趙云海，王健，黃偉豪，張莉偉，彭琦林，杜紅

（1.西南石油大學 油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室，成都 610500；2.中國石油 新疆油田分公司a.工程技術(shù)研究院；b.開發(fā)公司，新疆 克拉瑪依 834000；3.中國石油大學（華東）工商管理學院，山東 青島 266580）

吉林油田黑46 區(qū)塊小井距注氣試驗區(qū)含油面積為1.46 km2，地質(zhì)儲量為108.0×104t，可采儲量為41.0×104t；孔隙度為8.0%～18.8%，平均為13.0%；滲透率為0.02～20.21 mD，平均為3.47 mD，最大滲透率級差達到1 010.5；地層原油黏度為1.82～9.34 mPa·s。地層水為NaHCO3型，礦化度為10 302.60 mg/L，氯離子含量為3 766.2 mg/L，pH 值在7 左右。青一段中部埋深為2 400 m，油層壓力為23.9 MPa，壓力系數(shù)為0.89，油層溫度為96.7 ℃，地溫梯度為4.2 ℃/hm，屬正常的溫度和壓力系統(tǒng)。目前，國內(nèi)外常用水氣交替WAG技術(shù)和泡沫控制氣竄技術(shù)控制氣竄。針對吉林油田黑46區(qū)塊油藏非均質(zhì)性強的特征，開展了常規(guī)CO2泡沫體系控制氣竄現(xiàn)場試驗，但常規(guī)CO2泡沫體系調(diào)整非均質(zhì)性的能力弱，且抗溫抗鹽性差。本文通過在泡沫劑中加入納米微球顆粒，提高泡沫的抗溫抗鹽性、穩(wěn)定性及強度，實現(xiàn)深部調(diào)驅(qū)，以提高油藏采收率。

1 實驗部分

1.1 實驗材料與設(shè)備

（1）實驗材料 純度為99.9%的CO2，由四川廣漢勁力氣體有限公司生產(chǎn)。陰離子型起泡劑FA-1，含量為95.7%；FA-2，含量為98.3%；FA-3，含量為99.5%。陽離子型起泡劑FB-1，含量為96.8%；FB-2，含量為97.8%。兩性離子型起泡劑FC-1，含量為95.5%；FC-2，含量為92.5%；FC-3，含量為98.3%。非離子型起泡劑FD-1，含量為96.5%；FD-2，含量為93.1%，由上海阿拉丁生化科技股份有限公司生產(chǎn)。3種不同粒徑的納米微球M-1，粒徑分別為0.10 μm、0.30 μm和0.60 μm，由山東諾兒生物科技有限公司生產(chǎn)。試驗用水為模擬地層水，總礦化度為10 302.6 mg/L，水型為NaHCO3型；試驗區(qū)原油，油藏溫度96.7 ℃下黏度為9.34 mPa·s，由吉林油田CO2開發(fā)公司提供；試驗區(qū)巖心參數(shù)見表1，其中，3 號和4 號巖心滲透率級差為5.80，5 號和6 號巖心滲透率級差為4.34。

表1 巖心基本參數(shù)Table 1.Basic parameters of tested cores

（2）實驗設(shè)備 高溫高壓泡沫性能測試裝置，最高耐壓30 MPa，最高耐溫200 ℃，腔體高度為100 cm，內(nèi)徑為5 cm，海安石油科技有限公司；HYDRO 2000型激光粒度分析儀，粒度測試范圍0.02～2 000.00 μm，英國Malvern 公司；HAAKE MARS Ⅲ流變儀，最小轉(zhuǎn)速10-7r/min，最大轉(zhuǎn)速4 500 r/min，賽默飛世爾科技（中國）有限公司；界面參數(shù)一體測量系統(tǒng)，德國KRUSS 公司；JB200-SH 型電動攪拌器，調(diào)速范圍0～8 000 r/min，上海標本模型廠；高溫高壓多功能泡沫巖心流動裝置，油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室。

1.2 實驗方法

（1）泡沫性能評價實驗 在高溫高壓下，使用CO2將高溫高壓泡沫性能測試裝置內(nèi)的空氣排凈，將裝置預(yù)熱至96.7 ℃，并將CO2加入高溫高壓泡沫性能測試裝置內(nèi)，加壓至20.0 MPa。向高溫高壓泡沫性能測試裝置內(nèi)泵入100 mL 起泡劑溶液，并將壓力升至油藏壓力。啟動實驗裝置，攪拌3 min，記錄起泡體積和半衰期，計算綜合指數(shù)。

（2）剖面改善效果實驗 將巖心抽真空后飽和水，再用電子天平稱量巖心質(zhì)量，計算孔隙體積和孔隙度。水驅(qū)記錄壓差并計算水測滲透率，回壓設(shè)置為12.0 MPa。水驅(qū)時，設(shè)置注入速度為0.1 mL/min，總段塞尺寸為1.00 PV 驅(qū)替巖心，記錄高低滲巖心出口端出水量。進行泡沫驅(qū)時，設(shè)置氣液比為2∶1，注入速度為0.1 mL/min，段塞尺寸為0.10 PV CO2+0.05 PV 泡沫液，注入6 輪次。進行后續(xù)水驅(qū)實驗，并計量巖心出口端出水量，計算高低滲巖心分流率，計算剖面改善率。

（3）并聯(lián)巖心驅(qū)油實驗 將巖心放入巖心夾持器中，在地層溫度和地層壓力下，測定巖心滲透率，記錄巖心兩端壓差。將巖心飽和油，待出口端不再出水，恒定出油之后，飽和油結(jié)束。先后以0.1 mL/min 的驅(qū)替速度進行水驅(qū)油和氣驅(qū)油，記錄壓差及采收率。改用CO2泡沫驅(qū)油，驅(qū)替速度為0.1 mL/min，氣液比為2∶1，段塞為0.10 PV CO2+0.05 PV 泡沫液，驅(qū)替6輪次，將出口端壓力通過回壓閥控制在井底流壓，恒壓泵設(shè)置為礦場注入壓力，記錄采收率。以0.1 mL/min的驅(qū)替速度分別進行后續(xù)氣驅(qū)，記錄壓差及采收率。最后，利用所測得數(shù)據(jù)，分別計算綜合指數(shù)、阻力因子、殘余阻力因子和剖面改善率：

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 泡沫配方初選

（1）起泡劑優(yōu)選 常壓下，用質(zhì)量分數(shù)分別為0.10%、0.20%、0.30%、0.40%和0.50%的起泡劑FA-1、FA-2、FA-3、FB-1、FB-2、FD-1、FD-2、FC-1、FC-2和FC-3進行起泡實驗，起泡劑FA-1、FA-2和FB-2的起泡效果較好（圖1），考慮試驗區(qū)開發(fā)經(jīng)濟成本，選用FA-1和FA-2 作為后續(xù)實驗用起泡劑。起泡劑FA-1的質(zhì)量分數(shù)為0.50%時，起泡體積為700 mL，半衰期為3.10 min，綜合指數(shù)為1 628 mL·min；起泡劑FA-2的質(zhì)量分數(shù)為0.50%時，起泡體積為660 mL，半衰期為4.60 min，綜合指數(shù)為2 277 mL·min。

圖1 不同類型起泡劑的綜合指數(shù)與起泡劑質(zhì)量分數(shù)的關(guān)系Fig.1.Relationship between comprehensive index and mass fraction of different types of foaming agents

（2）常規(guī)CO2泡沫體系復(fù)配 將優(yōu)選出的起泡劑FA-1 和FA-2 按照不同質(zhì)量分數(shù)復(fù)配，進行起泡實驗，由實驗結(jié)果（表2）可知，F(xiàn)A-1+FA-2復(fù)配起泡效果要優(yōu)于單一起沫劑，其中，質(zhì)量分數(shù)0.10%FA-1+0.50%FA-2 的起泡效果最好，綜合指數(shù)為3 111 mL·min，起泡體積為650 mL，半衰期為6.38 min，表現(xiàn)出了復(fù)配體系的協(xié)同效應(yīng)，因此，確定的最優(yōu)復(fù)配體系為質(zhì)量分數(shù)0.10%FA-1+0.50%FA-2。

表2 不同復(fù)配比例起泡劑（100 mL）起泡實驗結(jié)果Table 2.Foaming test results of foaming agents(100 mL)with different proportions

2.2 納米微球顆粒性能評價

微球調(diào)驅(qū)技術(shù)在提高采收率方面已得到了長足發(fā)展，尤其是各種具有優(yōu)異性能微球的成功研制，使得微米—納米微球深部調(diào)驅(qū)技術(shù)的適用范圍越來越廣泛。微米—納米微球的主要特點是封堵性能高、注入能力強、在地層中運移能力強、對儲集層傷害小等[1]。這主要是由于微米—納米微球顆粒粒徑較小，且具有優(yōu)異的分散性能，在高溫高壓下發(fā)生溶脹，可通過微球橋接對孔隙吼道進行封堵，迫使液流轉(zhuǎn)向，擴大波及范圍，同時納米微球顆粒具有良好的彈性，能在突破封堵后隨水流運移，繼續(xù)封堵儲集層，進一步擴大波及體積[2-3]。

（1）納米微球粒徑與儲集層孔喉直徑的匹配 在低滲透非均質(zhì)油藏條件下，一方面，要求納米微球顆粒粒徑與儲集層孔喉直徑匹配性能好；另一方面，要求納米微球顆粒具有良好的溶脹性能。本文將地層用毛細管束模型簡化，根據(jù)黏滯力與驅(qū)動力之間的平衡關(guān)系得：

黑46 區(qū)塊儲集層孔隙度為8.0%～18.8%，平均為10.7%；滲透率為0.02～20.21 mD，平均為3.47 mD。根據(jù)（5）式計算，黑46 區(qū)塊儲集層孔喉直徑為0.09～1.86 μm，平均為1.10 μm。根據(jù)1/3～2/3 架橋理論，要求納米微球顆粒原始粒徑為0.37～0.73 μm，因此，選取粒徑為0.10～0.60 μm 的M-1 納米微球顆粒[2]，與研究區(qū)儲集層孔喉直徑相匹配[4]。

（2）納米微球顆粒的抗鹽性能評價 油田地層水情況各不相同，礦化度可以改變納米微球顆粒內(nèi)部的滲透壓，對納米微球顆粒的溶脹性能有很大的影響，因此需要研究不同礦化度地層水中納米微球顆粒的溶脹性能。用礦化度分別為0 mg/L、2 575.65 mg/L、5 151.30 mg/L、7 726.95 mg/L 和10 302.60 mg/L 的地層水配制質(zhì)量分數(shù)為0.20%的M-1 溶液，置于96.7 ℃恒溫箱中20 d，利用HYDRO 2000 型激光粒度分析儀測定納米微球顆粒粒徑，計算膨脹倍率。隨地層水礦化度的升高，納米微球顆粒的平均粒徑逐漸減小，分別為3.04 μm、2.99 μm、2.78 μm、2.41 μm和2.23 μm。在淡水和地層水中，納米微球顆粒粒徑分別為3.04 μm和2.23 μm，膨脹倍率分別為4.51和3.31。這是由于水中存在電解質(zhì)，納米微球顆粒內(nèi)外的滲透壓差減?。煌瑫r由于納米微球顆粒內(nèi)部水解電離，水中陽離子對帶負電的高分子鏈段產(chǎn)生屏蔽，削弱靜電斥力，高分子體系空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)受到抑制。

（3）納米微球顆粒的抗溫性能評價 采用地層水配制質(zhì)量分數(shù)為0.20%的M-1溶液，分別置于溫度為30 ℃、45 ℃、60 ℃、75 ℃和90 ℃恒溫箱中20 d，利用HYDRO 2000型激光粒度分析儀測定其粒徑并計算膨脹倍率。隨著溫度的升高，納米微球顆粒的平均粒徑逐漸增大，分別為2.38 μm、2.49 μm、2.59 μm、2.83 μm和2.84 μm。當溫度為90 ℃時，納米微球顆粒的平均粒徑為2.84 μm，膨脹倍率為4.21。這是因為隨著溫度的升高，分子的熱運動加強，微球分子與溶劑分子相互作用，微球的親水性能變好，使納米微球顆粒的膨脹倍率增大。

2.3 納米微球顆粒對泡沫起泡性能的影響

用黑46 區(qū)塊的模擬地層水配制質(zhì)量分數(shù)為0.10%FA-1+0.50%FA-2 的起泡劑溶液，在100 mL 起泡劑溶液中分別加入質(zhì)量分數(shù)為0、0.05%、0.10%、0.20%、0.30%、0.40%和0.50%M-1 納米微球顆粒，在96 ℃烘箱中老化24 h 后，用Waring Blender 法攪拌起泡劑3 min，測量起泡劑的泡沫體積和半衰期，計算起泡劑綜合指數(shù)（表3）。

起泡體積、半衰期和綜合指數(shù)隨著質(zhì)量分數(shù)增加先增加后減小，在質(zhì)量分數(shù)為0.10%時，起泡體積、半衰期和綜合指數(shù)達到最大值，分別為660 mL、7.06 min和3 495 mL·min。與不加納米微球顆粒的復(fù)配起泡劑相比，半衰期提高了10.7%，起泡體積略有升高，綜合指數(shù)增加了12.3%。復(fù)配體系中加入納米微球顆粒攪拌起泡，納米微球顆粒主要分布在氣液界面上，并且包裹著氣泡，增加了泡沫液膜的厚度，從而減少氣泡之間的接觸，抑制了氣泡之間的聚并和歧化[4]，有效延長泡沫的排液時間，提升泡沫的性能。

2.4 納米微球顆粒強化泡沫的綜合性能

（1）地層水礦化度對泡沫性能的影響 用質(zhì)量分數(shù)為0.10%FA-1+0.50%FA-2+0.10%M-1 的強化泡沫、質(zhì)量分數(shù)為0.10%FA-1+0.50%FA-2 的常規(guī)泡沫和不同礦化度地層水，配制不同比例的起泡劑溶液各100 mL，利用高溫高壓泡沫性能測試裝置攪拌起泡，利用泡沫性能評價實驗方法記錄起泡體積和半衰期，計算綜合指數(shù)（表4）。

表4 地層水礦化度對CO2泡沫性能影響實驗結(jié)果Table 4.Experimental results of the influence of formation water salinity on the performance of CO2 foam

強化泡沫的半衰期和綜合指數(shù)總體上隨著地層水礦化度的增加而減小，但地層水礦化度對泡沫性能影響不大。在地層水條件下，泡沫的綜合性能下降，但下降幅度不大。常規(guī)泡沫的起泡體積、半衰期隨著地層水礦化度的增加而減小，其綜合指數(shù)不如強化起泡劑，在相同地層水礦化度條件下，強化泡沫能夠提升CO2泡沫性能。

（2）溫度對泡沫性能的影響 溫度是影響泡沫半衰期的一個重要參數(shù)。分別測量30.0 ℃、45.0 ℃、60.0 ℃、75.0 ℃、96.7 ℃和110.0 ℃下的CO2泡沫性能，使用高溫高壓泡沫性能測試裝置，設(shè)置壓力為23.9 MPa，利用泡沫性能評價實驗方法記錄起泡體積和半衰期，計算綜合指數(shù)（表5）。

表5 溫度對CO2泡沫性能影響實驗結(jié)果Table 5.Experimental results of the influence of temperature on the performance of CO2 foam

溫度對2 種CO2泡沫的起泡體積影響較小，泡沫的半衰期和綜合指數(shù)隨著溫度的升高而降低。溫度對泡沫的半衰期影響較大，溫度升高，會加快液膜中的液體蒸發(fā)，使泡沫液膜變薄，加快泡沫破裂。強化泡沫的半衰期和綜合指數(shù)均大于常規(guī)泡沫，是由于納米微球顆粒吸附在液膜表面，形成了穩(wěn)定的保護膜，從而提高了CO2泡沫的穩(wěn)定性[5-6]。

（3）泡沫的耐酸性測定 在儲集層內(nèi)，一部分CO2溶解于地層水中，導(dǎo)致其pH 值發(fā)生變化，從而影響地層水的酸堿度，水的酸堿度對起泡劑的起泡性能和穩(wěn)定性會產(chǎn)生較大影響。因此，進行泡沫耐酸性實驗研究，用鹽酸調(diào)節(jié)泡沫液pH值，利用泡沫性能評價實驗方法測定起泡體積和半衰期，并計算綜合指數(shù)（表6）。

表6 pH值對CO2泡沫性能影響實驗結(jié)果Table 6.Experimental results of the influence of pH value on the performance of CO2 foam

隨著溶液pH 值的降低，泡沫性能下降，2 種CO2泡沫在pH 值3.5～6.5 時性能較好，這是由于當pH 值小于3.5時，F(xiàn)A-1和FA-2復(fù)合泡沫液呈酸性，界面活性低，導(dǎo)致泡沫性能較差[7]。黑46 區(qū)塊地層水pH 值在7.0 左右，因此，CO2泡沫在地層條件下具有較好的適應(yīng)性。

（4）CO2泡沫的剪切稀釋性 在常壓高溫條件下，2 種CO2泡沫的黏度均隨著剪切速率的增加而減小，表現(xiàn)出泡沫的剪切稀釋性。添加納米微球顆粒，泡沫的黏度變化不大，當剪切速率為0.763 4 s-1時，強化泡沫和常規(guī)泡沫的黏度分別為53.91 mPa·s 和51.96 mPa·s。含納米微球顆粒的泡沫在地層中的滲流不會受到黏度的影響[8]。

（5）CO2泡沫的黏彈性 頻率為0.1～10.0 Hz 時，2種CO2泡沫的儲能模量和損耗模量隨頻率的增加而增加，損耗模量大于儲能模量，主要表現(xiàn)出泡沫黏性，并具有一定黏彈性。在滲流過程中，CO2泡沫液黏度能增加泡沫的穩(wěn)定性，有利于提高采收率[9-11]。

2.5 強化泡沫巖心流動實驗結(jié)果

（1）泡沫封堵能力測試 利用單根巖心驅(qū)替實驗方法，將1號和2號巖心飽和水，回壓設(shè)置為12.0 MPa，分別進行水驅(qū)、泡沫驅(qū)和后續(xù)水驅(qū)。設(shè)置注入速度為0.1 mL/min，氣液比為1∶1，段塞尺寸為0.10 PV，分別測定常規(guī)泡沫和強化泡沫的阻力因子。

在低滲條件下，常規(guī)泡沫穩(wěn)定壓差為1.12 MPa，阻力因子和殘余阻力因子分別為18.67 和4.50；強化泡沫穩(wěn)定壓差為3.81 MPa（圖2），阻力因子和殘余阻力因子分別為22.41 和13.30。強化泡沫較常規(guī)泡沫的阻力因子增加20.03%，一方面，納米微球顆粒吸附在泡沫液膜表面，提高了泡沫的穩(wěn)定性；另一方面，納米微球顆粒降低了巖心滲透率，使泡沫驅(qū)替過程中壓差增大，泡沫波及體積增加，泡沫封堵能力提高[12-13]。

圖2 巖心驅(qū)替壓差變化Fig.2.Variations of pressure difference during core flooding experiment

（2）剖面改善效果實驗 3 號和4 號巖心組合的并聯(lián)巖心滲透率級差為5.80，利用剖面改善效果實驗方法，設(shè)置注入速度為0.1 mL/min，氣液比為1∶1，段塞尺寸為0.10 PV，計算3號和4號巖心并聯(lián)后的分流率。

水驅(qū)過程中，高、低滲巖心的分流率分別為82%和18%，隨著泡沫的注入，高滲巖心分流率逐漸上升，低滲巖心分流率逐漸下降，泡沫驅(qū)后高、低滲巖心分流率分別為53% 和47%（圖3），剖面改善率為75.13%。強化泡沫在巖心中由于納米微球顆粒和復(fù)合泡沫封堵調(diào)剖的“疊加”效果，相較常規(guī)泡沫，其剖面改善率提升了14.29%，具良好的分流效果[14-16]。

圖3 高、低滲巖心分流率與注入孔隙體積的關(guān)系Fig.3.Relationship between separate flow rate and injected pore volume for high-and low-permeability cores

（3）并聯(lián)巖心驅(qū)油實驗 用5 號和6 號巖心進行并聯(lián)巖心驅(qū)油實驗，滲透率級差為4.34，利用巖心驅(qū)油實驗方法，設(shè)置注入速度為0.1 mL/min，氣液比為1∶1，段塞尺寸0.10 PV，記錄采收率。吉林油田黑46區(qū)塊油藏條件下，滲透率級差為4.34時，高、低滲層水驅(qū)階段采收率分別為41.88%和34.51%，氣驅(qū)階段采收率分別為18.02%和5.14%，泡沫驅(qū)階段采收率分別為11.32% 和19.73%，后續(xù)氣驅(qū)采收率分別為81.77%和78.17%，總采收率為79.97%，泡沫驅(qū)較氣驅(qū)提高采收率15.53%，強化泡沫提高采收率效果明顯[17-21]。

3 結(jié)論

（1）針對吉林油田黑46 區(qū)塊，選取直徑為0.10～0.60 μm的納米微球顆粒，最終優(yōu)選出強化泡沫配方，即質(zhì)量分數(shù)0.10%FA-1+0.50%FA-2+0.10%M-1。

（2）礦化度對強化泡沫性能影響不大。溫度對強化泡沫和常規(guī)泡沫的起泡體積影響較小，對半衰期影響較大。相較于常規(guī)泡沫，強化泡沫具有更好的抗溫、抗鹽和耐酸性能。

（3）強化泡沫阻力因子和殘余阻力因子分別為22.41 和13.30，相較于常規(guī)泡沫，強化泡沫阻力因子增加20.03%。在滲透率級差為5.80 時，強化泡沫剖面改善率為75.13%。巖心驅(qū)油實驗中，總采收率為79.97%，泡沫驅(qū)較氣驅(qū)提高采收率15.53%，提高采收率效果明顯。強化泡沫配方的應(yīng)用前景較好，對于改善黑46 區(qū)塊CO2驅(qū)開發(fā)效果和提高采收率具有重要的意義。

符號注釋

E——剖面改善率，%；

K——平均滲透率，mD；

p1——水驅(qū)巖心兩端壓差，MPa；

p2——泡沫驅(qū)巖心兩端壓差，MPa；

p3——泡沫驅(qū)后，水驅(qū)巖心兩端壓差，MPa；

r——平均孔喉半徑，μm；

RF——阻力因子；

RFr——殘余阻力因子；

t1——泡沫半衰期，min；

V0——起泡劑的初始泡沫體積，mL；

Z——綜合指數(shù)，mL·min；

φ——平均孔隙度，%；

η1——泡沫驅(qū)前吸水比，%；

η2——泡沫驅(qū)后吸水比，%。