具有稠油降黏作用的泡沫體系室內實驗評價*

陳 超，張新春，劉廣峰，徐 浩，王 鵬，廖建軍

（1.中國石油吐哈油田分公司工程技術研究院，新疆鄯善 838202；2.成都理工大學能源學院，四川成都 610059）

0 前言

泡沫是不溶或微溶的氣體分散于液體中所形成的分散體系，具有黏度高、密度低、選擇性封堵等特性，被廣泛應用于提高采收率、調剖堵水、鉆完井等方面［1-4］。泡沫驅提高采收率技術近年來在國內外發展較為迅速，其優勢在于既可以提高波及效率又可以提高驅油效率。稠油一般是指油層溫度下脫氣原油的黏度超過100 mPa·s、密度大于0.92 g/cm3的原油。稠油由于黏度高、流動性差，給開采和集輸帶來了很大困難［5-6］。稠油泡沫驅能大幅改善油層縱向吸水剖面，驅動滲透率相對較低的油層，同時能控制泡沫體系滲流或流動時的流度小于或等于稠油在油層中滲流或流動時的流度，目前利用泡沫驅來提高稠油油藏的采收率是稠油開發的一個重要方向［7-13］。

魯克沁玉東區塊油藏屬于高溫（80 ℃）高鹽（礦化度約160 g/L）普通稠油油藏，因其原油黏度高，水驅過程中出現了嚴重的竄流和指進現象，加上層間非均質性強，導致水驅波及效率低，采出程度較低。現場使用的泡沫驅油XHY-4 體系雖然能在一定程度上降低水油流度比，且具有一定的封堵能力，但增油降水效果甚微。本文考察了一種具有稠油降黏作用的DY-2泡沫體系的降黏效果、泡沫穩定性、抗油性能、封堵能力以及驅油效果，并與XHY-4泡沫體系進行了對比，以此為該區塊進一步提高采收率提供實驗基礎。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

陰離子復配表面活性劑XHY-4，有效含量30%，成都華陽興華化工有限公司；陰離子復配表面活性劑DY-2，有效含量30%，由吐哈油田提供，實驗用油為玉東區塊原油，脫氣后黏度為286 mPa·s（80 ℃），由吐哈油田提供。實驗用水為玉東區塊模擬地層水，礦化度為160 599 mg/L，主要離子質量濃度（單位mg/L）：Na++K+53 090、Ca2+7416、Mg2+1204、Cl-97 400、SO42-1224、HCO3-265。填砂管，尺寸為φ25 mm×1 000 mm，由粒徑為380～830 μm（20～40目）的石英砂填制而成。實驗用氣為氮氣，純度99.99%。

Haake MARS 型高溫高壓流變儀，德國賽默飛公司；高溫高壓泡沫評價裝置，江蘇海安石油科研儀器有限公司；DHG-9101.2SA 型電熱恒溫鼓風干燥箱，上海云發科學儀器有限責任公司；六通閥，管線，壓力表，比色管，量筒，移液管，秒表等。

1.2 實驗方法

（1）降黏實驗

用模擬地層水分別配制50 mL的有效含量分別為0.01%、0.05%、0.1%、0.15%、0.2%的起泡劑DY-2溶液，再倒入100 mL 的比色管中，然后加入50 mL的原油，并攪拌2 min；將比色管置于80 ℃的恒溫箱中，每隔2 h 攪拌一次，持續12 h 后取出比色管；分離油相，使用高溫高壓流變儀在溫度為80 ℃、剪切速率為7.34 s-1下測量油相的黏度。下文中若無特別說明，實驗溫度均為80 ℃，實驗用水均為模擬地層水。

（2）泡沫性能評價

采用高溫高壓泡沫評價裝置評價泡沫DY-2 體系的泡沫性能，包括發泡體積、析液半衰期、泡沫半衰期，并計算泡沫綜合指數。DY-2有效含量分別為0.01%、0.05%、0.1%、0.15%、0.2%，DY-2溶液體積為100 mL，壓力為5 MPa，磁力攪拌轉速為10 000 r/min，攪拌時間為2 min。

（3）抗油性實驗

首先配制100 mL 的起泡劑有效含量為0.1%、不同含油量（分別為0%、1%、5%、10%、15%、20%）的起泡劑溶液，然后將配制好的溶液分別加入6 組比色管中，攪拌均勻之后倒入高溫高壓泡沫評價裝置中，在磁力攪拌轉速為10 000 r/min下攪拌2 min，觀察發泡體積、泡沫半衰期，并計算泡沫綜合指數。

（4）封堵實驗

填制不同滲透率的填砂管（改變填砂次數及壓制壓力），飽和水并測定孔隙體積；以0.5 mL/min的注入速率進行水驅至壓力穩定，記錄壓差Δpwater并計算填砂管滲透率；水驅結束后以氣液交替的方式（氣液比為1∶1）、0.5 mL/min 的注入速率進行泡沫驅（起泡劑溶液有效含量為0.1%，總注入量為0.5 PV），記錄壓差Δpfoam，由Δpfoam與Δpwater之比計算阻力因子［14］。

（5）驅油實驗

填制滲透率級差為5 左右的高低滲填砂管（改變加砂次數及壓制壓力），飽和水并計算孔隙度；以0.5 mL/min 的注入速率水驅至壓力穩定，記錄壓差并計算滲透率；飽和原油并計算原始含油飽和度；以0.5 mL/min 的注入速率水驅至含水98%為止；以氣液交替的方式（氣液比為1∶1）、0.5 mL/min 的注入速率進行泡沫驅實驗（起泡劑溶液有效含量為0.1%，單次液量或氣量為0.05 PV，共0.3 PV）；后續水驅直至雙管綜合含水達98%以上。記錄整個驅油過程的壓力變化以及高滲管及低滲管的產油量、產水量、產液量，并計算最終采出程度。

2 結果與討論

2.1 起泡劑溶液的降黏性能

當起泡劑達到一定濃度時，起泡劑中的表面活性分子能夠充分拆解稠油中的膠質和瀝青質結構，釋放輕質組分，降低稠油黏度［15］。稠油與不同濃度的起泡劑溶液按體積比1∶1混合后的黏度變化情況如表1所示，測定溫度為80 ℃，剪切速率為170 s-1。由表1 可知，該區塊目前使用的起泡劑XHY-4 的降黏效果有限，在較高濃度（有效含量為0.2%）下，原油黏度僅由286 mPa·s 降至198.3 mPa·s。而起泡劑DY-2 有效含量為0.1%時，使稠油黏度降至50 mPa·s，降黏率達到了82.5%。起泡劑DY-2 濃度繼續增大時，稠油降黏增幅不大。

表1 不同濃度起泡劑XHY-4、DY-2溶液對稠油的降黏效果

2.2 泡沫體系的泡沫性能

泡沫的穩定性受氣體穿透液膜擴散的能力和液膜自身的排液能力的影響，當泡沫的表面自由能降低到一定程度時，泡沫就會破滅。常用的泡沫體系穩定性評價的參數有發泡體積、泡沫半衰期、析液半衰期、泡沫綜合指數等。發泡體積越大，起泡能力越強；析液半衰期越大，泡沫體系越穩定，攜液能力也越強；泡沫半衰期越大，泡沫體系的穩定性越強。泡沫綜合指數一般用發泡體積和泡沫半衰期乘積的3/4來計算［16］。

泡沫XHY-4、DY-2 體系的泡沫性能如圖1 所示。由圖1 可知，當起泡劑有效含量低于0.1%時，隨著起泡劑濃度的增大，泡沫體系的發泡體積、泡沫半衰期、析液半衰期和泡沫綜合指數均快速增大；進一步增加起泡劑濃度，相關參數的增幅變小，且泡沫半衰期和泡沫綜合指數還出現了下降的情況。整體而言，DY-2體系的泡沫性能比XHY-4體系更好，且DY-2 在濃度較低時就具有較好的泡沫性能，能降低驅替過程中由于起泡劑被地層巖石的吸附而導致有效濃度下降所帶來的影響，保證泡沫驅達到良好的驅油效果。當DY-2 有效含量為0.1%時，發泡體積為445 mL，泡沫半衰期為2 186 s，析液半衰期為96 s，泡沫綜合指數為72.96×104mL·s。

圖1 起泡劑有效濃度對泡沫穩定性的影響

2.3 泡沫體系的抗油性能

泡沫遇油后會出現消泡的現象，從而影響泡沫的穩定性。良好的抗油性能有利于泡沫驅過程中泡沫對地層原油的流度控制，進而提高采收率。考察了含油量對XHY-4與DY-2泡沫體系穩定性的影響，結果如圖2所示。由圖2可知，隨著含油量的增加，泡沫體系的泡沫性能呈現逐漸下降的趨勢。這是因為隨著含油量的增大，部分發泡劑分子從液膜中擴散到油相中，隨著乳化的油滴不斷增大直至完全鋪展于液膜上，導致液膜不穩定而發生破滅［17］。當含油量為20%時，XHY-4 體系的發泡體積為209 mL，下降幅度為25.36%；DY-2體系的發泡體積為387 mL，下降幅度為13.03%；XHY-4 的泡沫半衰期為936 s，下降幅度為9.74%，DY-2 的泡沫半衰期為2 026 s，下降幅度為7.32%；XHY-4的泡沫綜合指數為14.67×104mL·s，下降幅度為32.64%，DY-2 的泡沫綜合指數為58.8×104mL·s，下降幅度為19.41%。由此可見，DY-2泡沫體系具有更好的抗油性能。

圖2 含油量對泡沫穩定性的影響

2.4 泡沫體系的封堵效果

阻力因子是評價泡沫體系封堵效果的重要參數。驅油體系的阻力因子越高，則驅油體系在油層中波及效率越高。

XHY-4 與DY-2 泡沫體系對不同滲透率填砂管的封堵效果如圖3 所示，氣液比為1∶1，注入速率0.5 mL/min，起泡劑溶液有效含量為0.1%，總注入量為0.5 PV。整體來看，泡沫體系的阻力因子隨著滲透率的增加先增大再減小，在相同滲透率下，DY-2泡沫體系的阻力因子高于XHY-4 泡沫體系的阻力因子。當滲透率為700×10-3～1000×10-3μm2時，XHY-4泡沫體系的阻力因子穩定在39左右，最高可達39.5；而當滲透率為750×10-3～1250×10-3μm2時，DY-2 泡沫體系的阻力因子穩定在60 左右，最高可達61.5。當填砂管的滲透率較低時，孔隙較小，泡沫受到的剪切應力和毛管壓力較大，容易造成剪切稀釋和泡沫液膜破裂；隨滲透率的增大，孔隙增大，泡沫受到的剪切應力和毛管壓力變小，泡沫能較長時間保持穩定；而當滲透率過大時，氣體會發生竄流，導致壓差降低。因此，只有在一定滲透率范圍內，泡沫才能表現出堵大不堵小的特性，當滲透率過高時，氣竄會導致封堵效果變差。由圖3 可見，DY-2泡沫體系具有更強的封堵能力與更廣的滲透率適用范圍。

圖3 滲透率對泡沫阻力因子的影響

2.5 泡沫體系的驅油效果

對兩種泡沫體系展開雙管并聯實驗，巖心參數如表2 所示，驅油實驗結果如圖4 所示。由圖4 可見，由于原油黏度較高，且高低滲管的滲透率差值較大，水驅過程中高滲管分流率遠大于低滲管的，含水率快速上升。隨著泡沫驅的進行，高滲層受到泡沫的封堵，分流率降低，而低滲管的分流率增加，綜合含水率開始快速下降，綜合采出程度增加。這是因為水驅后，高滲管中的剩余油飽和度遠低于低滲管，因此生成的泡沫能夠在高滲管中穩定存在，增加其滲流阻力，導致大量水開始進入低滲管；隨著后續水驅的進行，高滲管中的泡沫逐漸開始破滅，滲流阻力逐漸降低，分流量逐漸增加，但由于填砂管內始終存在殘余泡沫，因此后續水驅分流量的回調幅度低于泡沫驅分流量的變化幅度。低滲管的剩余油飽和度較高，泡沫穩定性較差，起泡劑溶液可降低原油的黏度，使其流動性增加，綜合采出程度進一步增加。雙管驅替實驗充分說明了泡沫堵高不堵低、遇油消泡的特點。總體上，使用DY-2泡沫驅后，高低滲管分流率變化最大為40.2%，大于XHY-4 體系的31.9%；綜合含水率最低降至72.6%，低于XHY-4 的78.5%。由于DY-2 能夠大幅降低原油黏度，提高原油流度，綜合采出程度提高了16.2%，比XHY-4 體系的（11.6%）高了4.6 百分點。可見DY-2 泡沫體系具有更強的進一步提高采收率能力。

圖4 兩種泡沫體系的驅油動態圖

表2 填砂管巖心物性參數

3 結論

有效含量為0.1%的DY-2溶液與稠油按體積比1∶1混合后可使稠油黏度降低82.5%。DY-2泡沫體系的泡沫性能優于現用XHY-4 泡沫體系。DY-2 泡沫體系在能顯著降黏的情況下兼顧優秀的泡沫性能。

DY-2 泡沫體系具有較好的抗油性能與封堵能力。在含油量為20%的情況下，DY-2泡沫體系仍具有較好的泡沫性能。當滲透率為750×10-3～1250×10-3μm2時，DY-2 泡沫體系的阻力因子能穩定在60左右，說明該體系有利于地層原油的流度控制。

在雙管驅替實驗中，DY-2泡沫體系與XHY-4泡沫體系相比，高低滲管分流率最大變化值多了8.3%，綜合含水率最低值少了5.9%，綜合采出程度提高了4.6百分點。DY-2泡沫體系在進一步提高采收率上更具優勢，且為泡沫驅提高采收率技術提供了新思路。