渤海J油田化學交替注入液生泡原因分析及對策研究

付武軍，鄭繼龍，吳彬彬，左清泉

1.中海石油氣電集團有限責任公司，北京 100028；2.中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452

渤海油田的化學驅油顯著改善了油田的開發效果，成為海上油田高效開發的主導技術之一。渤海J 油田縱向油層組分布較多，滲透率差別較大，非均質特性比較嚴重。在渤海J 油田的開發初期以注水開發為主，水驅釆收率僅為13%左右，自2007 年渤海J 油田第一口注水井轉用化學驅油以來，取得了明顯的增產效果，但在化學驅油的應用過程中，存在溶液含氧引起聚合物降解、含氧量超標引起地面設備管道和地下管柱腐蝕、結垢和堵塞等問題，同時部分井注聚壓力高、注入量達不到配注的要求，嚴重制約化學驅油的開發效果［1］。通過對化學驅油注入體系的現場配注工藝調研與梳理后發現，化學驅油注入體系的配注過程中存在大量氣泡。現場化學驅油注入體系中氣泡的存在具有以下危害［2-4］：①氣體進入地層引起賈敏效應，可能會造成注入壓力虛高；②溶液含氧引起聚合物降解，造成聚合物黏度下降，影響驅油效果；③氧含量超標引起地面設備管道和地下管柱被腐蝕，并間接造成結垢和堵塞。

本文從注聚井地層的傷害因素研究入手，主要開展渤海J 油田化學交替注入液生泡原因及對策研究，以滿足海上油田化學驅油礦場實施要求，對保障海上油田增產措施開發效果具有重要的指導及借鑒意義。

1 化學交替注入液生泡原因分析

1.1 化學交替注入液配液及注入流程現場調研分析

渤海J 油田化學交替注入液配注工藝流程如圖1 所示。通過配液及注入流程分析可知，高壓注入泵前與空氣連通的節點主要為聚合物干粉上料系統，如圖2 所示。該系統主要通過鼓風機將空氣作為氣源實現干粉聚合物的輸送。干粉、空氣、低壓水快速混合溶解的過程會包裹空氣形成含氣泡的聚合物母液（質量濃度為6 000 mg∕L，黏度約為3 000 mPa·s）。由于化學交替注入液母液黏度較高，氣泡上浮較慢，在熟化過程中無法完全分離，隨著溶液進入后續注入環節和地層，產生不利的影響。

圖1 渤海J油田化學交替注入液配注工藝流程

圖2 干粉上料口

通過對渤海J 油田化學交替注入液的配注工藝流程分析，整個配液以及注入過程中可形成氣泡的位置主要集中在溶解罐以及熟化罐中。先后多次對溶解罐和熟化罐中的化學交替注入液母液取樣觀察分析，發現化學交替注入液中存在的氣泡具有如下特點：①化學交替注入液母液樣品中含有大量肉眼可見的氣泡；②單純通過延長熟化時間，僅有少部分氣泡分離；③化學交替注入液母液中氣泡的O2含量超標。通過現場實際觀測，氣泡分離時間大于10 h，且母液中氣泡的O2含量高達10 mg∕L（按規定，現場回注水控制指標中溶解氧含量應小于0.1 mg∕L）。

通過流程梳理以及問題分析，發現氣泡存在的原因主要包括：①藥劑體系溶解時攪拌形成泡沫；②藥劑體系加入工藝中存在空氣（O2）；③熟化罐進藥位置（高進低出）造成藥劑體系二次生泡；④藥劑體系熟化時間短，從而影響泡沫的消泡效果［5-6］。

1.2 化學交替注入液配液及注入流程室內模擬實驗分析

在室內采用現場化學交替注入液進行配液及注入模擬，從藥劑起泡機制、注入工藝及藥劑體系等角度重點分析化學交替注入液生泡原因，從而規避渤海J 油田交替注入液中氣泡的存在所造成的注入壓力虛高、聚合物降解、地面設備管道和地下管柱腐蝕、結垢和堵塞等問題，為渤海油田化學交替注入技術的應用提供指導。

1.2.1 實驗前準備

實驗溫度為油層溫度60 ℃；實驗用水為渤海J油田地層水（NaHCO3型，礦化度6 321.77 mg∕L）；實驗用藥劑為NaCl、KCl、MgCl2、Na2CO3、NaHCO3和CaCl2，均為分析純，天津市津東天正精細化學試劑廠；實驗用聚合物為渤海J油田現場取樣品。

BSA423S 型電子天平，賽多利斯公司；Quizix注入泵，皆能（亞洲）有限公司；美國博勒飛Brookfield黏度計，廣州市東南科創科技有限公司；加壓泵、空氣壓縮機，海安石油科研儀器有限公司；其他常規設備（管線、秒表、燒杯、量筒等），市售。

模擬化學交替注入液室內配制過程以及使用管線、空氣壓縮機、燒杯、加壓泵等，在實驗室內組裝一套模擬現場注入工藝的流程。為了模擬現場的配注化學交替注入液流程，用空壓機和氣體流量計模擬現場鼓風機、注入泵模擬現場低壓供水、三通模擬現場混合頭、燒杯模擬現場溶解罐，從藥劑體系注入工藝角度分析化學交替注入液起泡能力，模擬藥劑注入地下過程中的起泡過程。該流程如圖3所示。

圖3 注入工藝流程模擬

1.2.2 實驗方法

1）化學交替注入液起泡能力分析

為了測定現場化學交替注入液是否具有起泡能力，具體實驗方法如下：

①在室內用渤海J 油田地層水分別配制不同質量濃度（1 000、2 000、3 000、4 000、5 000 和6 000 mg∕L）的化學交替注入液25 mL。

②將配制好的化學交替注入液裝入100 mL具塞刻度比色管中，采用振蕩法連續振蕩20 次，使化學交替注入液與比色管中的空氣充分接觸。

③靜置觀察具塞刻度比色管內溶液的發泡及消泡情況。

2）注入工藝對化學交替注入液起泡能力分析

為了驗證現場化學交替注入流程中化學交替注入液是否會產生泡沫以及泡沫的生成及破滅規律，重點用于分析不同位置處的泡沫形成原因，為后期消泡體系的加藥位置提供指導，具體實驗方法如下：

①按照圖3 注入工藝流程模擬示意搭建實驗流程，并檢查流程密封性。

②按照1 mL∕min 的注入速度將地層水注入流程與化學交替注入液主藥劑干粉聚合物在流程中的三通處混合。

③調整空壓機與氣體流量計，使所注入的化學交替注入液主藥劑干粉聚合物與地層水在三通處混合后形成的目標溶液質量濃度在2 000 mg∕L（現場注入濃度）左右。

④待流程中流體性能穩定后，觀察注入流程各個環節內化學交替注入液內泡沫生成及破滅規律。

3）不同濃度化學交替注入液消泡規律分析

為了測定不同濃度的現場化學交替注入液生泡后泡沫破滅規律及消泡時間的變化情況，具體實驗方法如下：

步驟與1）化學交替注入液起泡能力分析的步驟①、②一致，重點用于靜置觀察藥劑體系中泡沫破滅規律及消泡時間。

1.2.3 實驗結果與討論

1）化學交替注入液起泡能力分析結果

對不同質量濃度的化學交替注入液的發泡及消泡能力進行分析，結果如圖4所示。

圖4 不同濃度化學交替注入液發泡形態

由圖4可知：化學交替注入液與空氣接觸后通過振蕩產生大量的泡沫，且隨著化學交替注入液濃度的增加，化學交替注入液中的泡沫數量逐漸增多。通過實驗可知，由于化學交替注入液主劑聚合物分子結構特點，導致其具有較強的液相增黏性和穩定性，同時在配液過程中，聚合物分子與空氣接觸后受攪拌作用極易產生泡沫，且不易消泡。

2）注入工藝對化學交替注入液起泡能力分析結果

對注入工藝對化學交替注入液起泡能力影響情況進行分析，結果如圖5所示。

圖5 注入流程和母液中氣泡形態

由圖5 可知：配制化學交替注入液的過程會形成大量氣泡，并且在注入流程中也會形成大量氣泡，所形成的氣泡被化學交替注入液所包裹，且泡沫穩定性強、不易破滅。當空氣、化學交替注入液主劑聚合物和水接觸后，在注入流程中會形成大量的細小泡沫，泡沫在整個流程中穩定性比較強，而且泡沫之間很難發生聚并現象，主要原因是泡沫液膜強度較大。通過化學交替注入液母液中形成的泡沫形態可知，單個泡沫從流程中流出之后，很快發生破滅，但隨著泡沫數量的增加，在母液中形成的泡沫逐漸形成穩定的泡沫群，從而促使泡沫抗破滅能力增加。

3）不同濃度化學交替注入液消泡規律分析結果

室內配制不同濃度的化學交替注入液，并觀察不同濃度化學交替注入液的消泡時間，對不同濃度化學交替注入液消泡規律進行分析，結果見表1 所示。由表1可知：隨著化學交替注入液濃度增加，化學交替注入液的黏度也增大，一方面增加了氣泡液膜的表面黏度，另一方面使液膜內的液體不易排出，從而延緩壓力差和重力引起的液膜內液體的遷移，阻止膜的變薄并延緩液膜的破裂，使得J油田現場化學交替注入液的消泡時間延長。

表1 不同濃度下化學交替注入液消泡時間

2 化學交替注入液消除氣泡對策研究

由前面的實驗結果分析可知，化學交替注入液中氣泡數量隨化學交替注入液濃度的增加而增加，且泡沫消泡時間隨化學交替注入液濃度的增加而延長。基于室內化學交替注入液配注工藝分析可知，配注流程中不僅會產生細小泡沫，而且其穩定性強、很難聚并，母液中所形成的泡沫穩泡能力較強。

由于母液濃度、熟化時間、配制方式屬于工藝方案優化的結果，化學交替注入液生泡是屬于化學交替注入液體系本身特性，均無法改變；同時完全隔絕氣體輸送的化學交替注入液配制裝備在海上油田很難實現，因此，J 油田化學驅油配液過程中需要及時對化學交替注入液母液配制過程中所形成的氣泡進行消除，避免注入液溶液降解及管柱腐蝕的危害［7-9］。

液體中形成泡沫及泡沫的穩泡時間主要受表面張力影響，采用化學法消泡效率高、使用便捷，最關鍵的是篩選最佳的消泡體系。消泡體系注入泡沫體系后能快速在泡沫表面鋪展，加快泡沫破滅。一般而言，消泡體系在液膜上鋪展越快，液膜變得越薄，破泡能力就越強［10］。為證實該思路的可行性，室內分別配制不同質量濃度（100、150、200、250 和300 mg∕L）的化學交替注入液25 mL，分別裝入100 mL 具塞刻度比色管中，再加入200 mg∕L 除泡劑，連續振蕩20 次，使化學交替注入液與具塞刻度比色管中的空氣充分接觸、除泡劑與溶液中的氣泡充分接觸，靜置觀察比色管內添加除泡劑后不同濃度化學交替液中的生泡及消泡情況，結果如圖6所示。

圖6 除泡劑在不同濃度化學交替液中的除泡效果

由圖6 可知：在不同濃度化學交替液中添加除泡劑40 min 后，不同濃度化學交替注入液內的泡沫全部消失。因此，通過該實驗可知，在化學交替注入液配注過程中添加除泡劑體系可緩解注入液生泡問題。但需要對除泡劑進行室內篩選評價，為目標油田篩選最佳的藥劑體系，并開展藥劑注入工藝及參數優化研究，從而為解決化學交替注入液的生泡問題提供指導。

3 結論

1）化學交替注入液中氣泡數量隨化學交替注入液濃度的增加而增加，且泡沫消泡時間隨化學交替注入液濃度增加而延長。

2）化學交替注入液母液具有起泡性能和液相增黏性，導致化學交替注入液配制時易起泡、穩泡，且不易消泡。

3）化學交替注入液黏度隨濃度的增加而增大，一方面增加了氣泡液膜的表面黏度，另一方面使液膜內的液體不易排出，延緩壓力差和重力引起的液膜內液體的遷移，阻止膜的變薄并延緩液膜的破裂，使得化學交替注入液的消泡時間延長。

4）除泡劑的加入能消除J 油田化學交替注入液中的氣泡數量，達到快速消泡的目的，J 油田化學交替注入液配制過程通過加入除泡劑解決配液生泡問題具有可行性。