新型調驅一體化高溫煙道氣驅用泡沫劑室內評價

鄧宏偉

(中國石化勝利油田分公司，山東 東營 257015)

0 引 言

中國稠油油藏目前依賴熱采開發，單純蒸汽吞吐開采稠油油藏采收率僅有20%左右，尤其大部分老油田經過長時間的蒸汽開采進入高含水期或特高含水期，汽竄嚴重，影響正常生產。泡沫在地層中視黏度較高，可以封堵高滲層和大孔道，有很好的封堵調剖功能[1-5]。煙道氣作為注汽鍋爐廢氣價格低廉，煙道氣泡沫驅既具有蒸汽驅、氮氣驅、二氧化碳驅和泡沫驅等多重優點[6]，又可以顯著提高熱效率。例如勝利油田注汽鍋爐的平均熱效率為85%，其中，排煙溫度為240 ℃，熱損失為9.8%，如將產生的水蒸氣與煙道氣一同注入油層，無煙道氣排放，熱效率提高至95%～99%，還可減少二氧化碳排放[7]，是一項很有潛力和值得推廣的技術。但目前大部分商業化的泡沫劑在煙道氣的高溫條件下起泡性、穩泡性較差，且煙道氣組成復雜[8-10]，包括可溶性和不溶性氣體，尤其其中的二氧化碳液膜滲透系數較大，進一步降低了泡沫劑體系的起泡性能和泡沫穩定性，達不到理想泡沫的封堵調剖效果，制約了技術的發展。對于提高泡沫劑的耐溫性和穩定性，學者們進行了大量的實驗探索[11-14]，但關于耐高溫老化的泡沫劑結構分析、煙道氣等復雜氣體體系用泡沫劑的研究十分有限[15]。針對上述問題，該文制備了新型三元共聚物(PNCAS)泡沫劑，通過性能評價，可以作為一種優良的調驅一體化泡沫劑。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料

實驗用水為勝利油田孤島三區油藏地層水(礦化度為5 750 mg/L)；實驗用油為孤島油田中二北區塊2-29×535井原油；CO2、N2純度為99.9%，林德氣體有限公司；PNCAS泡沫劑制備工藝參考Yang等[16]相關論文，實驗用泡沫劑為300 ℃下老化72 h的PNCAS泡沫劑；石英砂，粒徑為150 μm；SiO2納米顆粒，直徑為20 nm，有效含量為99.5%，南京宏德納米材料有限公司提供。

篩選合成的煙道氣驅用泡沫劑，要求在起泡能力強、穩定性好的基礎上兼具耐高溫和耐復雜氣體組分能力。磺酸鹽類陰離子表面活性劑起泡能力強，分子量較大，在長直鏈的基礎上含有眾多支鏈，鏈與鏈之間能夠形成交聯網狀結構，含有多芳環、雙鍵類磺酸鹽或羧酸鹽，具有較好的耐溫性；煙道氣中的主要成分包括N2、CO2、O2等，其中高水溶性氣體(如CO2)在泡沫液中的溶解與擴散會造成液膜破裂而消泡，因此，CO2是篩選泡沫劑時考慮的重點。CO2的液膜滲透系數較大，CO2泡沫衰減的主要機理是氣體擴散，提高泡沫劑的分子量和調整鏈的極性可以提高液膜的致密性和降低二氧化碳的溶解度，進而提高泡沫穩定性。綜上所述，對現有的泡沫劑分子結構進行優化，認為N-甲基丁烯酮羧酸鹽(耐溫)、乙烯基苯磺酸鹽(耐二氧化碳)和乙烯基吡絡烷酮的三元共聚物PNCAS兼具上述結構，可用于高溫煙道氣驅。三元共聚物PNCAS分子式如下：

1.2 實驗裝置及實驗方法

1.2.1 泡沫性能評價實驗

由于煙道氣中含有CO2，在高溫高壓下CO2可由氣相轉變為超臨界流體，導致泡沫性能發生變化，煙道氣驅用泡沫的評價必須在高壓條件下進行[17-28]。使用可視化高溫高壓泡沫儀(海安石油，內徑為60 mm，高度為427 mm，有效容積為1 200 mL的高壓容器)對泡沫性能進行評價(圖1)。具體實驗步驟如下。

(1) 向泡沫發生器中注入質量分數為0.4%的泡沫劑溶液10 ml。

(2) 將CO2鋼瓶和N2鋼瓶按比例1∶4收集600 ml的混合氣體到活塞容器。打開泡沫發生器的出口閥，緩慢打開進氣閥。當氣體從出氣閥溢出時，迅速關閉出口閥。

(3) 設定磁力攪拌器轉速為800 r/min，攪拌30 min。記錄不同壓力、不同溫度以及不同CO2體積分數下泡沫的起泡高度和半衰期。

圖1 可視化高溫高壓泡沫儀示意圖

1.2.2 封堵與驅油性能測試實驗

封堵性能和驅油性能測試裝置如圖2所示，包括模型系統、動力系統、溫度控制系統、壓力控制系統、回壓控制系統、數據采集系統6個模塊。實驗條件：系統回壓為3 MPa，氣液比為1∶2，泡沫劑質量分數為0.4%。測試條件如表1。滲透率級差為1∶4的雙管并聯驅替實驗應用同樣裝置，實驗條件如表2。微觀可視化驅油實驗中將高低滲模型替換為以實驗區塊物性數據為基礎制作的玻璃刻蝕仿真模型。實驗方法如下。

圖2 封堵性能和驅油性能裝置流程圖

表1 阻力因子測試條件

表2 滲透率級差為1∶4的雙管并聯驅替實驗條件

(1) 預處理：選取合適的石英砂放入燒杯，倒入鉻酸洗液浸泡12 h，以消除固體巖石表面污垢和雜質對實驗的影響；泡完取出，用去離子水沖洗干凈，烘干備用。

(2) 利用備好的石英砂制作所需的填砂模型。

(3) 填砂模型稱重，飽和地層水,計算孔隙體積和孔隙度，玻璃刻蝕仿真模型飽和地層水。

(4) 設定恒溫箱溫度為實驗溫度。油驅水將雙管模型和玻璃刻蝕模型驅替至束縛水狀態。

(5) 利用雙管模型和玻璃刻蝕模型開展不同注入介質驅油實驗，記錄產油量、產液量，含水率等實驗數據。

(6) 1號填砂模型飽和水測定其壓差后，在不同溫度下進行泡沫驅測定模型兩端壓差。2號填砂模型飽和水并測定其壓差后，進行75 ℃油驅水至束縛水狀態。進行不同溫度泡沫驅測得模型兩端壓差。

2 實驗結果與討論

2.1 PNCAS泡沫劑性能評價

2.1.1 PNCAS泡沫劑靜態性能評價

采用TX 500C型全量程旋轉滴界面張力儀測試界面張力，測試體系為新型泡沫劑與模擬地層水配制的質量分數為1%的溶液，另稱取原油10 g，加入10%的二甲苯，降低原油黏度以方便注射樣品。在60 ℃時，測試界面張力為0.10 mN/m，80 ℃時，測試表面張力為0.07 mN/m，表明泡沫劑為低油水界面張力，表面活性好。泡沫劑在地層中會有較少的吸附損耗，為保證泡沫劑的穩定性和減緩地層對泡沫劑體系的色譜分離作用，測試泡沫劑的靜態吸附量，質量分數為0.4%的泡沫劑水溶液在液固比為1∶1時，飽和吸附量為3.180 mg/g，液固比達到20∶1時，泡沫劑的飽和吸附量為0.077 mg/g，說明其在地層中吸附損耗較小。

2.1.2 高溫老化對泡沫性能的影響

煙道氣的出口溫度一般為140～260 ℃，要求與之配伍的泡沫劑要在長時間高溫老化后仍能保持氣泡性能和穩定性。選取300 ℃作為老化溫度，首先測定300 ℃純CO2老化72 h后的泡沫起泡體積為434 ml，半衰期為150 s，仍保持了處理前的氣泡性能，說明泡沫劑結構能夠耐受高溫和CO2的復合環境。考慮到現場注入過程中可能會存在殘氧，高溫氧化可能會破壞聚合物網絡，減弱泡沫劑性能，因此，測定了300 ℃純O2老化72 h后的泡沫性能，泡沫劑體系依舊能保持處理前水平，說明PNCAS泡沫劑不但耐CO2和O2，而且具有很好的耐溫性。

2.1.3 質量分數對泡沫性能的影響

隨著PNCAS泡沫劑質量分數的增加，泡沫的半衰期和起泡體積都呈現出先增加后降低最后穩定的趨勢。這是由于高分子表面活性劑PNCAS的加入，提高了溶液的黏度，降低了界面張力，兩方面因素協同作用提高了起泡劑的起泡性能和穩定性。當表面活性劑質量分數明顯高于臨界膠束質量分數時，界面張力不再發生顯著改變，高黏度使得氣體分散于氣液界面需要消耗更多的功，起泡體積減小，同時泡沫攜液量增加，在重力作用下，加速了液膜的排液速度，氣泡內的壓力增加，加快了泡沫內氣體的擴散速度，使得起泡體積和半衰期同時下降，之后趨于平穩。實驗得到最佳泡沫劑質量分數為0.4%，后續實驗均采用該質量分數進行討論。

2.1.4 不同條件對泡沫性能的影響

煙道氣中的CO2組分在加壓過程中會有相態變化，50 ℃、8 MPa以上時會轉變為超臨界狀態，CO2密度增大，此時形成的“泡沫”類似于乳液，與氣態泡沫理化性質有很大差別，因此，高壓條件下CO2泡沫性能測試是十分必要的。圖3為質量分數為0.4%的PNCAS礦化水溶液在不同壓力下，模擬煙道氣泡沫性能測試實驗。可以看出，壓力對泡沫穩定性有明顯的作用，隨著壓力升高，起泡高度變化不大，而半衰期顯著提高。這與離子型表面活性劑變化規律相似，分子結構中的烷基苯磺酸鹽具有較強的親水性，表面活性劑的親水/親CO2平衡不會因CO2壓力(密度)的增大而被破壞。同時，隨壓力升高，泡沫半徑變小，表面積變大，液膜變薄，排液速度降低，延緩了液膜破裂，提高了泡沫性能。

圖3 不同條件下的泡沫性能

隨溫度升高，煙道氣泡沫起泡高度和半衰期都減小。因為高溫導致水分蒸發速度加快，降低了液膜致密性和強度，同時，溫度升高還會降低體系表面黏度和表面彈性，使得液膜強度下降，泡沫容易破滅。起泡劑分子中親水基的水合作用隨溫度升高而降低，疏水基碳鏈之間的凝聚能力減弱，使得起泡劑分子間的締合作用減弱，而且已形成的膠束因為動能增加使其增加了相互接觸的機會，從而形成帶電大分子，大分子之間電荷相斥使能量增加，難以繼續形成膠束，因而起泡體積呈下降趨勢。但在120 ℃、12 MPa下，泡沫半衰期仍有27 min(圖3)，說明PNCAS泡沫劑的耐高溫穩定性優異。考慮到一般油層的溫度不超過120 ℃，該泡沫劑適用于工業推廣。

隨著CO2注入體積分數增大，較純N2條件下泡沫體系的起泡高度和半衰期明顯降低，認為是CO2液膜滲透系數大于N2，易擴散破壞液膜穩定性引起的。但起泡高度和半衰期減小趨勢明顯弱于溫度變化引起的減小趨勢，說明CO2注入體積分數的影響要小于溫度影響。CO2注入體積分數小于40%時，起泡高度和半衰期變化不大，說明PNCAS泡沫劑可以耐受CO2注入體積分數高達40%的環境。

2.2 PNCAS封堵性能評價

泡沫在多孔介質中的封堵能力是泡沫體系能否應用于泡沫驅油的關鍵因素，可以用阻力因子來衡量。文中分別測量了飽和水狀態和殘余油狀態的阻力因子，隨溫度的升高，高溫泡沫劑的阻力因子先增后減，在220 ℃達最大值1 293和1 186，當溫度繼續升高時，阻力因子迅速下降，溫度為300 ℃時，阻力因子分別降為508和418，仍保持較大數值。說明高溫泡沫劑能夠大幅度降低蒸汽的流速，減少氣竄，增加蒸汽波及體積，且在中性模型下的阻力因子大于油性條件下的阻力因子，即在中性條件下使用效果更好。

2.3 PNCAS泡沫劑驅油性能評價

PNCAS泡沫劑具有較低的界面張力，本身具有一定的表面活性劑驅油功能。實驗前先飽和原油直至巖心出口端無原油產出，模擬實際油田未開發狀況；75 ℃水驅后(礦化度為5 750 mg/L)，直至巖心出口端含水為95%(油田水驅極限)，計算水驅采收率。再進行75 ℃泡沫驅，泡沫驅達到極限后再轉水驅。實驗結果表明，75 ℃水驅含水率達到95%，驅油效率僅為27.38%。隨后轉泡沫驅，含水率迅速下降至65%，之后含水率逐漸上升；泡沫驅2.5倍孔隙體積時含水率達到97%，驅油效率提高至59.43%，和水驅相比驅油效率提高32.05個百分點。這是由于泡沫劑具有良好的泡沫性能，泡沫劑能降低油水界面張力起到一定的表面活性劑驅作用。轉后續水驅，含水率上升至99%，后續水驅驅油效率上升至62.39%，僅提高約3.00個百分點。

為了進一步評價封堵性能和驅油性能，進行了滲透率級差為1∶4的雙管并聯驅替實驗。如圖4所示，高滲管水驅后含水率達到91.6%，轉泡沫驅后含水率略有下降。后續水驅前期，由于泡沫仍有殘留，含水率上升緩慢，始終在92%左右。驅替至2倍孔隙體積后，泡沫劑被驅替至殘余狀態，含水率上升較快。低滲管前期水驅流體未流動，轉泡沫驅后，經過短暫的無水期，含水率迅速上升至50%。后續水驅過程中含水率逐漸上升，但始終低于高滲管。泡沫驅油調剖效果顯著，低滲管驅油效率提高了42.00個百分點，高滲管提高了13.60個百分點，后續水驅也提高了約8.00個百分點，低滲管提高幅度明顯高于高滲管。這是由于泡沫劑的阻力因子較大，對高滲管有良好的封堵性能，泡沫提高波及系數，堵大不堵小，堵水不堵油，有良好的調剖功能，從而提高波及系數。由此可見，該實驗條件下泡沫驅效果良好，該泡沫體系有效啟動了低滲層，具有很好的調驅一體化功能。

為了更好地評價PNCAS泡沫劑性能，進行了微觀可視化驅油實驗，并對實驗結果進行了數值模擬反演。蒸汽驅過程中，形成了大量的高滲通道，轉PNCAS泡沫驅替后，在高滲區域形成了大量的泡沫(圖5中白色氣泡)，迫使液流轉向(圖中紅色箭頭)，加之賈敏效應的作用(圖5中藍圈)，進一步擴大波及體積，實現了煙道氣調剖和封堵。對實驗結果進行了數值模擬反演(圖6)。蒸汽驅過程中，受地層非均質性影響，驅替具有明顯的方向性，依據地層系數對其生產參數進行了干預，仍無法有效抑制蒸汽和煙氣的竄流。但轉PNCAS泡沫驅替后，溫度場發育較均勻，蒸汽波及效率得到有效提高。模型計算結果顯示，其驅替壓差有所提高，達到0.4 MPa以上，采出程度也顯著提高，蒸汽泡沫驅階段提高采出程度36.30個百分點。

圖4 雙管并聯驅替采收率實驗結果

圖5 泡沫驅調剖和封堵作用

圖6 蒸汽驅和泡沫驅反演溫度場

3 結 論

(1) 分析耐高溫泡沫劑分子結構，研制出PNCAS泡沫劑，PNCAS泡沫劑在300 ℃處理72 h后具有與處理前同等的泡沫性能和穩定性，能耐受CO2、N2、O2等復雜氣體組分環境。

(2) 壓力對泡沫性能具有顯著的作用，高溫和高CO2體積分數未對泡沫有顯著的消極影響，PNCAS泡沫劑可耐受CO2體積分數為40%以下的氣體環境。

(3) PNCAS泡沫劑具有較低的界面張力和較好的封堵能力，界面張力可達10-2數量級，300 ℃時，阻力因子大于400，可以作為一種優良的調驅一體化泡沫劑。

(4) PNCAS泡沫劑在泡沫驅中既能提高驅油效率又能擴大波及體積，室內實驗可提高驅油效率32.00個百分點，低滲管提高驅油效率42.00個百分點，可抑制蒸汽驅(蒸汽驅+煙道氣驅)過程中汽竄，進一步提高非均質油藏采收率。