強化泡沫體系氣液界面流變性對驅油效果的影響

李 星

（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）

泡沫驅技術已成為我國東部老油田穩產增產的手段之一，大慶油田曾采用三元復合體系（ASP）和天然氣交替注入方式取得一定效果，但隨著化學驅的深度開發，油層滲流阻力變異系數變大于0.7 的油層大幅增加，地層滲透率雙重方向的不均衡性增強，層間非均質性導致“單層突進”，層內非均質性導致“死油區”，剩余油呈不規則分布[1-3]。常規泡沫的穩定性差且氣相易發生氣竄，嚴重影響泡沫的控水增油效果。強化泡沫（泡沫液相中加入聚合物）能增強泡沫的穩定性，減緩泡沫的破滅速度，在調剖堵水方面有獨特的優勢[4]，泡沫的起泡性和穩泡性決定了泡沫的有效性。泡沫的評價方法較多，但用氣液界面擴張流變方法評價泡沫的方法很少。擴張流變的實部代表彈性模量也叫儲能模量，虛部代表黏性模量也叫擴散模量；彈性模量決定氣液界面形變和氣體擴散的主要因素，而黏性模量則是決定泡沫液膜黏性和排液速度的主要因素。本文用工業化發泡產品AOS 粉（α烯烴磺酸鈉）和商品穩泡劑作為主要發泡劑，加入不同聚合物使泡沫體系的氣液界面具有比較高的界面黏彈模量，用界面流變參數篩選泡沫體系配方分析黏彈模量與半衰期的關系，并用物理模擬驅油實驗評價效果。微泡沫獨特的結構可匹配不同尺寸的孔喉通道，形成有效封堵[5-7]，而采用微泡沫與基液交替注入，可以使泡沫與基液相互補充并充分發揮泡沫擴大波及體積以及泡沫液的洗油能力，能有效控制平面非均質和縱向非均質導致的指進，并能大幅度提高采收率[8-9]。交替注入方式可以維持泡沫在地層中運移穩定性和聚集穩定性，提高泡沫在地層內的有效作用距離。對于非均質程度強的地層，利用微泡沫擴大波及體積的能力以及擴大后續水驅波及體積的作用，進而驅替低滲層及未動用的剩余油，達到大幅提高采收率的作用[10]。

1 泡沫驅實驗

1.1 實驗儀器與化學藥品

（1）實驗儀器：法國Teclis TRACKERTM界面流變儀，恒溫箱，精密電子天平，配液用磁力攪拌器，燒杯，具塞量筒，發泡用攪拌器，常規物理模擬驅油裝置。

（2）起泡劑（表面活性劑）： AOS 有效含量92%（廣茂化工）。

（3）聚合物：生物聚合物是天然纖維素類聚合物（科昊化工），化學聚合物是化工廠生產的聚丙烯酰胺，分子量為1 900×104（大慶煉化）。商品穩泡劑（優索試劑）為多羥基聚合物（FM550G）。

（4）物理模擬驅油用材料：模擬地層水礦化度為6 778 mg/L，人造環氧樹脂膠結三層非均質巖心，氣測滲透率為800×10-3μm2，模擬油是采油六廠聯合站外輸油與45 ℃航空煤油配成黏度為9.8 mPa·s 的模擬油進行驅油實驗。

1.2 泡沫的穩定性實驗

用質量分數為0.30%的AOS 粉和0.09%的FM550G，添加不同類型和濃度的聚合物母液攪拌30 min 配制發泡液。

將配制好的100 mL 不同聚合物發泡劑溶液倒入剪切發泡器中，剪切器轉數5 000 轉/min，剪切發泡時間10 s，然后把泡沫迅速倒入100 mL 具塞量筒內，放入恒溫箱45 ℃中測定泡沫體積衰減至一半體積所需的時間，即泡沫的衰減半衰期。

1.3 氣液界面擴張流變實驗

1.3.1 實驗原理

TRACKERTM界面流變儀是法國Teclis 公司研發的一款專門用于評價泡沫的氣液界面流變儀，通過電腦軟件控制的電動馬達，可以使注入針頭內的氣泡呈面積或體積正弦周期弛豫震蕩。正弦震蕩曲線下的氣泡大小呈正弦變化，氣液界面分子的擴張和收縮隨之產生相應表面張力的正弦變化，進而可研究氣液兩相界面的黏彈特性，是用于泡沫配方的一種評價方法。

彈性模量E 的界面擴張模量以虛數來表示：

式中：E 為彈性模量，mN/m；Δγ 為表面張力，mN·m-1；A 為為界面面積，mm2；θ 為相位角，（°），表示界面恢復滯后性的參數。

1.3.2 實驗內容

把樣品倒入玻璃器皿，在針頭上鼓出一個氣泡，根據氣泡的正弦變化，可得出擴張模量的一系列參數。測氣泡體積正弦變化時，界面的面積會產生正弦變化，表面活性劑或高分子聚合物的濃度隨之發生變化，可據此研究氣液界面的黏彈性，用于評價泡沫體系。液體必須老化12 h 以上才能測流變數據，測試的所有樣品均在常溫常壓下用18 號鼓泡針頭、上升氣泡、振幅30%、頻率0.1 Hz 測量。

1.3.3 實驗結果分析

表1 說明生物聚合物的氣液界面黏彈性是比較大的，由于生物聚合物有碳環基團和多羥基基團的獨特分子結構，氣液界面有很高的黏彈模量。生物聚合物強化泡沫體系穩定性強，不僅能增加泡沫液膜厚度，還能降低泡沫液膜排液速度，提高泡沫發泡性和穩定性。

表2 顯示，化學聚合物濃度增加時，界面黏彈模量增加不多，但相位角大于45 °時，界面是顯黏性的，黏性模量對于泡沫的穩定性有很大幫助。聚丙烯酰胺能夠提高氣液界面黏彈性，可穩定表面活性劑正弦曲線，說明泡沫液的性質有了改變，但作用有限。圖1 說明氣液界面黏性模量與泡沫半衰期成正比，而彈性模量的增減沒有影響半衰期，因此，需進一步考察彈性模量的作用效果。

表1 生物聚合物氣液界面擴張流變參數測試結果

表2 化學聚合物氣液界面擴張流變參數測試結果

圖1 黏性模量、半衰期與體相濃度變化關系

表3 是對AOS 加入商品穩泡劑的界面流變參數測定結果。商品穩泡劑（FM550G）能夠大幅提升氣液界面黏性模量，液膜的黏性模量大幅提高后，泡沫半衰期可提高5 倍以上，泡沫更穩定。

對比AOS 加入商品穩泡劑界面流變性結果顯示，商品穩泡劑是通過增加界面黏性模量來大幅提高泡沫半衰期的。黏性模量越大越好，或者彈性模量越大驅油效果就越好，還需要進一步驗證[10-12]。

表3 不同泡沫體系的測試數據對比

2 強化泡沫驅油

2.1 微泡沫驅油實驗

物理模擬驅油實驗步驟：①把環氧樹脂膠結的人造三層非均質巖心抽真空，飽和模擬地層水，計算飽和水的體積，計算孔隙體積；②將模擬油泵入巖心，記錄采出液中水的體積，然后計算含油飽和度；③將飽和油的巖心老化12 h，模擬地層水驅替，驅至含水98%時停止水驅，計算水驅采收率；④配制的發泡液倒入剪切發泡器，以5 000 轉/min 發泡后迅速倒入裝泡沫的活塞式中間容器罐內，罐內填滿泡沫后蓋上活塞容器，然后進行泡沫與起泡液交替注入驅替實驗，后續水驅至含水98%停止實驗，計算泡沫提高采收率。

2.2 實驗結果分析

表4 為篩選的驅油實驗配方。固定AOS 和FM550G，改變聚合物，用驅油實驗驗證界面黏彈模量的作用效果。

從表5 的驅油結果可以看出，微泡沫與基液交替注入的方法非常有效，注泡沫提高采收率達到27%以上，說明交替注入的方法保證了泡沫液膜具有充足的泡沫液量，擴大了波及體積，后續水驅能持續不斷地把低滲層內的剩余油驅替出來。1#體系阻力和殘余阻力非常大，會造成注入困難，表4 所示的三種配方的黏性模量接近，1#配方的界面彈性模量最高，由圖2 所示，其注入壓力和后續水驅壓力非常高，所以生物聚合物用量過高會造成孔隙堵塞，注入困難，生物聚合物不能用過高的氣液界面彈性模量體系注入。

表4 不同聚合物泡沫驅油實驗配方

表5 不同聚合物泡沫驅油實驗結果

圖2 1#配方泡沫驅油效果

圖3 是只用化學聚合物的泡沫驅油效果，泡沫驅采收率為27.57%，采收率雖然較低，但殘余阻力非常小，流動性很好，不會堵塞。從黏彈性模量數值可以看出，彈性模量小，而黏性模量與其他配方接近，聚丙烯酰胺泡沫體系不是增加泡沫的彈性模量，而是增加氣液界面黏性模量來提高泡沫液膜穩定性，從而達到較好的驅油效果。聚丙烯酰胺能夠提高泡沫的流動性，在地層內能夠順利地注入和采出。

圖3 2#配方泡沫驅油效果

圖4 顯示，選擇適當濃度的生物聚合物與聚丙烯酰胺復配，可以提高氣液界面黏性模量，泡沫提高采收率達到了38.13%。過高的氣液界面彈性模量會使滲流阻力增加，造成泡沫阻力和殘余阻力急劇升高，而較高的黏性模量不僅為泡沫的穩定性提供了保障，而且在地層運移過程中，大泡通過孔隙時的彈性形變能量小，易變形，并在縮頸分離時容易形成小泡沫，對泡沫的有效作用距離和驅油效果有所幫助。因此，適當的彈性模量和較高的黏性模量是保證實際地層強化泡沫復合驅油注采效果的有效方法。

圖4 3#配方泡沫驅油效果

3 結論

（1）大幅增加氣液界面黏性模量能夠達到穩泡效果，增加界面黏性模量，可以增加液膜黏度，降低泡沫液膜排液速度，大幅提高泡沫半衰期。

（2）生物聚合物具有獨特的分子結構，其界面黏彈模量比聚丙烯酰胺大，氣液界面的黏彈模量高，能大幅提高泡沫穩定性。

（3）聚丙烯酰胺強化泡沫體系中加入適量纖維素類生物聚合物，界面彈性模量增加，驅油效果得到大幅改善。