空氣泡沫驅驅油機理與實驗研究

石亞琛，戈薇娜，孫 超，李 進

（長江大學 石油工程學院，湖北 武漢 430100）

空氣泡沫驅驅油機理與實驗研究

石亞琛，戈薇娜，孫 超，李 進

（長江大學 石油工程學院，湖北 武漢 430100）

針對傳統聚合物驅、三元復合驅等驅油體系在中后期油田開采中采油效率不高的問題，提出一種高效空氣泡沫驅驅油技術。為驗證高效泡沫驅的驅油效果，以延長油田1#地質條件為背景，探討不同起泡劑濃度、礦化度下對空氣泡沫驅的性能影響，從而篩選出空氣泡沫驅的最優綜合性能，通過驅替實驗，對高效泡沫驅驅油機理進行觀察。最后通過封堵能力評價驗證了空氣泡沫驅的性能與驅油機理。

空氣泡沫驅；起泡劑；微觀驅油；機理；封堵能力

隨著我國油田開發進入中后期，主力油田開始進入到特高含水期，導致開采成本逐步上升。由此常規利用聚合物、復合物等方法提高石油開采量的方式已經不能滿足現場的需求，急需開發出傳統采油方法之后更為高效的采油技術。空氣泡沫驅油技術作為在利用聚合物、復合物之后的三次采油技術，可在剩余油量為40%～50%的情況下，提高10%～25%的采收率[1]，從而使得高效空氣泡沫驅技術成為當前具有廣闊發展前景的新技術。但是對于空氣泡沫驅的實驗研究還在探索中，需要進一步的探討。對此本文以延長油田 1#油田地質條件作為研究背景，對空氣泡沫驅的合成及驅油機理進行深入研究。

1 實驗準備

1.1 實驗油樣和水樣

實驗油樣和水樣分別采自延長油田 1#油井和延長油田注入站，其中實驗注入水和采出水水質結果如表 1所示，總礦化度分別為 9 429.4 mg/L和9597.9 mg/L。油樣密度如表2所示。

表1 延長油田1#注入水和出水水質分析Table 1 Yanchang oilfield 1#injection water and produced water quality analysis

表2 原油數據表Table 2 Crude oil data table

1.2 化學試劑

為模擬延長油田地層水和提高對石油的采收，主要采用氯化鈉、氫氧化鈉等無機試劑以及當前主流的表面活性劑，具體如表3所示。

表3 實驗試劑選擇Table 3 The experiment reagent selection

1.3 實驗方法與裝置選擇

當前針對發泡劑性能評價方法包括 Waring Blender法、API法等[2-4]，其中Waring Blender法作為一種簡便的方法，以其操作簡單，實驗不受限等優點成為當前主要應用的性能評價方法。具體步驟為：通過高速旋轉的攪拌機，加入100 mL發泡劑，以恒定速度對溶液進行攪拌，1 min后斷開電源，測定產生的泡沫體積；同時測定破魔在析出一半液體所耗費的時間。對此本文則利用該方法進行試驗，具體的試驗裝置則如圖1所示。

圖1 發泡劑性能評價裝置Fig.1 The performance evaluation of the foaming agent

2 不同因素對發泡劑性能影響

2.1 不同發泡劑濃度對性能影響

采用單因素考察法[5]，將實驗溫度設定為114 ℃，通過試驗可以得到圖2所示下的不同濃度與發泡體積關系圖。通過圖2可以看出，隨著濃度的不斷增加，泡沫體積也不斷增加，當超過一定濃度后，開始逐步變緩。在五種不同的起泡劑中，XHY-4G的泡沫體積要相對優于其余幾種。圖2中看出當濃度為0.1%時，泡沫體積出現拐點，為750 mL。

而不同濃度泡沫劑對半衰期的影響則如圖3所示。

圖3 不同濃度對發泡劑半衰期的影響Fig.3 The influence of different concentration on foaming agent half-life

泡沫半衰期作為對泡沫自身穩定性的反應，其時間長短將直接決定泡沫劑的優劣[6]。通過圖 3看出，隨著濃度的不斷增加，5種不同的發泡劑泡沫半衰期都不斷變長，其中當SD的有效濃度為0.1%時，半衰期達到最大（654 s），大于 XHY-4G在0.15%下的半衰期(504 s)，由此可以看出初始發泡體積最高的發泡劑其泡沫半衰期不一定長。而綜合 SD與XHY-4G兩者的性能，本文選擇XHY-4G發泡劑。

2.2 不同礦化度對發泡劑濃度影響

在延長油田1#開采過程中，由于注入水礦化度與地層水不同，長期注入水之后，會將高滲透地層中的地層水稀釋和混合。因此，在室內泡沫劑篩選來講，應在一定礦化度濃度下使得泡沫劑仍然具有理想的起泡和驅油的性能。通過圖4看出，不同發泡體積、泡沫半衰期隨著溶液礦化度的增加而呈現出不斷下降的變化，由此可以看出溶液礦化度越高越不利于泡沫的穩定性。而當礦化物濃度為151265.4 mg/L時，其半衰期為617 s，說明該起泡劑在高鹽條件下仍然具有良好的發泡效果。

圖4 不同礦化度下的XHY-4G泡沫體積與半衰期Fig.4 XHY - 4 G bubble volume and half-life under different salinity

3 空氣泡沫微觀驅油機理實驗

3.1 驅油實驗流程

當前針對稀油泡沫驅油研究文獻很多，但針對稠油的驅油研究卻非常少。筆者通過構建微觀驅油仿真模型，利用巖心級填砂管模型進行空氣泡沫驅替實驗，從而觀察選擇的泡沫劑的封堵能力，具體實驗流程設計為如圖5所示。

圖5 微觀封堵實驗流程設計Fig.5 Microscopic sealing experiment process design

3.2 驅油過程分析

對泡沫流體來講，其屬于一個非常復雜的力學過程，存在著包括物理和化學方面的變化[7,8]。而泡沫在油體中包含三個不同的滲流帶，具體如圖 6所示。

圖6 泡沫驅油過程Fig.6 Foam flooding process

3.3 封堵實驗

為充分了解泡沫劑對高滲透大喉道的封堵效果，通過計算阻力系數變化的方式來測定泡沫的宏觀封堵能力。本文則表2中稠油粘度為286 mPa·s的原油。通過圖5的實驗流程可以得到如下實驗結果。

1）水驅和泡沫驅實驗效果

通過不同方式得到如圖7所示的對比結果。

圖7 水驅和空氣驅實驗對稠油驅動效果Fig.7 Air and water flooding displacement effect of heavy oil

通過圖 8(a)的水驅看出，在模型中含有大量原油沒有被驅替，由此說明水驅效果不明顯。而通過空氣驅后，多孔介質中的原油大部分被驅替出孔隙喉道，說明空氣驅效果要好于水驅。

3.4 微觀驅油機理

空氣泡沫驅的驅油機理包括空氣泡沫乳化、分離作用，泡沫的剝離油膜、擠壓攜帶作用，泡沫的攪動作用，泡沫“堵大不堵小”，泡沫的高粘度控制流度比[9]。本文因篇幅問題值探討攪動和堵大不堵小的問題。通過實驗得到，泡沫在多孔的介質中，因原油的驅替作用，會反復出現聚并、破裂等現象，從而局部改變多孔介質中的喉道壓力，以此加劇其中泡沫驅的運動，由此通過這種膠東加劇泡沫對原油的剪切和乳化作用，有利于驅油，具體如圖8。

圖8 泡沫攪動過程Fig.8 Bubble agitation process

同時通過實驗發現在泡沫流體運動過程中，由于孔隙的不規則性，會造成氣泡兩端曲率不同，于是出現迭加的氣液界面阻力效應—賈敏效應，因此產生的大氣泡會更在不規則的地方，堵塞通道，形成堵大不堵小的現象，具體如圖9所示。

圖9 泡沫對大喉道堵塞Fig.9 Bubble on the throat congestion

4 結 論

通過上述研究可以得到如下結論：

1）XHY-4G在溫度為114 ℃，濃度為0.1%，礦化物濃度為151 265.4 mg/L高鹽環境下仍然具有較高的半衰期和起泡性能，說明該起泡劑適合在高鹽和溫度較高的地質層中驅油。

2）通過驅替實驗看出，通過不斷的攪拌可有效促進和改變喉道壓力從而提高驅油效果；

3）泡沫劑在封堵中具有“堵大不堵小”的現象，從而擴大驅替液，提高驅油效果。

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新一代光敏二氧化鈦復合材料應對大氣污染

氮氧化物是現代城市大氣污染物的最主要來源，光敏二氧化鈦(TiO2)復合材料自上世紀90年代中期問世以來，以其能將大氣氮氧化物催化氧化成無毒無害硝酸鹽的獨特功能，在歐盟范圍內得到快速的商業化應用?；旌霞s4%比例光敏復合材料的混凝土涂層技術，不僅具備自清潔功能，還可有效吸附大氣中高達 80%以上的氮氧化物，被廣泛應用于建筑和道路等公共基礎設施建設領域，以應對大氣污染。但高濃度大氣污染往往伴隨著嚴重的霧霾現象，導致光敏二氧化鈦吸附效率下降，需要紫外強光將其激活，一定程度上限制了新技術的推廣應用。

歐盟第七研發框架計劃提供360萬歐元，總研發投入500萬歐元，由丹麥、英國、意大利、西班牙和瑞典的14家建筑材料工業企業聯合組成了歐洲LIGHT2CAT研發團隊。從2012年3月開始，經過近4年時間的聯合技術攻關，成功研制出新一代可見光響應光敏二氧化鈦復合材料。由于研發創新活動中盡可能采用傳統生產工藝和標準化組件，新一代技術不會對建筑材料企業增加額外的投資負擔，還可進一步拓展新一代光敏復合材料的應用市場，如用于室內墻壁涂層吸附室內空氣污染物。

新一代技術已獲得歐委會專家組綠色技術認證，目前已經實現批量化工業生產新一代光敏二氧化鈦復合材料，并在丹麥和西班牙進行商業化的試點推廣。研發團隊的負責人稱，新技術應對大氣污染的技術經濟可行性和積極作用毋庸置疑。

Mechanism and Experimental Study of Air Foam Flooding

SHI Yao-chen，GE Wei-na，SUN Chao，LI Jin

(College of Petroleum Engineering,Yangtze University, Hubei Wuhan 430100,China)

Aiming at the problem that the traditional polymer flooding and three element compound flooding system have low efficiency of oil recovery in the middle and late stage of oil field development, a high efficiency air foam flooding technology has been put forward. In order to verify oil displacement effect of the air foam flooding technology, taking Yangchang oilfield 1#geological conditions as the background, effect of foaming agent concentration and salinity on the performance of air foam flooding was investigated, the optimal comprehensive performance of the air foam flooding was screened out. Finally through microscopic oil displacement experiment, the oil displacement mechanism of efficient foam flooding was studied, and the performance and oil displacement mechanism of air foam flooding were verified by plugging capacity evaluation.

air foam flooding; foaming agent; micro displacement; mechanism; plugging ability

TE357

A

1671-0460（2016）12-2852-04

2016-02-02

石亞琛（1990-），女，湖北潛江人，在讀碩士研究生，研究方向：從事石油與天然氣工程專業油氣田開發工程。E-mail：593986988@qq.com。