三元復合CO2強化泡沫體系的制備及性能研究

王彥玲，孟令韜，李強，梁雷，蘭金城，蔣保洋，許寧

(中國石油大學 (華東)石油工程學院，山東 青島 266580)

長慶油田黃3區儲層裂縫發育，CO2驅油出現嚴重氣竄、氣體超覆等現象[1-3]，導致采收率大幅降低[4-5]。泡沫流體具有良好的封堵性[6-7]，但低滲油藏苛刻環境限制了常規泡沫體系的應用[8-10]。中外學者研發了復合強化泡沫體系[10-12]，Sun等[13]將疏水SiO2納米顆粒引入泡沫體系，通過協同穩定作用，提升了體系穩定性。田中嵐等[14]研發了一種水溶性聚合物HVC，加入后使體系耐溫達110 ℃。然而單一引入聚合物或納米顆粒難以同時達到耐溫抗油要求[15-16]。本文制備了一種三元復合CO2強化泡沫體系，通過與常規泡沫體系對比，研究了耐溫抗油封堵性能，為長慶油田黃3區CO2驅防氣竄提供新思路。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

發泡劑：QH-3、QH-4、CQ-1、CQ-5、ZG-5、ZG-6、ZG-7；聚合物穩定劑：PL-1，納米SiO2顆粒，粒徑平均為20 nm；實驗用油：長慶油田黃3區脫水原油，油藏溫度85 ℃下，黏度4.2 mPa·s；實驗用氣體：CO2，純度99.9%；露頭巖心(Φ25 mm×300 mm)，實驗用水為模擬地層水，總礦化度為59 183 mg/L，離子組成見表1，以上材料均由長慶化工集團有限公司提供。

表1 模擬地層水離子組成Table 1 The ionic composition of injected water

Waring 7012s型攪拌儀;FOAMSCANTMHTHP型高溫泡沫分析儀;SY1CO4型注氣驅巖心評價系統，包括恒壓恒流泵、臺式恒溫箱、巖心夾持器(Φ25 mm×300 mm)、壓力傳感器、圍壓控制手動泵、回壓系統等，儀器示意圖見圖1。

圖1 SY1CO4型注氣驅巖心評價系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of SY1CO4 type gas injection core evaluation system

2 實驗方法

2.1 不同種類發泡劑篩選

采用Waring Blender法對長慶油田常用的7種不同類型發泡劑開展性能評價。常溫常壓下，取100 mL發泡劑溶液倒入高速攪拌杯中，通CO2氣體排盡杯中空氣，蓋好蓋子在CO2氣體氛圍下以7 000 r/min的速度下攪拌2 min，將發泡充分的泡沫倒入1 000 mL的量筒中，記錄起泡體積V0，表征泡沫發泡能力；當量筒下方析出50 mL液體時，記錄消耗的時間，即泡沫析液半衰期t1/2，表征泡沫穩定性。

2.2 三元復合CO2強化泡沫體系配方優選

設計3因素3水平正交實驗，采用Waring Blender法，以泡沫綜合值(FCI)為指標[17]，對強化泡沫體系的配方進行優選。泡沫綜合值的計算方法為：

式中V0——起泡體積，mL；

2.3 三元復合CO2強化泡沫體系抗油耐溫性能研究

實驗參照中國石油天然氣集團公司企業標準Q/SY 1816—2015《泡沫驅用起泡劑技術規范》，以泡沫起泡體積與泡沫析液半衰期為指標，對QH-3泡沫體系與強化泡沫體系抗油耐溫能力研究。

2.4 三元復合CO2強化泡沫體系封堵性能研究

封堵性能研究實驗步驟：①85 ℃恒溫箱中烘巖心8 h；②取出巖心，冷卻，抽真空，飽和模擬地層水12 h；③模擬地層溫度85 ℃，氣測滲透率；③設定圍壓10 MPa，以氣液同注的方式(氣液比1∶1、注入速度0.3 mL/min)在不同滲透率的巖心中分別注入強化泡沫體系與QH-3泡沫體系；④記錄注入時巖心兩端壓力變化，計算不同體系阻力系數。

3 結果與討論

3.1 不同類型發泡劑篩選

發泡劑種類是決定泡沫穩定性的重要因素，不同種類的發泡劑分子結構不同，在液膜中的排列和與氣液界面的相互作用不同，從而影響液膜的厚度、彈性以及排液速度，導致泡沫呈現出不同的穩定性[18]。

實驗結果見圖2，QH-3陰離子型發泡劑起泡體積為910 mL，泡沫析液半衰期達13 min，泡沫穩定性優于其他種類發泡劑，這是由于陰離子型發泡劑親水能力強，對水分子產生的束縛作用降低了泡沫的排液速度使析液半衰期延長[19]。因此選擇陰離子型QH-3作為三元復合CO2強化泡沫體系的發泡劑。

圖2 常溫常壓下不同類型發泡劑篩選Fig.2 Screening of different types of foaming agents at room temperature and pressure

3.2 三元復合CO2強化泡沫體系配方優選

聚合物與納米顆粒可以降低表面張力、提高泡沫黏度、增強泡沫液膜的機械強度、減緩重力與毛細管壓力對液膜排液速度的影響，達到增強泡沫體系穩定性的作用[20-22]。將聚合物PL-1、納米SiO2顆粒與QH-3發泡劑復配形成強化泡沫體系，設計正交實驗研究不同單劑質量分數對三元復合CO2強化泡沫體系泡沫綜合值的影響，結果見表2。

表2 三元復合CO2強化泡沫體系配方優選Table 2 Optimal formulation of ternary composite CO2 enhanced foam system

由正交實驗結果可知，相比于單一發泡劑QH-3，復配后的三元復合CO2強化泡沫體系擁有更好的穩定性，泡沫析液半衰期得到顯著提高，但起泡體積卻隨聚合物PL-1與納米SiO2顆粒的加入而逐漸降低，這是由于聚合物與納米顆粒本身沒有起泡性能，且其表面會吸附一定質量發泡劑，降低了溶液中的發泡劑濃度使得泡沫體積下降。當發泡劑QH-3含量為0.5%，聚合物PL-1含量為0.2%與納米SiO2顆粒含量為0.3%(發泡劑QH-3取K2、聚合物PL-1取K1、納米SiO2顆粒取K2)時，三元復合CO2強化泡沫體系泡沫綜合值最大，故得三元復合CO2強化泡沫體系的配方為：0.5%發泡劑QH-3+0.2%聚合物穩定劑PL-1+0.3%納米SiO2顆粒，氣體為CO2。

3.3 三元復合CO2強化泡沫體系抗油性能

分別用長慶油田黃3區模擬地層水與含油15%的溶液作為基液配制強化泡沫體系與QH-3普通泡沫體系，倒入高速攪拌容器中，在轉速為7 000 r/min下攪拌2 min，對比觀察2種泡沫體系是否受到原油侵入影響。實驗結果見圖3，在未加入原油時三元復合CO2強化泡沫體系與QH-3泡沫體系起泡體積相差不大，但原油的介入使QH-3泡沫體系起泡體積急劇下降至500 mL，其原因是原油能在泡沫液膜表面鋪展并進入液膜，對液膜造成破壞，導致泡沫的破滅[23]。而三元復合CO2強化泡沫體系在含原油15%下產生的泡沫細膩穩定，多為細小起泡的聚集體，起泡體積仍可達到780 mL，半衰期達20 min，未受原油明顯影響，證明抗油性能良好。

圖3 不同泡沫體系抗油性測試Fig.3 Oil resistance test of different foam systems(a)強化泡沫體系未加入原油起泡情況;(b)強化泡沫體系含油15%起泡情況;(c)QH-3泡沫體系未加入原油起泡情況;(d)QH-3泡沫體系含油15%起泡情況

3.4 三元復合CO2強化泡沫體系耐溫性能

長慶油田黃3區油藏溫度為85 ℃，設置5個溫度梯度(分別為75，85，95，105，115 ℃)，使用高溫泡沫分析儀對比考察強化泡沫體系與QH-3泡沫體系在不同溫度下的性能差異。結果見圖4，隨著溫度的上升，三元復合CO2強化泡沫體系與QH-3泡沫體系的起泡體積與析液半衰期均呈現出下降趨勢。但三元復合CO2強化泡沫體系下降幅度不大且明顯優于QH-3泡沫體系，在115 ℃時仍可保持起泡體積850 mL半衰期20.7 min，耐溫性能良好。

溫度升高氣液界面上表面活性劑定向吸附層松弛，導致表面粘度下降，降低泡沫穩定性，而聚合物與納米粒子的加入可以有效地改善發泡性能，在氣水界面形成疏水網絡增強泡沫耐溫性能[24]。

圖4 溫度對強化泡沫體系與QH-3泡沫體系的影響Fig.4 Effect of temperature on enhanced foam system and QH-3 foam system

3.5 三元復合CO2強化泡沫體系封堵性能研究

模擬油藏環境，采用不同滲透率的巖心，對三元復合CO2強化泡沫體系與QH-3泡沫體系的封堵性能開展實驗，實驗所用巖心基礎參數見表3。

表3 實驗巖心基礎參數Table 3 Basic parameters of experimental core

結果見圖5，隨著泡沫注入量的增加，阻力因子逐步上升，且三元復合CO2強化泡沫體系在兩種滲透率的巖心中阻力因子明顯優于QH-3泡沫體系。但相比于滲透率為101.3×10-3μm2的巖心，強化泡沫體系對滲透率為42.6×10-3μm2的巖心封堵效果更好，在注入量為0.8 PV時阻力因子可達114。泡沫在巖心中產生流動阻力的主要原因是氣泡在巖心縫洞表面形成了一層具有黏彈作用的薄膜，隨著氣泡的注入，薄膜在縫洞表面對新注入的氣泡產生拖拽力，泡沫越穩定則薄膜附著的拖拽力越大[25]，三元復合CO2強化泡沫體系泡沫耐溫抗油穩定，表現出良好的封堵性能與流度控制能力。

圖5 模擬油藏環境阻力因子隨注入量變化Fig.5 Variation of resistance factor with injection volume under simulated reservoir environment

4 結論

(1)將納米SiO2顆粒、聚合物PL-1與優選的QH-3陰離子型發泡劑復配制備了抗油耐溫型三元復合CO2泡沫體系，通過正交實驗確定了體系的配方為0.5%發泡劑QH-3+0.2%聚合物穩定劑PL-1+0.3%納米SiO2顆粒。

(2)對常規的QH-3泡沫體系與三元復合CO2泡沫體系開展了性能測試，實驗結果表明,相比于QH-3泡沫體系，三元復合CO2強化泡沫體系的抗油耐溫封堵性能提升明顯，在85 ℃，含油飽和度65.18%的巖心中，注入0.8 PV時阻力因子可達114，具有較好的流量控制與封竄能力。