增大的趨勢(shì)，泡沫綜合性能指數(shù)則明顯增大。這是由于EO基團(tuán)是親水性基團(tuán)，隨著EO聚合度的增大，表面活性劑親水性增強(qiáng)。同時(shí)，EO聚合度的增大使表面活性劑分子在界面上吸附時(shí)的獨(dú)占面積增大，分子的表面覆蓋度增大，臨界膠束濃度時(shí)的表面張力降低。由于泡沫屬于熱力學(xué)不穩(wěn)定體系，表面張力降低使泡沫體系具有更低的表面能，有利于泡沫穩(wěn)定。當(dāng)表面活性劑分子中疏水基團(tuán)相同時(shí)，隨著EO聚合度的增大，分子中的EO基團(tuán)與周圍水分子形成水化層的體積增大，泡沫之間液膜的水化層斥力增強(qiáng)，液膜的排液速率降低，延緩了泡沫液膜的破裂過(guò)程。同時(shí)，EO聚合度的增大增強(qiáng)了表面活性劑分子間的作用力，使液膜表面分子排布更加緊密，液膜強(qiáng)度增大，泡沫的穩(wěn)定性能提高［8，14-15］。

圖3 EO聚合度對(duì)CO2泡沫性能的影響Fig.3 Effect of EO numbers on CO2foam performance

2.2 礦化度的影響

對(duì)起泡劑N-NP-15c進(jìn)行不同礦化度條件下的CO2泡沫性能測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。隨著礦化度的提高，所產(chǎn)生泡沫的起泡體積降低，這是由于金屬離子(Na+)難以與EO基團(tuán)形成絡(luò)合物，卻能與非離子表面活性劑的極性基爭(zhēng)奪水分子，使?jié)狳c(diǎn)和表面活性劑在水溶液中的溶解度降低［14］，導(dǎo)致所產(chǎn)生泡沫的體積降低;非離子表面活性劑在水溶液中不電離，所以礦化度對(duì)所產(chǎn)生泡沫的半衰期影響不大，泡沫綜合性能指數(shù)的變化趨勢(shì)主要受起泡體積的影響。

圖4 礦化度對(duì)CO2泡沫性能的影響Fig.4 Effect of salinity on CO2foam performance

2.3 壓力對(duì)CO2泡沫穩(wěn)定性的影響

對(duì)起泡劑N-NP-15c進(jìn)行不同壓力條件下的CO2泡沫性能測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。隨壓力增大，所產(chǎn)生CO2泡沫的起泡體積變化不大或在高壓下略有上升，但半衰期明顯降低。這是由于對(duì)烷基酚聚氧乙烯醚類表面活性劑而言，壓力升高，CO2密度增大，吸附在CO2/水界面上的表面活性劑的疏水基團(tuán)與CO2的相互作用增強(qiáng)(即親和力增大)，在水相不變的情況下，表面活性劑分子從水相中逃逸的趨勢(shì)變大，破壞了原有表面活性劑親水/親CO2的平衡，使表面活性劑分子在界面膜上的分布變得疏松，降低了膜的強(qiáng)度，導(dǎo)致泡沫穩(wěn)定性降低。在這種情況下泡沫綜合性能指數(shù)和泡沫穩(wěn)定性主要受半衰期影響。

2.4 溫度對(duì)CO2泡沫性能的影響

對(duì)5種起泡劑在不同溫度下的CO2泡沫性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖6所示。由圖6可以看出:在試驗(yàn)溫度40～70℃，隨著溫度的升高，起泡劑產(chǎn)生泡沫的起泡體積和半衰期均降低。這是由于隨著溫度的升高，包圍氣體的泡沫液膜蒸發(fā)加劇，加速了液膜破裂過(guò)程;溫度升高還會(huì)使液膜表面黏度和表面彈性降低，液膜的強(qiáng)度下降，排液速率加快，最終導(dǎo)致所產(chǎn)生CO2泡沫的性能下降［16］。溫度是影響試驗(yàn)所用表面活性劑泡沫穩(wěn)定性的主要因素，但隨著EO聚合度增加，表面活性劑的抗溫性能增強(qiáng)，因而增加此類表面活性劑的親水基團(tuán)的親水能力可以提高表面活性劑的抗溫性能，如引入磺化基團(tuán)或多羥基基團(tuán)等。

2.5 CO2泡沫驅(qū)替試驗(yàn)結(jié)果

選取N-NP-15c和N-NP-21c兩種起泡劑進(jìn)行不同溫度下的CO2泡沫填砂管驅(qū)替試驗(yàn)，研究泡沫的封堵能力和流度控制能力，并與泡沫儀的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行相關(guān)性對(duì)比。試驗(yàn)條件為:填砂管長(zhǎng)60 cm，內(nèi)徑2.5 cm，回壓15 MPa，鹽水礦化度100 g/L(其中Na+和 Cl－為 98 g/L，Ca2+為 2 g/L)，起泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5%，填砂管孔隙度為28% ～35%，滲透率(191～223)×10－3μm2，注入方式為0.15VP起泡劑溶液段塞與CO2段塞交替注入，共注入8個(gè)段塞，流體注入速度為0.4 mL/min。試驗(yàn)獲得的阻力因子隨流體注入孔隙體積倍數(shù)的變化關(guān)系如圖7所示。隨著起泡劑溶液段塞與CO2段塞的交替注入，阻力因子不斷升高，這是由于起泡劑溶液與CO2在孔隙介質(zhì)中形成了泡沫，泡沫所產(chǎn)生的賈敏效應(yīng)增大了流體通過(guò)孔喉的阻力，增大了驅(qū)替壓差。同時(shí)可以看出:由于起泡劑N-NP-21c比N-NP-15c所產(chǎn)生泡沫性能更好，在相同溫度條件下起泡劑N-NP-21c驅(qū)替時(shí)所產(chǎn)生的阻力因子要大于N-NP-15c驅(qū)替時(shí)所產(chǎn)生的阻力因子，高溫條件下泡沫性能較差，70℃兩種起泡劑所產(chǎn)生的阻力因子(最大為4)均遠(yuǎn)小于40℃條件下所產(chǎn)生的阻力因子(最大為60)。

驅(qū)替試驗(yàn)結(jié)果表明，CO2泡沫封堵能力測(cè)試的起泡劑所產(chǎn)生阻力因子數(shù)據(jù)與高溫高壓條件下泡沫性能測(cè)試結(jié)果具有較好的一致性，其中泡沫的半衰期(穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo))與驅(qū)替試驗(yàn)測(cè)試的阻力因子(封堵和流度控制能力評(píng)價(jià)指標(biāo))的相關(guān)性更強(qiáng)。

圖7 40℃及70℃條件下CO2泡沫阻力因子隨流體注入孔隙體積倍數(shù)的變化Fig.7 Variation of CO2foam resistance factors with injection pore volume times at 40℃and 70℃

3 結(jié)論

(1)高壓條件下，對(duì)于壬基酚聚氧乙烯醚系列非離子表面活性劑，隨著表面活性劑分子結(jié)構(gòu)中EO聚合度的增大，所產(chǎn)生的CO2泡沫起泡體積、半衰期和泡沫綜合性能指數(shù)均增大。

(2)隨著礦化度提高，CO2泡沫的起泡體積降低，但泡沫穩(wěn)定性受礦化度影響較小，即泡沫的半衰期變化不大。隨著壓力增大，液膜強(qiáng)度降低，泡沫穩(wěn)定性下降。

(3)溫度升高，泡沫液膜蒸發(fā)加劇，液膜黏度和彈性下降，液膜強(qiáng)度下降，CO2泡沫半衰期或穩(wěn)定性下降。隨著EO聚合度增加，表面活性劑的抗溫性能增強(qiáng)，因而增加非離子表面活性劑的親水基團(tuán)的親水能力可以提高表面活性劑的抗溫性能。在設(shè)計(jì)CO2泡沫起泡劑時(shí)選用親水性更強(qiáng)的基團(tuán)可提高CO2泡沫性能。

(4)相同溫度條件下，注入EO聚合度較大的起泡劑N-NP-21c比N-NP-15c產(chǎn)生的阻力因子大;對(duì)于同一種起泡劑，高溫條件下產(chǎn)生的阻力因子小于低溫條件下產(chǎn)生的阻力因子，泡沫半衰期(或穩(wěn)定性)是影響泡沫的封堵和流度控制能力的主要因素。

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