玻璃微珠充填介質(zhì)內(nèi)泡沫的微觀驅(qū)油機理

黃 磊，李華斌,凌 革，龍烈錢

（1.成都理工大學能源學院，四川成都 610059；2.中石化西北油田分公司塔河采油三廠，新疆輪臺 841604）

泡沫驅(qū)作為一種較新型的提高采收率技術(shù)能夠同時提高波及系數(shù)和洗油效率[1-2]。由于泡沫在多孔介質(zhì)中流動會首先進入阻力小的高滲透大孔道，隨著泡沫的聚集產(chǎn)生賈敏效應(yīng)，迫使后續(xù)泡沫流入低滲透小孔道[3]，提高了驅(qū)替的波及系數(shù)。同時起泡劑還具有一定的洗油能力，因而泡沫驅(qū)油能大幅度提高采收率，在油田開發(fā)上顯示了很好的發(fā)展前景[4]。本文通過微觀驅(qū)油實驗，研究泡沫驅(qū)油體系在微觀孔隙中的形態(tài)、形成機理及驅(qū)油機理，對認識泡沫驅(qū)提高采收率效果具有重要意義。

1 實驗部分

1.1 實驗材料、設(shè)備

材料：實驗所用表面活性劑為XHY-4（成都華陽興華化工廠產(chǎn)）；模擬油為玉東塊原油（78℃下粘度為286 mPa·s）；實驗用氣為氮氣；模擬地層水（礦化度為160 000 mg/L，CaCl2水型）；泡沫體系：地層水+0.3%XHY-4。

設(shè)備：直徑為0.4～0.6 mm的玻璃微珠充填的微觀仿真模型、電子顯微鏡、微量注入泵、泡沫發(fā)生器。

1.2 實驗方法、步驟

實驗的流程圖（見圖1）。

本研究是利用電子顯微鏡和錄像系統(tǒng)記錄下泡沫驅(qū)替的整個過程，并利用計算機分析泡沫的微觀驅(qū)油特性[5-6]。

實驗基本步驟：首先將微觀模型抽真空飽和地層水；用油驅(qū)水；再用水驅(qū)油至模型不出油為止；然后以一定速度注入泡沫體系至不出油為止，并錄取驅(qū)替過程的動態(tài)圖像；改變實驗方案，重復以上步驟。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 泡沫在多孔介質(zhì)中的形成機理

實驗中觀察到泡沫形成的三種基本機理：液膜滯后、縮頸分離、薄膜分段。

2.1.1 液膜滯后 液膜滯后現(xiàn)象形成的前提是氣體以低速進入孔隙，當氣體以低于臨界速度從不同的方向進入孔隙，孔隙空間的液體就被前緣擠成薄膜（見圖2），當液相中有足夠的表面活性劑時，薄膜可能是穩(wěn)定，否則它就會破裂。液膜滯后現(xiàn)象在地下復雜的孔隙介質(zhì)中會頻繁的發(fā)生，大量生成的液膜會堵塞氣體通道，甚至形成死通道，產(chǎn)生“氣阻效應(yīng)”而使氣相的相對滲透率下降。通過液膜滯后形成的泡沫沒有分離的氣泡，且擴大了單個泡沫的體積，氣體保持連續(xù)相，這樣形成的薄膜為流動薄膜提供潛在的動力，一旦薄膜由于滯后或者破裂而流出孔隙，第二個薄膜不能在同一點產(chǎn)生，除非液體重新進入這個區(qū)域。

圖2 液膜滯后機理

2.1.2 縮頸分離 縮頸分離機理（見圖3）是高速注入泡沫產(chǎn)生的主要機理。當氣泡高速穿過吼道越入另一側(cè)之后，氣泡的體積擴大而毛管壓力遞減，液相中產(chǎn)生的壓力梯度使周圍的液體聚集到吼道中，當毛管壓力降低到臨界值時，氣泡被液體截斷，產(chǎn)生新氣泡。在分析圖像時發(fā)現(xiàn)，縮頸分離現(xiàn)象會在某一處吼道重復發(fā)生。與液膜滯后機理相比，縮頸分離產(chǎn)生的氣泡是可以流動的，分散的氣泡可以流動或者是在多孔介質(zhì)中某處聚集而堵塞氣流通道，但分散氣泡通過多孔介質(zhì)的流動阻力要比連續(xù)氣體的流動阻力大得多。泡沫通過多孔介質(zhì)時的表觀粘度常常可以達到100 mPa·s數(shù)量級，因此它所產(chǎn)生的泡沫是強泡沫。

2.1.3 薄膜分段 薄膜分斷不同于前兩種機理，它形成的前提是多孔介質(zhì)中必須首先有由液膜滯后或縮頸分離產(chǎn)生的泡沫。只要薄膜能達到的某點，薄膜分段都有可能發(fā)生。在這一點，當泡沫前端的薄膜和氣體只流入其中一個通道時，泡沫未發(fā)生分裂，但當流入到下游的兩個或更多的吼道中時（見圖4），泡沫發(fā)生了分裂，與氣泡截斷機理相類似，所形成的分散氣泡或流入或者堵塞氣體孔道。

圖3 縮頸分離機理

圖4 薄膜分段機理

2.2 微觀孔隙中的泡沫驅(qū)油機理

2.2.1 乳化、攜帶

（1）乳化機理：如圖5所示，在表面活性劑的作用下，多孔介質(zhì)中表面的原油被分散、剝離，形成水包油（o/w）型乳狀液，在壓差的作用下，乳化液攜帶著增溶的油滴沿著壓降方向運移，驅(qū)出孔隙，從而改善油水兩相的流度比，提高波及系數(shù)[7]。

（2）剝離油膜、擠壓、攜帶作用：孔隙表面潤濕性的非均質(zhì)性和原油中的重組分的作用，造成了部分油滴或油段殘留在孔壁上。如圖6所示，在表面活性劑的降低油水界面張力和改變原油流變性的作用下，大量油滴和油段被剝離成呈分散的細粉狀或絲狀，隨水流動，被驅(qū)出孔隙。

同時在圖7可以看到，當孔隙吼道大部分被泡沫占據(jù)時，在驅(qū)替壓力的作用下，分散的大氣泡像一段柱塞擠壓孔隙中的殘余油，使油膜變薄、分散并被泡沫攜帶出孔隙。

實驗中發(fā)現(xiàn)，在泡沫驅(qū)過程中，泡沫循環(huán)往復的進行聚并、破裂的過程（見圖8），會局部改變多孔介質(zhì)中孔隙和吼道的壓力，加劇孔喉中泡沫的運動，這種擾動會加劇泡沫的乳化攜帶作用，有利于泡沫驅(qū)油過程。

2.2.2 賈敏效應(yīng) 如圖9所示，氣泡首先進入流動阻力小的高滲透大孔道，而隨著泡沫的聚集，氣泡的流動阻力加大，產(chǎn)生“賈敏效應(yīng)”，當流動阻力增大到超過小孔道的流動阻力時，越來越多的氣泡會流向小孔隙中，驅(qū)替未被波及的原油，提高了驅(qū)替液的波及系數(shù)。

圖5 原油乳化現(xiàn)象

圖6 泡沫的剝離油膜作用

圖7 泡沫在擠壓、攜帶油滴

圖8 泡沫的聚并、破裂過程

圖9 泡沫通過賈敏效應(yīng)增加波及系數(shù)

3 結(jié)論

（1）通過分析實驗記錄表明，泡沫的形成有液膜滯后、縮頸分離、薄膜分段三種機理，三種機理的形成條件各不相同。

（2）在表面活性劑水溶液軟化界面膜、降低界面張力的作用下，原油被分散、剝離成乳狀液，同時泡沫的擠壓、攜帶作用，乳狀液沿著壓降方向運移，這對油藏極為有利，同時泡沫循環(huán)往復的聚并、破裂過程有利于乳狀液的形成，因此泡沫驅(qū)對提高稠油油藏采收率具有很大的優(yōu)勢。

（3）由于泡沫驅(qū)具有疊加的賈敏效應(yīng)，迫使泡沫進入小孔道驅(qū)替原油，顯著的提高了驅(qū)替劑的波及系數(shù)，擴大了波及體積，對于非均質(zhì)油藏的開采極為有利。

［1］董朝霞，吳肇亮，林梅欽，等.交聯(lián)聚合物與聚合物溶液的特性差別［J］.石油學報，2004，20（6）：8-13.

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［4］姜繼水，宋吉水.提高石油采收率技術(shù)［M］.北京:石油工業(yè)出版社，2003.

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