自生氮氣泡沫復合調驅體系實驗研究

張 強，張軍輝，季 聞，胡 雪，趙 軍，孔麗萍

（中海油能源發展工程技術公司鉆采工程研究所，天津 300452）

自生氣泡沫驅油技術是最近幾年新發展的一種泡沫驅油技術，是指向地層中注入某種鹽與起泡劑和穩泡劑的混合物，在地層溫度壓力下產生氣體，生產泡沫體系，自生氣體系一般采用氮氣和二氧化碳作為氣相[1-3]。由于泡沫具有遇油消泡、遇水穩定的特點，因此，自生泡沫體系驅油機理包括有驅替作用、抑制黏性指進和穩定驅替前緣、氣阻效應、剝離油膜以及乳化、攜帶作用等，具有降低油水界面張力，擴大體積波及系數，降低原油黏度，控制油水流度比，能夠顯著提高原油采收率而受到越來越多的關注[4-10]。

渤海J油田位于渤海南部海域，介于黃河口凹陷與渤中凹陷之間，其砂二段油層孔隙度為15.3 %，滲透率為30 mD，該儲層具有埋藏深、溫度高、壓力高的特點，屬于異常高壓、低滲油藏。長期注水開發，導致儲層的非均質性加劇，造成生產井見水早，含水上升過快，甚至造成水淹，為了有效動用低滲斷儲層，需要新的調剖調驅技術。常規的泡沫驅技術因其所需注氣設備過于龐大，受限于海上平臺空間，而無法大規模應用，本文開展了自生氮氣泡沫復合調驅體系研究，為渤海J油田穩油控水提高采收率提供相關工藝參數，同時為海上泡沫調驅技術研究提供有用參考。

1 實驗部分

1.1 實驗藥劑與儀器

實驗藥劑：渤海J油田注入水、亞硝酸鈉、氯化銨、起泡劑、抑制劑A、抑制劑B、催化劑、起泡劑若干。

實驗儀器：FoamScan（法國泰克利斯公司），BSA電子天平（德國賽多利斯公司），多點磁力攪拌（美國Variomag公司），TW20恒溫水浴、填砂管模型（38 mm×30 cm），恒溫烘箱，ISCO注入泵、壓力傳感器、真空泵、中間容器及管閥件等。

1.2 實驗方法

1.2.1 自生氮氣配方體系評價

（1）根據實驗條件，分別配制不同質量濃度的生氣劑溶液、催化劑及抑制劑溶液；

（2）將實驗濃度條件的催化劑體系置于反應容器中，待水浴達到實驗溫度后，將反應容器置于水浴中恒溫30 min；利用分液漏斗按照指定的速度加入生氣劑，開始實驗。反應時間120 min，記錄生成氣體的體積。

1.2.2 泡沫體系評價

（1）根據實驗條件分別配制不同濃度的起泡劑溶液，將配制好的起泡劑溶液置于恒溫水浴中恒溫30 min；

（2）采用泡沫掃描儀評價泡沫的性能，設定實驗所需的參數，采用N2作為起泡介質，分別得到起泡體積、泡沫衰減曲線及泡沫液膜含液量，并計算泡沫體系的泡沫穩定指數FSI（Foam Stability Index）。

圖1 泡沫穩定指數FSI計算方法示意圖

如圖1所示，計算得到泡沫穩定指數，計算公式如下：

式中：C0-切線處對應的電導率，μS/cm；ΔCt-t1與t2的電導率之差，μS/cm；Δt-t1與t2的時間之差，s。

1.2.3 自生氮氣泡沫復合驅體系物理模擬評價

（1）封堵性評價：采用雙管并聯的方式開展實驗研究：①將填砂管根據渤海J油田的平均滲透率充填，抽真空4 h，并飽和水；②將模型置于75 ℃烘箱中恒溫12 h；③水驅至壓力平穩，記錄注入壓力ΔP1；④段塞式注入0.2 PV的泡沫體系和0.2 PV的自生氮氣體系，記錄注入壓力ΔP2；⑤后續水驅至壓力穩定，記錄壓力ΔP3。

（2）驅油性能評價：①按（1）中描述準備填砂管并飽和水；②飽和油，并置于75 ℃烘箱中老化24 h；③以恒速水驅至產出液中瞬時含水98 %；④段塞式注入0.2 PV的泡沫體系和0.2 PV的自生氮氣體系；⑤后續水驅，至產出液中瞬時含水98 %，并記錄實驗過程中的壓力及產液等數據。

2 結果與討論

2.1 自生氮氣體系配方研究

根據實驗條件，分別從生氣劑配比、生氣劑濃度、反應溫度、催化劑濃度以及抑制劑濃度考察其對自生氮氣體系生氣量的影響。

圖2 生氣劑配比對體系生氣量的影響

圖3 主劑濃度對體系生氣量的影響

2.1.1 生氣劑配比對體系產氣量的影響 從實驗結果看出（見圖2），當NH4Cl與NaNO2的配比為1.1：1.0時，體系具有最高的產氣量。結合實驗結果可以判斷，由于NH4Cl與NaNO2二者在溶液中的電離平衡不同，當二者的質量比為1.1：1.0時，體系的電離達到平衡，若再提高NH4Cl的量則會使反應平衡向逆向移動，主劑電離出的反應物濃度降低，產氣效率降低。

2.1.2 體系濃度對體系生產氣量的影響 從實驗結果（見圖3）看出，反應初始階段的反應速率以及最終的產氣量隨著反應濃度的升高而增加，結合該體系的動力學方程，可以判斷，隨著反應物濃度C的升高，反應不斷向正向進行，反應產物不斷增加。但受體系溶解度的影響，反應物的濃度不宜過高。

2.1.3 催化劑濃度對體系產氣量的影響 不同催化劑濃度對體系產氣量的影響（見圖4），可以看出，隨著催化劑濃度的升高，催化作用更明顯，在反應的初期，催化劑濃度越高，反應速率越快，體系產氣量較高；但催化劑濃度達到1.5 %后，增加催化劑的量，不會對體系的產氣量、產氣速率等產生明顯的提升作用。可以判斷，催化劑的加入有效的降低體系反應的活化能，促進反應的進行，體系反應啟動后，反應自身產生活化因子促進反應的正向進行，此時催化劑的作用降低。但，催化劑的過量加入會使NO2-與H+結合形成HNO2，HNO2極不穩定，常溫下會分解產生有毒氣體NO和NO2。

2.2 泡沫體系配方優選

本文選取8種起泡劑，分別采用泡沫掃描儀（FoamScan）和TX-500C旋轉滴界面張力測定儀分析泡沫的性能以及起泡劑體系的洗油能力。

不同起泡劑在不同濃度時的起泡體積（見圖5），實驗結果看出，整體上起泡體積相差不大，其中FP-2、FP-7的起泡體積較低。隨著起泡劑濃度的增加起泡體積不斷提高，當起泡劑濃度在0.5 %后，起泡體積的增加趨勢變緩。當泡沫液膜表面的表面活性劑分子達到飽和狀態后，再增加起泡劑的濃度，起泡體積不會大幅增加。

圖4 催化劑濃度對體系產氣量的影響

圖5 起泡劑濃度對起泡體積的影響

對比分析了不同起泡劑的泡沫穩定系數（見圖6）。從式（1）看出，泡沫穩定系數FSI是利用泡沫電導率和消泡時間計算得到的參數，用來表征泡沫的穩定性，穩定系數越高，穩定性越好。可以看出，此時FP-4、FP-1以及FP-5具有較高的FSI，穩定性較好。

圖6 不同起泡劑的泡沫穩定系數對比圖（0.5 wt.%）

圖7 自生氮氣泡沫體系封堵性能實驗結果

圖8 自生氮氣泡沫體系驅油實驗開采曲線

2.3 自生氮氣泡沫復合體系調驅性能評價

2.3.1 復合體系封堵性能 復合體系的封堵性能實驗結果（見圖7），可以看出，在前期水驅中，高滲層的分流率穩定在98 %左右，后續開始注入復合驅體系，高滲層的分流率開始下降，低滲層分流率上升，并出現分流率反轉，最終高滲層分流率保持在76 %，低滲層分流率24 %。從實驗結果看出，由于化學反應在巖心中的持續反應，使得泡沫能夠不斷的生成，較常規的泡沫在地層中破裂重組不同，自生氮氣泡沫體系產生的泡沫質量較高，穩定性更佳，因而對高滲層具有較好的封堵效果，具有較好的抑流轉向的作用。

2.3.2 復合體系驅油性能 自生氮氣泡沫體系驅油實驗結果（見圖8）。當水驅見水后，產出液含水率迅速上升，當含水率達到92 %后，含水率上升變緩，水驅采收率37.63 %；轉注自生氮氣泡沫體系后，在氣體與泡沫體系共同作用下，含水率迅速下降，注入壓力和采出程度顯著上升，較水驅提高采收程度約21.86 %。表面活性劑以及自生氮氣體系產生的熱量、氣體以及泡沫體系的協同作用，可以較好的發揮體系的增能驅油作用，使得采收率有了較大程度的提高。

3 結論

（1）不同的生氣劑主劑配比對自生氮氣產氣量有一定的影響，主劑濃度越高，體系的生氣量越大；催化劑可以有效的提高體系的產氣效率，但當催化劑濃度達到2 %后，催化作用減弱，且過量的催化劑會產生有毒氣體，需控制催化劑的用量；抑制劑可以有效控制主劑之間的反應。

（2）采用泡沫掃描儀從起泡體積、泡沫穩定系數、泡沫液膜含液量綜合評價不同起泡劑的泡沫性能，得到性能較好的起泡劑FP-4。

（3）自生氮氣泡沫體系具有較好的封堵作用，具有一定的抑流轉向的作用；表面活性劑以及自生氮氣體系可以更好的發揮增能及驅油的作用，使得采收率有了較大程度的提高。