李 星

（中國石油大慶油田有限責任公司勘探開發(fā)研究院，黑龍江大慶 163712）

泡沫驅(qū)技術已成為我國東部老油田穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)的手段之一，大慶油田曾采用三元復合體系（ASP）和天然氣交替注入方式取得一定效果，但隨著化學驅(qū)的深度開發(fā)，油層滲流阻力變異系數(shù)變大于0.7 的油層大幅增加，地層滲透率雙重方向的不均衡性增強，層間非均質(zhì)性導致“單層突進”，層內(nèi)非均質(zhì)性導致“死油區(qū)”，剩余油呈不規(guī)則分布[1-3]。常規(guī)泡沫的穩(wěn)定性差且氣相易發(fā)生氣竄，嚴重影響泡沫的控水增油效果。強化泡沫（泡沫液相中加入聚合物）能增強泡沫的穩(wěn)定性，減緩泡沫的破滅速度，在調(diào)剖堵水方面有獨特的優(yōu)勢[4]，泡沫的起泡性和穩(wěn)泡性決定了泡沫的有效性。泡沫的評價方法較多，但用氣液界面擴張流變方法評價泡沫的方法很少。擴張流變的實部代表彈性模量也叫儲能模量，虛部代表黏性模量也叫擴散模量；彈性模量決定氣液界面形變和氣體擴散的主要因素，而黏性模量則是決定泡沫液膜黏性和排液速度的主要因素。本文用工業(yè)化發(fā)泡產(chǎn)品AOS 粉（α烯烴磺酸鈉）和商品穩(wěn)泡劑作為主要發(fā)泡劑，加入不同聚合物使泡沫體系的氣液界面具有比較高的界面黏彈模量，用界面流變參數(shù)篩選泡沫體系配方分析黏彈模量與半衰期的關系，并用物理模擬驅(qū)油實驗評價效果。微泡沫獨特的結(jié)構(gòu)可匹配不同尺寸的孔喉通道，形成有效封堵[5-7]，而采用微泡沫與基液交替注入，可以使泡沫與基液相互補充并充分發(fā)揮泡沫擴大波及體積以及泡沫液的洗油能力，能有效控制平面非均質(zhì)和縱向非均質(zhì)導致的指進，并能大幅度提高采收率[8-9]。交替注入方式可以維持泡沫在地層中運移穩(wěn)定性和聚集穩(wěn)定性，提高泡沫在地層內(nèi)的有效作用距離。對于非均質(zhì)程度強的地層，利用微泡沫擴大波及體積的能力以及擴大后續(xù)水驅(qū)波及體積的作用，進而驅(qū)替低滲層及未動用的剩余油，達到大幅提高采收率的作用[10]。

1 泡沫驅(qū)實驗

1.1 實驗儀器與化學藥品

（1）實驗儀器：法國Teclis TRACKERTM界面流變儀，恒溫箱，精密電子天平，配液用磁力攪拌器，燒杯，具塞量筒，發(fā)泡用攪拌器，常規(guī)物理模擬驅(qū)油裝置。

（2）起泡劑（表面活性劑）： AOS 有效含量92%（廣茂化工）。

（3）聚合物：生物聚合物是天然纖維素類聚合物（科昊化工），化學聚合物是化工廠生產(chǎn)的聚丙烯酰胺，分子量為1 900×104（大慶煉化）。商品穩(wěn)泡劑（優(yōu)索試劑）為多羥基聚合物（FM550G）。

（4）物理模擬驅(qū)油用材料：模擬地層水礦化度為6 778 mg/L，人造環(huán)氧樹脂膠結(jié)三層非均質(zhì)巖心，氣測滲透率為800×10-3μm2，模擬油是采油六廠聯(lián)合站外輸油與45 ℃航空煤油配成黏度為9.8 mPa·s 的模擬油進行驅(qū)油實驗。

1.2 泡沫的穩(wěn)定性實驗

用質(zhì)量分數(shù)為0.30%的AOS 粉和0.09%的FM550G，添加不同類型和濃度的聚合物母液攪拌30 min 配制發(fā)泡液。

將配制好的100 mL 不同聚合物發(fā)泡劑溶液倒入剪切發(fā)泡器中，剪切器轉(zhuǎn)數(shù)5 000 轉(zhuǎn)/min，剪切發(fā)泡時間10 s，然后把泡沫迅速倒入100 mL 具塞量筒內(nèi)，放入恒溫箱45 ℃中測定泡沫體積衰減至一半體積所需的時間，即泡沫的衰減半衰期。

1.3 氣液界面擴張流變實驗

1.3.1 實驗原理

TRACKERTM界面流變儀是法國Teclis 公司研發(fā)的一款專門用于評價泡沫的氣液界面流變儀，通過電腦軟件控制的電動馬達，可以使注入針頭內(nèi)的氣泡呈面積或體積正弦周期弛豫震蕩。正弦震蕩曲線下的氣泡大小呈正弦變化，氣液界面分子的擴張和收縮隨之產(chǎn)生相應表面張力的正弦變化，進而可研究氣液兩相界面的黏彈特性，是用于泡沫配方的一種評價方法。

彈性模量E 的界面擴張模量以虛數(shù)來表示：

式中：E 為彈性模量，mN/m；Δγ 為表面張力，mN·m-1；A 為為界面面積，mm2；θ 為相位角，（°），表示界面恢復滯后性的參數(shù)。

1.3.2 實驗內(nèi)容

把樣品倒入玻璃器皿，在針頭上鼓出一個氣泡，根據(jù)氣泡的正弦變化，可得出擴張模量的一系列參數(shù)。測氣泡體積正弦變化時，界面的面積會產(chǎn)生正弦變化，表面活性劑或高分子聚合物的濃度隨之發(fā)生變化，可據(jù)此研究氣液界面的黏彈性，用于評價泡沫體系。液體必須老化12 h 以上才能測流變數(shù)據(jù)，測試的所有樣品均在常溫常壓下用18 號鼓泡針頭、上升氣泡、振幅30%、頻率0.1 Hz 測量。

1.3.3 實驗結(jié)果分析

表1 說明生物聚合物的氣液界面黏彈性是比較大的，由于生物聚合物有碳環(huán)基團和多羥基基團的獨特分子結(jié)構(gòu)，氣液界面有很高的黏彈模量。生物聚合物強化泡沫體系穩(wěn)定性強，不僅能增加泡沫液膜厚度，還能降低泡沫液膜排液速度，提高泡沫發(fā)泡性和穩(wěn)定性。

表2 顯示，化學聚合物濃度增加時，界面黏彈模量增加不多，但相位角大于45 °時，界面是顯黏性的，黏性模量對于泡沫的穩(wěn)定性有很大幫助。聚丙烯酰胺能夠提高氣液界面黏彈性，可穩(wěn)定表面活性劑正弦曲線，說明泡沫液的性質(zhì)有了改變，但作用有限。圖1 說明氣液界面黏性模量與泡沫半衰期成正比，而彈性模量的增減沒有影響半衰期，因此，需進一步考察彈性模量的作用效果。

表1 生物聚合物氣液界面擴張流變參數(shù)測試結(jié)果

表2 化學聚合物氣液界面擴張流變參數(shù)測試結(jié)果

圖1 黏性模量、半衰期與體相濃度變化關系

表3 是對AOS 加入商品穩(wěn)泡劑的界面流變參數(shù)測定結(jié)果。商品穩(wěn)泡劑（FM550G）能夠大幅提升氣液界面黏性模量，液膜的黏性模量大幅提高后，泡沫半衰期可提高5 倍以上，泡沫更穩(wěn)定。

對比AOS 加入商品穩(wěn)泡劑界面流變性結(jié)果顯示，商品穩(wěn)泡劑是通過增加界面黏性模量來大幅提高泡沫半衰期的。黏性模量越大越好，或者彈性模量越大驅(qū)油效果就越好，還需要進一步驗證[10-12]。

表3 不同泡沫體系的測試數(shù)據(jù)對比

2 強化泡沫驅(qū)油

2.1 微泡沫驅(qū)油實驗

物理模擬驅(qū)油實驗步驟：①把環(huán)氧樹脂膠結(jié)的人造三層非均質(zhì)巖心抽真空，飽和模擬地層水，計算飽和水的體積，計算孔隙體積；②將模擬油泵入巖心，記錄采出液中水的體積，然后計算含油飽和度；③將飽和油的巖心老化12 h，模擬地層水驅(qū)替，驅(qū)至含水98%時停止水驅(qū)，計算水驅(qū)采收率；④配制的發(fā)泡液倒入剪切發(fā)泡器，以5 000 轉(zhuǎn)/min 發(fā)泡后迅速倒入裝泡沫的活塞式中間容器罐內(nèi)，罐內(nèi)填滿泡沫后蓋上活塞容器，然后進行泡沫與起泡液交替注入驅(qū)替實驗，后續(xù)水驅(qū)至含水98%停止實驗，計算泡沫提高采收率。

2.2 實驗結(jié)果分析

表4 為篩選的驅(qū)油實驗配方。固定AOS 和FM550G，改變聚合物，用驅(qū)油實驗驗證界面黏彈模量的作用效果。

從表5 的驅(qū)油結(jié)果可以看出，微泡沫與基液交替注入的方法非常有效，注泡沫提高采收率達到27%以上，說明交替注入的方法保證了泡沫液膜具有充足的泡沫液量，擴大了波及體積，后續(xù)水驅(qū)能持續(xù)不斷地把低滲層內(nèi)的剩余油驅(qū)替出來。1#體系阻力和殘余阻力非常大，會造成注入困難，表4 所示的三種配方的黏性模量接近，1#配方的界面彈性模量最高，由圖2 所示，其注入壓力和后續(xù)水驅(qū)壓力非常高，所以生物聚合物用量過高會造成孔隙堵塞，注入困難，生物聚合物不能用過高的氣液界面彈性模量體系注入。

表4 不同聚合物泡沫驅(qū)油實驗配方

表5 不同聚合物泡沫驅(qū)油實驗結(jié)果

圖2 1#配方泡沫驅(qū)油效果

圖3 是只用化學聚合物的泡沫驅(qū)油效果，泡沫驅(qū)采收率為27.57%，采收率雖然較低，但殘余阻力非常小，流動性很好，不會堵塞。從黏彈性模量數(shù)值可以看出，彈性模量小，而黏性模量與其他配方接近，聚丙烯酰胺泡沫體系不是增加泡沫的彈性模量，而是增加氣液界面黏性模量來提高泡沫液膜穩(wěn)定性，從而達到較好的驅(qū)油效果。聚丙烯酰胺能夠提高泡沫的流動性，在地層內(nèi)能夠順利地注入和采出。

圖3 2#配方泡沫驅(qū)油效果

圖4 顯示，選擇適當濃度的生物聚合物與聚丙烯酰胺復配，可以提高氣液界面黏性模量，泡沫提高采收率達到了38.13%。過高的氣液界面彈性模量會使?jié)B流阻力增加，造成泡沫阻力和殘余阻力急劇升高，而較高的黏性模量不僅為泡沫的穩(wěn)定性提供了保障，而且在地層運移過程中，大泡通過孔隙時的彈性形變能量小，易變形，并在縮頸分離時容易形成小泡沫，對泡沫的有效作用距離和驅(qū)油效果有所幫助。因此，適當?shù)膹椥阅Ａ亢洼^高的黏性模量是保證實際地層強化泡沫復合驅(qū)油注采效果的有效方法。

圖4 3#配方泡沫驅(qū)油效果

3 結(jié)論

（1）大幅增加氣液界面黏性模量能夠達到穩(wěn)泡效果，增加界面黏性模量，可以增加液膜黏度，降低泡沫液膜排液速度，大幅提高泡沫半衰期。

（2）生物聚合物具有獨特的分子結(jié)構(gòu)，其界面黏彈模量比聚丙烯酰胺大，氣液界面的黏彈模量高，能大幅提高泡沫穩(wěn)定性。

（3）聚丙烯酰胺強化泡沫體系中加入適量纖維素類生物聚合物，界面彈性模量增加，驅(qū)油效果得到大幅改善。