賴南君，袁琳，杜朝峰，李文宏，唐雷，聞一平，張亞紅

(1.西南石油大學(xué)，四川 成都 610500；2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710018；3.中國石油長慶油田分公司勘探開發(fā)研究院，陜西 西安 710018)

我國日益增長的原油進(jìn)口依存度使得解決原油的增產(chǎn)問題已迫在眉睫。目前，注水開發(fā)依然是各油田最主要的開發(fā)方式[1-4]。然而，由于天然的地質(zhì)沉積[5]及人工開發(fā)[6](包括注水、酸化壓裂等)致使儲(chǔ)層出現(xiàn)裂縫，加之水相黏度低于油相黏度等因素存在，使得油井出現(xiàn)見水過早、采出液含水較高、水竄頻發(fā)等問題，嚴(yán)重阻礙了各油田增產(chǎn)效果。

大量研究表明，通過注入封竄體系來改善注水增產(chǎn)效果是行之有效的。常見的封竄體系包括顆粒類[7-8]、凝膠類[9-13]、泡沫類[14-15]等。李志華等[16]研究了不同粒徑范圍內(nèi)的硅酸鹽顆粒的封堵情況并開展現(xiàn)場應(yīng)用，結(jié)果表明硅酸鹽顆粒堵劑能有效控制常規(guī)油井含水上升及改善產(chǎn)液剖面。王桂珠等[17]研制出一種新型復(fù)合凝膠堵劑，該新型堵劑封堵率可達(dá)97%以上。張杰[18]通過將栲膠與泡沫復(fù)配得到一種新型泡沫體系，并進(jìn)行室內(nèi)驅(qū)替實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場應(yīng)用，結(jié)果表明該體系對(duì)改善剖面和封堵汽竄都有著較好效果。然而，由于國內(nèi)開采力度持續(xù)增加，致使開發(fā)重點(diǎn)逐漸向高溫高鹽等地質(zhì)條件惡劣的油藏延伸。針對(duì)上述油藏，本文提出采用泡沫凝膠復(fù)合封竄體系進(jìn)行封堵。

泡沫體系是一種表觀黏度很高的流體，具有優(yōu)異的流度控制能力，并且由于泡沫“堵水不堵油”的特性，使其具有很好的洗油能力[19]；凝膠體系是通過聚合物與交聯(lián)劑反應(yīng)生成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而對(duì)高滲透層進(jìn)行有效封堵，促使后續(xù)驅(qū)替液轉(zhuǎn)向更多未波及區(qū)域，提高原油采收率。泡沫凝膠體系則是結(jié)合泡沫與凝膠的新型封堵劑，具有泡沫與凝膠雙重優(yōu)勢[20]。本文以起泡劑與凝膠為封竄主劑，通過評(píng)價(jià)起泡性能、成膠性能對(duì)體系進(jìn)行優(yōu)選，同時(shí)對(duì)泡沫凝膠體系進(jìn)行微觀表征及室內(nèi)物模試驗(yàn)，為泡沫凝膠體系在高溫高鹽油藏的現(xiàn)場應(yīng)用提供理論依據(jù)及指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

AP-P3，相對(duì)分子質(zhì)量為(1～1.5)×106，固含量88.0%，粉狀，工業(yè)品，水不溶物含量為0.2%，四川光亞科技股份有限公司；酚醛交聯(lián)劑，實(shí)驗(yàn)室自制；氯化鈉(NaCl)、氯化鈣(CaCl2)、氯化鎂(MgCl2)、氯化鋇(BaCl2)、碳酸氫鈉(NaHCO3)、十二烷基硫酸鈉(SDS)、十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)、α-烯烴磺酸鈉(AOS)、脂肪酸甲酯磺酸鹽(MES)、十六烷基三甲基氯化銨(CTAC)、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉(AES)、硫脲等均為分析純，成都科龍化學(xué)試劑廠；填砂管模型(尺寸為φ30 cm×2.5 cm)。

實(shí)驗(yàn)所用原油取自新疆某油田(經(jīng)脫氣、脫水處理)，25 ℃平均密度為0.949 g/cm3，50 ℃地面脫氣原油表觀黏度為3 200 mPa·s；模擬地層水組成成分見表1；本文溶液均采用表1所示模擬地層水進(jìn)行配制。

表1 模擬地層水組成

1.2 分析測試儀器

VSA2000B吳茵混調(diào)器調(diào)速器，北京探礦工程研究所；Brookfield DV-Ⅲ黏度計(jì)，美國Brookfield公司；FEI Quanta 450FEG掃描電鏡，美國FEI公司；BS200-SS型顯微鏡，臺(tái)灣博盛科研儀器公司；2PB-1040Ⅱ型平流泵(0.01～9.99 mL/min，Pmax=42 MPa)，北京衛(wèi)星制造廠；D08-8C型數(shù)字化流量積算儀(量程0～5 mL/min)，北京七星華創(chuàng)流量計(jì)有限公司；活塞容器(Pmax=15 MPa)；SG83-1型雙聯(lián)自控恒溫箱(Tmax=350 ℃)；壓力傳感器(0～10 MPa)；高壓氮?dú)?。巖心流動(dòng)實(shí)驗(yàn)流程圖見圖1。

圖1 巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)流程

1.3 凝膠體系性能的測試

聚合物用模擬地層水配制為5 000 mg/L的母液，稀釋為不同濃度后加入交聯(lián)劑配制成凝膠體系；用Brookfield DV-Ⅲ黏度計(jì)測定其初始黏度，然后放入150 ℃的烘箱中靜置成膠，通過黏度法[21]確定凝膠體系的成膠時(shí)間及成膠強(qiáng)度。

1.4 泡沫體系性能的測試

本實(shí)驗(yàn)采用常規(guī)Waring-Blende法測試泡沫體系的起泡性能，先用模擬地層水配制不同濃度的起泡劑溶液，放入150 ℃烘箱中老化48 h；取出后采用Waring-Blende攪拌器以6 000 r/min攪拌1 min；將攪拌后產(chǎn)生的泡沫倒在具塞量筒里，讀取泡沫的最大起泡體積V0，以及底部析出50 mL液體所用時(shí)間即析液半衰期t1/2，將兩者乘積作為評(píng)價(jià)泡沫體系性能的主要參數(shù)，即綜合泡沫評(píng)價(jià)指數(shù)FC[22]。

1.5 泡沫凝膠體系的配制

配制一定濃度聚合物溶液，并加入起泡劑與交聯(lián)體系，攪拌均勻后置于Waring-Blende攪拌器中剪切成泡沫，倒入具塞量筒里，放入150 ℃烘箱里觀察成膠情況。

1.6 泡沫凝膠體系微觀形貌測試

本實(shí)驗(yàn)采用FEI Quanta 450FEG環(huán)境掃描電子顯微鏡觀察泡沫體系和泡沫凝膠體系的微觀形貌。采用Waring-Blende法產(chǎn)生泡沫，為盡可能保證泡沫的形貌，將產(chǎn)生的泡沫迅速用液氮冷凍干燥4 h后進(jìn)行觀察。

1.7 室內(nèi)驅(qū)替實(shí)驗(yàn)

1.7.1 封堵實(shí)驗(yàn)

1)測量填砂管干重，設(shè)置注入流速為0.5 mL/min進(jìn)行飽和模擬地層水至壓力穩(wěn)定，測量填砂管濕重，并計(jì)算孔隙體積、滲透率；2)設(shè)置氮?dú)庾⑷肓魉贋?.7 mL/min，泡沫凝膠基液注入流速為0.3 mL/min，共注入0.5 PV泡沫凝膠體系；3)將填砂管置于150 ℃烘箱48 h后，以0.5 mL/min的注入流速進(jìn)行后續(xù)水驅(qū)，計(jì)算封堵率。

1.7.2 剖面改善實(shí)驗(yàn)

1)并聯(lián)兩根高、低滲透填砂管，重復(fù)封堵實(shí)驗(yàn)前兩步；2)將填砂管置于150 ℃烘箱48 h后，再以0.5 mL/min恒定流速進(jìn)行后續(xù)水驅(qū)，并間隔相同時(shí)間記錄高、低滲巖心的出液量，計(jì)算分流率。

1.7.3 驅(qū)油實(shí)驗(yàn)

1)重復(fù)封堵實(shí)驗(yàn)第一步；2)以恒定流速0.5 mL/min向填砂管飽和原油后，計(jì)算含油飽和度；3)以恒定流速0.5 mL/min對(duì)填砂管進(jìn)行水驅(qū)至含水率98%，計(jì)算水驅(qū)采收率；4)再以恒定流速0.5 mL/min向填砂管中注入不同注入體積泡沫凝膠體系；5)以恒定流速0.5 mL/min進(jìn)行后續(xù)水驅(qū)，直至出口端含水率98%，計(jì)算后續(xù)水驅(qū)采收率。

2 結(jié)果與討論

2.1 凝膠體系與泡沫體系性能測試

2.1.1 凝膠體系成膠性能分析

不同濃度凝膠體系成膠情況見表2。隨著聚合物AP-P3濃度的增加，凝膠體系的成膠時(shí)間逐步縮短，成膠強(qiáng)度則持續(xù)增加。凝膠體系交聯(lián)主要是通過AP-P3提供的酰胺基與酚醛交聯(lián)劑提供的多羥基間苯二酚發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，形成凝膠。當(dāng)聚合物濃度增加時(shí)，酰胺基含量隨之增加，說明提供反應(yīng)的交聯(lián)位點(diǎn)也在增加，因此凝膠體系成膠強(qiáng)度增加。同時(shí)，AP-P3與酚醛交聯(lián)劑濃度的增加，使得酰胺基與多羥基間苯二酚接觸的幾率變大，致使成膠速率增加，成膠時(shí)間縮短。此外，當(dāng)AP-P3濃度大于3 000 mg/L時(shí)，凝膠體系成膠強(qiáng)度已大于20 000 mPa·s，并且凝膠體系成膠強(qiáng)度增加幅度變緩。因此，綜合凝膠體系成膠時(shí)間、成膠強(qiáng)度以及聚合物成本等各方面因素考慮，本實(shí)驗(yàn)選用AP-P3濃度為3 000 mg/L的凝膠體系進(jìn)行下一步研究。

表2 不同濃度凝膠配方

2.1.2 泡沫體系起泡性能分析

不同起泡劑起泡性能如圖2所示。起泡性能包括泡沫體系的起泡能力與穩(wěn)泡能力，本實(shí)驗(yàn)中通過測量各起泡劑的起泡體積與析液半衰期，并以二者乘積所得值作為評(píng)價(jià)起泡劑起泡性能的宏觀指標(biāo)。由圖2a可以看出，隨著起泡劑濃度的增加，泡沫體系的起泡體積先急劇上升，后在某一濃度趨于平穩(wěn)或略有下降。其中，MES起泡能力最差，其余5種則沒有明顯差距。由圖2b可以看出，6種起泡劑的穩(wěn)泡趨勢與起泡趨勢基本一致，都是先上升后趨于平穩(wěn)。6種起泡劑穩(wěn)泡能力分別是AOS>SDS>SDBS>MES>AES>CTAC。結(jié)合圖2c可以看出，AOS綜合泡沫評(píng)價(jià)指數(shù)最高。此外，在濃度大于2 000 mg/L時(shí)，起泡性能受濃度影響較小。因此，將2 000 mg/L的AOS作為泡沫凝膠體系的起泡劑進(jìn)行下一步研究。

2.2 泡沫凝膠體系微觀形貌分析

采用顯微鏡觀察不同時(shí)間下泡沫體系和泡沫凝膠體系的形貌，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3。對(duì)比泡沫體系與泡沫凝膠體系0 min時(shí)的圖片(圖3a、圖3d)可知，泡沫體系均勻且密集，尺寸較小，而泡沫凝膠體系生成的泡沫不均勻，尺寸較大，由此可知，凝膠的引入對(duì)泡沫起泡能力產(chǎn)生了不利影響。眾所周知，泡沫的形成主要是表面活性劑分子在氣/液界面的吸附，而泡沫凝膠體系所用主劑AP-P3是疏水締合聚合物，當(dāng)兩者混合時(shí)，AP-P3便會(huì)占據(jù)一部分氣/液界面的吸附位點(diǎn)，從而導(dǎo)致泡沫凝膠體系的起泡能力下降。

泡沫的衰變過程主要包括泡沫的析液、粗化、聚并。對(duì)比泡沫體系30 min與泡沫凝膠體系2 h顯微鏡圖片(圖3c、圖3f)可知，同一視野范圍內(nèi)，泡沫體系尺寸迅速變大，數(shù)量急劇減少，而泡沫凝膠體系則沒有太大變化。并且泡沫體系氣泡形狀由最初的球形逐漸變?yōu)槎嗝骟w型，在這種形狀下泡沫液膜變得越來越薄，也越來越容易破裂。而泡沫凝膠體系則在經(jīng)過2 h衰變后，氣泡依然維持較好的球形，不易破裂。對(duì)比兩種體系可知，泡沫體系的液相是水相，而泡沫凝膠體系的液相則變?yōu)槟z相，極大地增加液相黏度，相較于一般聚合物泡沫可以更進(jìn)一步降低泡沫的析液速率，使泡沫更加穩(wěn)定。此外，通過拉普拉斯方程[23]可以知道(見式1)，小氣泡內(nèi)的壓力要高于大氣泡內(nèi)的壓力，形成的拉普拉斯壓差是泡沫發(fā)生粗化的推動(dòng)力，促使小氣泡向大氣泡擴(kuò)散。從圖中可以看出泡沫凝膠體系的液膜更厚，極大程度地阻礙了氣泡間傳質(zhì)，控制泡沫的粗化速率，進(jìn)而穩(wěn)定泡沫液膜并維持在較大的厚度[24]。

(1)

圖2 不同起泡劑的起泡性能

圖3 泡沫體系與泡沫凝膠體系的顯微鏡圖

ESEM環(huán)境掃描電子顯微鏡結(jié)果見圖4，測試精度為100 μm，放大倍數(shù)1 000倍。其中，圖4a是泡沫體系的微觀形貌，可以看出，泡沫體系在經(jīng)液氮冷凍干燥后依然可以觀察到一部分泡沫未破裂，其結(jié)構(gòu)與顯微鏡觀察的泡沫結(jié)構(gòu)基本一致，生成的泡沫皆是單層泡沫，且尺寸不均，形狀多為多邊形。此外，還可以看出泡沫間液膜非常薄，厚度基本維持在0.5～2.0 μm，平均液膜厚度在1.3 μm左右，多個(gè)氣泡之間形成的主體骨架較為脆弱，導(dǎo)致泡沫穩(wěn)定性較差；圖4b是泡沫凝膠體系的微觀形貌，可以看出，冷凍干燥后泡沫破裂留下多個(gè)孔洞結(jié)構(gòu)，多個(gè)孔洞之間的主體骨架似撐開的薄膜，這是凝膠成膠后形成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)組成的泡沫“保護(hù)膜”，泡沫凝膠體系液膜厚度基本維持在70～120 μm，平均液膜厚度在100 μm左右，多個(gè)氣泡之間形成的骨架較為粗壯，更大程度地減緩泡沫析液速率。同時(shí)，泡沫凝膠體系形成的多層層狀結(jié)構(gòu)也阻礙泡沫的析液過程，使得泡沫的穩(wěn)定性得以大幅提高。在多孔介質(zhì)中運(yùn)移時(shí)，泡沫凝膠體系黏度逐漸增加，形成黏彈性外殼，改善水在泡沫液膜上的流動(dòng)性并降低泡沫析液速率，從而增強(qiáng)泡沫穩(wěn)定性[25]。成膠后，交聯(lián)反應(yīng)形成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)將氣泡圈閉在內(nèi)，形成高強(qiáng)度泡沫，能有效封堵高滲透儲(chǔ)層。并且在氣泡破裂后，釋放出的氣體能增加地層能量，同時(shí)剩余的凝膠依然具有較高的黏度，能確保較高的封堵能力。

圖4 泡沫體系與泡沫凝膠體系的ESEM圖

2.3 泡沫凝膠體系巖心流動(dòng)實(shí)驗(yàn)

2.3.1 封堵能力研究

封堵率(式2)大小能夠直接反映泡沫凝膠體系的封堵能力，是評(píng)價(jià)其性能好壞的重要指標(biāo)之一。封堵率越大，則封堵能力越強(qiáng)，性能越好；封堵率越小，則封堵能力越弱，性能越差。

(2)

式中，K1為注入調(diào)堵劑前多孔介質(zhì)的滲透率，10-3μm2；K2為注入調(diào)堵劑后多孔介質(zhì)的滲透率，10-3μm2。

2.3.1.1 注入體積對(duì)封堵能力的影響

在保持泡沫凝膠體系注入速度不變的條件下，通過改變體系注入體積研究對(duì)封堵能力的影響，如表3所示。泡沫凝膠體系對(duì)巖心的封堵能力隨注入體積增大而增大，且注入0.5 PV泡沫凝膠體系后封堵率可達(dá)97.35%。

表3 不同注入體積對(duì)泡沫凝膠體系封堵能力影響

2.3.1.2 滲透率對(duì)封堵能力的影響

通過改變滲透率研究泡沫凝膠體系對(duì)封堵能力的影響，如表4所示。當(dāng)滲透率為3 000×10-3μm2時(shí)，封堵率可達(dá)90.21%；當(dāng)滲透率為500×10-3μm2時(shí)，封堵率為98.43%，說明對(duì)于滲透率越低的地層，泡沫凝膠體系的封堵性能越好。

表4 不同巖心滲透率對(duì)泡沫凝膠體系封堵能力影響

2.3.2 剖面改善能力研究

實(shí)際油藏是由滲透率不同的油層組成的，而單巖心的封堵實(shí)驗(yàn)只能說明泡沫凝膠體系在單一地層中的封堵能力，為了說明泡沫凝膠體系對(duì)不同滲透率層狀的分流作用，即在不同滲透率地層中的選擇性封堵能力，可以用并聯(lián)巖心調(diào)驅(qū)劑實(shí)驗(yàn)來模擬，并以剖面改善率(η)來定量描述：

(3)

式中，Qhb，Qlb為注入泡沫凝膠體系前高、低滲透層吸水量，mL；Qha，Qla為注入泡沫凝膠體系后高、低滲透層吸水量，mL。

泡沫凝膠體系對(duì)不同滲透率級(jí)差地層的分流曲線見圖5。

表5 不同滲透率級(jí)差對(duì)泡沫凝膠體系剖面改善率的影響

表6 泡沫凝膠體系提高采收率能力

圖5 泡沫凝膠體系在不同滲透率級(jí)差下的分流曲線

在注入泡沫凝膠體系后，高低滲透率巖心的吸水能力得到了很好的改善。當(dāng)滲透率級(jí)差3時(shí)，剖面改善率為72.19%；當(dāng)滲透率級(jí)差為7時(shí)，剖面改善率已大于90%，說明滲透率級(jí)差越大，泡沫凝膠體系剖面改善能力越強(qiáng)。這是由于巖心經(jīng)過泡沫凝膠處理后，進(jìn)入高滲透層的體系的量越多，滲透率下降幅度越大，從而使高滲層的吸水量得到改善。

2.3.3 提高采收率能力研究

通過改變泡沫凝膠體系注入體積研究對(duì)提高采收率能力的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖6。當(dāng)泡沫凝膠體系注入體積達(dá)0.3 PV時(shí)，可提高采收率13.68%，并且，隨著注入體積的增加，泡沫凝膠體系提高采收率能力也呈上升趨勢，當(dāng)注入體積達(dá)0.7 PV時(shí)，提高采收率可達(dá)18.22%。

圖6 泡沫凝膠體系在不同注入體積下提高采收率能力

3 結(jié) 論

a.通過實(shí)驗(yàn)最終確定泡沫凝膠體系的配方為：AP-P3濃度為3 000 mg/L、酚醛交聯(lián)劑濃度為1 875 mg/L、硫脲的濃度為250 mg/L、AOS的濃度為2 000 mg/L。

b.對(duì)比泡沫體系與泡沫凝膠體系在顯微鏡下變化情況可知，泡沫體系生成的氣泡尺寸小且均勻，穩(wěn)定性較差；泡沫凝膠體系生成的氣泡尺寸較大且不均勻，穩(wěn)定性好。結(jié)合兩種體系微觀形貌可知，泡沫凝膠體系成膠后在氣泡表面覆蓋著一層凝膠，增加了液膜的厚度，同時(shí)增加了液相黏度，從而減緩了泡沫的析液速率，提高了泡沫的穩(wěn)定性。

c.封堵實(shí)驗(yàn)表明泡沫凝膠體系在滲透率為500×10-3μm2左右及較高注入體積時(shí)具有較好的封堵能力，封堵率最高可達(dá)97.43%；剖面改善實(shí)驗(yàn)表明泡沫凝膠體系能夠有效改善吸液剖面，封堵高滲、啟動(dòng)低滲，并且滲透率級(jí)差越大，剖面改善能力越好；驅(qū)油實(shí)驗(yàn)表明泡沫凝膠體系具有較好的提高采收率能力，當(dāng)注入體積達(dá)0.5 PV時(shí)，提高采收率可達(dá)16%以上。