不同相態CO2形成的泡沫體系性能研究

毛洪超

（中國石化中原油田分公司 河南濮陽 457001）

不同相態CO2形成的泡沫體系性能研究

毛洪超

（中國石化中原油田分公司 河南濮陽 457001）

通過研究氣態、液態和超臨界狀態下CO2泡沫性能，說明超臨界CO2形成的泡沫形態介于氣態CO2形成的泡沫和液態CO2形成的乳狀液之間，但超臨界CO2形成的泡沫阻力因子高于氣態和液態CO2形成的泡沫體系。CO2泡沫隨著壓力升高、溫度降低均趨于更加穩定的狀態，但壓力影響更加顯著。

高溫高壓；CO2泡沫；超臨界；可視化

CO2具有氣態、液態和超臨界三種不同的相態，不同相態CO2產生的泡沫外觀和穩定性差異較大。泡沫調驅已成為CO2驅流度控制必要手段。

在油藏條件下，CO2大多處于超臨界狀態，與空氣、N2泡沫差別較大。常規的泡沫表征方法有體積法、電導率法及壓力法，最為常用的為Ross-Miles法，但大多數評價方法的耐壓程度較低。因此對于存在相態變化的CO2，常規泡沫評價方法無法模擬油藏條件下CO2泡沫的特性。本文通過高溫高壓可視化泡沫儀，開展了不同相態下CO2泡沫性能研究。

1 實驗裝置及方法

1.1 高溫高壓可視化泡沫性能評價實驗

高溫高壓泡沫儀主要由起泡裝置、加熱系統、測壓系統、增壓系統和光源等組成（圖1）。

圖1 高溫高壓泡沫儀流程圖

實驗裝置主要特點：①耐高溫高壓，最高耐溫150℃、耐壓20MPa，可實現不同相態CO2泡沫穩定性評價；②高溫高壓下可實現高速攪拌，最高轉速1000r/min，起泡速度快；③有可視觀察窗，可觀察泡沫的起泡及穩定情況；④內部測溫方式，泡沫實際溫度的測量更準確。

實驗方法：①在泡沫儀內加入配制好的泡沫劑溶液，并升溫至實驗溫度；②充入CO2至實驗壓力，待壓力穩定后以1000r/min的轉速攪拌一定時間；③記錄泡沫高度、半衰期等參數。

1.2 泡沫封堵能力實驗

泡沫封堵能力評價實驗流程見圖2。

實驗方法：①用0.075～0.150mm石英砂填制填砂管（Φ38×1000mm）,并測定填砂管滲透率和孔隙體積；②將填砂管接入流程進行氣密性測試，升溫至預設溫度，控制回壓至實驗壓力，穩定4h以上；③用平流泵以2mL/min的流速向填砂管注水，測定穩定后壓差，即為基礎壓差；④發泡劑溶液與氣體CO2按1：1比例混合形成CO2泡沫液，泡沫液以2mL/min流速注入填砂管，測定穩定后的封堵壓差，封堵壓差與水驅基礎壓差之比為阻力因子。

1.3 實驗材料

①實驗用水：中原油田濮城油田沙一油藏注入水；地層水礦化度24×104mg/L，Cl-含量為16×104mg/L，水型為CaCl2.

②實驗用CO2：純度99.9%，試劑級。

③實驗用發泡劑為甜菜堿類復配而成；

④泡沫液質量濃度：0.5%。

1.4 不同相態CO2泡沫特征

分別在氣態CO2（2MPa、20℃）、液態CO2（6MPa、20℃）和超臨界CO2（8MPa、40℃）條件下進行試驗，觀察CO2與泡沫劑混合后的起泡特征（圖3）。

圖3 不同相態條件下CO2泡沫形態

CO2在不同溫度和壓力條件下存在不同相態，產生的CO2泡沫外觀和穩定性差異較大：①氣態CO2形成的泡沫與空氣、N2等泡沫外觀相近(圖3a)；②液態CO2形成的泡沫外觀形態變化較大，近似于乳狀液狀態，呈均勻相(圖3b)；③超臨界CO2形成的泡沫介于氣態和液態之間，由細小的泡沫組成，但外觀比氣態CO2泡沫更加致密。

另外，氣態CO2形成泡沫需要攪拌時間約1min，發泡速率較慢。超臨界CO2與液態CO2形成的泡沫體系需要攪拌時間約10sec，能夠快速發泡。

2 溫度、壓力對CO2泡沫性能影響

溫度和壓力是CO2相態變化的重要原因，分別進行了壓力8MPa時溫度（25～100℃）、溫度82.5℃時壓力（0.5～16MPa）對CO2泡沫性能影響的試驗。

2.1 溫度對CO2泡沫性能的影響（圖4、圖5）

圖4 溫度對CO2泡沫起泡能力的影響

圖5 溫度對CO2泡沫穩泡能力的影響

由圖4、圖5可知，溫度升高，CO2泡沫的起泡體積略有降低，但半衰期明顯降低，泡沫與溫度變化關系與文獻中報道的規律一致。另外，本試驗選用泡沫劑耐溫性能較好，在100℃高溫下半衰期為85min。

3.2 壓力對CO2泡沫性能的影響（圖6、圖7）

圖6 壓力對CO2泡沫起泡能力的影響