李曉楓，彭 勃，劉 琦，賈冀輝

（1.中國(guó)石油大學(xué)（北京）非常規(guī)油氣科學(xué)技術(shù)研究院，北京 102249；

2.中國(guó)石油大學(xué)（北京）溫室氣體封存與石油開采利用北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249）

中國(guó)非常規(guī)油藏以陸相沉積為主，油氣大規(guī)模連續(xù)聚集，但其儲(chǔ)層物性差（低孔低滲透）且非均質(zhì)性強(qiáng)、原油黏度和密度高及天然能量低，導(dǎo)致非常規(guī)油藏的開發(fā)面臨更大的挑戰(zhàn)［1-3］。致密儲(chǔ)層經(jīng)壓裂改造后，裂縫錯(cuò)綜復(fù)雜，低孔低滲透的巖石基質(zhì)是油氣的主要儲(chǔ)集空間，裂縫是主要的流動(dòng)通道，其中主裂縫導(dǎo)致注入介質(zhì)快速推進(jìn)，加劇竄流，難以充分接觸基質(zhì)原油，有效動(dòng)用程度較低［4-5］。注氣能夠降低原油黏度，促使原油膨脹，提高原油的流動(dòng)性［6-7］。但受儲(chǔ)層非均質(zhì)性的影響，注氣過程中往往出現(xiàn)沿儲(chǔ)層優(yōu)勢(shì)通道竄流和早期突破等現(xiàn)象，很大程度地抑制了波及范圍和洗油效率［8-11］。泡沫在國(guó)外最早應(yīng)用于控制氣體的流度，在多孔介質(zhì)運(yùn)移過程中，通過疊加的賈敏效應(yīng)，降低裂縫滲透率，促使氣體向基質(zhì)內(nèi)部轉(zhuǎn)移，從而有效改善儲(chǔ)層非均質(zhì)性，提高波及效率［12-13］。中國(guó)多數(shù)油田已進(jìn)入中高含水期，面臨著非均質(zhì)性強(qiáng)、剩余油分布規(guī)律復(fù)雜等問題，近年來泡沫驅(qū)的理論研究及礦場(chǎng)應(yīng)用均取得良好的效果［14-16］。但普通泡沫存在穩(wěn)定性差、注入壓力高、遇油消泡和施工成本高等問題［17］，限制了其在油藏開發(fā)中的推廣使用，其中泡沫的穩(wěn)定性是影響采收率效果的關(guān)鍵因素，強(qiáng)化泡沫穩(wěn)定性成為學(xué)者們研究的熱點(diǎn)，如聚合物強(qiáng)化泡沫提升了泡沫的穩(wěn)定性［18］，但因其黏度高，在儲(chǔ)層中附著力較強(qiáng)，難以迅速清除［19］，聚合物強(qiáng)化泡沫技術(shù)的應(yīng)用仍具有一定的局限性；納米顆粒強(qiáng)化泡沫技術(shù)成本較高，目前以實(shí)驗(yàn)室研究居多，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用較少［20］。且普通泡沫的直徑較大，泡沫驅(qū)在低滲透油藏開發(fā)過程中易出現(xiàn)注不進(jìn)的現(xiàn)象，限制了泡沫驅(qū)的應(yīng)用范圍［21］。因此繼續(xù)探索有效的強(qiáng)化泡沫技術(shù)手段，對(duì)提升中國(guó)原油產(chǎn)量具有重要的研究意義。

微泡沫是將聚合物和表面活性劑溶液配制成基液，通過攪拌或氣流作用將氣體引入基液中，形成均勻分布的微米級(jí)泡沫［22］。利用聚合物的高黏度以及微泡沫的氣阻效應(yīng)，提高氣體的流度控制能力，大幅提升采收率［23］。微泡沫具有直徑小、比表面積大、穩(wěn)定性高、與水相當(dāng)?shù)牧鲃?dòng)性等獨(dú)特的性質(zhì)，在生物醫(yī)學(xué)［24］、礦物浮選［25］、水處理［26］、土壤修復(fù)［27］以及鉆井工程［28］等領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用［29-30］。與普通泡沫相比，微泡沫在驅(qū)替過程具有注入壓力低、波及范圍廣等優(yōu)勢(shì)。為此，筆者介紹了微泡沫的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，闡述了微泡沫的封堵與提高采收率原理，總結(jié)了其在封堵與提高采收率應(yīng)用中的研究現(xiàn)狀，最后討論了微泡沫的應(yīng)用價(jià)值及潛力，并對(duì)微泡沫驅(qū)的發(fā)展趨勢(shì)提出了幾點(diǎn)建議。

1 微泡沫的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

1.1 微泡沫的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

20 世紀(jì)70 年代，國(guó)外學(xué)者SEBBA 等首次提出一種微米級(jí)、具有膠體性質(zhì)的泡沫分散體系［31］，中外部分學(xué)者也稱其為微泡沫或者膠質(zhì)氣體泡沫（Colloidal Gas Aphrons）［32-33］。微泡沫由緊密堆積的、直徑為10～100 μm 的球形氣泡組成，包含了氣核、增黏水層及液相三層結(jié)構(gòu)，每層結(jié)構(gòu)上排列有表面活性劑分子，微泡沫的基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。微泡沫的內(nèi)層通常是包裹著氣核的表面活性劑層，表面活性劑的疏水端指向氣核，用來降低表面張力，以保持氣體液膜的形成［34］。表面活性劑的親水端指向中間層，該層是含有增稠劑和穩(wěn)定劑的水溶液，通過降低液膜中氣體的擴(kuò)散速率來提高泡沫的穩(wěn)定性。中間層的外邊界上同樣含有表面活性劑分子，這些分子的疏水端指向外層，外層是包含表面活性劑分子的雙電層結(jié)構(gòu)，其親水端延伸到液相中。利用雙電層的電荷作用，降低相鄰氣泡的聚并［35］。研究結(jié)果表明，微泡沫至少能承受27.3 MPa的壓力，是普通泡沫承受壓力能力的10 倍左右［36］。微泡沫獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，使其可以在一定壓力下保持球形結(jié)構(gòu)的形態(tài)，并泵入井下應(yīng)用于油氣田開發(fā)。

圖1 微泡沫的結(jié)構(gòu)示意（據(jù)文獻(xiàn)［31］修改）和顯微圖像［22］Fig.1 Schematic diagram of micro-foam structure（Modified by Ref.［31］）and microscopic image［22］

1.2 微泡沫與普通泡沫性質(zhì)的區(qū)別

泡沫因其獨(dú)特的性質(zhì)在鉆井［37-38］、壓裂［39］和驅(qū)油過程［40-41］中取得了廣泛的應(yīng)用。雖然微泡沫與普通泡沫均是由皂膜外殼隔開形成的分散體系，但兩者在結(jié)構(gòu)上存在著較大差異。對(duì)比微泡沫與普通泡沫結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的差異發(fā)現(xiàn)，普通泡沫中的氣體被阻隔在表面活性劑單層中，而不是表面活性劑三層包裹構(gòu)成，不存在增黏水層，因此普通泡沫發(fā)生聚并的可能性要遠(yuǎn)高于微泡沫。普通泡沫為連續(xù)相，泡沫為多面體結(jié)構(gòu)，存在Plateau 邊界，而微泡沫是分散相，獨(dú)立懸浮于液相中，不存在Plateau 邊界，液膜強(qiáng)度大。微泡沫直徑為微米級(jí)（10～100 μm），而普通泡沫多為毫米級(jí)（1～10 mm）［42］，因此，微泡沫的比表面積更大。普通泡沫的氣體體積分?jǐn)?shù)通常大于90%，而微泡沫的氣體體積分?jǐn)?shù)一般為40%～70%［43］，微泡沫的氣體體積分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)低于普通泡沫。普通泡沫中的氣體通過表面活性劑單層的擴(kuò)散速率高于氣體通過表面活性劑和聚合物的多個(gè)交替層的擴(kuò)散速率［44］，因此，就結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性而言，普通泡沫遠(yuǎn)低于微泡沫。

2 微泡沫的封堵與提高采收率原理

微泡沫和普通泡沫同屬于泡沫體系范疇，因此微泡沫與普通泡沫在多孔介質(zhì)中的運(yùn)移規(guī)律具有一定的相似性。泡沫在孔隙中的運(yùn)移基本分為暫時(shí)性封堵、孔喉處積聚、變形和突破4 個(gè)階段［45］，賈敏效應(yīng)產(chǎn)生的附加壓力是阻礙泡沫在孔隙中流動(dòng)的主要作用力。當(dāng)氣泡的平均直徑大于或等于孔喉的直徑時(shí)，泡沫會(huì)對(duì)孔喉造成暫時(shí)性的堵塞，迫使其余泡沫的流動(dòng)路徑發(fā)生轉(zhuǎn)向，擴(kuò)大波及體積。

微泡沫在儲(chǔ)層孔隙運(yùn)移中的封堵作用主要體現(xiàn)在3個(gè)方面（圖2）：①當(dāng)微泡沫直徑遠(yuǎn)小于孔喉直徑時(shí)，多數(shù)微泡沫以微泡簇堆積的形式無序涌入，引起孔喉的暫時(shí)性封堵［46］。②當(dāng)微泡沫直徑與孔喉直徑相當(dāng)時(shí)，微泡沫通過孔喉時(shí)，因賈敏效應(yīng)引起的附加壓力，導(dǎo)致微泡沫發(fā)生變形，增大了流體的滲流阻力。③當(dāng)微泡沫直徑大于孔喉直徑時(shí)，聚合物的吸附作用使孔喉表面形成高黏度的液膜，致使孔喉直徑變小，微泡沫的滲流阻力進(jìn)一步增大。

圖2 微泡沫的封堵作用機(jī)理Fig.2 Plugging mechanism of micro-foams

微泡沫與普通泡沫在注入方式、波及范圍、提高采收率原理以及氣體種類等方面存在諸多不同之處。

注入方式不同 普通泡沫的注入方式一般包括氣液同注或氣液交替注入，這2 種注入方式往往導(dǎo)致井筒摩阻較高［47］，使泡沫的注入性能較差，生成的泡沫不均勻，同時(shí)對(duì)油田機(jī)械設(shè)備的注入壓力要求也更高。微泡沫是由配制好的基液與氣體通過高速攪拌形成均一穩(wěn)定的分散體系，其具有一定的黏度，在井筒中重力的作用遠(yuǎn)大于浮力，降低了井筒摩阻，因此微泡沫的注入性比普通泡沫更好［48］。由于常見的油田設(shè)備即可滿足微泡沫的生成，節(jié)約了生產(chǎn)成本［49］。

波及范圍不同 氣體的黏度和密度一般較低，氣驅(qū)過程中注入氣往往易沿高滲透層發(fā)生氣竄，導(dǎo)致波及體積較?。▓D3a）。普通泡沫在儲(chǔ)層運(yùn)移過程中，以生成、破滅、再生的方式向前推進(jìn)［50］，泡沫最初生成速率快且密度大，泡沫的賈敏效應(yīng)增加了流體的滲流阻力，降低了裂縫的滲透率，擴(kuò)大了流體的波及體積，同時(shí)在一定程度上抑制了氣竄，提高了驅(qū)油效率。而當(dāng)泡沫運(yùn)移至滲透率低、非均質(zhì)性強(qiáng)的區(qū)域時(shí)，一方面泡沫液膜需要承受更大的壓力，加速了泡沫的聚并和破滅；另一方面生成的泡沫直徑較大，往往不易進(jìn)入孔喉直徑更小的區(qū)域起到封堵作用（圖3b）。微泡沫具有直徑小、穩(wěn)定性高的特點(diǎn)，直徑較大的氣泡優(yōu)先進(jìn)入封堵高滲透通道，直徑較小的氣泡能夠進(jìn)入大氣泡無法進(jìn)入的孔喉通道，起到與大氣泡等效的封堵作用，同時(shí)抑制氣竄，迫使氣體向基質(zhì)內(nèi)部運(yùn)移，提高了氣體的波及效率［51］（圖3c）。NATAWIJAYA 等使用特殊過濾篩板分別制備了直徑為10～50，40～70 和70～150 μm的CO2微泡沫，研究結(jié)果表明，與直徑較大的微泡沫相比，直徑為10～50 μm 的微泡沫采收率提高了5.28%，直徑為70～150 μm 的微泡沫比直徑為10～50 μm 的微泡沫注入壓力高27.5%［52］，這表明直徑較大的微泡沫封堵性能更好，迫使直徑較小的微泡沫從高滲透區(qū)域轉(zhuǎn)向低滲透區(qū)域，擴(kuò)大了波及體積，從而提高了采收率。

圖3 氣驅(qū)、普通泡沫、微泡沫的波及范圍示意Fig.3 Schematic diagram of swept range of gas，ordinary foams，and micro-foams

提高采收率原理不同 普通泡沫驅(qū)提高采收率的原理主要是通過改善氣液流變化，擴(kuò)大波及體積，達(dá)到增產(chǎn)的效果，泡沫在儲(chǔ)層中運(yùn)移時(shí)因產(chǎn)生較大的滲流阻力，選擇性地進(jìn)入裂縫，一方面降低裂縫的滲透率，擴(kuò)大流體的波及體積；另一方面抑制氣竄，促使流體發(fā)生轉(zhuǎn)向，增大了流體的波及體積。而微泡沫驅(qū)是使用一定濃度的聚合物和表面活性劑溶液配制成基液，在配制好的基液中引入氣體，通過起泡裝置及生成方式控制生氣過程，形成的微米級(jí)氣泡可以均一穩(wěn)定地分布在基液中形成微泡沫，利用聚合物的高黏度和微泡沫多層結(jié)構(gòu)的氣阻效應(yīng)提高氣體流度控制能力，從而大幅度提高采收率。微泡沫直徑與儲(chǔ)層孔喉直徑的比值對(duì)驅(qū)油效果有顯著的影響，通過改變添加劑濃度和生成方法等措施可以控制微泡沫的直徑分布，有利于低滲透油藏的開發(fā)。同時(shí)含有表面活性劑的微泡沫在致密低滲透儲(chǔ)層中發(fā)揮滲吸置換效應(yīng)［53］，進(jìn)一步提高了非常規(guī)油藏的采收率。

氣體種類不同 微泡沫的氣源種類多，如空氣、天然氣、氮?dú)夂投趸嫉?。從安全角度來看，在沒有天然氣爆炸或燃燒風(fēng)險(xiǎn)的井場(chǎng)，可采用空氣和天然氣作為氣源生成泡沫，在容易爆炸和燃燒的井場(chǎng)，一般使用二氧化碳2或惰性氣體生成泡沫。另外，不同氣體介質(zhì)的泡沫性能差別較大，二氧化碳在水中的溶解度高，導(dǎo)致二氧化碳通過液膜的速率更快，因此空氣、氮?dú)馀菽姆€(wěn)定性比二氧化碳泡沫更高［54］。與氮?dú)庀啾龋趸技婢唑?qū)油與封存雙重價(jià)值，從地質(zhì)封存的角度來看，二氧化碳封存是實(shí)現(xiàn)中國(guó)碳減排工作的有效途徑之一，以微泡沫的形式將二氧化碳注入衰竭油藏中，能夠?qū)崿F(xiàn)更加安全高效的封存。從驅(qū)油效果的角度分析，氣體與原油的混相程度同樣影響泡沫的適用性和驅(qū)替效果［55］。

3 微泡沫調(diào)剖與驅(qū)油效果研究現(xiàn)狀

微泡沫鉆井液由于低密度、可循環(huán)使用等特性已成功應(yīng)用于易漏失儲(chǔ)層的鉆完井作業(yè)中［56］。微泡沫具有聚集而不聚并的特點(diǎn)，基液的黏度高，具有架橋作用，在鉆低壓衰竭儲(chǔ)層時(shí)可以較好地控制濾失量。微泡沫的獨(dú)特性質(zhì)使其具備應(yīng)用于油田提高采收率的潛力，特別是在低滲透非均質(zhì)油藏中微泡沫具有良好的調(diào)剖與驅(qū)油效果。

3.1 影響微泡沫調(diào)剖與驅(qū)油效果的主要因素

微泡沫的穩(wěn)定性是影響其封堵性能及驅(qū)油效果的關(guān)鍵因素之一，半衰期和直徑分布是表征微泡沫穩(wěn)定性的主要參數(shù)，聚合物與表面活性劑類型和濃度、溫度、壓力等是影響微泡沫穩(wěn)定性的主要因素。非常規(guī)儲(chǔ)層地質(zhì)特征復(fù)雜，微泡沫組分與儲(chǔ)層流體或巖石礦物不配伍，極易引起儲(chǔ)層傷害且難以恢復(fù)。另外微泡沫的穩(wěn)定性和封堵能力受儲(chǔ)層的滲透率、巖石潤(rùn)濕性、地層飽和流體的性質(zhì)等因素的影響。非常規(guī)儲(chǔ)層孔喉直徑分布范圍是影響油氣滲流能力的主要因素，微泡沫直徑受溫度和壓力的影響而發(fā)生變化，研究微泡沫直徑與儲(chǔ)層孔喉直徑的匹配關(guān)系，對(duì)明確微泡沫驅(qū)的油藏適用范圍和驅(qū)油效果至關(guān)重要。

3.1.1 微泡沫穩(wěn)定性的研究

KESHAVARZI 等使用陰離子表面活性劑十二烷基硫酸鈉（SDBS）、非離子表面活性劑TritonX-100、兩性離子表面活性劑椰油酰胺丙基甜菜堿和聚合物黃原膠制備了微泡沫，研究了攪拌時(shí)間、攪拌速率以及聚合物和表面活性劑濃度對(duì)微泡沫體積和半衰期的影響［57］。研究結(jié)果表明，黃原膠的濃度對(duì)微泡沫的形成和穩(wěn)定性有很大影響，增加黃原膠的濃度，可降低微泡沫的起泡體積，但顯著增加了半衰期。與非離子表面活性劑相比，由陰離子表面活性劑生成的微泡沫具有顯著的穩(wěn)定性。

PASDAR 等使用聚合物黃原膠、陰離子表面活性劑十二烷基硫酸鈉（SDBS）和陽(yáng)離子表面活性劑十六烷基溴化銨（CTAB）制備了微泡沫，研究了聚合物濃度、表面活性劑類型和濃度對(duì)微泡沫穩(wěn)定性的影響。研究發(fā)現(xiàn)，使用SDBS 制備的微泡沫，聚合物和表面活性劑濃度的增加提高了微泡沫的穩(wěn)定性，其中聚合物濃度對(duì)微泡沫穩(wěn)定性的影響更大［58］。使用CTAB 制備的微泡沫，隨著聚合物濃度的增加和CTAB 濃度的降低，微泡沫的穩(wěn)定性有明顯的提升，隨著CTAB 濃度的增加，在微泡沫中觀察到白色絮狀的沉淀生成，微泡沫迅速變得不穩(wěn)定。

NGUYEN 等使用黃原膠和十二烷基硫酸鈉（SDBS）制備了CO2微泡沫，使用一種新的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法——確定性實(shí)驗(yàn)篩選設(shè)計(jì)（Definitive Screening Design）研究了聚合物濃度、表面活性劑濃度、鹽度、攪拌時(shí)間和攪拌速率5個(gè)定量參數(shù)對(duì)微泡沫穩(wěn)定性的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，DSD 方法成功地評(píng)估了各參數(shù)對(duì)微泡沫穩(wěn)定性的影響，微泡沫的穩(wěn)定性主要取決于黃原膠的濃度［59］。研究還發(fā)現(xiàn)，SDBS 濃度和攪拌速率的增加提高了CO2微泡沫的穩(wěn)定性，鹽度的增加降低了CO2微泡沫的穩(wěn)定性。

AMIRI等研究了納米蒙脫土對(duì)微泡沫穩(wěn)定性的影響［60］，由于表面活性劑與納米顆粒的協(xié)同作用，顆粒具有更強(qiáng)的疏水性，增強(qiáng)了顆粒在泡沫表面上的吸附作用，因此與表面活性劑相比，添加納米顆粒的微泡沫穩(wěn)定性更好，同時(shí)對(duì)于高溫和高鹽油藏的適應(yīng)性更好。ZHU 等研究了凹凸棒土對(duì)微泡沫穩(wěn)定性和直徑分布的影響，研究結(jié)果表明，凹凸棒土能有效改善微泡沫流體在高溫下的穩(wěn)定性、流變性和濾失性。同時(shí)大部分微泡沫直徑為10～150 μm，凹凸棒土添加量增至2%時(shí)，微泡沫直徑分布更集中，平均直徑減小至100 μm 以下［61］，這表明凹凸棒土的加入有利于提高微泡沫的穩(wěn)定性。

3.1.2 微泡沫對(duì)儲(chǔ)層傷害性的研究

GROWCOCK 等使用徑向流填砂管模型研究了微泡沫對(duì)儲(chǔ)層的傷害。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，微泡沫的回流滲透率為80%［62］。由于微泡沫與油氣間的界面張力很低，且在儲(chǔ)層運(yùn)移中黏附作用力小，對(duì)儲(chǔ)層的傷害較小。GUPTA 研究認(rèn)為，微泡沫的流動(dòng)速率比液相流體更快，并在流體前緣形成一團(tuán)微氣泡簇，微氣泡簇堆積形成的屏障作用和徑向流動(dòng)模式迅速降低了剪切速率，提高了流體黏度，從而減少流體的濾失量［63］。

BJORNDALEN 等使用不同濃度的聚合物黃原膠和陰離子表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉（DDBS）生成了微泡沫，研究了儲(chǔ)層飽和流體（水、鹽水、礦物油、原油）對(duì)微泡沫封堵性能的影響。結(jié)果表明，基液黏度越高，微泡沫越穩(wěn)定［64］。微觀驅(qū)替實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，微泡沫驅(qū)替過程中，壓降不斷增大，表明微泡沫在多孔介質(zhì)流動(dòng)中產(chǎn)生較高的滲流阻力，后續(xù)的水驅(qū)過程能夠?qū)⒍嗫捉橘|(zhì)中的微泡沫幾乎全部排出，說明微泡沫對(duì)儲(chǔ)層傷害較?。?5］。

3.1.3 微泡沫對(duì)儲(chǔ)層封堵效果的研究

BJORNDALEN 等使用填砂管模型研究了微泡沫在不同潤(rùn)濕條件下的封堵效果，通過計(jì)算壓降數(shù)據(jù)可知，微泡沫在油濕砂中的壓降是水濕砂中壓降的3 倍左右［66］，表明微泡沫對(duì)油濕性多孔介質(zhì)的封堵效果較差，該學(xué)者認(rèn)為在油濕條件下微泡沫在多孔介質(zhì)不穩(wěn)定導(dǎo)致了封堵性能下降。然而，PASDAR 等在研究微泡沫在水濕和油濕條件下的封堵性能時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)多孔介質(zhì)由水濕轉(zhuǎn)變?yōu)橛蜐窈螅⑴菽淖⑷雺毫υ黾?，表明微泡沫在油濕條件的封堵性能更好，導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因可能是由于油濕模型孔壁上存在一層薄的油相層，增加了微泡沫在多孔介質(zhì)中的流動(dòng)阻力［67］。因此，微泡沫在不同潤(rùn)濕條件下對(duì)多孔介質(zhì)的封堵效果仍然存在一些爭(zhēng)議，需要進(jìn)一步研究。此外，微泡沫通過低滲透砂層時(shí)的壓降上升速率高于高滲透砂層，微泡沫在低滲透非均質(zhì)多孔介質(zhì)中具有更有效的封堵能力［68］。

TABZAR 等通過非均質(zhì)微觀模型研究了SiO2納米顆粒與微泡沫在非均質(zhì)多孔介質(zhì)封堵中的協(xié)同作用［69］。實(shí)驗(yàn)觀察到一些較大的氣泡在非均質(zhì)模型中被分割成較小的氣泡，當(dāng)大氣泡發(fā)生液膜分離時(shí)會(huì)分裂成更多的小氣泡，小氣泡同時(shí)進(jìn)入同一孔喉，它們互相阻礙導(dǎo)致氣泡在多孔介質(zhì)中的運(yùn)移速率減慢，通過多孔介質(zhì)的壓降增大［69］。實(shí)驗(yàn)結(jié)果首次闡明了納米顆粒與微泡沫的協(xié)同作用，提高了微泡沫的穩(wěn)定性和封堵能力。

TELMADARREIE 等通過線性可視化模型研究了CO2微泡沫在多孔介質(zhì)中的流動(dòng)特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，微泡沫在裂縫內(nèi)積聚并誘導(dǎo)形成橋接機(jī)制，增大了裂縫內(nèi)的滲流阻力，迫使微泡沫的流動(dòng)向低滲透區(qū)域運(yùn)移［70］，從而提高了波及效率。

3.1.4 微泡沫直徑分布與儲(chǔ)層孔喉直徑分布匹配性的研究

史勝龍等研究了微泡沫直徑與儲(chǔ)層孔喉直徑的匹配關(guān)系，發(fā)現(xiàn)通過調(diào)節(jié)氣液比、填砂管滲透率可將微泡沫直徑控制為12.39～99.31 μm，當(dāng)微泡沫的平均直徑與巖心孔喉直徑比為1.45～2.16時(shí)，微泡沫具有較好的注入性及深部封堵能力［71］。ALIZADEH 等建立數(shù)學(xué)模型，模擬了微泡沫在多孔介質(zhì)中的運(yùn)移規(guī)律，研究結(jié)果表明，微泡沫直徑與孔喉直徑的比值是影響微泡沫封堵能力的關(guān)鍵參數(shù)，其值越大，微泡沫的封堵效果越好［72］。吳雪瑞計(jì)算了平穩(wěn)注入壓力下微泡沫尺寸與孔喉尺寸的匹配關(guān)系，分析了不同滲透率下微泡沫體系的適應(yīng)性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)巖心滲透率大于150 mD 時(shí)，微泡沫的平均半徑與孔喉半徑相匹配［73］。

3.2 微泡沫提高采收率的研究進(jìn)展

近年來，許多學(xué)者研究了不同氣體介質(zhì)微泡沫配方的驅(qū)油效果，巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)是研究提高采收率的傳統(tǒng)方法。SAMUEL等通過微觀可視化模型和填砂模型，對(duì)比了微泡沫驅(qū)與聚合物驅(qū)的驅(qū)油效果，研究結(jié)果表明，當(dāng)采出程度相當(dāng)時(shí)，微泡沫驅(qū)的注入壓力僅為聚合物驅(qū)的1/3，且微泡沫具有穩(wěn)定的驅(qū)替前緣，波及范圍更廣［74］。史勝龍使用甜菜堿表面活性劑S1和黃原膠制備N2微泡沫，通過非均質(zhì)填砂管模型評(píng)價(jià)了微泡沫的驅(qū)油效果。研究結(jié)果表明，在三次采油條件下微泡沫驅(qū)采收率提高了26.8%［75］。NATAWIJAYA 等使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%的黃原膠和0.3%的十二烷基硫酸鈉制備了不同直徑的CO2微泡沫，采用不同滲透率級(jí)差的填砂管模型分別研究CO2驅(qū)、聚合物和表面活性劑驅(qū)、CO2微泡沫驅(qū)對(duì)驅(qū)油效率的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，CO2驅(qū)采收率提高了13.09%，聚合物和表面活性劑驅(qū)采收率提高了18.79%，CO2微泡沫驅(qū)采收率提高了26.38%，相比之下CO2微泡沫驅(qū)提高采收率具有明顯的優(yōu)勢(shì)［52］。在非均質(zhì)油藏中，CO2微泡沫在低滲透區(qū)域波及效率高，采收率由水驅(qū)的7.14%提高到74.65%。王湛使用改性后的微泡沫進(jìn)行了巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)微泡沫經(jīng)過改性后，注入壓力降低了20%～40%，改性后的微泡沫在水驅(qū)及微泡沫驅(qū)的基礎(chǔ)上采收率提高了20.9%［76］。YOU 等添加改性劑GXJ-C 與十二烷基硫酸鈉混合制備微泡沫，經(jīng)過改性的微泡沫驅(qū)采收率由40.3%提高到63.6%［77］，說明微泡沫改性后的驅(qū)油效果明顯優(yōu)于水驅(qū)和微泡沫驅(qū)。

玻璃微觀刻蝕模型和可視填砂管巖心模型的應(yīng)用，直觀呈現(xiàn)了泡沫在非均質(zhì)多孔介質(zhì)中運(yùn)移規(guī)律及與原油相互作用的過程。TELMADARREIE 等利用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.55%的黃原膠和0.29%的表面活性劑N85 制備成CO2微泡沫，通過非均質(zhì)微觀可視化模型，研究了CO2微泡沫驅(qū)替稠油的效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，CO2微泡沫驅(qū)的采收率可達(dá)98%［70］，微泡沫首先驅(qū)替裂縫及高滲透通道中的原油，在高滲透區(qū)域形成有效封堵后，逐漸向低滲透區(qū)域轉(zhuǎn)移。CO2微泡沫具有提高非均質(zhì)稠油油藏采收率的潛力。高振東利用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的UCAB 和0.2%的SDS 制備成CO2微泡沫，使用微觀可視化模型研究了CO2微泡沫的驅(qū)油效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)微泡沫的最佳注入速率為2.0 L/min、泡沫阻力系數(shù)為8～15時(shí)，CO2微泡沫能進(jìn)入更小的孔喉，擴(kuò)大了波及體積，其驅(qū)油效率在水驅(qū)的基礎(chǔ)上可提高25.8%，在延長(zhǎng)組低滲透油藏現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果良好［78］。

4 存在問題及發(fā)展趨勢(shì)

微泡沫雖已在生物醫(yī)學(xué)、礦物浮選、水處理、土壤修復(fù)以及鉆井中取得了較好的應(yīng)用效果，在提高采收率中也表現(xiàn)出一定的應(yīng)用潛力，但在非常規(guī)油藏的微觀驅(qū)油機(jī)制尚不明確，需要進(jìn)一步研究?jī)?yōu)選適宜于非常規(guī)油藏提高采收率的微泡沫配方。微泡沫現(xiàn)有的幾種制備方法存在一定的局限性，設(shè)計(jì)微泡沫制備與驅(qū)替相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，有助于深入研究微泡沫的微觀驅(qū)油機(jī)理。微泡沫直徑與孔喉直徑的匹配是影響微泡沫封堵及驅(qū)油效果的關(guān)鍵因素，建立微泡沫直徑與孔喉直徑比值的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)不同油藏滲透率級(jí)差與孔喉比的特點(diǎn)，研發(fā)與儲(chǔ)層滲透率級(jí)差和孔喉比適應(yīng)性更高的微泡沫，有助于提高微泡沫驅(qū)的應(yīng)用范圍。CO2微泡沫的制備及其提高采收率機(jī)理研究，一方面符合中國(guó)當(dāng)前碳減排工作的需要，另一方面，能夠改善低滲透油藏的波及體積，提高采收率，對(duì)提升中國(guó)原油產(chǎn)量具有一定的研究?jī)r(jià)值與意義。

微泡沫配方的優(yōu)選 微泡沫由于其特殊的結(jié)構(gòu)，具有粒徑小、穩(wěn)定性高和流動(dòng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，微泡沫的穩(wěn)定性和流變性是影響采收率的關(guān)鍵因素，現(xiàn)有關(guān)于微泡沫穩(wěn)定性的研究，多集中在微泡沫鉆井液配方的優(yōu)選。已有部分學(xué)者證實(shí)了微泡沫在提高采收率應(yīng)用中的可行性，但對(duì)微泡沫提高采收率的配方研究尚不多見，因此應(yīng)進(jìn)一步圍繞提高采收率，結(jié)合不同油藏的特點(diǎn)，優(yōu)選適宜的微泡沫配方。

微泡沫的制備方法 目前關(guān)于微泡沫的生成方法包括高速攪拌法、微流控法和特殊過濾篩板等，不同方法制備的微泡沫均存在一定的局限性，如高速攪拌法制備的微泡沫易受攪拌速率及攪拌時(shí)間的影響，導(dǎo)致微泡沫的尺寸分布均一性較差。微流控法制備的微泡沫均一性好，且能夠可視化，便于室內(nèi)研究，但該方法制備微泡沫的效率低，不適宜現(xiàn)場(chǎng)使用。特殊過濾篩板法是將氣體通過具有微米級(jí)小孔的篩板，氣流通過篩板時(shí)在剪切作用力下與液相相互作用生成微泡沫，該方法成本較低。目前在提高采收率研究中，多用填砂管制備不同尺寸的微泡沫，但該方法操作復(fù)雜，易影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，需要進(jìn)一步改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置，優(yōu)化微泡沫的制備方法。

微泡沫尺寸與孔喉尺寸的匹配性 微泡沫的直徑分布是表征微泡沫穩(wěn)定性的關(guān)鍵參數(shù)，微泡沫直徑一般為10～100 μm，而非常規(guī)油藏儲(chǔ)集空間多為微納米孔喉，常規(guī)介質(zhì)難以注入，經(jīng)過壓裂改造的儲(chǔ)層，裂縫錯(cuò)綜復(fù)雜，進(jìn)一步加劇了儲(chǔ)層的非均質(zhì)性，注入介質(zhì)往往發(fā)生竄流，導(dǎo)致油藏的穩(wěn)產(chǎn)期短、采收率較低。需進(jìn)一步研究微泡沫尺寸與孔喉尺寸的比值關(guān)系，明確微泡沫提高采收率的適用性和驅(qū)油效果。

CO2微泡沫的研究 目前對(duì)于空氣微泡沫的性質(zhì)及應(yīng)用的研究較多，以其他氣體介質(zhì)制備微泡沫的研究應(yīng)用較少。對(duì)于部分油氣藏，一方面，CO2由于能夠與原油發(fā)生混相，置換原油，另一方面，CO2地質(zhì)封存是實(shí)現(xiàn)碳減排的有效途徑之一，因此，需進(jìn)一步研究與CO2相適應(yīng)的聚合物和表面活性劑，探究空氣微泡沫與CO2微泡沫的性質(zhì)差異。

5 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)前非常規(guī)油氣的開發(fā)是中國(guó)原油增產(chǎn)的重點(diǎn)，非常規(guī)油氣壓裂后一次采收率低，穩(wěn)產(chǎn)周期短。微泡沫驅(qū)技術(shù)的提出對(duì)于提升中國(guó)油氣采收率具有重要的研究?jī)r(jià)值與潛力。微泡沫與普通泡沫的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)有著較大的差異，微泡沫具有直徑小、穩(wěn)定性高、注入性好且流動(dòng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，其獨(dú)特的多層結(jié)構(gòu)形成的氣阻效應(yīng)，有效改善了驅(qū)油體系的流度控制能力，擴(kuò)大了波及體積，提高了采收率。發(fā)展微泡沫驅(qū)技術(shù)，可以有效解決普通泡沫驅(qū)存在的不足，滿足中國(guó)低滲透非均質(zhì)儲(chǔ)層的開采需求。