三相泡沫調驅體系提高蒸汽驅采收率*

鄭家楨，張貴才，裴海華，單景玲，蔣 平，吳 晗

（1.中國石油大學（華東）石油工程學院，山東青島 266580；2.非常規油氣開發教育部重點實驗室（中國石油大學（華東）），山東青島 266580）

我國稠油資源豐富，蒸汽驅是目前開采稠油的有效方式之一。但是地層的非均質性、蒸汽密度及黏度均很低，容易導致蒸汽超覆、蒸汽竄進甚至指進現象的發生，使蒸汽的波及系數降低，嚴重影響蒸汽驅的最終采收率［1-3］。在蒸汽熱采中引入高溫調驅劑可以抑制蒸汽竄進，提高蒸汽的波及體積，是改善蒸汽驅開發效果的有效手段［4-5］。高溫泡沫調驅劑既可抑制蒸汽的超覆又可降低蒸汽的流度，同時泡沫還具有“堵大不堵小，堵水不堵油”的選擇性封堵特點。但是常規起泡劑和穩泡劑在高溫下難以保持良好的效果，目前常通過對現有表面活性劑的復配提升起泡劑的性能［6-8］。穩泡劑逐漸由有機材料轉向無機材料，新型穩泡劑如改性納米二氧化硅的應用，很大程度上提高了泡沫在高溫環境中的穩定性［9］。本文將磺酸鹽表面活性劑ZAS、聚醚磺酸鹽表面活性劑ZCP-1 和改性納米硅顆粒NS 復配研制了耐溫300 ℃的三相泡沫調驅體系，并通過實驗評價該體系的泡沫性能、耐溫性能、封堵性能和驅油性能。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

磺酸鹽表面活性劑ZAS，含量95%，山東達維化學劑公司；改性納米硅顆粒NS，粒徑范圍分布在50～100 nm，含量99%，山東達維化學劑公司；聚醚磺酸鹽表面活性劑ZCP-1、ZCP-2、ZCP-3、ZCP-4，聚氧乙烯（EO）數分別為4、6、8、10，含量98%，山東達維化學劑公司；實驗用油為脫氣脫水稠油，黏度921 mPa·s（50 ℃），密度0.9785 g/cm3；實驗用水為模擬地層水，礦化度9358 mg/L，主要離子質量濃度（單位mg/L）為：Na+2612、K+164、Mg2+157、Ca2+144、Cl-3323、SO42-417、HCO3-2465、CO32-77；填砂管，長度30 cm、直徑2.5 cm，海安石油科研儀器廠。

LB20ES型Waring Blender 攪拌機，美國斯伯明公司；整套高溫驅油裝置，實驗室定制，海安縣石油科研儀器廠；5800E Series型氣體流量計，美國Parker Hannifin公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 起泡性能測試

采用Waring Blender法，以起泡體積、析液半衰期和泡沫半衰期為指標，確定最優泡沫體系配方，并評價其泡沫性能。具體實驗步驟如下：先用模擬地層水配制200 mL 的泡沫體系溶液，再取100 mL待測溶液倒入攪拌器中，在常溫下，以3000 r/min的轉速攪拌60 s 后形成均勻穩定的泡沫，然后將泡沫迅速倒入1000 毫升的量筒中，記錄泡沫體積、析液量一半和泡沫體積衰減一半時需要的時間。

1.2.2 耐溫性能評價

以熱老化后泡沫體系的起泡體積、析液半衰期和泡沫半衰期為指標，評價泡沫體系的耐溫性能。具體實驗步驟如下：將泡沫體系溶液注入安瓿瓶，封口后置入300 ℃的恒溫箱中老化24 h，采用Waring Blender 法測定老化后待測液的起泡體積、析液半衰期和泡沫半衰期。

1.2.3 封堵性能測試

采用長度30 cm、直徑2.5 cm 的一維耐高溫填砂管模型進行泡沫封堵性能測試，實驗裝置圖見1。按照中國石油天然氣行業標準SY/T 5672—93《注蒸汽用高溫起泡劑評定方法》，在300 ℃、10 MPa、氣液比1∶1 條件下測定泡沫體系的阻力因子（泡沫驅壓差與氣水混注壓差之比），以阻力因子為指標評價泡沫體系在多孔介質中的封堵性能。

1.2.4 巖心驅油實驗

圖1 泡沫驅阻力因子測定實驗裝置流程圖

采用兩根長度30 cm、直徑2.5 cm 的耐高溫填砂管模型進行雙管驅油實驗，實驗裝置流程圖見圖2。具體實驗步驟如下：首先采用濕法填砂方法填制滲透率級差為1∶2（滲透率762×10-3/1537×10-3μm2）的巖心；將人造巖心飽和模擬地層水后，飽和油后老化24 h，計算含油飽和度；以2 mL/min 的注入速率注入蒸汽（蒸汽干度為0.85），當產液的含水率大于98%時以氣液比1∶1注入泡沫，總注入速率為2 mL/min，注入量達到設計值時停止注入；進行后續蒸汽驅，當產液的含水率大于98%時停止驅替；計量產出液，計算采收率。

圖2 巖心驅油實驗裝置流程圖

2 結果與討論

2.1 三相泡沫體系構建和性能評價

2.1.1 泡沫體系的篩選和評價

磺酸鹽表面活性劑具有良好的起泡性能和耐溫性能，為了適應蒸汽驅高溫的特點，選用磺酸鹽表面活性劑ZAS 與聚醚磺酸鹽表面活性劑ZCP-1（或ZCP-2、ZCP-3、ZCP-4）復配，復配泡沫體系的泡沫性能見表1，總質量分數為0.5%，ZAS、ZCP-1（或ZCP-2、ZCP-3、ZCP-4）復配比分別為2∶1、3∶1和4∶1。由表1可知，對比單一ZAS體系的泡沫性能，復配體系的起泡體積均有所提高，析液半衰期和泡沫半衰期受不同類型和比例聚醚磺酸鹽表面活性劑的影響效果不同，ZAS 和ZCP-4 以2∶1 復配時的析液半衰期和泡沫半衰期均大幅度縮短，而ZAS 和ZCP-1以3∶1復配時析液半衰期和泡沫半衰期均得到大幅度延長。聚醚磺酸鹽表面活性劑對起泡劑ZAS 具有增泡效果，是因為兩者復配能達到更低的表面張力，在形成穩定液膜的條件下生成更多的泡沫；特定的聚醚磺酸鹽表面活性劑如ZCP-1 能提高ZAS生成泡沫的穩定性，是因為加入ZCP-1 后泡沫的靜電斥力增大，薄膜的穩定性增強，阻止泡沫的聚并作用。磺酸鹽表面活性劑ZAS 和聚醚磺酸鹽表面活性劑ZCP-1 以3∶1 復配時泡沫性能最佳，起泡體積達到730 mL，析液半衰期和泡沫半衰期分別穩定在7.53 min和201 min，因此確定最佳的泡沫體系配方為0.5%的ZAS/ZCP-1（復配比為3∶1）。

表1 泡沫體系復配實驗結果

2.1.2 納米顆粒的穩泡效果

在ZAS/ZCP-1 泡沫體系（總質量分數0.5%，復配比3∶1）中加入不同質量分數的改性納米硅顆粒NS，NS加量對泡沫體系泡沫性能的影響見圖3。由圖3 可知，隨NS 加量的增大，所形成泡沫體系的泡沫體積逐漸減小，析液半衰期和泡沫半衰期先增加后減小。當NS 加量為1.0%時，三相泡沫體系的起泡體積達到680 mL，析液半衰期達26.67 min，泡沫半衰期達12 h，故確定三相泡沫體系配方為：0.5%ZAS/ZCP-1（復配比3∶1）+1.0%NS。

圖3 不同NS加量下三相泡沫體系的泡沫性能

泡沫是熱力學不穩定體系，會自發產生排液、歧化和聚并現象來降低自由能，最終破滅。泡沫的穩定性主要取決于液膜的穩定性，受表面黏度、液相黏度、Marangoni效應、液膜表面電荷等因素的影響。穩泡劑主要通過提高泡沫表面或液相黏度、吸附在泡沫液膜表面、提供靜電斥力或增大空間位阻等方式來提高泡沫的穩定性［12-14］。納米顆粒NS 吸附在氣液界面上，可以增加液膜的黏彈性，起到阻止泡沫聚并、穩定泡沫的效果，同時高濃度的NS可以形成三維網狀結構，增加液相黏度，延緩泡沫的排液進程和氣相的擴散作用，進一步穩定泡沫。隨NS 加量的增大，其阻止液膜變薄的能力增強，但增長到一定程度后會影響泡沫的Marangoni 效應，導致泡沫的穩定性降低，表現為析液半衰期和泡沫半衰期縮短。

2.1.3 三相泡沫體系的耐溫性能

將不同NS 加量的三相泡沫體系置于300 ℃高溫環境下熱老化處理24 h，熱老化處理后三相泡沫體系的泡沫性能見圖4。由圖4可知，300 ℃熱老化處理24 h后，該三相泡沫體系仍然具有良好的泡沫性能，當NS 加量為1.0%時，起泡體積為600 mL、析液半衰期為18.67 min、泡沫半衰期為10.75 h，與熱老化處理前的泡沫性能（泡沫體積680 mL、析液半衰期26.67 min、泡沫半衰期12 h）相比有一定損失，但是仍能生成穩定性良好的高體積泡沫。所構建的三相泡沫體系具有良好的耐溫性能，理論上能應用于蒸汽驅高溫環境中。

圖4 熱老化后不同NS加量下三相泡沫體系的泡沫性能

2.2 三相泡沫體系的封堵性能

以阻力因子為指標，評價三相泡沫體系的封堵調驅性能。在溫度300 ℃、氣液比1∶1條件下，三相泡沫體系在不同滲透率填砂管中的阻力因子見圖5。由圖5可知，該三相泡沫體系在實驗條件下對不同滲透率填砂管模型的阻力因子隨填砂管模型滲透率增大而逐漸上升，且均大于30，具有優秀的封堵調驅能力，符合泡沫型堵劑“堵大不堵小”特點。這是因為泡沫在低滲孔隙介質中運移時，由于低滲層孔喉半徑小，產生的毛細管力大，液膜受到較大壓力而易于破裂，因而封堵能力下降；在高滲孔隙介質運移時，能產生穩定的泡沫，大量的泡沫堵塞孔道形成疊加的賈敏效應，為后續流體注入提供更大的阻力，迫使后續流體進入泡沫未封堵的區域。注蒸汽封堵后的蒸汽驅過程中，蒸汽在高滲透孔隙介質中通過孔隙時必須給予足夠的壓差使喉道處泡沫產生變形和破裂，形成的高強度的泡沫液膜使氣相的流動能力急劇降低，從而使壓力升高，泡沫的流動阻力高于其在低滲透多孔介質中的流動阻力。起泡劑在地層孔道中產生的泡沫占據孔隙空間，高強度的泡沫液膜形成巨大的段塞阻力，迫使以后注入的蒸汽轉向未波及帶，調整吸汽剖面，起到封堵調驅作用。

圖5 三相泡沫不同滲透率條件下的阻力因子

2.3 三相泡沫體系的驅油性能

為評價上述三相泡沫體系在非均質地層條件下提高采收率的能力，采用滲透率級差為2 的雙管模型在溫度為300 ℃、氣液比為1∶1 下進行物理模擬驅油實驗，實驗基礎參數和采收率見表2，采收率曲線見圖6，分流量曲線見圖7。

圖6 采收率隨注入體積的變化

圖7 分流量隨注入體積的變化曲線

表2 雙管模型驅油實驗結果

蒸汽驅初期，高滲管和低滲管出液口同時出液，但高滲管出液速率明顯快于低滲管的，隨蒸汽注入量的增加，高滲管采出液由原油變為原油和乳狀液的混合物，低滲管出液量逐漸降低直至不出液。轉注泡沫后，低滲管恢復出液，驅替一段時間后采出液也變為原油和乳狀液的混合物，此時低滲管出液量快于高滲管。由圖6 和表2 可以看出，當在滲透率級差為2的非均質地層條件下進行蒸汽驅時，注入2.62 PV蒸汽后采出液含水率大于98%，此時高滲管采收率達54.34%，而低滲管采收率只有35.63%，綜合采收率45.44%。注入0.5 PV的泡沫后繼續注入4.51 PV 蒸汽后停止，最終綜合采收率可達63.37%，較注入泡沫前提高了17.93%。

由圖7 可以看出，蒸汽驅初期高滲管分流量約70%，低滲管出液量約30%；隨注入量的增大，高滲管分流量越來越大，而低滲管分流量逐漸降低至0；注入泡沫后，高滲管分流量逐漸減少，而低滲管分流量逐漸上升，最后低滲管分流量穩定在60%左右，高滲管分流量穩定在40%左右。這說明泡沫選擇性地進入高滲管并形成了有效封堵，調整了吸汽剖面，使得后續注入蒸汽大部分進入低滲管，從而大幅提高了低滲管采收率。泡沫只封堵了高滲管中蒸汽沖刷形成的高滲透帶，疊加賈敏效應形成很大的滲流阻力，迫使蒸汽進入未被封堵的小孔隙，將剩余油驅替出來，提高了高滲管的采收率。由上述實驗結果可知，該三相泡沫調驅體系具有良好的提高采收率的能力。

3 結論

以磺酸鹽表面活性劑ZAS、聚醚磺酸鹽表面活性劑ZCP-1 和改性納米硅顆粒NS 復配構建了耐溫300 ℃三相泡沫調驅體系，配方為0.5%ZAS/ZCP-1（復配比3∶1）+1.0%NS。該三相泡沫體系性能優異，常溫下泡沫體積為680 mL、析液半衰期為26.67 min、泡沫半衰期為12 h，300℃熱老化處理后性能穩定，起泡體積為600 mL、析液半衰期為18.67 min、泡沫半衰期為10.75 h，可以滿足蒸汽驅開發需求。

該三相泡沫調驅體系在300 ℃高溫條件下可以穩定存在且具有較好的封堵性能，能選擇性封堵高滲透層，對不同滲透率（1000×10-3～4000×10-3μm2）填砂管的阻力因子均大于30，阻力因子隨著巖心滲透率的增加而增大。

該三相泡沫調驅體系在滲透率級差為1∶2的非均質地層條件下能提高采收率17.93%。該體系可以調整吸汽剖面，使蒸汽轉向進入低滲區域，提高蒸汽波及體積，改善非均質地層蒸汽驅的開發效果，具備良好的礦場應用潛力。