自生氣泡沫驅油體系的研究及性能評價

張穎，袁凱濤，肖榮，張玉，成城，趙淼

(1.陜西化工研究院有限公司，陜西 西安 710054；2.陜西省石油精細化學品重點實驗室,陜西 西安 710054； 3.延長油田股份有限公司定邊采油廠，陜西 榆林 718600)

延長石油定邊采油廠位于鄂爾多斯盆地，油藏具有特低滲透、致密油藏儲層物性差、非均質性強，油井投產后具有初產高、降產快、穩產難的特點，大規模壓裂投產后，采取注水開發補充地層能量，存在注水見效不均衡甚至不見效、注水壓力高、含水上升快等問題，嚴重影響采油速度和采收率的提高。自生氣泡沫驅既能補充地層能量，又具有“堵水不堵油”、“堵大不堵小”、“邊調邊驅”等特點，適用于高含水、非均質嚴重的油藏，既能提高油層的波及系數，又能提高其驅油效率，受到各大油田青睞。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

椰油酰胺丙基甜菜堿、月桂酰胺丙基甜菜堿、月桂基羥基磺基甜菜堿、月桂酰胺丙基羥磺基甜菜堿、a-烯基磺酸鈉、十二烷基硫酸鈉均為工業品；現場水和現場原油均為延長石油定邊采油廠取樣。

ME204E型電子天平；JM504型秒表。

1.2 實驗方法

1.2.1 泡沫性能評價 評價泡沫性能的方法很多,諸如DIN孔盤打擊法、壓氣氣流法、Ross-Miles法、API法和Waring Bleder法等。本文采用Waring Bleder法對泡沫性能進行全面評價和研究。

用現場注入水，配制一定質量濃度的起泡劑溶液，在地層溫度條件下采用吳茵(WARING)攪拌器5 000 r/min的轉速下攪拌1 min后，立即倒入1 000 mL 的量筒中，用保鮮膜封住量筒口，開始計時，記錄停止攪拌時泡沫發泡體積以及從泡沫中析出一半液體所需要的時間；并記錄泡沫減少到原有泡沫量一半所需要的時間。

1.2.2 自生氣泡沫驅油體系的實驗 將配制好的A、B、C溶液依次倒入1 000 mL量筒中，攪拌均勻，開始計時，記錄最高泡沫高度、最高泡沫的時間、泡沫從最高泡沫高度開始到液體析出一半的時間、泡沫從最高泡沫高度到泡沫消失一半的時間。

2 結果與討論

2.1 自生氣泡沫驅油體系的研究

2.1.1 自生氣體系的確定 自生氣體系按氣源可分為氮氣泡沫體系和二氧化碳泡沫體系。氮氣泡沫體系與水、醇類、原油等物質配伍性良好，且不易造成腐蝕、結垢等問題。因此，選擇惰性氣體氮氣作為自生氣泡沫驅油體系的工作氣體，利用亞硝酸鈉和氯化銨在弱酸檸檬酸的控制下釋放氮氣，反應方程式為：

實驗確定的最佳自生氣體系配方為：2.5%亞硝酸鈉+2.5%氯化銨+3.0%檸檬酸+1%pH調節劑。為現場使用方便，可先配制A、B、C溶液，A溶液為7.5%亞硝酸鈉+起泡劑+穩泡劑，B溶液為7.5%氯化銨+起泡劑+穩泡劑，C溶液為9%檸檬酸+3%pH調節劑+起泡劑+穩泡劑，A、B、C溶液再按等比例混合使用。

2.1.2 起泡劑的優選 目前泡沫驅油用起泡劑多采用陰離子表面活性劑、非離子表面活性劑和兩性表面活性劑。一種起泡劑一般不能滿足現場使用要求，需要多種表面活性劑或者穩泡劑復配使用。在表面活性劑的選擇上，還得考慮到自生氣體系中的鹽和弱酸，選擇抗鹽和抗酸能力強的表面活性劑。本文選用椰油酰胺丙基甜菜堿、a-烯基磺酸鈉、十二烷基硫酸鈉、月桂酰胺丙基甜菜堿、月桂基羥基磺基甜菜堿、月桂酰胺丙基羥磺基甜菜堿等6種起泡劑。用現場水配制0.5%的起泡劑溶液200 mL，考慮到自生氣體系反應后產生氯化鈉，在溶液中加入3%氯化鈉，50 ℃下恒溫30 min，采用Waring Bleder法對泡沫性能進行評價，5 000 r/min下攪拌1 min，記錄泡沫發泡體積V、析液半衰期t1/2、消泡半衰期t’1/2,結果見表1。

表1 起泡劑性能評價Table 1 Evaluation of foaming agent performance

由表1可知，單獨的表面活性劑中椰油酰胺丙基甜菜堿的效果最佳，泡沫發泡體積450 mL，析液半衰期74 s，消泡半衰期200 s，均優于其他表面活性劑。本文采用椰油酰胺丙基甜菜堿作為自生氣泡沫驅油體系的起泡劑。

2.1.3 穩泡劑的優選 根據穩泡作用機理[1-3]，穩泡劑主要有兩大類:一類是增大界面吸附膜強度，常用的有十二醇、三乙醇胺;一類是提高液相黏度，常用的有羧甲基纖維素(CMC)、超級瓜爾膠(GHPG)等。本文選用十二醇、三乙醇胺、羧甲基纖維素(CMC)、聚丙烯酰胺、部分水解聚丙烯酰胺等5種穩泡劑，在現場水中加入0.5%的椰油酰胺丙基甜菜堿、3%氯化鈉和穩泡劑，采用Waring Bleder法對泡沫性能進行評價，記錄泡沫發泡體積V、析液半衰期t1/2、消泡半衰期t’1/2，結果見表2。

由表2可知，穩泡劑的加入，會降低泡沫發泡體系，延長析液半衰期和消泡半衰期。部分水解聚丙烯酰胺對泡沫發泡體系影響最小，對析液半衰期特別是消泡半衰期的時間延長的更長，更有利于泡沫驅油。本文選擇0.1%部分水解聚丙烯酰胺作為自生氣泡沫驅油體系的穩泡劑。

表2 穩泡劑對泡沫性能影響Table 2 Effect of foam stabilizer on foam performance

2.2 自生氣泡沫驅油體系性能評價

自生氣泡沫驅油體系由67 mL的A溶液、67 mL 的B溶液和67 mL的C溶液等體積混合而成，A溶液為7.5%亞硝酸鈉+0.5%椰油酰胺丙基甜菜堿+0.1%部分水解聚丙烯酰胺，B溶液為7.5%氯化銨+0.5%椰油酰胺丙基甜菜堿+0.1%部分水解聚丙烯酰胺，C溶液為9%檸檬酸+3%pH調節劑+0.5%椰油酰胺丙基甜菜堿+0.1%部分水解聚丙烯酰胺。將A、B、C溶液倒入1 000 mL量筒中，攪拌均勻，開始計時，記錄最高泡沫體積V、最高泡沫體積的時間t、泡沫從最高泡沫高度開始到液體析出一半的時間t1/2(即析液半衰期)、泡沫從最高泡沫高度到泡沫消失一半的時間t’1/2(即消泡半衰期)。

2.2.1 抗鹽性能 根據地層水礦物離子的特點，配制不同礦化度的水，用不同礦化度的水配制A、B、C溶液，然后再混合，進行自生氣泡沫驅油體系抗鹽性能評價實驗，結果見表3。

表3 自生氣泡沫驅油體系抗鹽性能評價實驗Table 3 Evaluation experiment of salt resistance performance of natural gas generation foam flooding system

由表3可知，自生氣泡沫驅油體系在礦化度7.25×104mg/L以下，受影響很小，但礦化度超過7.25×104mg/L以上，泡沫發泡體積V、最高泡沫體積的時間t和析液半衰期t1/2、影響較少，僅消泡半衰期t’1/2降低較多。自生氣泡沫驅油體系能完全滿足現場要求。

2.2.2 抗油性能 地層中的原油等烴類物質會對泡沫的穩定產生較大影響[4]，在自生氣泡沫驅油體系中添加不同量的原油，評價體系的抗油能力，結果見表4。

表4 自生氣泡沫驅油體系抗油性能評價實驗Table 4 Evaluation experiment of oil resistance performance of natural gas-generated foam flooding system

由表4可知，自生氣泡沫驅油體系在原油含量10.0%以下，受影響很小，但原油含量在10.0%以上時，泡沫發泡體積V和最高泡沫體積的時間t影響較少，而析液半衰期t1/2和消泡半衰期t’1/2降低約一半。自生氣泡沫驅油體系的原油含量應控制在10.0%以內。

2.2.3 抗溫性能 將自生氣泡沫驅油體系的A、B、C溶液分別放入不同溫度的水浴鍋里恒溫30 min，然后立即混合，放入可視恒溫箱中觀測，評價溫度對體系的影響，結果見表5。

表5 自生氣泡沫驅油體系抗溫性能評價實驗Table 5 Evaluation experiment on temperature resistance of natural gas-generated foam flooding system

由表5可知，自生氣泡沫驅油體系具有一定的抗溫能力，90 ℃都能滿足現場要求。溫度越高，最高泡沫體積變大，最高泡沫體積的時間降低，可能是自生氣藥劑在高溫下反應速度加快造成的。析液半衰期t1/2、消泡半衰期t’1/2明顯降低，可能是由于高溫下起泡劑在氣液界面排列的無序度增加，致使密度降低，泡沫液膜強度減弱造成的[5-7]。

2.2.4 抗吸附性能 將配制好的A、B、C溶液中分別加入33 g地層砂(60目以上)，浸泡一段時間后過濾掉油砂，再混合進行體系抗吸附實驗，結果見表6。

表6 自生氣泡沫驅油體系抗吸附性能評價實驗Table 6 Evaluation experiment of anti-adsorption performance of natural gas-generated foam flooding system

由表6可知，50%地層砂加入后，隨著浸泡時間的增加，最高泡沫體積V和最高泡沫體積的時間t基本無影響，析液半衰期t1/2和消泡半衰期t’1/2均有不同程度的降低，降低約10%。當浸泡時間7～9 d 時，析液半衰期t1/2和消泡半衰期t’1/2基本不再變化。

2.2.5 表/界面張力評價 按照標準GB/T 22237—2008中7.2節的測定方法，測定自生氣驅油體系A、B溶液混合消泡后液體的表面張力為23.0 mN/m；按照標準SY/T 6424—2000中第4章的測定方法，測定自生氣驅油體系A、B溶液混合消泡后液體的界面張力為0.02 mN/m。較低的表/界面張力能改變巖石的潤濕性、降低油滴通過狹窄孔喉的阻力[8]，提高驅油效率。

3 結論

(1)最佳自生氣體系配方為：2.5%亞硝酸鈉+2.5%氯化銨+3.0%檸檬酸+1%pH調節劑。

(2)性能優良的泡沫體系組成為：0.5%椰油酰胺丙基甜菜堿+0.1%部分水解聚丙烯酰胺，5 000 r/min 下攪拌1 min，泡沫發泡體積430 mL，析液半衰期120 s，消泡半衰期500 s。

(3)自生氣泡沫驅油體系能自動產生氣泡，補充地層能量，不需要特殊的發泡設備，現場使用方便。200 mL泡沫液15 s內能產生約830 mL泡沫，析液半衰期122 s，消泡半衰期494 s，完全能滿足現場要求。

(4)自生氣泡沫驅油體系性能優良，能抗礦化度7.25×104mg/L,抗油10%,抗溫90 ℃，50%地層砂加入后，最高泡沫體積V和最高泡沫體積的時間t基本無影響，析液半衰期t1/2和消泡半衰期t’1/2降低約10%。