多孔介質中多相泡沫微觀流動規律研究

張紅杰，杜沛陽，劉豐鋼

(1.中聯煤層氣有限責任公司，山西呂梁 033200；2.中海石油能源發展股份有限公司；3.中海石油油田服務股份有限公司油田生產研究院)

多孔介質中多相泡沫微觀流動規律研究

張紅杰1，杜沛陽2，劉豐鋼3

(1.中聯煤層氣有限責任公司，山西呂梁 033200；2.中海石油能源發展股份有限公司；3.中海石油油田服務股份有限公司油田生產研究院)

通過微觀刻蝕模型對泡沫、微球和多相泡沫體系在多孔介質中的微觀滲流特征進行研究，結果表明：泡沫主要以變形、分割的方式通過多孔介質，且小氣泡的運移速度要快于大氣泡，其封堵具有疊加性；微球在多孔介質中以串狀、長條狀或團狀聚集體存在，通過直接或變形的方式通過孔喉，以吸附、喉道處架橋和孔喉連接處堆積來形成封堵，但穩定性不強；多相泡沫體系中，微球吸附甚至包圍在泡沫液膜表面，泡沫在微球的包圍簇擁下向前運移，穩定性增強，對深部調剖封堵效果更好。

多相泡沫；彈性微球；多孔介質；微觀滲流

多相泡沫體系強化采油技術是在常規氣液兩相泡沫體系中加入聚合物微球而形成的一種新型泡沫體系。該體系結合了強化泡沫驅與聚合物微球深部調剖兩種技術，泡沫對非均質地層具有較好的適應性和良好的選擇性，聚合物微球可有效封堵大孔道進行逐級深部調剖，因而該體系對特高含水期油田提高封堵強度、挖潛剩余油及提高采收率等方面有著很好的應用前景[1-2]。該驅油體系能否具有更強的油藏適應性和礦場增油效果，前提是準確合理地認識和描述驅油體系在多孔介質中滲流機制和驅油機理。然而，多相泡沫體系在多孔介質中的滲流是一個十分復雜的過程，涉及到泡沫在多孔介質中生成、運移、破滅、再生機理[3-6]，以及油藏條件下聚合物微球在多孔介質中的運移、吸附、捕集等，還涉及到與原油和巖石間相互作用關系[7-12]，因此，深入地研究多相泡沫體系的滲流機理具有重要的現實意義。鑒于此，本文通過微觀可視化儀器對多相泡沫在多孔介質中的微觀滲流規律進行研究。

1 實驗方法及材料

1.1 實驗方法

利用微觀仿真模型模擬多相泡沫在多孔介質中的滲流過程，通過圖像采集系統將泡沫、微球以及多相泡沫在多孔介質中滲流過程的圖像轉化為計算機的數字信號。實驗流程見圖1。

1.2 實驗材料

(1)孔隙介質材料為微觀仿真光刻玻璃模型，尺寸為40 mm×40 mm，孔道直徑50～800 μm。

圖1 實驗流程示意圖

(2)起泡劑：HY-2(山東恒業石油新技術應用有限公司生產)，復配產品，陰離子型，實驗中使用質量分數為0.5%；

(3)聚合物微球：T-6720 (現河采油廠)，實驗中采用濃度為5 000 mg/L；

(4)聚合物：HPAM(分子量2000 萬)，實驗中采用濃度為500 mg/L；

(5)氣體：氮氣(青島天源氣體制造有限公司生產)，純度99.99%；

(6)蒸餾水。

1.3 實驗設備

數字顯微攝像系統1套，雙柱塞計量泵2臺(用于驅替氣體和液體，型號分別為100 DX和260 D)，圍壓泵1臺(型號為2 PD00Z)。

1.4 實驗條件

實驗溫度設定在20 ℃，圍壓設定為4 MPa，驅替回壓1 MPa，驅替速度0.01 mL/min。

受傳統文化的影響，多年來中國農村的性別秩序一直踐行著“男主外、女主內”的性別分工。在家庭領域，女性負責洗衣、做飯等家務勞動，男性負責外出掙錢。在這種性別分工的影響下，家庭中妻子一直承擔照顧丈夫的飲食、起居的角色，成家的男性顯示出婚姻生活的優越性。在這種模式下，老年男性喪偶之后，由于婚姻的解體，子女忙于生計，喪偶老年男性比喪偶老年女性顯示出老年生活的凄涼。出于對生活照顧的需求，農村的喪偶老年男性比喪偶老年女性顯示出更多的對再婚的需求。

2 實驗結果與分析

2.1 多孔介質中泡沫的流動特征

泡沫體系中，液相是連續的，氣相則既有連續部分又有不連續部分。在多孔介質中，泡沫的流動是氣液分開的流動，不連續氣體的流動是借助于泡沫的破裂-再生實現的，主要體現為液膜分斷和氣泡聚集這兩種形式。氣液接觸產生大量的液膜，液相就是在液膜網和小孔隙中流動，氣體則是通過液膜在孔隙吼喉處變形破裂，并在過了吼喉后重新以這種方式通過多孔介質。由微觀實驗可觀察到，泡沫主要是以氣泡的變形和分割方式通過多孔介質的，如圖2所示。

泡沫流體在多孔介質中運移時，由于粘滯力的作用，泡沫將優先進入大孔道，而液體則優先進入管壁和膜內邊界之間的滑動層，從而使氣泡拉伸變形，由于孔隙的不規則性而產生的賈敏效應，大氣泡變形大，流動阻力也大，運移速度小于小氣泡，最終對大孔道形成封堵，起液流轉向作用，這與文獻調研結果一致[11]。

在實驗過程中，還可以通過控制氣液比(泡沫質量)來控制泡沫中單個氣泡的大小。隨著氣液比降低，泡沫中液體組分增多，氣泡的平均直徑減小。

2.2 多孔介質中微球的滲流特征

在放大倍數為60倍的實驗條件下，溶脹1天后的聚合物微球在多孔介質中并非均勻分散，而是多個微球顆粒以電性吸附的方式相互聚集在一起，形成串狀、團狀或長條狀的微球聚集體，這是由于帶正電荷的微球內層在水中溶脹速度快于帶負電荷的外層，因此當微球體積膨脹達到一定程度時，內層正電荷會裸露，顆粒之間就會發生電性吸附而聚并。

聚合物微球具有“變形蟲”的特性，在多孔介質中主要通過封堵-變形-運移-再封堵，迫使注入流體轉向，擴大注入流體的波及體積，從而實現逐級深部調剖的。

由微觀實驗可以觀察到，微球對孔喉的封堵主要表現為以下幾種形式：

(1)吸附封堵。由于微球溶脹后帶有正電荷，因此可以在多孔介質壁面吸附，形成封堵，減小孔喉尺寸，并可形成環狀液流通道

(2)架橋封堵。微球由于電性吸附作用，雖然微球尺寸小于孔喉直徑，但兩個或更多微球可通過架橋的方式對孔喉形成封堵，如圖4所示。以這種方式產生的封堵主要發生在小孔喉處。

(3)堆積封堵。當微球尺寸大于孔喉尺寸時，在孔喉連接處等大的孔喉部位，微球主要以堆積排列的方式進行直接封堵。只有當注入壓力達到微球的突變壓力時，封堵才會失去效力。相比而言，該方式形成的封堵變形突破的壓力比較大。

2.3 多孔介質中多相泡沫的滲流特征

在多相泡沫體系中，由于聚合物微球的加入，泡沫在多孔介質中的穩定性提高，變形能力增強，主要是由于加入的彈性微球可以吸附在泡沫的液膜處、甚至將泡沫完全包圍，增加了液膜及整個體系的粘度，提高了液膜強度，阻止了氣體通過液膜的擴散以及液膜排液作用的進行，從而提高泡沫的穩定性。此外，聚合物微球表面帶電荷，其在泡沫表面吸附后，使泡沫液膜也帶同種電荷，在電性相斥的作用下，也減少了泡沫的聚并。

圖3 聚合物微球在孔道中運移示意圖

圖4 微球架橋封堵示意圖

相比單一體系而言，多相泡沫體系的封堵能力更高。究其原因，由于微球聚集體在泡沫液膜表面吸附甚至聚集包圍，一方面可使孔喉尺寸進一步降低，增加了多相泡沫流體的注入壓差，啟動了低滲透層(小孔道)，從而迫使泡沫和液流轉向滲透率較低的孔道，擴大注入的多相流體的波及體積；另一方面，泡沫中的氣體具有一定的壓縮性，可以對體系壓力波動產生一定的抵抗力，該力與微球的變形突破壓力相疊加，可增強體系抵抗注入壓力波動的能力，因此，復合體系的封堵能力更高。只有當注入壓力升高到足以克服體系疊加的突破壓力時，微球和泡沫形成的體系才會失去封堵效力，在多孔介質中產生運移。

泡沫和微球在多孔介質中運移時，微球簇擁著泡沫向前運移，在微球封堵效應和泡沫賈敏效應的協同作用下，當體系通過較小的孔喉時由于泡沫具有較強的變形能力，可以通過變形甚至自身分割為兩個或更多的小氣泡的方式通過孔喉，而微球較泡沫變形能力則較差，在壓力波動足以使其發生剪切、擠壓或破碎時才發生移動，因此，封堵能力和封堵時效而言，微球主要起封堵作用，泡沫則起暫堵作用。

3 結論

(1)泡沫在多孔介質中是氣液分開的流動，主要通過變形和分割的方式通過孔喉。較小氣泡的運移速度要快于較大的氣泡，可以通過控制氣液比(泡沫質量)來控制泡沫中單個氣泡的大小，隨著氣液比降低，泡沫中液體組分增多，泡沫中氣泡的平均直徑減小。

(2)微球在多孔介質中以串狀、長條狀或團狀聚集體存在，其在多孔介質中的運移、堵塞主要表現為直接順利通過、變形后通過和形成堵塞無法通過三種模式，封堵方式則有吸附封堵、喉道處架橋封堵以及孔喉連接處堆積封堵三種形式，但穩定性不強。

(3)多相泡沫體系中，微球在泡沫液膜表面吸附甚至包圍整個氣泡，可進一步降低孔喉尺寸，提高封堵能力，增加了多相泡沫體系的注入壓差，啟動低滲透層(小孔道)，從而迫使泡沫和液流轉向滲透率較低的孔道，擴大注入的多相流體的波及體積。在多孔介質中運移時，微球和泡沫運移的主要形式為：微球包圍并簇擁著泡沫向前運移。由于微球對氣泡的包圍，泡沫的穩定性增加，封堵能力大大提高。

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編輯：李金華

1673-8217(2015)05-0090-04

2015-04-27

張紅杰，工程師，1981年生，2004年畢業于石油大學(華東)石油工程專業，現從事非常規油氣鉆完井技術管理工作。

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