聚合物在泡沫驅中的應用

雷小洋，唐善法，廖 輝，王曉杰

(長江大學石油工程學院，武漢 430100)

泡沫驅是一種應用前景廣泛的三次采油技術，其顯著特點是隨著滲透率的增大，泡沫的黏度增大，流動阻力增大，當阻力大于低滲透層中的毛管壓力時，泡沫便進入低滲透層，使流體在高低滲透層同時推進，進而提高波及效率。泡沫作為一種可壓縮的非牛頓流體，具有剪切變稀的特征。泡沫為熱力學非穩定狀態，流體變稀后，泡沫在多孔介質中的流動變得更不穩定，嚴重影響泡沫驅油的效果。部分聚合物因其結構特點，加入泡沫流體后可以提高流體黏度，改變液膜的物性，從而使泡沫的穩定性增強［1］。

1 聚合物對泡沫的穩定機理

泡沫是氣體與液體形成的分散體系，氣相是分散相，液相是分散介質，為連續相，它們相互接觸的邊界稱為Plateau邊界［2］，泡沫的氣液界面圖見圖1。

圖1 泡沫的氣液界面圖

泡沫具有較大的氣液界面面積和較高的表面自由能，自由能具有自發減小的趨勢，所以液體中的氣泡會自發地聚集合并，小氣泡變為大氣泡，大氣泡液膜變薄，最終破滅。目前普遍認為泡沫的衰變機理為液膜的排液和氣體透過液膜的擴散。

由Laplace方程知圖1中A處的壓力小于B處，液相會自發地從B處向A處聚集，使B處液膜變薄，最終導致液膜聚并，泡沫破滅。聚合物的絮狀和網狀結構使液相的黏度增加，既能使泡沫內的液體不易流失，減緩液膜變薄的速度，又能使氣體在液膜中的溶解度降低，從而使穩定性增強。

由Laplace方程知小氣泡內的壓強大于大氣泡內的壓強，小氣泡內的氣體會自發向大氣泡內擴散，造成小氣泡變小、大氣泡變大，最終小氣泡消失、大氣泡破滅。這一過程的發生主要取決于氣體透過液膜的能力。聚合物的加入使液膜表面的黏度增大，造成液膜表面所吸附的分子排列得更緊密，氣體透過液膜的難度加大。當液體中存在聚合物時Marangoni效應增強，聚合物在液膜表面的吸附使液膜表面黏度增高，表面膜彈性增強，膜的自我修復能力加強，泡沫穩定性大幅提高。小氣泡消失、大氣泡破裂的泡沫照片［3］見圖2。

此外，在泡沫流體中加入疏水締合聚合物不僅有增黏效果，還可以適用于高鹽環境。水溶液極性增強，疏水基團通過進一步增強分子間疏水合作用，使與水的接觸體積減小，相應地大分子聚合物線團物理交聯點增多，分子間締合能力增強，流體力學體積增大，宏觀表現為溶液黏度上升，起到高鹽增黏作用，使泡沫更加穩定［4］。

圖2 泡沫的聚并破滅過程

2 泡沫驅用聚合物類型

1)增黏型。主要是通過提高基液的黏度來減緩泡沫的排液速率，延長泡沫半衰期，從而提高泡沫的穩定性，這類物質有羧甲基纖維素(CMC)、聚丙烯酰胺(PAM)、羧甲基淀粉(CMS)、殼聚糖類、改性淀粉等。

2)提高膜黏彈性型。主要是提高泡沫膜的黏彈性和膜強度，減小泡沫的透氣性，從而提高泡沫的穩定性。這類聚合物增黏性較小，如聚乙烯醇(PVA)、羥乙基纖維素(HEC)、高級脂肪醇類。

3)高鹽增黏型。主要用于高鹽、高溫環境，如新型抗鹽聚合物PS－3、新型疏水締合聚合物聚丙烯酰胺、兩親類聚合物 HPOC －I［6］、生物聚合物(HXYP)和黃原膠(XC)等。

3 聚合物在泡沫驅中的應用

在常規泡沫驅中，常用的聚合物為聚丙烯酰胺類、羧甲基纖維素類、可溶性淀粉類及聚醇類。這幾類聚合物增黏效果顯著，價格適宜，適合油田大規模泡沫驅。王其偉等［7］研究了CMC、聚合物722及聚醇類對泡沫劑穩定性的影響，指出這幾類聚合物對泡沫有顯著的穩定效果，能夠使泡沫劑脂肪醇聚氧乙烯醚(AEO)和十二烷基苯磺酸(ABS)的穩定性提高50%以上。萬里平等［8］研究了聚合物KV－CMC對ABS和二甘醇琥珀酸酯(DGES)的穩定性，發現當KV－CMC的含量為0.6% ～0.8%時，泡沫綜合指數最大，當 KVCMC含量＞0.8%時，發泡能力隨其含量的增大而降低。KV－CMC的加入使基液黏度增大，一方面使氣泡間液膜不易流失，另一方面降低了氣體穿透液膜的能力;但KV－CMC含量過高時，發泡劑分子不易流動，液膜受損部位不能迅速彌合，氣泡容易破裂。王克亮等［9］研究了羧甲基纖維素鈉和瓜爾膠在高溫下對發泡劑HY－3的穩泡性能，發現羧甲基纖維素鈉的抗高溫性能優于瓜爾膠，高溫下羧甲基纖維素鈉的加入使泡沫的發泡高度略有降低，但半衰期明顯增加，泡沫綜合指數增加。王登慶等［10］研究了N－(2－羥基－3－磺酸基)丙基殼聚糖對非離子起泡劑AEO－9的穩泡性能，發現殼聚糖取代度越低，相同濃度下在水中的黏度越大，其對非離子表面活性劑形成的泡沫的穩泡能力優于常用的高分子穩泡劑(PVA，CMS，PAM)。江建林等［11］為了研究聚合物在聚合物－泡沫復合調驅技術中對泡沫的穩定性和泡沫再生能力的影響，針對海上油田聚合物－泡沫復合體系ES－70/O12，對體相泡沫中聚合物的穩泡作用進行了實驗研究。結果表明在57℃下加入1000 mg/L聚合物SNF3640，泡沫半衰期從12.5 min 增至58.0 min。

在高溫高鹽油田中，一般的聚合物易受高溫影響發生降解，增黏能力下降;另一方面在高礦化度下，聚合物離子基團上的電荷被屏蔽，離子間的靜電排斥作用減弱，聚合物長鏈卷曲，分子內締合作用占主導地位，宏觀上表現為溶液黏度下降。針對這些問題，近年來研制出了一些新型的耐鹽耐高溫聚合物，主要有疏水締合聚合物、兩親性聚合物及改性類聚合物。刁素等［12－13］研制出復配穩泡劑泡沫體系HXYP+YPA，研究了80℃下高鹽對泡沫體系的穩定性和表觀黏度的影響，實驗結果表明，無鹽和礦化度為7.08×104mg/L的泡沫的吸附膜整體性較好，且吸附膜較薄;高礦化度(20.30×104mg/L)下泡沫的吸附膜整體性不如無鹽的好，但是膜面上吸附著致密的晶狀物質，增加了薄膜的厚度，并且未見單獨的鹽結晶析出。分析聚合物結構發現HXYP分子為剛性分子，鹽濃度的改變不會使分子結構發生變化，分子的作用力和纏繞力基本不變，而YPA為梳型疏水締合聚合物，分子側鏈同時含有親水和親油集團，使得分子內和分子間的卷曲纏繞減少，分子結構規整，抗鹽能力強。楊燕等［14］研究了 CMC、HPAM、疏水締合聚合聚丙烯酰胺及XC這4種穩泡劑，考察了在溫度升高和鹽度增大時泡沫體系黏度的變化情況。實驗結果表明，添加了疏水締合聚合聚丙烯酰胺和XC的起泡液，在較高溫度和礦化度下起泡能力較強，且泡沫半衰期較長。

4 泡沫驅的發展趨勢

1)研制新型表面活性劑起泡劑和穩泡劑。要克服泡沫體系穩定性差的缺點，并考慮起泡劑和穩泡劑分子結構的復配協同效應。目前開發的油田都為高鹽低滲類油田，提高泡沫對溫度、礦化度和pH的穩定性是泡沫驅成敗的關鍵。

2)采用空氣泡沫體系。目前泡沫驅的氣相主要為N2、CO2、蒸汽以及天然氣，其中CO2在我國資源不足，而N2和天然氣價格相對較高。空氣作為一種豐富、廉價的氣源，現場施工工藝簡單，具有很大的經濟優勢。應解決好以空氣為氣源的安全性問題，為空氣泡沫驅的推廣應用提供保證。

3)完善泡沫流動特性理論和泡沫穩定理論。關于泡沫的流變性已形成系統的研究成果，多集中于光滑管道中的泡沫流動，對泡沫鉆井、固井等施工工藝有重要的指導作用。應加強高溫高壓條件下非均質多孔介質中的流變性研究，完善泡沫微觀驅油機理。應加強新技術在泡沫穩定形態觀測方面的應用，從分子微觀結構入手，探究不同情形下分子結構的變化，為尋找和研制新的起泡劑及穩泡劑提供理論依據。

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