二元復合低界面張力泡沫驅油體系研究

黃春霞，湯瑞佳，余華貴，江紹靜

(陜西延長石油(集團)有限責任公司研究院，陜西 西安 710075)

空氣泡沫驅油體系由起泡劑、穩泡劑和空氣組成，既比注氮氣泡沫和活性水經濟，又能充分發揮注氣驅和泡沫驅的優點［1］。二元復合泡沫體系中加入表面活性劑和聚合物，降低了其界面張力，增加了泡沫的黏彈性，大大提高了泡沫質量和穩定性，提高了其驅油能力。除了具有常規泡沫驅油的特征之外，復合泡沫還能夠生成比普通泡沫更多、更細小、更穩定的泡沫，具有更強的抗形變能力，能夠進入更細小的喉道，從而適用于低滲特低滲剩余油的開采，較常規泡沫驅油效果更佳［2］。由于泡沫具有堵水不堵油的特性，通過封堵高滲透含水層，驅替前緣變得均勻，提高了驅油劑的波及體積，因此，泡沫驅油技術也適用于有一定非均質性的油藏［3］。雖然泡沫驅油技術具有眾多的優點，但其弱點是泡沫的不穩定性。因此，研制性能優良、穩定性好的泡沫體系是空氣泡沫驅油技術的關鍵［4-5］。

本文通過篩選和評價不同類型的起泡劑，研制了一種適合于低滲透油藏的二元復合低界面張力泡沫體系，并對其泡沫性能、油水界面張力和驅油效果進行了評價。該復合泡沫體系既能降低油水界面張力，提高驅油效率，又能降低水油流度比，提高波及效率［6］，是一種具有發展前途的可應用于低滲油藏的三次采油技術。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

陰離子型表活劑(HY-2、CYL、LAS)、甜菜堿型表面活性劑TC-12、氟碳型表面活性劑(FC、FC-1、FC-2)、復合型表面活性劑(DP-4)、低界面張力甜菜堿型表面活性劑BS、聚合物HPAM 均為工業品;延長油田脫水原油、煤油、模擬地層水(礦化度14 000 mg/L)、延長油田污水;人造巖心。

TRACKER 全自動液滴表面張力儀;Thermo Haake DC30 型恒溫水浴;KX-1 型控制箱;LVDV-Ⅱ+PRO 布氏粘度計;TEXAS-500 型旋滴界面張力儀;Brookfield-II 粘度計;恒溫高壓驅替裝置。

1.2 實驗方法

1.2.1 起泡劑的優選 30 ℃，礦化度14 000 mg/L模擬地層水配制成質量分數為0.3%的起泡劑，以一定流速的氣體通過定量測試溶液。改變通氣時間，記錄不同氣液比條件下的泡沫高度h 和泡沫半衰期t1/2。

由于泡沫高度h 和半衰期t1/2僅僅單純的表征了起泡劑的起泡能力和穩泡能力。為了綜合評價起泡劑的起泡和穩泡能力，采用泡沫綜合指數FCI 來評價起泡劑的泡沫性能，泡沫綜合指數越大，表示泡沫性能越好［7］。為了計算方便，泡沫綜合指數FCI計算方法簡化為:FCI=h×t1/2。

1.2.2 雙管巖心驅油 在3 組雙巖心并聯試驗中高滲巖心滲透率分別為300 × 10－3，500 × 10－3，1 000 × 10－3μm2，低 滲 巖 心 滲 透 率 均 為10 ×10－3μm2。30 ℃，巖心模型抽空4 h，飽和地層水;水測滲透率后，飽和原油，計算含油飽和度;地層水進行水驅實驗，直至巖心出口含水率98%，記錄壓力、油量等參數，計算水驅采收率;采用氣液同注的方式，以一定的流速注入泡沫體系，氣液比1 ∶1，考察注入量分別為0.1 ～0.4PV 時的驅油效果，并記錄壓力、產液量等參數，分別計算水驅后的高、低滲巖心的泡沫驅采收率。

1.3 界面張力的測定

30 ℃，采用旋滴界面張力儀，測定起泡劑溶液的油水界面張力，其中實驗用油樣是實驗室自制模擬油。

2 結果與討論

2.1 起泡劑篩選

2.1.1 無油條件下起泡劑的篩選 30 ℃，礦化度14 000 mg/L 模擬地層水配制成質量分數為0.3%的起泡劑，測得起泡劑的泡沫高度h 和半衰期t1/2，計算泡沫綜合指數FCI，結果見圖1。

圖1 不同氣液比起泡劑的起泡性能(不含油)Fig.1 Blistering performance of different gas-liquid ratio of foaming agent (without oil)

由圖1 可知，泡沫綜合指數由高到低排序:FC-1＞FC-2 ＞CYL ＞TC-12 ＞DP-4 ＞HY-2 ＞LAS。FC-1起泡性能最好，其次是FC-2，不但有較高的起泡高度，而且半衰期通常在1 h 以上，表現出高礦化度條件下氟碳表面活性劑良好的起泡性和穩定性。氟碳表面活性劑疏水基團是一個既憎水又憎油的氟碳鏈，遠比碳氫結構穩定，且具有更低極性，從而使得氟碳表面活性劑分子在水溶液中有比其它表面活性劑分子更加強烈的傾向來脫離水溶液，在氣/液界面上定向聚集排列，形成分子膜，有助于提高其起泡能力和泡沫的穩定性。

2.1.2 含油條件下起泡劑的篩選 30 ℃，礦化度14 000 mg/L 模擬地層水配制成質量分數為0.3%的起泡劑，含油30%條件下，測得起泡劑的泡沫高度h 和半衰期t1/2，計算泡沫綜合指數FCI，結果見圖2。

圖2 不同氣液比起泡劑的起泡性能(含油30%)Fig.2 Blistering performance of different gas-liquid ratio of foaming agent(oil content of 30%)

由圖2 可知，當含油30%，氣液比3∶1 時，起泡性能依次為TC-12 ＞FC-2 ＞FC-1 ＞DP-4 ＞HY-2 ＞LAS。TC-12 甜菜堿型表面活性劑，其分子結構一部分是由季銨基長鏈衍生物構成的陽離子，另一部分是由磷酸酯基構成的陰離子部分。此結構決定其配伍性優于一般陰離子表面活性劑，另具有耐堿性、耐電解質性和抗靜電性的優點。甜菜堿在實驗條件下基本處于等電區，靜電荷最少，在氣/液界面排列較緊密，因此體系的耐油起泡性好。FC-2 氟碳型表面活性劑由于既不親水也不親油，在氣/液界面上定向聚集排列，同樣具有優異的起泡性。因此，在含油30%、氣液比3 ∶1 時，FC-2 和TC-12 具有良好的耐油性。

2.2 二元復合低界面張力起泡體系研究

2.2.1 起泡劑體系 30 ℃，礦化度14 000 mg/L 模擬地層水配制成質量分數為0.3%的起泡劑，含油30%時，FC-2、TC-12 單一體系及其復配體系的泡沫綜合指數FCI 見圖3。

圖3 復配與單一泡沫體系綜合指數對比Fig.3 Contrast of foam composite index for complex and single system

由圖3 可知，復配體系0.1%TC-12 +0.2%FC-2 的泡沫綜合指數最高，形成的泡沫性能最好，在較低氣液比時亦有不錯的起泡和穩泡能力。這主要是由于兩種表面活性劑之間不同電性交替排列，增加膜分子密度，減少氣體穿透，彼此的協同作用增加了泡沫的穩定性，提高了泡沫的性能。

2.2.2 二元復合低界面張力起泡體系 表面活性劑可以通過與主劑的不同電性交替排列，增加膜分子密度，減少氣體穿透，增加泡沫穩定性，而高分子聚合物則主要是通過增加體系的黏度來增加泡沫的膜厚度和膜彈性，以增加泡沫的穩定性［8］。向泡沫體系中加入能夠降低界面張力的甜菜堿型表面活性劑BS 和穩泡劑聚合物HPAM，可以提高泡沫的穩定性和驅油性能。30 ℃，采用油田污水將HPAM 分散、溶解配制成1 500 mg/L 的聚合物溶液。利用該聚合物溶液分別配制不同配比的BS 表面活性劑、FC-2 和TC-12 的二元復合泡沫體系，測定界面張力，結果見圖4。

圖4 二元復合泡沫體系的界面張力Fig.4 Oil-water interface tension of binary complex foam system

由圖4 可知，加入低界面張力表面活性劑BS 與聚合物HPAM 后，復合泡沫體系油水界面張力可降低到10－2數量級。這是由于BS 分子向油水界面擴散的速度很快，在很短的時間油水界面張力就可降至10－2數量級以下。當BS 質量分數為0.1%時，油水界面張力達到整個體系既存在油水界面也存在氣液界面，FC-2 氟碳表面活性劑向氣液界面擴散是主趨勢，同時也會有少量氟碳表面活性劑鋪展在油面上，從而減少了BS 表面活性劑在油水界面的吸附面積;另外由于TC-12 的存在，也可能會協同BS 在溶液中疏水鏈段靠攏在一起，形成膠束，阻止了BS向油水界面的擴散，所以BS 濃度較低時不能使體系油水界面張力達到10－3數量級，甚至不能達到10－2數量級。但如果BS 濃度過高，體系中起泡劑濃度過低，則會影響起泡性能。從降低油水界面張力角度，優選的二元復合低界面張力體系“0.12%FC-2 +0.08%TC-12 +0.1%BS+1 500 mg/L HPAM”。

2.3 驅油效果評價

采用雙管并聯巖心驅替模型，油田污水配制二元復合低界面張力泡沫體系，測水驅后復合泡沫驅提高采收率數值，結果見表1 和圖5。

由表1 和圖5 可知，高滲巖心的水驅采收率明顯高于低滲巖心的水驅采收率;滲透率級差越大，并聯雙管中的低滲巖心的水驅采收率越低。水驅后，注入該二元復合泡沫驅油體系后，低滲巖心的采收率均有不同程度的提高;泡沫驅油劑的注入量越大(0.1 ～0.4PV)，并聯雙管中的低滲巖心采收率提高幅度則越大;雙管中的巖心滲透率級差越大，并聯雙管中的低滲巖心采收率提高幅度越低。其中，高滲巖心滲透率為300 ×10－3μm2的并聯雙管中，注入0.3PV 的泡沫時，低滲巖心采收率提高值為15.04%;高滲巖心滲透率為500 ×10－3μm2并聯雙管中，注入0.4PV 的泡沫時，低滲巖心采收率提高值為15.22%;而高滲巖心滲透率為1 000 ×10－3μm2并聯雙管中，由于兩管滲透率級差過大，注入0.4PV 的泡沫時，低滲管采收率提高值僅為13.17%。由此可見，對于具有一定滲透率級差的并聯巖心，該泡沫體系具有一定的封堵高滲透通道，提高驅油劑在低滲透巖心的波及體積，改善低滲透巖心的驅油效果，從而提高原油采收率。滲透率級差越大，泡沫在高滲巖心中的流動阻力越小，泡沫優先沿著高滲巖心運移并突破，降低了低滲透巖心中泡沫的波及體積，使得低滲透巖心的驅油效果變差，采收率提高幅度降低。

表1 雙管并聯巖心驅油實驗結果Table 1 The experimental results of flooding in two parallel cores

圖5 不同高滲巖心對應的低滲巖心泡沫驅采收率Fig.5 Foam flooding recovery of lower permeability core corresponding different permeability cores

說明對于存在一定非均質性的油層，注入該二元復合泡沫體系具有一定的封堵和調剖作用，能夠增大驅油劑在相對低滲透油層中的波及體積，且該泡沫體系本身具有降低油水界面張力的作用，從而能更好地改善驅油效果［9］。但是，對于層間差異過大、非均質性極強的油層，注泡沫后低滲透油層的采收率提高幅度可能并不明顯，這就需要在注泡沫之前采取適當的調剖措施，調整流量分配，以達到最佳的泡沫驅油效果。

3 結論

(1)二元復合低界面張力泡沫體系“0.12%FC-2 +0.08%TC-12 +0.1%BS+1 500 mg/L HPAM”具有很好的配伍性和耐油性;在含油30%的條件下，氣液比為3∶1 時，表現出良好的起泡和穩泡性能;油水界面張力可降至3.83 ×10－2mN/m;水驅后，泡沫驅油劑的注入量越大(0.1 ～0.4PV)，并聯雙管中的低滲巖心采收率提高幅度越大;并聯雙管的滲透率級差越大，低滲巖心提高采收率幅度越低。

(2)對于存在一定非均質性的油層，該泡沫體系具有一定的封堵和調剖作用，能夠增大驅油劑在相對低滲透油層中的波及體積，且該泡沫體系本身具有降低油水界面張力的作用，從而能更好地改善驅油效果。但是，對于層間差異過大、非均質性極強的油層，注泡沫之前仍需采取適當的調剖措施，調整流量分配，以達到最佳的泡沫驅油效果。

［1］ 張旭，劉健儀.注空氣低溫氧化提高輕質油氣藏采收率研究［J］.天然氣工業，2004，24(4):78-80.

［2］ 李雪松，王軍志，王曦.多孔介質中泡沫驅油微觀機理研究［J］.石油鉆探技術，2009，37(5):109-113.

［3］ 付繼彤，張莉，尹德江，等.強化泡沫的封堵調剖性能及礦場試驗［J］.油氣地質與采收率，2005，12(5):47-49.

［4］ 梁于文，熊運斌，高海濤，等.強非均質性油藏空氣泡沫調驅先導試驗——以胡狀集油田胡12 斷塊為例［J］.油氣地質與采收率，2009，16(5):69-71.

［5］ Yang C Z，Hong Y H，Han D K.Analysis and explanation to industrial pilot foam-flooding results on the Laojunmiao field in China［J］.SPE 17387，1988.

［6］ 王增林.強化泡沫驅油體系性能研究［J］.石油大學學報，2003，27(1):49-53.

［7］ 伍曉林，陳廣宇，張國印.泡沫復合體系配方的研究［J］.大慶石油地質與開發，2000，19(3):27-29.

［8］ 陳曉彥，王其偉，曹緒龍，等.DP-4 型泡沫劑的研制及其性能評價［J］.油氣地質與采收率，2003，10(2):54-55.

［9］ 李兆敏，李賓飛，徐永輝，等.泡沫分流特性研究及應用［J］.西安石油大學學報:自然科學版，2007，22(2):100-106.