發泡劑靜態泡沫性能綜合定量表征參數的構建及應用

劉 宏 生

(1.中國石油大慶油田有限責任公司勘探開發研究院, 黑龍江大慶 163712; 2.國家能源陸相砂巖老油田持續開采研發中心, 黑龍江大慶 163712)

化學驅后地下仍有大量剩余油,但化學驅后油藏非均質性更強,平面、層間矛盾更突出,剩余油分布更零散,需要采用封堵及驅油能力更強的強化驅油體系[1-3]。泡沫流體在多孔介質中視黏度高、封堵調剖能力強,具有堵大不堵小、堵水不堵油的擴大波及體積作用[4-6],同時具有降低界面張力提高驅油效率作用,因此泡沫可以大幅提高化學驅后油藏采收率。發泡劑的靜態泡沫性能表征參數主要有起泡能力、泡沫穩定性、泡沫半衰期、泡沫質量、液體滯留量等[7-14]，這每一個參數只能代表發泡劑的某一方面的靜態泡沫性能。在對比和優選不同發泡劑的靜態泡沫性能時,需要同時兼顧發泡劑的多項靜態泡沫性能表征參數,因此應用以上5種表征參數很難同時兼顧到發泡劑的不同靜態泡沫性能指標的綜合效果，且泡沫穩定性直接影響發泡劑的起泡體積和泡沫半衰期間接影響泡沫在巖心中的封堵能力和運移距離,是泡沫驅油中重要的參數之一。應用泡沫綜合指數[15-16]表征泡沫的綜合性能,僅代表發泡劑的起泡體積和泡沫半衰期2個參數的綜合性能,筆者構建靜態泡沫綜合定量表征參數同時表征發泡劑的起泡能力、泡沫穩定性、泡沫半衰期、泡沫質量、液體滯留量參數;應用靜態泡沫綜合定量參數表征一元、二元和三元發泡劑的靜態泡沫性能,分析靜態泡沫綜合定量參數與泡沫驅采收率的相關性。其中一元發泡劑只含有表面活性劑,二元發泡劑由表面活性劑和聚合物組成,三元發泡劑由表面活性劑、聚合物和顆粒組成。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

聚合物(HPAM,大慶煉化公司);表面活性劑(DWS,遼河譽達公司);交聯凝膠顆粒(PPG大慶油田);膨潤土顆粒(成都優武特公司);二氧化硅顆粒(SiO2-12超疏水型,SiO2-11弱疏水型,河南大學提供);大慶脫水原油,大慶油田注入污水,氮氣(大慶雪龍氣體公司);巖心物理模型為均質并聯巖心,巖心滲透率分別為0.5、2、4 μm2,高度分別為2、4.5、1.8 cm,長度和寬度為30、4.5 cm (大慶石油學院提供)。

1.2 實驗方法

(1)泡沫性能測定:采用法國泰克力斯公司生產的泡沫掃描儀測量發泡劑的起泡體積和起泡攜液量隨時間變化,測量溫度45 ℃,氣體為氮氣。

(2)界面張力測定:利用美國彪為公司生產的界面張力儀測量發泡劑與原油的界面張力,測量溫度45 ℃,轉速為5 000 r/min。

(3)驅油實驗:采用江蘇華安石油儀器公司定制的驅油裝置開展泡沫驅油實驗,巖心物理模型飽和油再老化24 h;水驅至含水95%;注入0.57VP聚合物(VP為孔隙體積),再后續水驅至含水98%,注0.5VP泡沫和0.2VP聚合物,再后續水驅至含水98%。

2 結果分析

2.1 靜態泡沫性能綜合定量表征參數的構建

靜態泡沫性能表征參數主要包括起泡能力、泡沫穩定性、泡沫半衰期、泡沫質量、液體滯留量等[7-14]。在綜合分析發泡劑的5種泡沫性能表征參數的定義和含義基礎上,用起泡體積、泡沫半衰期、泡沫攜液半衰期和泡沫攜液量4種可以直接測量得到的參數表征發泡劑的靜態泡沫性能。其中起泡體積與起泡能力對應;泡沫半衰期與泡沫穩定性和泡沫半衰期對應;泡沫攜液半衰期與泡沫半衰期對應;泡沫攜液量與泡沫質量和液體滯留量對應。與常用的發泡體積和穩泡時間兩個參數相比更全面地表征了發泡劑的靜態泡沫性能,同時也涵蓋了以上5個參數的基本信息。

為了解決發泡劑靜態泡沫性能表征參數多,不易于應用的問題。參照文獻中提出的用泡沫綜合指數代表發泡劑的起泡體積和泡沫半衰期2個參數的綜合性能[15-16]。構建靜態泡沫體積和穩定性指數(ISFSI)表征發泡劑的起泡體積和泡沫半衰期參數綜合性能,同時構建靜態泡沫攜液量和攜液穩定性指數(ISFLSI)表征發泡劑的泡沫攜液量和泡沫攜液半衰期參數綜合性能。對ISFSI和ISFLSI應用權重系數方法計算得到靜態泡沫綜合定量指數(ISFCQI)。初步實現用ISFCQI快速定量的表征發泡劑的靜態泡沫性能。

泡沫掃描儀測量發泡劑的起泡體積或起泡攜液量與時間的關系見圖1。圖1中t0時刻前的曲線對應起泡階段泡沫體積VFS(t)的變化,t0時刻后的曲線對應泡沫衰減階段泡沫體積VFS(t)的變化。起泡體積最大值為發泡劑的泡沫體積,泡沫體積衰減一半對應的時間為發泡劑的泡沫半衰期。用n次多項式對泡沫衰減階段起泡體積變化曲線進行擬合,得到起泡體積衰減曲線擬合多項式,對擬合曲線多項式進行積分,得到ISFSI:

VFS(t)=A+A1t+A2t2+…Antn,

(1)

(2)

式中,t為時間;A、A1、A2、…,An為起泡體積衰減曲線多項式系數;Fstable為起泡體積衰減到某一體積對應的時間。

圖1 起泡體積或起泡攜液量與時間關系Fig.1 Relationship between foaming volume or foaming liquid carrying capacity and time

或者利用泡沫體積及其衰減到某一體積與時間坐標圍成的梯形面積進行簡化計算ISFSI:

ISFSI=3V1t/4.

(3)

式中,V1為泡沫體積。

圖1中t0時刻前的曲線對應起泡階段起泡攜液量VFLS(t)的變化,t0時刻后的曲線對應泡沫衰減階段起泡攜液量VFLS(t)的變化。起泡攜液量最大值為泡沫攜液量,泡沫攜液量衰減一半對應的時間為發泡劑的泡沫攜液半衰期。同樣用n次多項式對泡沫衰減階段起泡攜液量變化曲線進行擬合,得到起泡攜液量衰減曲線擬合多項式,對擬合曲線多項式進行積分,得到ISFLSI:

VFLS(t)=B+B1t+B2t2+…Bntn,

(4)

(5)

式中,B、B1、B2、…,Bn為起泡攜液量衰減曲線多項式系數;Lstable為起泡攜液量衰減到某一值對應的時間。

同樣可利用泡沫攜液量與其衰減某一值與時間坐標圍成的梯形面積進行簡化計算ISFLSI:

ISFLSI=3V2t/4.

(6)

式中,V2為泡沫攜液量。

根據ISFSI和ISFLSI運用權重系數方法計算得到ISFCQI:

ISFCQI=ISFSIα+ISFLSI(1-α).

(7)

式中,α為權重系數(取值為0～1)。

靜態泡沫性能綜合定量參數可以同時表征發泡劑的起泡體積、泡沫穩定性、泡沫攜液量和泡沫攜液穩定性4個靜態泡沫性能參數,實現用一個參數快速定量表征發泡劑的靜態泡沫性能。

2.2 靜態泡沫性能綜合定量表征參數的應用

2.2.1 一元發泡劑ISFCQI

一元發泡劑的泡沫性能如圖2所示。由圖2可知,一元發泡劑的起泡體積趨于平穩不隨DWS質量分數變化,泡沫穩定性、泡沫攜液量和泡沫攜液穩定性均隨DWS質量分數增加而增加,但3個參數增加的幅度有一定差別。一元發泡劑的ISFCQI隨DWS質量分數增加而增加,這與泡沫穩定性、泡沫攜液量和泡沫攜液穩定性3個參數的變化趨勢相一致,但變化幅度不同。隨著權重系數增加,一元發泡劑的ISFCQI逐漸增加;且DWS質量分數越大,權重系數對一元發泡劑的ISFCQI的影響越明顯。由于發泡劑的ISFCQI是起泡體積、泡沫穩定性、泡沫攜液量和泡沫攜液穩定性4個參數的綜合定量表征參數。ISFCQI對以上4個參數均有依賴性,4個參數中任意一個變化均會影響ISFCQI的值。但單一參數的變化趨勢不能決定ISFCQI的變化趨勢,可以影響ISFCQI的變化趨勢。

圖2 一元發泡劑的泡沫性能Fig.2 Foam properties of unitary foaming agent

2.2.2 二元發泡劑ISFCQI

《馮孝將子》述東晉廣州太守馮孝將之兒馬子，年二十余，夜夢見一女子，年十八九，自言是北海太守徐玄方女，不幸為鬼所殺，乞馬子相救，愿為其妻。馬子按約定日期祭墳、開棺，見女尸完好如故，遂抱歸細心調養。一年后肌膚氣力悉復如常，遂騁為妻，生二男一女。這篇小說中祭墳、開棺全由馬子主持，與《牡丹亭》第35出《回生》中全由柳夢梅操辦類似，而與話本中柳夢梅稟明父母再行開棺不同。

二元發泡劑的ISFCQI如圖3所示。二元發泡劑中含有DWS和聚合物。由圖3可知,二元發泡劑的ISFCQI隨聚合物質量濃度增加而增加。在聚合物質量濃度大于2.5 g/L時,隨著權重系數增加,二元發泡劑的ISFCQI變化趨于平穩或略有降低。不同權重系數條件下,二元發泡劑的ISFCQI隨DWS質量分數增加先增加,而后趨于平穩。

圖3 二元發泡劑的ISFCQIFig.3 ISFCQI of binary foaming agent

二元發泡劑中聚合物質量濃度增加,體系黏度變大。聚合物分子與DWS分子之間相互吸引和纏繞作用更加明顯,使得二元發泡劑的表面黏彈性增強,二元發泡劑的起泡體積、泡沫攜液量、泡沫穩定性和攜液穩定性均增加,因此其ISFCQI增大。當聚合物質量濃度大于2.5 g/L時,二元發泡劑黏度過高,阻礙DWS分子在氣液界面分布,表現為二元發泡劑的起泡體積和泡沫穩定性降低,在權重系數較大時,二元發泡劑的ISFCQI會出現降低現象。二元發泡劑中DWS質量分數增加,其起泡體積和泡沫穩定性明顯增加,但攜液量和攜液穩定性影響較小;而當二元發泡劑中DWS質量分數大于0.5%,DWS對起泡體積、泡沫攜液量、泡沫穩定性和攜液穩定性影響趨于平穩。因此二元發泡劑的ISFCQI先增加,而后趨于平穩。

2.2.3 三元發泡劑ISFCQI

二元發泡劑中加入SiO2、PPG或膨潤土顆粒構成三元發泡劑,三元發泡劑的ISFCQI如圖4所示。三元發泡劑中DWS質量分數為0.3%,聚合物相對分子質量為2.5×107,質量濃度為1 g/L。由圖4可知,加入不同顆粒體系的三元發泡劑ISFCQI均顯著增加,其中SiO2-12、PPG和膨潤土使ISFCQI增加2.5～3倍。在權重系數小于等于0.4時,PPG三元發泡劑的ISFCQI最大,其次為SiO2-12三元發泡劑。在權重系數大于0.4時,SiO2-12三元發泡劑的ISFCQI最大,其次為PPG三元發泡劑。PPG或膨潤土三元發泡劑的ISFCQI先增加,而后降低; SiO2三元發泡劑的ISFCQI先增加,而后趨于平穩。

PPG溶于水后,三維網狀軟體內核體積膨脹擴大,外部的親水高分子支鏈與水分子形成水化層,導致PPG溶于水后束縛大量水分子;且PPG與DWS和聚合物相互作用,使PPG顆粒均勻分布在泡沫液膜內部。SiO2-12表面經過疏水基團改性,DWS易通過范德華力和纏繞作用吸附在SiO2-12周圍,形成具有較強水化層的SiO2-12-DWS體系;同時聚合物分子也通過范德華力和纏繞作用吸附SiO2-12,使顆粒均勻懸浮在泡沫液膜內部。膨潤土遇水膨脹形成片狀結構,束縛水能力也較強,同樣DWS和聚合物與膨潤土片狀結構相互作用,使膨潤土片狀顆粒懸浮在泡沫液膜內部。因此不同顆粒體系使得泡沫液膜排液速和泡沫歧化速度順序為PPG <膨潤土

圖4 三元發泡劑的ISFCQIFig.4 ISFCQI of ternary foaming agent

2.3 靜態泡沫性能綜合定量表征參數與采收率的相關性

2.3.1 相關性分析

一元泡沫體系的驅油效果如表1所示。由表1可知,在真實模擬大慶油田聚驅后的巖心條件下,巖心聚驅采收率達到約55%。由于三層并聯巖心滲透差異較大,經過水驅和聚驅后,高滲層中含油飽和度僅約為30%,分流率達到90%,導致高滲層中出現優勢滲流通道。一元泡沫體系在三層并聯巖心中形成了一定封堵能力,泡沫驅采收率可達接近4%。一元發泡劑的ISFCQI越大,一元泡沫體系驅采收率越高。這表明一元發泡劑ISFCQI與采收率具有正相關性。

表1 一元泡沫體系的驅油效果

二元泡沫體系的驅油效果如表2所示。二元發泡劑中DWS質量分數為0.3%,聚合物相對分子質量為2.5×107。由表2可知,二元發泡劑中聚合物質量濃度增加,聚驅后泡沫驅采收率逐漸增加,而后趨于平緩。二元泡沫體系在三層并聯巖心中形成了較好的封堵能力。二元發泡劑黏度超過110 mPa·s時,二元泡沫驅有協同增效作用,即同時具有泡沫驅和聚合物驅雙重有點,泡沫驅采收率可達14%。二元發泡劑的ISFCQI越大,二元泡沫體系驅采收率越高,同樣二元發泡劑ISFCQI與采收率具有正相關性。

表2 二元泡沫體系的驅油效果

三元泡沫體系的驅油效果如表3所示。三元發泡劑中DWS質量分數為0.3%,聚合物相對分子質量為2.5×107、質量濃度為1 g/L,SiO2質量分數為1%,PPG質量分數為0.1%,膨潤土質量分數為0.5%。由表3可知,三元泡沫驅采收率明顯高于二元泡沫驅的。其中SiO2-12、PPG或膨潤土顆粒三元泡沫驅效果最好,采收率均超過12%。三元泡沫體系具有泡沫、聚合物、顆粒三種特性,且具有協同增效作用,因此三元泡沫能有效封堵高滲層中的優勢滲流通道,使泡沫轉向到中滲層、低滲層,擴大波及體積。PPG或SiO2-12三元發泡劑體系的ISFCQI比膨潤土三元發泡劑體系的大,導致PPG或SiO2-12三元泡沫體系的擴大波及體積作用好于膨潤土三元泡沫體系的。另外,由于SiO2-12濃度高時,泡沫體系界面張力較高,而PPG或膨潤土泡沫體系具有超低界面張力。因此PG三元泡沫驅采收率高于SiO2-12三元泡沫驅的。在界面張力一致的條件下,三元發泡劑的ISFCQI越大,三元泡沫體系驅采收率越高,同樣三元發泡劑的ISFCQI與采收率也具有正相關性。

表3 三元泡沫體系的驅油效果

不同種類發泡劑的ISFCQI差別較大,在相同條件下,三元發泡劑的ISFCQI明顯大于二元發泡劑的,二元發泡劑的ISFCQI明顯大于一元發泡劑的,對應的三元泡沫體系驅采收率明顯大于二元發泡劑體系的,二元泡沫體系驅采收率明顯大于一元發泡劑體系的。即不同種類發泡劑的ISFCQI與采收率具有正相關性。

2.3.2 發泡劑ISFCQI的權重系數優化

為了優化發泡劑在泡沫驅應用時不同種類發泡劑ISFCQI的權重系數,應用歸一化方法,對一元、二元和三元發泡劑的ISFCQI和泡沫驅采收率分別進行歸一化處理,得到發泡劑的ISFCQI和泡沫驅采收率的歸一化值如圖5所示。由圖5可知,ISFCQI的權重系數增加,一元發泡劑ISFCQI的歸一化值逐漸降低,但二元發泡劑ISFCQI的歸一化值隨權重系數增加而增加。當權重系數為0.7～0.9時,一元、二元發泡劑的ISFCQI歸一化值與泡沫驅采收率歸一化值基本一致。SiO2三元發泡劑的ISFCQI歸一化值隨著權重系數增加先增加后降低，而PPG或膨潤土三元發泡劑的ISFCQI歸一化值隨權重系數增加逐漸降低。當權重系數為0.1～0.3時,三元發泡劑的ISFCQI歸一化值與泡沫驅采收率歸一化值基本一致,但SiO2-11三元發泡劑例外。由于SiO2-11三元發泡劑不具有超低界面張力,而其余三元發泡劑在一定條件下均能形成超低界面張力，且ISFCQI不包含界面性能參數。因此其ISFCQI與泡沫驅采收率的相關性與其余三元發泡劑的不一致。

圖5 發泡劑體系的ISFCQI與泡沫驅采收率的歸一化值Fig.5 Normalized values of ISFCQI and foam flooding recovery of foaming agents

一元發泡劑的泡沫體積、泡沫穩定性能是影響泡沫擴大波及體積的主要因素。二元發泡劑的泡沫體積、泡沫穩定性能和體系黏度是影響泡沫擴大波及體積的主要因素,而二元發泡劑黏度主要影響泡沫攜液量和攜液穩定性。因此泡沫體積和泡沫穩定性是ISFCQI的主要影響因素,泡沫攜液量和攜液穩定性是ISFCQI的次要影響因素,且不同聚合物質量濃度條件下二元發泡劑均具有超低界面張力。因此在權重系數為0.7～0.9時,一元、二元發泡劑的ISFCQI與泡沫驅采收率的相關性最佳。

三元發泡劑的起泡性能、泡沫穩定性能、泡沫攜液量、攜液穩定性、體系黏度和顆粒懸浮狀態參數是影響泡沫驅擴大波及體積的主要因素。顆粒泡沫體系的黏度和顆粒懸浮狀態直接表現為泡沫攜液量和攜液穩定性,同時泡沫攜液量和攜液穩定性決定了泡沫穩定性好壞。因此泡沫攜液量和攜液穩定性是ISFCQI的主要影響因素,而起泡性能和泡沫穩定性是ISFCQI的次要影響因素。在權重系數為0.1～0.3時,三元發泡劑的ISFCQI與泡沫驅采收率的相關性最佳。

3 結 論

(1)構建發泡劑靜態泡沫性能綜合定量參數綜合表征泡沫體積、泡沫穩定性、泡沫攜液量和泡沫攜液穩定性4個靜態泡沫參數,初步實現用一個參數快速定量評價發泡劑的靜態泡沫性能。

(2)三元發泡劑的ISFCQI大于二元發泡劑的,二元發泡劑的ISFCQI大于一元發泡劑的。一元、二元或三元發泡劑的ISFCQI與采收率具有正相關性。

(3)一元、二元發泡劑ISFCQI最優權重系數為0.1～0.3,三元發泡劑ISFCQI最優權重系數為0.7～0.9。在最優權重系數條件下,發泡劑ISFCQI與采收率的歸一化值基本重合。