不同泡沫體系在多孔介質中的形成與運移特征

郭程飛，石 彬，康勝松，高 峰，王 崟

（陜西延長石油（集團）有限責任公司研究院，陜西西安 710065）

泡沫為假塑性流體，具有獨特的滲流特征，能夠選擇性封堵高滲透層，擴大波及體積而大幅度提高采收率[1-3]。在高溫、高鹽油藏條件下泡沫驅的應用效果受到影響[4，5]，改善泡沫性能一方面使用耐溫、抗鹽型表面活性劑單劑或復配體系作為發泡劑（如兩性離子表面活性劑、陰非離子表面活性劑等），另一方面外加穩泡劑（如聚合物、納米顆粒等）進一步增強泡沫穩定性[6-8]。但是部分學者研究表明，添加聚合物穩泡劑在提高泡沫穩定性的同時，降低了發泡性[9-11]。因此，有必要針對不同泡沫體系在多孔介質中的形成過程開展研究，認識不同泡沫體系的運移特征，為改善泡沫驅現場應用效果提供依據。

1 實驗材料

1.1 材料與儀器

實驗所用泡沫體系分別為原體系、復配體系和強化體系三種，構成如下。

原體系：0.15wt.% CHSB。

復配體系：0.105wt.% CHSB+0.045wt.% AES+150 mg/L 十四醇。

強化體系：0.105wt.% CHSB+0.045wt.% AES+150 mg/L 十四醇+1 200 mg/L PAAO-1。

其中，發泡劑為椰油酰胺丙基羥磺基甜菜堿（CHSB）、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉（AES），臨沂市蘭山區綠森化工有限公司，助劑為十四醇，成都市科隆化學品有限公司；聚合物為實驗室合成的耐溫抗鹽疏水締合聚合物（PAAO-1），由丙烯酰胺親水單體、丙烯酸正辛酯疏水單體、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸耐溫抗鹽結構單體共聚合成，相對分子質量618×104Dalton。

實驗用水均為模擬地層水，礦化度160 599 mg/L，離子濃度為：Na++K+53 090 mg/L、Ca2+7 416 mg/L、Mg2+1 204 mg/L、Cl-97 400 mg/L、SO42-1 224 mg/L、HCO3-265 mg/L，成都市科隆化學品有限公司。實驗用氣為壓縮空氣，成都天源氣體制造有限公司。

儀器設備包括恒溫箱、中間容器、發泡裝置、填砂管、壓力表、壓力變送器、六通閥、管線及閥門、回壓閥、真空泵、平流泵、氣體質量流量計及手搖泵等驅替設備（江蘇海安石油科研儀器廠定制），分析天平（JA1003N，上海佑科儀器儀表有限公司），光學顯微鏡（N-10E，南京江南永新光學有限公司），高壓氣瓶等。

1.2 實驗方法

1.2.1 不同泡沫體系泡徑分布實驗 使用泡徑為指標考察三種泡沫體系形成過程。應用驅替方法在泡沫發生器中發泡，形成泡沫后，制成薄片并移至顯微鏡下拍攝照片，統計泡沫個數，測量泡徑（見圖1），每組樣品重復測量三次，要求統計的泡沫數量大于120 個[12]，測量結果取平均值。實驗條件為常溫（25 ℃）、常壓（101.325 kPa），氣/液比為4:1，設計高、低兩種驅替速度，控制總驅替速度分別為0.5 mL/min 和3.0 mL/min。

圖1 泡徑測量實驗流程圖

1.2.2 不同泡沫體系運移特征實驗 使用的物理模型為Φ5.2×100 cm 填砂管，填砂管上帶兩個測壓點，與入口端和出口端的測壓點，將填砂管分為三段，按驅替方向分為前段、中段及后段。石英砂填制巖心。填砂管抽真空飽和模擬地層水，測量孔隙體積；填砂管接入實驗流程中，以0.5 mL/min 水驅巖心測滲透率。然后分別開展三種泡沫體系的巖心運移特征及規律實驗，記錄每個測點的壓力變化情況。實驗溫度為80 ℃、回壓為6 MPa，實驗參數：驅替速度為0.5 mL/min、氣/液比為1:1、無油及氣液共注。巖心參數（見表1）、實驗流程（見圖2）。

表1 泡沫運移特征實驗巖心參數

圖2 多測壓點巖心驅替實驗裝置流程圖

式中：k-滲透率，μm2；L-巖心長度，cm；A-巖心截面積，cm2；Δp-驅替壓差，MPa；Q-驅替速度，cm3/s；μ-泡沫黏度，mPa·s。

2 結果與討論

2.1 泡沫形成特征

根據觀察結果（見圖3），原體系和復配體系形成的泡沫更細膩，而強化體系形成的泡徑大、分布范圍廣，說明強化體系形成泡沫能力相對較差，驗證了強化體系由于溶液黏度高，不利于液膜回流發生卡斷形成泡沫的觀點[11，13]。但隨著驅替速度的增加，引入系統的能量提高，強化體系形成的泡沫細膩和均勻。由于復配體系較原體系具有更低的表面張力，復配體系的泡徑較小、分布集中，并且泡徑隨驅替速度增加的變化幅度小，表明復配體系在較低驅替速度下即可產生細膩、均勻的泡沫，其形成泡沫的能力在三種體系中最強。

圖3 不同體系泡徑圖像

2.2 泡徑大小及分布

不同驅替速度條件下，三種泡沫體系的泡徑分布（見圖4）。當驅替速度為0.5 mL/min，復配體系泡徑分布較集中，峰值為150 μm，占40.3%；原體系泡徑分布相對較寬、峰值較低，主要分布在100～200 μm，占69.4%；強化體系泡徑分布范圍最廣，最大泡徑達到500 μm，分布曲線平緩。提高驅替速度至3.0 mL/min時，原體系和復配體系的泡徑分布形態和峰值小幅變化，平均泡徑分別由175 μm、152 μm 降低至149 μm、136 μm，泡徑更集中在150 μm 左右；強化體系的泡徑分布變化較大，分布范圍變窄，平均泡徑由218 μm 降低至181 μm。

圖4 不同驅替速度下的泡徑分布

2.3 泡沫封堵壓力

三種泡沫體系各測點壓力隨注入體積的變化規律（見圖5，圖7，圖9）。隨著泡沫的注入，填砂管的入口壓力先迅速增加，然后逐漸變緩，最后趨于穩定。其他位置處的壓力變化規律與入口相似，但壓力升高的時間相對滯后。根據注入壓力變化，各體系封堵能力強弱順序為強化體系、復配體系、原體系。

圖5 原體系測點壓力曲線

圖6 原體系各段壓差曲線

圖7 復配體系測點壓力曲線

圖8 復配體系各段壓差曲線

圖9 強化體系測點壓力曲線

三種泡沫體系各測點前后的壓差隨注入體積的變化（見圖6，圖8，圖10），反映了泡沫在巖心中不同位置的封堵強度和運移特征。當泡沫注入量較少時，由于泡沫尚未運移至巖心的中后段，因此，壓差較大的位置集中在巖心前段。而隨著泡沫注入量增加，中段壓差增加并大于前段。在穩定階段，中段壓差最大。

圖8 復配體系各段壓差曲線

圖10 強化體系各段壓差曲線

使用相對穩定的注入壓差計算泡沫黏度。原體系、復配體系以及強化體系的泡沫黏度分別為181 mPa·s、298 mPa·s 及397 mPa·s（見圖11），表明采用表面活性劑/助劑的復配，能夠提高泡沫的封堵能力；外加疏水締合聚合物則進一步提高了封堵能力。而原體系較兩種改善體系，產生的泡沫液膜強度小、泡沫黏度低。

圖11 不同體系泡沫黏度

可見，通過表面活性劑/助劑的復配，能夠提高泡沫封堵性能。一方面復配體系提高了發泡性，使泡沫在巖心中更容易產生，泡沫數量增多，賈敏效應顯著；另一方面，復配提高了泡沫液膜的表面擴張模量，泡沫在通過巖心發生變形的時候，抵抗外界變形的能力增加。強化體系則同時大幅提高了體相黏度和液膜強度，使得泡沫的黏度最高，封堵能力最強。

2.4 泡沫運移特征

使用每段壓差與總壓差相除得到壓差百分比，研究泡沫在巖心中的分布及運移規律（見圖12）。三種泡沫體系在巖心前段的壓差百分比最小，原體系為26%、復配體系為28%以及強化體系為22%。這是由于泡沫是由氣液兩相在巖心中混合剪切發泡，需消耗一部分巖心長度而產生。此外，強化體系在巖心前段的壓差占比最小，說明強化體系發泡相對困難，消耗的巖心長度更大。

圖12 不同位置壓差占總壓差百分比

各泡沫體系在巖心中段的壓差百分數較高，主要是在巖心前段充分發泡后，泡沫在中段的賈敏效應顯著。對于強化體系，在巖心中段的壓差百分數達到45%，說明強化體系形成的泡沫主要集中在巖心中段，向遠處傳播、運移能力較差，泡沫分布不均勻。原體系和復配體系中段壓力百分比分別達到40%和37%，但與后段的百分比差值小，特別是復配體系在巖心中段與后段壓差百分比基本相當。

由此可知，強化體系具備良好的封堵能力，能夠有效封堵高滲透層，但在巖心中的發泡能力和長距離傳播、運移能力較差，在油層深部破滅后的再生能力較差，不利于深部調驅；而不含聚合物的泡沫體系具備良好的傳播、運移能力。

3 結論

（1）原體系和復配體系在多孔介質中形成的泡沫更細膩，強化體系受溶液黏度影響，形成的泡徑大、分布范圍廣，泡沫形成能力相對較差。

（2）原體系和復配體系的泡徑主要分布在100～200 μm，平均值分別為175 μm、152 μm；強化體系受驅替速度影響大，提高驅替增加后，泡徑減小、分布集中，平均泡徑由218 μm 降低至181 μm。

（3）強化體系對巖心的封堵能力最強，其次是復配體系，最弱的是原體系。原體系、復配體系以及強化體系的泡沫黏度分別為181 mPa·s、298 mPa·s、397 mPa·s，強化體系適合封堵高滲透層。

（4）強化體系的壓力分布主要集中在巖心的中段（占45%的壓差）；泡沫形成能力和長距離傳播、運移能力較差，不利于深部調驅；復配體系的壓力在巖心中分布均勻，具備良好的傳播、運移能力。