玻璃微珠充填介質內泡沫的微觀驅油機理

黃 磊，李華斌,凌 革，龍烈錢

（1.成都理工大學能源學院，四川成都 610059；2.中石化西北油田分公司塔河采油三廠，新疆輪臺 841604）

泡沫驅作為一種較新型的提高采收率技術能夠同時提高波及系數和洗油效率[1-2]。由于泡沫在多孔介質中流動會首先進入阻力小的高滲透大孔道，隨著泡沫的聚集產生賈敏效應，迫使后續泡沫流入低滲透小孔道[3]，提高了驅替的波及系數。同時起泡劑還具有一定的洗油能力，因而泡沫驅油能大幅度提高采收率，在油田開發上顯示了很好的發展前景[4]。本文通過微觀驅油實驗，研究泡沫驅油體系在微觀孔隙中的形態、形成機理及驅油機理，對認識泡沫驅提高采收率效果具有重要意義。

1 實驗部分

1.1 實驗材料、設備

材料：實驗所用表面活性劑為XHY-4（成都華陽興華化工廠產）；模擬油為玉東塊原油（78℃下粘度為286 mPa·s）；實驗用氣為氮氣；模擬地層水（礦化度為160 000 mg/L，CaCl2水型）；泡沫體系：地層水+0.3%XHY-4。

設備：直徑為0.4～0.6 mm的玻璃微珠充填的微觀仿真模型、電子顯微鏡、微量注入泵、泡沫發生器。

1.2 實驗方法、步驟

實驗的流程圖（見圖1）。

本研究是利用電子顯微鏡和錄像系統記錄下泡沫驅替的整個過程，并利用計算機分析泡沫的微觀驅油特性[5-6]。

實驗基本步驟：首先將微觀模型抽真空飽和地層水；用油驅水；再用水驅油至模型不出油為止；然后以一定速度注入泡沫體系至不出油為止，并錄取驅替過程的動態圖像；改變實驗方案，重復以上步驟。

2 實驗結果與討論

2.1 泡沫在多孔介質中的形成機理

實驗中觀察到泡沫形成的三種基本機理：液膜滯后、縮頸分離、薄膜分段。

2.1.1 液膜滯后 液膜滯后現象形成的前提是氣體以低速進入孔隙，當氣體以低于臨界速度從不同的方向進入孔隙，孔隙空間的液體就被前緣擠成薄膜（見圖2），當液相中有足夠的表面活性劑時，薄膜可能是穩定，否則它就會破裂。液膜滯后現象在地下復雜的孔隙介質中會頻繁的發生，大量生成的液膜會堵塞氣體通道，甚至形成死通道，產生“氣阻效應”而使氣相的相對滲透率下降。通過液膜滯后形成的泡沫沒有分離的氣泡，且擴大了單個泡沫的體積，氣體保持連續相，這樣形成的薄膜為流動薄膜提供潛在的動力，一旦薄膜由于滯后或者破裂而流出孔隙，第二個薄膜不能在同一點產生，除非液體重新進入這個區域。

圖2 液膜滯后機理

2.1.2 縮頸分離 縮頸分離機理（見圖3）是高速注入泡沫產生的主要機理。當氣泡高速穿過吼道越入另一側之后，氣泡的體積擴大而毛管壓力遞減，液相中產生的壓力梯度使周圍的液體聚集到吼道中，當毛管壓力降低到臨界值時，氣泡被液體截斷，產生新氣泡。在分析圖像時發現，縮頸分離現象會在某一處吼道重復發生。與液膜滯后機理相比，縮頸分離產生的氣泡是可以流動的，分散的氣泡可以流動或者是在多孔介質中某處聚集而堵塞氣流通道，但分散氣泡通過多孔介質的流動阻力要比連續氣體的流動阻力大得多。泡沫通過多孔介質時的表觀粘度常常可以達到100 mPa·s數量級，因此它所產生的泡沫是強泡沫。

2.1.3 薄膜分段 薄膜分斷不同于前兩種機理，它形成的前提是多孔介質中必須首先有由液膜滯后或縮頸分離產生的泡沫。只要薄膜能達到的某點，薄膜分段都有可能發生。在這一點，當泡沫前端的薄膜和氣體只流入其中一個通道時，泡沫未發生分裂，但當流入到下游的兩個或更多的吼道中時（見圖4），泡沫發生了分裂，與氣泡截斷機理相類似，所形成的分散氣泡或流入或者堵塞氣體孔道。

圖3 縮頸分離機理

圖4 薄膜分段機理

2.2 微觀孔隙中的泡沫驅油機理

2.2.1 乳化、攜帶

（1）乳化機理：如圖5所示，在表面活性劑的作用下，多孔介質中表面的原油被分散、剝離，形成水包油（o/w）型乳狀液，在壓差的作用下，乳化液攜帶著增溶的油滴沿著壓降方向運移，驅出孔隙，從而改善油水兩相的流度比，提高波及系數[7]。

（2）剝離油膜、擠壓、攜帶作用：孔隙表面潤濕性的非均質性和原油中的重組分的作用，造成了部分油滴或油段殘留在孔壁上。如圖6所示，在表面活性劑的降低油水界面張力和改變原油流變性的作用下，大量油滴和油段被剝離成呈分散的細粉狀或絲狀，隨水流動，被驅出孔隙。

同時在圖7可以看到，當孔隙吼道大部分被泡沫占據時，在驅替壓力的作用下，分散的大氣泡像一段柱塞擠壓孔隙中的殘余油，使油膜變薄、分散并被泡沫攜帶出孔隙。

實驗中發現，在泡沫驅過程中，泡沫循環往復的進行聚并、破裂的過程（見圖8），會局部改變多孔介質中孔隙和吼道的壓力，加劇孔喉中泡沫的運動，這種擾動會加劇泡沫的乳化攜帶作用，有利于泡沫驅油過程。

2.2.2 賈敏效應 如圖9所示，氣泡首先進入流動阻力小的高滲透大孔道，而隨著泡沫的聚集，氣泡的流動阻力加大，產生“賈敏效應”，當流動阻力增大到超過小孔道的流動阻力時，越來越多的氣泡會流向小孔隙中，驅替未被波及的原油，提高了驅替液的波及系數。

圖5 原油乳化現象

圖6 泡沫的剝離油膜作用

圖7 泡沫在擠壓、攜帶油滴

圖8 泡沫的聚并、破裂過程

圖9 泡沫通過賈敏效應增加波及系數

3 結論

（1）通過分析實驗記錄表明，泡沫的形成有液膜滯后、縮頸分離、薄膜分段三種機理，三種機理的形成條件各不相同。

（2）在表面活性劑水溶液軟化界面膜、降低界面張力的作用下，原油被分散、剝離成乳狀液，同時泡沫的擠壓、攜帶作用，乳狀液沿著壓降方向運移，這對油藏極為有利，同時泡沫循環往復的聚并、破裂過程有利于乳狀液的形成，因此泡沫驅對提高稠油油藏采收率具有很大的優勢。

（3）由于泡沫驅具有疊加的賈敏效應，迫使泡沫進入小孔道驅替原油，顯著的提高了驅替劑的波及系數，擴大了波及體積，對于非均質油藏的開采極為有利。

［1］董朝霞，吳肇亮，林梅欽，等.交聯聚合物與聚合物溶液的特性差別［J］.石油學報，2004，20（6）：8-13.

［2］張燕，翁大麗，劉喜林，等.微凝膠微觀驅替試驗研究［J］.河南石油，2002，16（6）：36-38.

［3］曹嫣鑌，劉冬青，唐培忠，等.泡沫體系改善草20區塊多輪次吞吐熱采開發效果技術研究［J］.石油鉆探技術，2006，34（2）：65-68.

［4］姜繼水，宋吉水.提高石油采收率技術［M］.北京:石油工業出版社，2003.

［5］馮慶賢，郭海莉.MVP彩色圖像處理技術在微觀實驗中的應用［J］.斷塊油氣，1997，4（2）：36-39.

［6］高永利，劉易非.圖像處理在微觀驅替中的應用［J］.西安石油學院學報，1998，13（2）：50-52.

［7］郭東紅，李森，袁建國.表面活性劑驅的驅油機理與應用［J］.精細石油化工進展，2002，3（7）:36-41.