一種驅(qū)油用高穩(wěn)定性泡沫體系的制備與評(píng)價(jià)

王凱，楊旭，涂瑩紅，李志臻

(1.西南石油大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，四川 成都 610500;2.中國(guó)石油川慶鉆探工程公司鉆采工程技術(shù)研究院，四川 廣漢 618300)

泡沫復(fù)合驅(qū)是一種新的驅(qū)油方法，泡沫復(fù)合體系比以往的驅(qū)油體系具備下述特點(diǎn):泡沫復(fù)合體系具有較高的視粘度;同時(shí)泡沫復(fù)合體系與被驅(qū)替原油可以形成超低界面張力(10－3mN/m)。綜上所述，泡沫復(fù)合體系既能降低水油流度比，提高波及效率，又能大幅度降低油水之間的界面張力，提高驅(qū)油效率。泡沫復(fù)合體系的效果好壞主要在于它的穩(wěn)定性和流變性。目前所應(yīng)用的泡沫驅(qū)油體系穩(wěn)定性較差，主要由于單一的表面活性劑產(chǎn)生泡沫的穩(wěn)定性通常較差;而在一定條件下，不同種類的表面活性劑復(fù)配會(huì)表現(xiàn)出顯著的協(xié)同效應(yīng)，研究者們已經(jīng)通過(guò)各類表面活性劑的復(fù)配，極大地提升了泡沫體系的穩(wěn)定性，將半衰期延長(zhǎng)至40 ～1 080 min 不等［1］。本文通過(guò)多種起泡劑和穩(wěn)泡劑的復(fù)配，篩選出一種更高穩(wěn)定性的復(fù)配體系，以獲得應(yīng)用性能優(yōu)越的泡沫驅(qū)油體系，并對(duì)其進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

脂肪醇聚氧乙烯醚磺酸鈉(AES)、α-烴基磺酸鈉(AOS)、重烷基苯磺酸鈉(LS-2024)、十二烷基甜菜堿(BS-12)、起泡劑UT8-2、分子量1700 萬(wàn)水解聚丙烯酰胺(HPAM-1700)、分子量800 萬(wàn)P(AM-DMDAAC)、分子量1000 萬(wàn)P(AM-AA)均為工業(yè)級(jí)。

Waring Blender 高速攪拌器;HZY-B300 電子天平;TY-2 高壓巖心夾持器巖心夾持器;WGP-6 高壓微量恒流泵;填砂筒、中間容器、壓力傳感器、0.4 級(jí)精密壓力表均為自組裝;HAAKE RS600 流變儀。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 泡沫穩(wěn)定性評(píng)價(jià) 采用Waring Blender法［2］評(píng)價(jià)基液的起泡能力及所形成泡沫的穩(wěn)定性。具體步驟:在常溫下(25 ℃)配制100 mL 的一定濃度的起泡基液，采用高速攪拌機(jī)持續(xù)攪拌1 min，然后迅速將泡沫倒入1 000 mL 的帶封口的量筒中，讀取泡沫體積V0(mL)，用以表征泡沫的起泡能力。然后記錄從泡沫中析出一半液體(50 mL)時(shí)所需的時(shí)間t1/2(min)，即泡沫的半衰期，以衡量泡沫的穩(wěn)定性。

1.2.2 驅(qū)油效率測(cè)試

1.2.2.1 高溫高壓驅(qū)油裝置預(yù)熱 開(kāi)啟高溫高壓驅(qū)油裝置加熱系統(tǒng)，將裝置加熱并恒溫在30 ℃，備用。

1.2.2.2 巖心飽和油 將飽和水并已測(cè)定滲透率后的巖心放入驅(qū)油裝置的夾持器中，開(kāi)啟驅(qū)油系統(tǒng)盛油的中間容器閥門，讓中間容器內(nèi)的原油通過(guò)管線以0.2 mL/min 的流速注入巖心，直到管線出口端，收集的油完全無(wú)水后，說(shuō)明巖心已完全飽和油。關(guān)閉注入泵。這時(shí)，根據(jù)填砂管孔隙體積和原油密度可得出注入巖心原油的質(zhì)量m1。

1.2.2.3 水驅(qū) 開(kāi)啟驅(qū)油系統(tǒng)盛水的中間容器閥門，讓中間容器內(nèi)的水通過(guò)管線以0.2 mL/min 的流速注入已飽和油后的巖心中，將填砂管孔隙中飽和的原油驅(qū)替出，待管線出口端排出的油水混合物體積為巖心孔隙體積的3 倍時(shí)，關(guān)閉注入泵。

1.2.2.4 驅(qū)替液驅(qū) 開(kāi)啟驅(qū)油系統(tǒng)盛驅(qū)替液的中間容器閥門，讓中間容器內(nèi)的驅(qū)替液通過(guò)管線以0.2 mL/min的流速注入被水驅(qū)后的填砂管中，將填砂管孔隙中殘余原油驅(qū)出，待注入填砂管的驅(qū)替液體積為巖心孔隙體積的0.3 倍時(shí)，關(guān)閉注入泵，停止注入驅(qū)替液。然后再開(kāi)啟驅(qū)油系統(tǒng)盛水的中間容器閥門，讓中間容器內(nèi)的水通過(guò)管線以0.2 mL/min 的流速注入巖心中，將填砂管孔隙中被驅(qū)替液潤(rùn)濕、剝離的原油驅(qū)替出，待管線出口端排出的油水混合物體積為填砂管孔隙體積的3 倍時(shí)，關(guān)閉注入泵。測(cè)量驅(qū)出原油的體積，根據(jù)原油體積和原油密度可得出被驅(qū)出原油的質(zhì)量m2。

驅(qū)油效率計(jì)算公式［3］:

圖1 驅(qū)油實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.1 The schematic plote of fluid drive unit

2 結(jié)果與討論

2.1 泡沫驅(qū)油體系復(fù)配配方

2.1.1 起泡劑 配制100 mL 泡沫基液，起泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%，5 種單一起泡劑的起泡性能及性能較好的4 種起泡劑復(fù)配體系的起泡性能見(jiàn)表1。

表1 單一起泡劑及復(fù)配體系的起泡性能Table 1 The foaming properties of single foaming agent

由表1 可知，將起泡劑UT8-2 與LS-2024 按質(zhì)量比1∶2 混合的復(fù)配體系的起泡能力好，泡沫穩(wěn)定性較單一起泡劑有明顯提高。因此在后續(xù)實(shí)驗(yàn)選用UT8-2、LS-2024 按質(zhì)量比為1∶2 的復(fù)配體系。

起泡劑濃度對(duì)UT8-2、LS-2024 質(zhì)量比為1∶2 的復(fù)配體系的起泡能力及泡沫穩(wěn)定性的影響見(jiàn)圖2。

圖2 起泡劑濃度對(duì)泡沫性能的影響(常溫)Fig.2 The effect of foaming agent’s concentration to foaming property

由圖2 可知，隨著起泡劑濃度的增大，體系的發(fā)泡能力和所形成泡沫的穩(wěn)定性均呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢(shì)，峰值出現(xiàn)在濃度為0.5%左右，因此并不是起泡劑濃度越大越好。以下實(shí)驗(yàn)采用濃度為0.5%的UT8-2、LS-2024 質(zhì)量比為1∶2 的復(fù)配體系作為后續(xù)實(shí)驗(yàn)的起泡基液，命名為UTL-1。

2.1.2 穩(wěn)泡劑 分別選擇分子量為1 700 萬(wàn)的水解聚丙烯酰胺(HPAM-1700)、分子量800 萬(wàn)的P(AM-DMDAAC)和分子量1 000 萬(wàn)的P(AM-AA)作為穩(wěn)泡劑，三種穩(wěn)泡劑均屬于增粘性穩(wěn)泡劑，可以增加溶液的粘度，一定程度上延緩泡膜排液和氣體擴(kuò)散，從而增加泡沫體系的穩(wěn)定性，分別將其與起泡劑體系復(fù)配有望獲得穩(wěn)定性較高的泡沫體系［4］。

向100 mL 的UTL-1 起泡基液中分別加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%的上述三種穩(wěn)泡劑，考察穩(wěn)泡劑種類對(duì)泡沫性能的影響，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 穩(wěn)泡劑種類對(duì)泡沫性能的影響Table 2 The effect of foaming agent’s type to foaming property

由表2 可知，向基液中加入穩(wěn)泡劑后，體系的發(fā)泡能力均有不同程度的降低，但泡沫穩(wěn)定性卻顯著提髙。主要原因是穩(wěn)泡劑的加入使溶液的粘度增大，一方面使得起泡時(shí)需要克服的粘滯阻力增大，氣體進(jìn)入液相更加困難，導(dǎo)致發(fā)泡量降低;另一方面，較高的粘度減緩了液膜排液及氣泡破裂的速率，從而提高了泡沫的穩(wěn)定性［5］。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，穩(wěn)泡劑為P(AM-AA)時(shí)泡沫性能最好，命名為UTL-2，其組成為:0.17% UT8-2 + 0.34% LS-2024 + 0.6%P(AM-AA)，UTL-2 體系的發(fā)泡量為495 mL，泡沫半衰期達(dá)3 850 min，屬于超強(qiáng)泡沫體系。相較于前人的研究，該泡沫體系穩(wěn)定性提高了數(shù)倍，有良好的應(yīng)用前景。

2.2 泡沫驅(qū)油體系的評(píng)價(jià)

2.2.1 流變測(cè)試 配制好UTL-2 泡沫體系后，使用流變儀測(cè)試其在170 s－1剪切速率下，溫度60 ～80 ℃的粘溫曲線，測(cè)試時(shí)間為30 min，觀察泡沫體系的粘度變化，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖3 泡沫體系的粘溫曲線Fig.3 The viscosity-temperature curve of foam system

由圖3 可知，該泡沫體系粘度隨溫度的升高有所下降，在最終粘度表現(xiàn)平穩(wěn)，一直保持在50 mPa·s左右，顯示出了良好的抗溫性能，因此有理由相信該泡沫體系可以達(dá)到施工要求。

2.2.2 驅(qū)油效率測(cè)試 根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得該泡沫驅(qū)油體系驅(qū)油率為74.6%，驅(qū)油效率增加17.2%，得知使用UTL-2 復(fù)合體系進(jìn)行的泡沫驅(qū)油能明顯提高原油采收率，其道理是空氣泡沫驅(qū)油中的UTL-2 復(fù)合體系可以明顯降低油水界面張力，并且在驅(qū)替過(guò)程中受到剪切作用連續(xù)生成的泡沫對(duì)高滲透層進(jìn)行了封堵，提高滲流阻力，重新使用低滲透率層，改善了注入剖面，擴(kuò)大縱向波及體積，從而提高了驅(qū)油效率［6］。

3 結(jié)論

(1)不同表面活性劑具有顯著的協(xié)同效應(yīng)，復(fù)配的100 mL AFS-2 基液在常溫的發(fā)泡量為495 mL，半衰期達(dá)3 850 min，產(chǎn)生的泡沫細(xì)小均勻、液膜較厚、穩(wěn)定性高。

(2)泡沫體系抗溫性較好，在80 ℃，170 s－1下剪切30 min 后粘度仍保持在50 mPa·s 左右，可以充分滿足驅(qū)油施工的要求。

(3)空氣泡沫巖心驅(qū)油實(shí)驗(yàn)在水驅(qū)后注空氣泡沫后水驅(qū)最終釆收率達(dá)到了74.6%，提高幅度17.2%，驅(qū)油效果良好。

［1］ 楊燕，蒲萬(wàn)芬，周明.驅(qū)油泡沫穩(wěn)定劑的性能研究［J］.西南石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，24(4):60-62.

［2］ 劉常旭，鐘顯，楊旭.表面活性劑發(fā)泡體系的實(shí)驗(yàn)室研究［J］.精細(xì)石油化工進(jìn)展，2007，8(1):7-9.

［3］ 周鳳山.鉆井液用泡沫劑性能評(píng)價(jià)方法的研究［J］.鉆井液與完井液，1990，7(3):1-5.

［4］ 于偉波，張強(qiáng).泡沫復(fù)合驅(qū)配方ZS-23 的研究［J］.應(yīng)用化工，2012，41(3):415-416.

［5］ 馬寶岐，詹少淮.泡沫特性的研究［J］.油田化學(xué)，1990，7(4):334-338.

［6］ 郭東紅，李森，袁建國(guó)，等.表面活性劑的驅(qū)油機(jī)理及應(yīng)用［J］.精細(xì)石油化工進(jìn)展，2002，3(7):36-41.