一種驅油用高穩定性泡沫體系的制備與評價

王凱，楊旭，涂瑩紅，李志臻

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

泡沫復合驅是一種新的驅油方法，泡沫復合體系比以往的驅油體系具備下述特點:泡沫復合體系具有較高的視粘度;同時泡沫復合體系與被驅替原油可以形成超低界面張力(10－3mN/m)。綜上所述，泡沫復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，提高驅油效率。泡沫復合體系的效果好壞主要在于它的穩定性和流變性。目前所應用的泡沫驅油體系穩定性較差，主要由于單一的表面活性劑產生泡沫的穩定性通常較差;而在一定條件下，不同種類的表面活性劑復配會表現出顯著的協同效應，研究者們已經通過各類表面活性劑的復配，極大地提升了泡沫體系的穩定性，將半衰期延長至40 ～1 080 min 不等［1］。本文通過多種起泡劑和穩泡劑的復配，篩選出一種更高穩定性的復配體系，以獲得應用性能優越的泡沫驅油體系，并對其進行了評價。

1 實驗部分

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 萬水解聚丙烯酰胺(HPAM-1700)、分子量800 萬P(AM-DMDAAC)、分子量1000 萬P(AM-AA)均為工業級。

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 級精密壓力表均為自組裝;HAAKE RS600 流變儀。

1.2 實驗方法

1.2.1 泡沫穩定性評價 采用Waring Blender法［2］評價基液的起泡能力及所形成泡沫的穩定性。具體步驟:在常溫下(25 ℃)配制100 mL 的一定濃度的起泡基液，采用高速攪拌機持續攪拌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)時所需的時間t1/2(min)，即泡沫的半衰期，以衡量泡沫的穩定性。

1.2.2 驅油效率測試

1.2.2.1 高溫高壓驅油裝置預熱 開啟高溫高壓驅油裝置加熱系統，將裝置加熱并恒溫在30 ℃，備用。

1.2.2.2 巖心飽和油 將飽和水并已測定滲透率后的巖心放入驅油裝置的夾持器中，開啟驅油系統盛油的中間容器閥門，讓中間容器內的原油通過管線以0.2 mL/min 的流速注入巖心，直到管線出口端，收集的油完全無水后，說明巖心已完全飽和油。關閉注入泵。這時，根據填砂管孔隙體積和原油密度可得出注入巖心原油的質量m1。

1.2.2.3 水驅 開啟驅油系統盛水的中間容器閥門，讓中間容器內的水通過管線以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，關閉注入泵。

1.2.2.4 驅替液驅 開啟驅油系統盛驅替液的中間容器閥門，讓中間容器內的驅替液通過管線以0.2 mL/min的流速注入被水驅后的填砂管中，將填砂管孔隙中殘余原油驅出，待注入填砂管的驅替液體積為巖心孔隙體積的0.3 倍時，關閉注入泵，停止注入驅替液。然后再開啟驅油系統盛水的中間容器閥門，讓中間容器內的水通過管線以0.2 mL/min 的流速注入巖心中，將填砂管孔隙中被驅替液潤濕、剝離的原油驅替出，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，關閉注入泵。測量驅出原油的體積，根據原油體積和原油密度可得出被驅出原油的質量m2。

驅油效率計算公式［3］:

圖1 驅油實驗裝置圖Fig.1 The schematic plote of fluid drive unit

2 結果與討論

2.1 泡沫驅油體系復配配方

2.1.1 起泡劑 配制100 mL 泡沫基液，起泡劑質量分數為0.6%，5 種單一起泡劑的起泡性能及性能較好的4 種起泡劑復配體系的起泡性能見表1。

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

由表1 可知，將起泡劑UT8-2 與LS-2024 按質量比1∶2 混合的復配體系的起泡能力好，泡沫穩定性較單一起泡劑有明顯提高。因此在后續實驗選用UT8-2、LS-2024 按質量比為1∶2 的復配體系。

起泡劑濃度對UT8-2、LS-2024 質量比為1∶2 的復配體系的起泡能力及泡沫穩定性的影響見圖2。

圖2 起泡劑濃度對泡沫性能的影響(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，體系的發泡能力和所形成泡沫的穩定性均呈現先增大后降低的趨勢，峰值出現在濃度為0.5%左右，因此并不是起泡劑濃度越大越好。以下實驗采用濃度為0.5%的UT8-2、LS-2024 質量比為1∶2 的復配體系作為后續實驗的起泡基液，命名為UTL-1。

2.1.2 穩泡劑 分別選擇分子量為1 700 萬的水解聚丙烯酰胺(HPAM-1700)、分子量800 萬的P(AM-DMDAAC)和分子量1 000 萬的P(AM-AA)作為穩泡劑，三種穩泡劑均屬于增粘性穩泡劑，可以增加溶液的粘度，一定程度上延緩泡膜排液和氣體擴散，從而增加泡沫體系的穩定性，分別將其與起泡劑體系復配有望獲得穩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量分數為0.6%的上述三種穩泡劑，考察穩泡劑種類對泡沫性能的影響，結果見表2。

表2 穩泡劑種類對泡沫性能的影響Table 2 The effect of foaming agent’s type to foaming property

由表2 可知，向基液中加入穩泡劑后，體系的發泡能力均有不同程度的降低，但泡沫穩定性卻顯著提髙。主要原因是穩泡劑的加入使溶液的粘度增大，一方面使得起泡時需要克服的粘滯阻力增大，氣體進入液相更加困難，導致發泡量降低;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定性［5］。實驗結果表明，穩泡劑為P(AM-AA)時泡沫性能最好，命名為UTL-2，其組成為:0.17% UT8-2 + 0.34% LS-2024 + 0.6%P(AM-AA)，UTL-2 體系的發泡量為495 mL，泡沫半衰期達3 850 min，屬于超強泡沫體系。相較于前人的研究，該泡沫體系穩定性提高了數倍，有良好的應用前景。

2.2 泡沫驅油體系的評價

2.2.1 流變測試 配制好UTL-2 泡沫體系后，使用流變儀測試其在170 s－1剪切速率下，溫度60 ～80 ℃的粘溫曲線，測試時間為30 min，觀察泡沫體系的粘度變化，結果見圖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，在最終粘度表現平穩，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到施工要求。

2.2.2 驅油效率測試 根據實驗測得該泡沫驅油體系驅油率為74.6%，驅油效率增加17.2%，得知使用UTL-2 復合體系進行的泡沫驅油能明顯提高原油采收率，其道理是空氣泡沫驅油中的UTL-2 復合體系可以明顯降低油水界面張力，并且在驅替過程中受到剪切作用連續生成的泡沫對高滲透層進行了封堵，提高滲流阻力，重新使用低滲透率層，改善了注入剖面，擴大縱向波及體積，從而提高了驅油效率［6］。

3 結論

(1)不同表面活性劑具有顯著的協同效應，復配的100 mL AFS-2 基液在常溫的發泡量為495 mL，半衰期達3 850 min，產生的泡沫細小均勻、液膜較厚、穩定性高。

(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，可以充分滿足驅油施工的要求。

(3)空氣泡沫巖心驅油實驗在水驅后注空氣泡沫后水驅最終釆收率達到了74.6%，提高幅度17.2%，驅油效果良好。

［1］ 楊燕，蒲萬芬，周明.驅油泡沫穩定劑的性能研究［J］.西南石油學院學報，2002，24(4):60-62.

［2］ 劉常旭，鐘顯，楊旭.表面活性劑發泡體系的實驗室研究［J］.精細石油化工進展，2007，8(1):7-9.

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

［4］ 于偉波，張強.泡沫復合驅配方ZS-23 的研究［J］.應用化工，2012，41(3):415-416.

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

［6］ 郭東紅，李森，袁建國，等.表面活性劑的驅油機理及應用［J］.精細石油化工進展，2002，3(7):36-41.