三相納米泡沫起泡性能影響因素與封堵調剖效果*

鄶婧文，曹偉佳，盧祥國，徐國瑞，李 翔，張云寶，3，葛 嵩

（1.提高油氣采收率教育部重點實驗室（東北石油大學），黑龍江 大慶 163318；2.中海油田服務股份有限公司天津分公司，天津 塘沽 300452；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）

0 前言

渤海SZ36-1油田具有儲層厚度大、非均質性嚴重、巖石膠結強度低、平均滲透率高和單井注采強度高等特點［1-2］。在長期注水開發過程中，不僅極易發生突進，而且注入水對巖石結構沖刷和破壞作用還會進一步加劇儲層非均質性，引起高滲層大孔道進一步發育，在注采井間形成低效和無效循環，嚴重影響水驅開發效果，也給后續化學驅開發帶來極大風險［3-5］。因此，采取適宜的調剖堵水措施封堵高滲層或大孔道對于化學驅技術成功應用起到十分關鍵的作用［6］。

近年來，泡沫調剖堵水技術迅速發展，已經逐步成為海上厚油層提高采收率技術的配套技術。目前，礦場現有穩泡劑如部分水解聚丙烯酰胺和多肽等聚合物雖然能大幅增強泡沫穩定性，但起泡體積較小，耐溫耐鹽性較差［7］；也有學者將水溶性無機鹽作為穩泡劑，但無機鹽極易造成設備和管線電化學腐蝕；王騰飛等［8］將Al（OH）3作為穩泡劑，但穩泡效果和封堵能力不是十分理想。SiO2納米顆粒擁有特殊的理化性質，可大幅提高泡沫綜合指數，改善穩泡效果，應用前景廣闊［9-11］。

針對渤海SZ36-1油田大孔道封堵技術需求，本文篩選出可大幅增強泡沫穩定性的SiO2納米顆粒并分析其穩泡機理，研究了起泡劑表面活性劑PO-FASD 和SiO2納米顆粒加量、氣體類型、環境壓力對三相納米泡沫體系起泡性能的影響，考察了三相納米泡沫體系的封堵性和調剖性，為目標油藏三相納米泡沫調剖試驗的技術決策提供了實驗依據。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

起泡劑為陰離子型表面活性劑PO-FASD，有效含量為35%，中海油田服務有限公司；穩泡劑為SiO2納米顆粒，1數5號的名稱分別為AEROSIL R202、AEROSIL R974、AEROSIL 200、AEROSIL R812、AEROSIL 380，對應的比表面積（單位m2/g）分別為80數 120、150數 190、175數 225、230數 290、350數410，有效含量100%，贏創特種化學（上海）有限公司；部分水解聚丙烯酰胺（簡稱大慶“高分”聚合物），相對分子質量1900×104，有效含量90%，中國石油大慶煉化公司；渤海SZ36-1 油田模擬油，從油田現場采出的脫氣原油與白油混合配制而成，模擬油65℃下的黏度為15 mPa·s；渤海SZ36-1油田模擬注入水，礦化度9374.1 mg/L，離子組成（單位mg/L）為：Na++K+3093.2、Mg2+158.7、Ca2+276.2、Cl-5436.3、SO42-14.2、HCO3-311.5；石英砂環氧樹脂膠結人造均質巖心［12-13］，尺寸為高×寬×長=4.5×4.5×30（cm）；氮氣（99.99%）、二氧化碳（99.95%），大慶騰運氣體有限公司。

Hitachi S-3400 掃描電鏡，日立高新技術公司；馬爾文Zetasizer Nano ZS 電位儀，杭州紐藍科技有限公司；TX-500C 界面張力儀，北京中儀科信科技有限公司；Waring-Blender型高速攪拌器，上海書俊儀器設備有限公司；HJ-6 型多頭磁力攪拌器，上海梅穎浦儀器儀表制造有限公司；HW-ⅢA型恒溫箱，上海印溪儀器儀表有限公司；Kruss DFA100動態泡沫分析儀，廣州貝拓科學技術有限公司。巖心驅替實驗設備主要包括平流泵、壓力傳感器、巖心夾持器、手搖泵和中間容器等。除平流泵和手搖泵外，其他部分置于65℃恒溫箱內。

1.2 實驗方法

1.2.1 穩泡劑納米顆粒基本性能表征

（1）用掃描電鏡觀測納米顆粒的微觀形態；（2）在常溫25℃下，用電位儀測定納米顆粒的粒徑；（3）用模擬注入水配制0.5%PO-FASD 溶液（空白樣），分別加入0.3%1數5號SiO2納米顆粒得到體系1數體系5，在65℃下用界面張力儀測定6 種樣品對原油與水間界面張力的影響。

1.2.2 泡沫體系性能評價

（1）“Waring-Blender”法。①配制一定濃度的表面活性劑溶液或表面活性劑和納米顆粒的混合溶液，放入恒溫箱中恒溫1 h以上；②從恒溫箱中取出樣品，倒入Waring-Blender 攪拌器樣品杯，在3000 r/min轉速下高速攪拌3 min，并用秒表計時；③將樣品杯中的泡沫倒入量筒中，讀取并記錄此時的泡沫體積，并迅速將量筒放置于恒溫箱內；④將泡沫中液體析出至一半所需時間確定為析液半衰期；⑤初始泡沫體積與泡沫半衰期的乘積記為泡沫綜合指數［14］。將每個濃度的樣品重復實驗3 次，取平均值。在研究氣體類型的影響時，采用細導管將氮氣或二氧化碳氣體從氣瓶內直接導入Waring-Blender攪拌器樣品杯中，持續通氣1 min（趕盡攪拌杯中的空氣）后，再按上述步驟進行實驗。

（2）環境壓力對泡沫性能的影響。①連接實驗裝置，檢查設備的氣密性；②用模擬注入水配制含0.5% PO-FASD 和0.3% 5號納米顆粒的溶液（體系5），裝入動態泡沫分析儀的玻璃筒中；③打開恒溫水浴，讓水在玻璃桶的夾套環空內循環，使環空溫度達到指定溫度，并預熱15 min；④以100 mL/min的速率通氣形成泡沫，通氣結束后記錄起泡體積。由于高壓裝置視窗受到一定限制，不方便記錄液體析出量，因此記錄泡沫體積降低到初始體積一半時所需時間（即泡沫半衰期）作為評價泡沫穩定性的參數。

1.2.3 三相納米泡沫體系動態封堵效果評價

將巖心（Kg=3000×10-3μm2）抽真空飽和模擬注入水，水測滲透率；將巖心出口端回壓調節閥回壓設定為2 MPa，以氣液交替注入方式注入0.1 PV 三相納米泡沫體系（0.5%PO-FASD+0.3%5號納米顆粒，氮氣與液體的體積比為2∶1）；后續水驅至壓力穩定，記錄實驗過程中注入壓力和出液量，計算封堵率。

1.2.4 三相納米泡沫體系提高采收率效果評價

將并聯非均質巖心（高滲透層Kg=5000×10-3μm2，低滲透層Kg=500×10-3μm2）抽真空飽和水、飽和模擬油，計算含油飽和度；水驅至98%，將巖心出口端回壓調節閥壓力設定為2 MPa；注入0.15 PV三相納米泡沫體系（0.5% PO-FASD+0.3% 5號納米顆粒，氮氣與液體的體積比為2∶1），注入頂替段塞0.05 PV（0.15%“高分”聚合物溶液），水驅至含水98%；記錄實驗過程中注入壓力和采液量，計算含水率、采收率和分流率。

2 結果與討論

2.1 泡沫基本性能及其影響因素

2.1.1 起泡劑（PO-FASD）濃度的影響

用模擬注入水配制0.05%數1.0%PO-FASD 溶液，起泡劑濃度對泡沫性能的影響見表1。隨PO-FASD濃度增加，起泡體積先大幅增加后增幅變小，泡沫綜合指數持續升高。當PO-FASD加量達到0.5%后，起泡體積不再大幅上升，而泡沫半衰期和析液半衰期則持續增加。溶液中表面活性劑濃度存在一個臨界點，在達到臨界點之前，表面活性劑濃度增加會使得起泡體積迅速上升，主要體現其起泡能力，但形成泡沫穩定性稍差。當表面活性劑濃度達到臨界點后，繼續提高表面活性劑濃度對起泡體積影響較小，而析液半衰期和泡沫半衰期則不斷增加。這是由于表面活性劑分子主要富集在溶液的表面，形成致密液膜，使泡沫表面強度增大，液膜不易破裂，從而提升了泡沫穩定性［15］。

表1 起泡劑濃度對泡沫性能的影響

泡沫性能包括起泡能力和泡沫穩定性，其中，穩定性是泡沫研究的核心問題。如果使用單一表面活性劑溶液，雖然其起泡能力較好但半衰期較短，通常不能滿足現場實際應用需要。為了提高泡沫穩定性，延長泡沫壽命，可向起泡劑溶液中加入穩泡劑。由于PO-FASD加量達到0.5%后泡沫綜合指數不再大幅增加，綜合考慮其起泡性能和經濟成本等因素，PO-FASD適宜的加量為0.5%。

2.1.2 穩泡劑納米顆粒基本性能

（1）微觀形態

由SiO2納米顆粒的掃描電鏡照片（圖1）可見，納米顆粒外觀呈不規則狀，其中5號納米顆粒的聚集性明顯優于其他4種納米顆粒。納米顆粒的穩泡機理為：①SiO2納米顆粒通過在泡沫體系中的氣液界面吸附與聚集形成致密保護殼，增加液膜厚度，從而減緩氣液分離排液過程；②SiO2納米顆粒還可聚集于氣泡與氣泡之間，減緩液膜變薄速度；③SiO2納米顆粒在“固、液、氣”三相泡沫體系中聚集成骨架，骨架在外部泡沫破裂時仍然存在，可以對內部泡沫起到保護作用，延緩內部泡沫破滅速度［16］。因此，聚集性良好的納米顆粒在穩泡性能上具有很大優勢。

（2）粒徑

1數5號 SiO2納米顆粒粒徑分別為 57.5、36.5、33.8、23.2、16.8 nm。其中，1號納米顆粒的粒徑最大，5號納米顆粒的粒徑最小。納米顆粒的粒徑對泡沫穩定性影響較大，對起泡性能影響較小。粒徑范圍在20數700 nm時，納米顆粒越小，泡沫穩定性越強［17］。一方面，粒徑越大的納米顆粒在泡沫表面附著后，由于重力原因脫落可能性越大；另一方面，顆粒的粒徑越大，比表面積越小，使得納米顆粒在氣液界面上的接觸概率降低，也使得吸附在泡沫氣液界面上的納米顆粒數量減小，因此無法更好地保護泡沫延緩泡沫破滅。因此，粒徑最小的5號納米顆粒穩泡性能最好。

（3）界面張力

0.5% PO-FASD 和分別加入 0.3% 1數 5號 SiO2納米顆粒的體系與原油間的界面張力分別為0.46、0.55、0.58、0.43、0.54、0.48 mN/m。在表面活性劑濃度一定的條件下，5 種納米顆粒對油水界面張力的影響都不大，其中5號納米顆粒影響最小，說明5號SiO2納米顆粒對PO-FASD自身特性的影響不大。

2.1.3 納米顆粒類型對泡沫體系性能的影響

納米顆粒種類對泡沫體系性能的影響見表2。在穩泡劑濃度一定的條件下，穩泡劑種類對起泡體積、泡沫半衰期和析液半衰期有一定的影響。與空白樣對比，加入SiO2納米顆粒后（體系1數體系5），起泡體積幾乎不變或稍有降低，但析液半衰期和泡沫半衰期則明顯增加，表明穩泡劑使得泡沫體系的穩定性明顯增強。其中，體系5（含5號SiO2納米顆粒）的泡沫綜合指數約為空白樣（不含納米顆粒）的4 倍。當起泡劑與納米顆粒混合形成懸浮液后，表面活性劑分子吸附到顆粒表面，使顆粒表面具有一定的表面活性，增強納米顆粒吸附到氣液界面的能力，從而在泡沫表面聚集形成一層致密的“殼狀”結構［18］。

由SiO2納米顆粒基本表征結果可知，5號納米顆粒的聚集性優良、粒徑較小、對表面活性劑自身特性的影響較小，因此更易在泡沫氣液界面上接觸吸附，并快速在泡沫表面聚集形成更致密的“保護殼”，進而對內部泡沫起到更強的保護作用，延緩泡沫排液和破裂，增強泡沫穩定性。5號SiO2納米顆粒穩泡性能較好，因此選擇5號SiO2納米顆粒進行后續實驗。

圖1 1數5號SiO2納米顆粒掃描電鏡照片

表2 納米顆粒種類對泡沫體系性能的影響

2.1.4 納米顆粒濃度對泡沫體系性能的影響

用模擬注入水配制起泡劑（PO-FASD）加量0.3%、穩泡劑（5號SiO2納米顆粒）加量0.05%數0.5%的泡沫體系。納米顆粒濃度對三相（氣體氣相、表面活性劑液相、納米顆粒固相）納米泡沫體系性能的影響見表3。隨納米顆粒濃度增加，起泡體積和析液半衰期先增加后降低，泡沫半衰期和泡沫綜合指數逐漸增加。在SiO2納米顆粒濃度逐漸提高的過程中，納米顆粒在氣液界面上吸附數量逐漸增加，進而在泡沫壁面聚集形成更厚更堅固的殼膜，使得氣泡破裂速度減緩，從而提高穩泡效果。當納米顆粒加量增至大于0.3%后，起泡體積和析液半衰期稍有下降。這是由于納米顆粒在泡沫表面的吸附量幾乎達到飽和狀態，濃度繼續增加，多余納米顆粒無法穩定吸附在泡沫壁面上而脫落，并與已吸附的納米顆粒發生顆粒間的大量聚集，使得已吸附的納米顆粒在重力作用下一同脫落，穩泡效果稍有變差［19］。綜合考慮經濟成本和穩泡效果，穩泡劑（5號SiO2納米顆粒）適宜的加量為0.3%。

表3 納米顆粒濃度對泡沫體系性能的影響

2.1.5 氣體類型的影響

用模擬注入水配制3 份PO-FASD 加量0.3%、5號SiO2納米顆粒加量0.3%的泡沫體系，分別導入空氣、氮氣和二氧化碳。氣體類型對三相納米泡沫體系性能的影響見表4。在其他實驗條件均相同的條件下，空氣泡沫和氮氣泡沫的起泡體積、泡沫半衰期和析液半衰期差距較小，氮氣泡沫起泡性能和穩定性略好。相比而言，二氧化碳泡沫的起泡性能和穩定性較差。這主要是由于二氧化碳分子的范德華力弱，與表面活性劑非極性端之間結合力較差，使得表面活性劑分子更傾向于在液相中，而非吸附在氣液界面上，因而對泡沫透氣性增強，液膜的穩定性減弱，更易消泡，穩定性較差［20］。

表4 氣體類型對三相納米泡沫體系性能的影響

2.1.6 環境壓力的影響

在1、3、5、7 和 9 MPa 回壓條件下，三相納米泡沫體系的泡沫半衰期分別為12.5、15.5、20.8、27.5、38.3 h。泡沫半衰期隨壓力升高而增加。隨壓力的增大，氣相密度逐漸增大，與泡沫中液相密度差減小，從而減緩了排液作用，增強了泡沫穩定性；另一方面，隨著壓力升高，泡沫直徑逐漸變小，形成更加致密的泡沫，液膜表面積變大，液膜厚度減小，泡沫的排液速率降低，泡沫更穩定。

2.2 三相納米泡沫體系封堵性能

三相納米泡沫注入過程中注入壓力與注入量的關系見圖2。在巖心中注入三相納米泡沫后，注入壓力呈現先上升、后下降、最后趨于穩定的變化趨勢，注泡沫結束壓力為0.066 MPa，后續水驅穩定時的壓力為0.036 MPa。根據水測滲透率時的壓力計算得到阻力系數為1.33，說明該體系注入性能良好；根據實驗過程中注入壓力和出液量計算得到封堵率為99.3%，說明該體系封堵性能良好。三相納米泡沫封堵作用的實質是泡沫在巖心孔喉中產生的“賈敏效應”，導致滲流阻力和注入壓力大幅增加。在后續水驅階段，注入壓力逐漸下降，最終趨于穩定，且仍保持較高的壓力水平［21-25］。

圖2 三相納米泡沫注入過程中注入壓力與注入量的關系

2.3 三相納米泡沫體系調剖性能

三相納米泡沫對并聯巖心的調剖數據見表5，實驗過程中注入壓力、含水率和采收率與注入量的關系見圖3，各小層分流率與注入量的關系見圖4。在水驅階段，與高滲透層相比，低滲透層采收率較低，僅為12.14%。經三相納米泡沫封堵高滲透層后，高滲透層滲流阻力明顯增加，吸液量減少，致使注入壓力大幅提高，低滲透層吸液壓差和吸液量增加，實現了液流轉向，低滲透層采收率增幅高達44.17%，整體采收率增幅也達到16.06%。由此可見，三相納米泡沫封堵高滲透層可以明顯改善中低滲透層動用程度和提高采收率［26-30］。

表5 三相納米泡沫對并聯巖心的調剖實驗數據

圖3 注入壓力、含水率和采收率與注入量的關系

圖4 分流率與注入量的關系

3 結論

SiO2納米顆粒自身聚集性越好，粒徑越小，增強泡沫穩定性效果越好。相較于在二氧化碳和空氣環境下，在氮氣環境中泡沫的起泡性與穩定性最優。在起泡劑PO-FASD加量0.5%、穩泡劑5號納米顆粒加量0.3%和氮氣條件下，三相納米泡沫綜合性能最佳。隨環境壓力升高，三相納米泡沫半衰期不斷上升，泡沫穩定性增強。三相納米泡沫封堵性和調剖性良好，對均質巖心的封堵率為99.3%，可明顯改善中低滲透層動用程度，提高采收率。