抗剪切型黃原膠強化泡沫體系的性能

孫 琳，魏 鵬，蒲萬芬，甘 露，曾 丹

(1.西南石油大學 石油與天然氣工程學院，四川 成都 610500；2. 金堂縣棲賢學校，四川 成都 610400)

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抗剪切型黃原膠強化泡沫體系的性能

孫 琳1，魏 鵬1，蒲萬芬1，甘 露1，曾 丹2

(1.西南石油大學 石油與天然氣工程學院，四川 成都 610500；2. 金堂縣棲賢學校，四川 成都 610400)

模擬天津大港官15-2油藏條件，利用官15-2油田地層水、黃原膠、甜菜堿和陰離子磺酸鹽配制成黃原膠強化泡沫體系，采用SEM對其微觀結構進行了表征。篩選了黃原膠的種類并利用泡沫性能測試和巖心驅替實驗對黃原膠強化泡沫體系的抗剪切性能進行了評價。表征結果顯示，黃原膠吸附在泡沫上形成高厚度且完整致密的液膜。實驗結果表明，黃原膠溶液在低剪切速率下呈明顯的剪切稀釋性，在高剪切速率下具有良好的剪切穩定性；性能最佳的黃原膠為XG4黃原膠，6次高速剪切后，90 ℃時XG4黃原膠強化泡沫體系的析液半衰期保留率大于80%、原液黏度保留率大于95%；適宜的轉速為4 000 r/min。在含油水的非均質多孔介質中，當注速為3 m/d時，XG4黃原膠強化泡沫體系具有很好的流度控制能力。

抗剪切；黃原膠；強化泡沫驅；流度

強化泡沫驅因具有高穩定高效的流度控制作用，是目前降低油田含水率的有效措施之一[1-5]。在現場運用時，溶解、分散和泵送等環節均對泡沫存在機械剪切作用，特別是流經井底泡眼時產生的高速剪切對泡沫中的聚合物會產生一定的機械剪切降解作用[6-7]，從而影響泡沫驅的整體經濟效果。且在泡沫驅的實際運用中，由于泡沫在地層中一直受剪切作用，其性質也會發生一些變化。因此研究開發強化泡沫體系具有重要意義。

黃原膠是重要的生物高聚物，其相對分子質量在(2～50)×106范圍內[8]。黃原膠分子為D-葡萄糖、D-甘露糖、D-葡萄糖醛酸、乙酰基和丙酮酸組成的“五糖重復單元”的結構聚合體[9]。由于其分子結構特殊且含大量的剛性基團，黃原膠具有很好的抗剪切穩定性，在用于油田開發時較聚丙烯酰胺、羧甲基纖維素和植物多糖有明顯的技術優勢[10]。

本工作模擬天津大港官15-2油藏條件，利用官15-2油田地層水、黃原膠、甜菜堿(G5)和陰離子磺酸鹽(PS9)配制成黃原膠強化泡沫體系；采用SEM方法對其微觀結構進行了表征；篩選了黃原膠的種類并利用泡沫性能測試和巖心驅替實驗對黃原膠強化泡沫體系的抗剪切性能進行了評價。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

LVDV-Ⅲ型流變儀：Brookfielo公司；Quanta 450型掃描電子顯微鏡：FEI公司；多功能巖心驅替裝置：成都巖心科技公司；Waring Blender型恒速攪拌器：沈陽石油儀器研究所。

PS9和G5：分析純，成都科隆化工試劑；XG1黃原膠：鄭州三和生物科技有限公司；XG4黃原膠：分析純，阿拉丁試劑有限公司；XG5黃原膠：分析純，鄭州弘旺化工科技有限公司；XG6黃原膠：分析純，嘉祥縣大海化工；XG11黃原膠：分析純，深圳恒生生物科技有限公司；官15-2油田地層水：天津大港油田，總礦化度21 452 mg/L、鈣離子281 mg/L、鎂離子52 mg/L。實驗用人造巖心的參數見表1。

表1 實驗用人造巖心的參數

1.2 實驗方法

1.2.1 強化泡沫體系的配制

取100 mL官15-2油田地層水，添加0.1%(w) PS9、0.05%(w) G5和0.1%(w)黃原膠，預熱至90 ℃，以4 000 r/min轉速攪拌1 min，配制成黃原膠強化泡沫體系。

將黃原膠強化泡沫體系裝入90 ℃恒溫的1 L量筒中，記錄其起泡體積和析液半衰期。泡沫的析液半衰期越長，穩定性越好。

1.2.2 流變性能的測試

以去離子水配制0.1%(w)黃原膠溶液，室溫條件下，利用流變儀18#轉子測定不同剪切速率(4.5～100 s-1)下黃原膠溶液的黏度。90 ℃下測定重復剪切的黃原膠強化泡沫體系的黏度。

1.2.3 微觀結構的表征

黃原膠溶液和黃原膠強化泡沫體系的微觀結構用掃描電子顯微鏡觀察：液氮將體系快速固化，然后在冷凍真空干燥儀中使水分子升華，盡量保持原有結構和形貌。

1.2.4 巖心驅替實驗

巖心驅替實驗系統見圖1。將人造巖心裝入夾持器中，用官15-2油田地層水進行飽和并除盡巖心內的空氣，然后使用天津大港油田的原油飽和巖心。模擬官15-2油藏環境進行驅油實驗，在90 ℃、14 MPa下，使用官15-2油田地層水水驅至經濟極限(含水率98%(w))，然后同時注入黃原膠強化泡沫體系和空氣(注入量1 PV(PV：注入地下的泡沫體系和空氣的體積占地下總孔隙體積的倍數)、氣液速率比1:1)，記錄巖心兩端壓力。后續水驅至經濟極限，同時記錄巖心兩端壓力。更換巖心，調節氣液流體注入速率，重復前面步驟。

2 結果與討論

2.1 黃原膠的篩選

黃原膠溶液的黏度隨剪切速率的變化見圖1。由圖1可知，隨剪切速率的增大，黏度逐漸降低但降幅逐漸減小。這是因為，黃原膠分子中的極性基團在水溶液中發生分子間締合和分子鏈間纏繞作用，故黏度較大；隨剪切速率的增大，分子鏈發生變形，締合結構逐漸被破壞，導致黏度降低，呈明顯的剪切稀釋性；但當剪切速率繼續增大時，黃原膠主鏈會形成一定取向作用，促使分子間重新締合，因此黏度降幅減小，說明黃原膠具有良好的抗剪切性。由于不同廠家的黃原膠因發酵和提純工藝不同，抗剪切性能差異較大。從圖1可看出，XG4，XG5，XG6黃原膠的抗剪切性較好。

圖1 巖心驅替實驗系統

圖2 黃原膠溶液的黏度隨剪切速率的變化

不同黃原膠強化泡沫體系的性能見表2。

表2 不同黃原膠強化泡沫體系的性能

從表2可看出，各黃原膠強化泡沫體系的穩定性均相對較好，且泡沫半衰期均在900 s以上。這是由于黃原膠的加入能提高體系黏度，減緩泡沫的排液速率，從而提高泡沫的穩定性。同時，黃原膠分子的體積較大且含剛性基團，它被吸附在泡沫上后可形成完整致密的復合結構，從而提高泡沫強度、降低氣體的透過性、增強泡沫的穩定性。其中，XG4黃原膠強化泡沫(簡稱XG4F)體系的性能最優，起泡體積為425 mL，半衰期為1 117 s，故選擇XG4F體系較適宜。

2.2 SEM的表征結果

黃原膠在水溶液中完全溶解后，其分子中帶負電荷的側鏈繞主鏈骨架反向纏繞，通過氫鍵和靜電力等作用形成較穩定的棒狀螺旋結構[11]，通過共價鍵結合，還可形成非常規整的螺旋共聚體網狀結構。XG4黃原膠及XG4F體系的微觀結構見圖3。

從圖3可看出，黃原膠在水溶液中呈細桿狀相互交錯連接，形成了致密的枝狀空間網狀結構。XG4F體系的氣泡大小均勻，液相中的物質締合形成有序、致密的層狀結構聚集在泡沫壁中，呈空間重疊狀態。完整致密的多層次網絡結構可改善泡沫的流體動力學、增加泡沫液膜的機械強度、抑制泡沫內氣體的擴散速率，同時均勻的氣泡可降低泡沫液膜的排液速率、提高泡沫穩定性。從圖3c～d還可看出，在枝鏈狀網絡結構的表面附著了凸起的鹽類晶體，這是由黃原膠分子與表面活性劑分子締合作用[12]形成的穩定復合結構[13]。黃原膠分子鏈上的親水基團(—COO—和—OH等)分別通過與鹽的絡合作用和水的溶劑化作用，將含鹽自由水變為束縛水，使泡沫壁保持一定的流體力學體積，增加了泡沫的黏彈性和穩定性。表征結果顯示，黃原膠吸附在泡沫上形成了高厚度且完整致密的液膜。

圖3 XG4黃原膠及XG4F體系的微觀結構

2.3 抗剪切性能

2.3.1 剪切次數的影響

高速剪切次數對XG4F體系性能的影響見圖4。

圖4 高速剪切次數對XG4F體系性能的影響

從圖4可看出，隨高速剪切次數的增加，XG4F體系的原液黏度稍降、析液半衰期縮短、起泡體積增大；經6次高速剪切后，XG4F體系的析液半衰期保留率大于80%、原液黏度保留率大于95%。

由于黃原膠分子在水溶液中締合形成網狀結構，因此具有較大的流體力學體積，可緩沖和分散剪切應力；同時，黃原膠分子中含大量的剛性六元環和極性基團，故其機械剪切降解率較低，且可在極短時間內恢復構象。高速剪切導致部分黃原膠分子斷裂、側鏈官能團丟失，影響黃原膠分子與表面活性劑分子間的鍵合，降低了泡沫液膜的黏度和強度，故泡沫的析液半衰期降幅較大，但黃原膠溶液的黏滯效應被削弱反而使其起泡能力逐漸增強。

2.3.2 轉速的影響

轉速對XG4F體系性能的影響見圖5。從圖5可看出，隨轉速的增大，XG4F體系的析液半衰期和起泡體積均呈先增大后減小的趨勢。當轉速為4 000 r/min時，析液半衰期接近1 125 s，穩定性最高；當轉速為5 000 r/min后，起泡體積達最大。這是由于黃原膠溶液在較低轉速下，起泡不充分、氣液比較低、泡沫壁厚度較大，不利于泡沫穩定性。但轉速過高時，一方面，形成的泡沫大小不均勻；另一方面，黃原膠易斷鏈，泡沫壁中的液相黏度降低，泡沫液膜的排液速率加快，泡沫穩定性降低。實驗結果表明，XG4F體系的抗高轉速剪切性能強，可降低現場施工的不利影響，其適宜的轉速為4 000 r/min。

圖5 轉速對XG4F體系性能影響

2.4 泡沫在不同注速下的流度控制能力

在含油水的非均質多孔介質中，不同注速下XG4F體系的阻力系數見圖6。

圖6 不同注速下XG4F體系的阻力系數

由圖6可知，注入的泡沫在巖心中形成良好的封堵，阻力系數開始增大。當泡沫注速為3 m/d時，隨泡沫注入體積的增大，阻力系數呈急劇增大趨勢，且中間無降低的情況出現，當泡沫停止注入時，阻力系數仍繼續增大，最后趨于穩定，說明該注速下的泡沫具有很好的流度控制能力。而在其余注速下，隨泡沫注入體積的增大，雖然阻力系數總體呈增大趨勢，但會出現阻力系數突降的現象，說明流動控制能力較弱。這是因為，黃原膠強化泡沫體系起泡時的高黏滯阻力大，當注速較低時，不足以克服其發泡所需能量，泡沫在低滲巖心中的滯后分離、頸縮突變和薄膜分斷機理作用強度較低[14-15]，不能形成足夠多且豐富細密的泡沫，泡沫的阻力系數和殘余阻力系數均相對較低，故流度控制能力較弱。而當注速過高時，泡沫穩定性變差且剪切稀釋性增強，使氣體易突破，阻力系數會出現突降現象，殘余阻力系數波動較大。因此，適宜的注速為3 m/d。

3 結論

1)黃原膠溶液在低剪切速率下呈明顯的剪切稀釋性，在高剪切速率下具有良好的剪切穩定性。

2)黃原膠強化泡沫體系可形成高厚度且完整致密的液膜，具有良好的鎖水結構，從而增加泡沫壁的強度，提高泡沫穩定性。

3)黃原膠泡沫體系具有良好的抗剪切降解能力，6次高速剪切后，90 ℃時XG4F體系的析液半衰期保留率大于80%、原液黏度保留率大于95%，其適宜的轉速為4 000 r/min。

4)在含油水的非均質多孔介質中，當注速為3 m/d時，黃原膠強化泡沫具有很好的流度控制能力。

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(編輯 鄧曉音)

Performances of Shear Resistant Xanthan Enhanced Foam System

SunLin1，WeiPeng1，PuWanfen1，GanLu1，ZengDan2

(1. School of Petroleum and Gas Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu Sichuan 610500，China；2. School of Qixian in Jintang, Chengdu Sichuan 610400，China)

The xanthan enhanced foam systems were prepared from Guan15-2 field formation water, xanthan, betaine and anionic sulfonate based on the reservoir formation conditions of Guan15-2 oil field in Dagang Tianjin, and were characterized by means of SEM. Several xanthans were screened out and their performances in the enhanced foam flooding were investigated. The shear resistance of the xanthan enhanced foam systems was evaluated through oil displacement experiments. The results showed that the xanthans formed dense and thick films on the foam. The xanthan solutions were obvious shear thinning under low shear rate and showed favorable shear stability under high shear rate. The XG4 enhanced foam showed the best foam properties and significant shear resistance. After the XG4 enhanced foam was sheared 6 times under high speed, its viscosity retention rate and half-life retention rate were more than 95% and more than 80%, respectively, and the appropriate rotation rate was 4 000 r/min. The XG4 enhanced foam system in heterogeneous porous media containing oil-water had good properties for controlling mobility when the injection rate was 3 m/d.

shear resistance; xanthan; enhanced foam flooding; fluidity

2014-09-28；[修改稿日期]2015-01-12。

孫琳(1982—)，女，四川省南充市人，博士，講師，電話 13880745866，電郵 ice5000wp@163.com。聯系人: 蒲萬芬，電話 18683113702，電郵 shibadin@qq.com。

國家科技重大專項項目(2011ZX05049-04-04)。

1000-8144(2015)04-0494-06

TE 357.46

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