納米顆粒氮氣泡沫體系的封堵效果及參數(shù)優(yōu)化

葛 嵩，盧祥國，劉進祥，徐國瑞，李 翔，張云寶，3

（1.東北石油大學(xué) 教育部提高油氣采收率重點實驗室，黑龍江 大慶 163318；2.中海油田服務(wù)股份有限公司 油田生產(chǎn)事業(yè)部，天津 300450；3.中海石油（中國）有限公司 天津分公司 渤海石油研究院，天津 300452）

渤海油藏具有非均質(zhì)性強和巖石膠結(jié)強度低等特點，加之長期注水沖刷，對巖石結(jié)構(gòu)破壞十分嚴重，進一步加劇了注入水沿高滲透層或大孔道突進，嚴重影響注水注聚開發(fā)效果。近年來，發(fā)展迅速的泡沫調(diào)驅(qū)堵水技術(shù)已經(jīng)成為了海上厚油層挖潛進一步提高采收率的關(guān)鍵技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用前景。現(xiàn)有穩(wěn)泡劑多加入聚丙烯酰胺、多肽等聚合物，該類物質(zhì)雖然能夠增強泡沫的穩(wěn)定性，但是起泡體積低，高溫易分解，所遺留的有機物殘渣會損害地層。也有學(xué)者選擇將水溶性無機鹽作為穩(wěn)泡劑，但是無機鹽的存在會造成管線和設(shè)備的電化學(xué)腐蝕。王騰飛等將Al（OH）3作為穩(wěn)泡劑，但是其穩(wěn)泡和封堵能力不理想。因而，海上油田開發(fā)急需展開新型穩(wěn)泡劑的研究［1-2］。納米顆粒作為新型納米材料，在生活和科研中被廣泛應(yīng)用［3-6］。國內(nèi)學(xué)者也對納米顆粒作為穩(wěn)泡劑的可行性做了研究，發(fā)現(xiàn)它們可以大幅度提高泡沫的穩(wěn)定性，同時納米顆粒具有較好的耐溫耐鹽性，適于海上油藏條件下的生產(chǎn)［7-8］。

本工作利用納米顆粒穩(wěn)泡劑、起泡劑和氮氣等組成泡沫體系，以渤海典型油藏地質(zhì)特征和流體為研究對象，通過物理模擬實驗研究了不同因素對泡沫體系封堵效果的影響，為納米顆粒穩(wěn)泡體系在海上油田應(yīng)用提供理論支持。

1 實驗部分

1.1 原料

泡沫體系由納米顆粒穩(wěn)泡劑、起泡劑和氮氣等組成。起泡劑：非離子表面活性劑PO-FASD，有效含量35%，中海油油服有限公司；穩(wěn)泡劑：贏創(chuàng)6#納米顆粒，有效含量100%，贏創(chuàng)特種化學(xué)（上海）有限公司。實驗用水為SZ36-1模擬水，模擬水性質(zhì)見表1。實驗巖心為人造均質(zhì)巖心［9-10］，滲透率3 000×10-3mm2，尺寸為4.5 cm×4.5 cm×30 cm。

表1 模擬水性質(zhì)Table 1 Properties of simulated water

1.2 測試方法

配置不同納米顆粒濃度的納米顆粒氮氣泡沫體系，通過攪拌器剪切180 s發(fā)泡后，測試其泡沫穩(wěn)定性。巖心飽和水測滲透率，注入納米顆粒氮氣泡沫體系，后續(xù)水驅(qū)至壓力穩(wěn)定，測試封堵率。改變納米顆粒濃度、氣液比例、段塞尺寸、注入速度、起泡劑濃度、注入方式，研究體系的封堵效果。

2 結(jié)果與討論

2.1 穩(wěn)泡劑對泡沫體系的影響

穩(wěn)泡劑納米顆粒濃度對氮氣泡沫穩(wěn)定性的影響表2。

表2 穩(wěn)泡劑納米顆粒濃度對氮氣泡沫穩(wěn)定性的影響Table 2 Effect of nanoparticle concentration on nitrogen foam stability

從表2可看出，在穩(wěn)泡劑類型一定的情況下，隨穩(wěn)泡劑納米顆粒濃度的增加，各項指數(shù)均有增加，但當濃度超過0.30%（w）后，起泡體積和析液半衰期呈下降的趨勢。析液半衰期和泡沫半衰期增加，表明泡沫穩(wěn)定性增強。這是因為，當起泡劑與納米顆粒混合形成懸浮液體后，納米顆粒會吸附到氣液界面，對泡沫形成保護，減緩液膜的排液速度，同時在一定程度上抑制了氣泡的歧化，使泡沫的穩(wěn)定性增強。

2.2 泡沫體系封堵性能評價

2.2.1 穩(wěn)泡劑對泡沫體系封堵效果的影響

穩(wěn)泡劑納米顆粒濃度對泡沫體系封堵率的影響見表3，注入壓力與納米顆粒濃度和PV數(shù)的關(guān)系見圖1。從表3可看出，加入納米顆粒后，后續(xù)水結(jié)束壓力梯度和封堵率明顯增加，在濃度為0.3%（w）時達到最大值。從圖1可看出，隨穩(wěn)泡劑納米顆粒濃度的增加，注入壓力和后續(xù)水穩(wěn)定壓力呈先增加后降低的趨勢，在濃度0.3%（w）時達到最高。這是因為，未加入穩(wěn)泡劑的普通泡沫由于氣、液黏度差異較大，氣泡不穩(wěn)定易形成氣竄。而加入穩(wěn)泡劑后，由于穩(wěn)泡劑的納米顆粒本身脫附能較大，與液膜結(jié)合力較強，納米顆粒吸附后形成機械強度較大的保護膜，可減小泡沫與巖心孔喉摩擦對泡沫的破壞，使泡沫在巖心運移過程中的穩(wěn)定性大大增強。緊密排列的顆粒會對液膜中水動力流動產(chǎn)生阻力，減小液膜的排液速度。同時，也減小了氣體與液體的接觸面積，抑制氣泡的歧化，泡沫本身的穩(wěn)定性也得到加強。

表3 納米顆粒濃度對泡沫體系封堵率的影響Table 3 Effect of nanoparticle concentration on plugging rate of foam system

圖1 注入壓力與注入PV數(shù)關(guān)系Fig.1 Relationship between injection pressure and injection PV number.

穩(wěn)泡劑中納米顆粒的穩(wěn)泡機理見圖2。從圖2可看出，表面活性劑分子會吸附到納米顆粒表面，降低界面張力，進一步加強納米顆粒吸附到氣液界面的能力。但納米顆粒在氣液界面吸附量是有限的，當表面達到吸附平衡后再增加納米顆粒濃度，反而不利于泡沫的穩(wěn)定，導(dǎo)致后續(xù)水穩(wěn)定壓力有所降低。當納米顆粒濃度超過0.3%（w）時，泡沫的起泡體積開始減少，半衰期也開始縮短。這可能是當氣液界面納米顆粒的吸附量達到平衡后，再增加納米顆粒濃度，未被吸附的顆粒量會增多，顆粒間會出現(xiàn)團聚形成團聚體，團聚體會擠壓泡體，導(dǎo)致泡壁破裂，從而降低泡沫的強度。同時未被吸附的納米顆粒會吸附大量的表面活性劑，導(dǎo)致發(fā)泡體積降低，最終導(dǎo)致泡沫的起泡和穩(wěn)泡性能反而下降［11-13］。

圖2 納米顆粒穩(wěn)泡機理Fig.2 Mechanism diagram of bubble stabilization.

2.2.2 氣液比對泡沫體系封堵效果的影響

氣液比對泡沫體系封堵率的影響見表4。從表4可看出，隨氣液比增加，后續(xù)水結(jié)束壓力梯度和封堵率先升高后降低，在氣液比2∶1時達到最大值。隨氣液比升高，泡沫的表觀黏度也會隨之升高，泡沫在多孔介質(zhì)中滯留量增多，使得泡沫的封堵能力增強。而當氣液比較大時，多孔介質(zhì)中形成泡沫的尺寸較大，通過孔喉時發(fā)生擠壓，導(dǎo)致泡沫在巖心中運移時易發(fā)生破裂。同時，由于泡沫中的液相的減少，泡沫液膜變薄，泡沫容易聚并破裂且發(fā)生氣竄，使得通過多孔介質(zhì)的流動阻力變小［14-16］。因此，泡沫在多孔介質(zhì)中存在一個最佳的氣液比，該氣液比下形成的泡沫穩(wěn)定性較好，封堵能力強。綜上所述，適宜的氣液比在（1∶1）～（2∶1）之間。

表4 氣液比對泡沫體系封堵率的影響Table 4 Effect of gas-liquid ratio on the plugging rate of the foam system

2.2.3 段塞尺寸對泡沫體系封堵效果的影響

段塞尺寸對泡沫體系封堵率的影響見表5，從表5可看出，隨段塞尺寸的增加，后續(xù)水結(jié)束壓力梯度和封堵率均呈增加趨勢。表明注入的泡沫體系具有良好的封堵效果，泡沫納米顆粒加入可以增強泡沫強度，使泡沫在巖心中不容易破裂，降低氣體流度。同時作為固相，納米顆粒對地層也有暫時封堵作用，納米顆粒在多孔介質(zhì)中封堵和運移，也加強了泡沫的生成。雖然增加段塞尺寸，封堵率有一定提高，從技術(shù)經(jīng)濟角度考慮推薦段塞尺寸為0.10～0.15 PV。

表5 段塞尺寸對泡沫體系封堵率的影響Table 5 Effect of slug size on the plugging rate of the foam system

2.2.4 注入速度對泡沫體系封堵效果的影響

注入速度對泡沫體系封堵率的影響見圖3。從圖3可看出，隨注入速度增加，注入壓力升高，后續(xù)水穩(wěn)定壓力也隨之升高。由于起泡劑體系本身黏度較高，發(fā)泡需克服一定阻力。當注入速率較低時，產(chǎn)生的克服發(fā)泡所需的能量較低，因此產(chǎn)生泡沫的數(shù)量較少，泡沫穩(wěn)定性差，從而導(dǎo)致壓差上升幅度較小，后續(xù)水穩(wěn)定壓力較低。當達到一定注入速率后，產(chǎn)生較大流動能力，產(chǎn)生的泡沫數(shù)量較多，從而注入壓力增幅較高，后續(xù)水穩(wěn)定壓力也較高。但泡沫在巖心中也同時受到孔喉剪切作用，若注入速度過高，泡沫也會由于剪切變稀而使流動阻力減小。因此，可以綜合設(shè)備注入能力、儲層巖石破裂壓力和低滲透層啟動壓力等因素確定礦場注液速度。

圖3 注入壓力與注入PV數(shù)關(guān)系Fig.3 Relationship between injection pressure and injection PV number.

2.2.5 起泡劑濃度對泡沫體系封堵效果的影響

起泡劑濃度對泡沫體系封堵率影響見圖4。

圖4 注入壓力和注入PV數(shù)的關(guān)系Fig.4 Relationship between injection pressure and injection PV number.

從圖4可看出，起泡劑濃度增加時，泡沫驅(qū)注入壓力升高，后續(xù)水穩(wěn)定壓力升高。當起泡劑濃度升高到0.3%（w）時，后續(xù)水驅(qū)階段穩(wěn)定注入壓力值明顯增加，但繼續(xù)增大濃度，注入壓力差異不大。這可能是因為，由于納米顆粒會吸附起泡劑，導(dǎo)致起泡劑濃度較低時產(chǎn)生泡沫較少，封堵率較低。當起泡劑濃度增加時，納米顆粒因吸附較多的起泡劑使其疏水性增強，產(chǎn)生泡沫數(shù)目增多且穩(wěn)定性提高，封堵率增加。進一步增加起泡劑濃度，起泡劑在納米顆粒表面形成雙層吸附顆粒，泡沫穩(wěn)定性進一步提高。但同時納米顆粒對于起泡劑的吸附達到飽和，繼續(xù)增加起泡劑濃度對泡沫穩(wěn)定性影響較小。因此，從技術(shù)經(jīng)濟角度考慮，適宜的起泡劑濃度為0.4%～0.5%（w）。

2.2.6 注入方式對泡沫體系封堵效果的影響

注入方式對泡沫體系封堵率的影響見表6。從表6可看出，同時注入方式的后續(xù)水結(jié)束壓力梯度和封堵率都高于交替注入方式。同時注入方式的注入壓力和后續(xù)水穩(wěn)定壓力均較高。這是因為，采用同時注入方式時，氮氣與發(fā)泡劑體系混合更充分，生成泡沫較多且穩(wěn)定，可對巖心內(nèi)水流通道進行更為持續(xù)的封堵。而采用交替注入方式時，泡沫體系不穩(wěn)定，易造成氣竄，難以形成較大的封堵壓差，封堵能力較低。但考慮到地層破裂壓力的限制，應(yīng)該綜合考慮現(xiàn)場實際情況選擇注入方式。

表6 注入方式對泡沫體系封堵率的影響Table 6 Effect of injection mode on the plugging rate of the foam system

3 結(jié)論

1）穩(wěn)泡劑納米顆粒具有較好的穩(wěn)泡性能，當納米顆粒濃度為0.3%（w）時，穩(wěn)泡效果較好。

2）對泡沫體系進行封堵，適宜的條件為：穩(wěn)泡劑納米顆粒濃度為0.3%（w）、氣液比在（1∶1）～（2∶1）、段塞尺寸為0.10～0.15 PV、起泡劑濃度0.4%～0.5%（w）。

3）應(yīng)綜合設(shè)備注入能力、儲層巖石破裂壓力和低滲透層啟動壓力等因素來確定礦場注液速度。

4）與氣液交替注入方式相比較，氣液同時注入發(fā)泡效果較好，封堵率較高，但后者可能造成注入困難。需綜合考慮礦場儲層滲透性和破裂壓力等因素來選擇注入方式。