自生泡沫體系的研究與性能評價

李小剛，黃琴，李小凡，朱靜怡，3，田繼宏，諶光雄

(1.西南石油大學 油氣藏地質與開發國家重點實驗室，四川 成都 610500；2.中海石油(中國)有限公司 上海分公司，上海 200030；3.西南石油大學 化學化工學院，四川 成都 610500； 4.中海油能源發展股份有限公司 上海工程技術分公司，上海 200030)

泡沫流體屬于非牛頓流體[1]，因其密度低、視黏度高、調剖能力強等特點在油氣田開發領域中具有很大的應用前景[2-5]。徐國瑞等[6]研制了一種具有較強封堵性能的凍膠泡沫體系，但凍膠存在返排不徹底的問題，會對低滲地層造成大量傷害。尹曉煜等[7]篩選出性能良好的自生泡沫體系，但該體系不適用于酸化后的油氣井。本文針對非均質性較強的低滲地層，提出了一種低傷害自生泡沫體系，并研究了溫度、pH值、反應物濃度以及礦化度對該體系的性能影響，得到起泡性能優良、耐鹽性較好的轉向分流劑，減少地面起泡的施工工序，降低施工成本和風險，可為后續酸化增產提供關鍵材料。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

濃鹽酸、十四烷基三甲基溴化銨(TTAB)、十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)、十二烷基磺酸鈉(SDS)均為分析純。

DZKW-4電子恒溫水浴鍋；ESJ200-4B電子天平；GJS-B12K雙軸變頻高速攪拌機；PH838電子pH計。

1.2 自生氣體系篩選

1.2.1 實驗原理 地層自生氣是指向儲層中注入一種或多種能自發產氣的化學藥劑，使其在油藏條件下發生化學反應、產生大量氣體、釋放熱量。產生的氣體在地層中可以降低原油黏度和降低界面張力；放出的熱量會改變地層中流體的性質，減少流體的流動阻力[8-10]。油田常用的自生氣體系有自生N2體系、自生CO2體系、自生ClO2體系及自生O2體系，而其中N2因其較低的可壓縮性和水溶性而具有較好的增能效果，因而被廣泛使用[11]。本文將分別研究兩種自生N2體系(記為體系A和體系B)的生氣效果，從而篩選出生氣效果較好的體系。

1.2.2 實驗方法 采用圖1所示裝置進行自生氣的生氣量測定，在實驗過程中，針對這兩種體系，使用相同濃度的反應物，設定反應的溫度為60，70，80 ℃，pH值為1左右，反應時間為6 h(反應時間由實際工程需要確定)，最后得出生氣效率。

圖1 排水集氣法測量自生N2體系產氣量實驗裝置Fig.1 Experimental device for measuring gas production of self-generated N2 system by drainage gas collection method

1.3 起泡劑優選

采用Waring-blender法測定起泡劑的起泡高度和析水半衰期，攪拌時間為1 min，攪拌速度為 8 000 r/min。引入泡沫綜合值對不同種類、不同濃度的起泡劑的起泡性能進行綜合評價，其值定義為泡沫高度與析水半衰期的乘積，見式(1)所示：

Fc=h·T1/2

(1)

式中Fc——泡沫綜合值，mm·s；

h——泡沫高度，mm；

T1/2——泡沫析水半衰期，s。

1.4 自生泡沫體系性能評價

在優選自生氣體系和起泡劑的基礎上，形成自生泡沫體系的基本配方，并研究溫度、pH值、反應物濃度、礦化度對自生泡沫體系的起泡性能的影響。如圖2所示，在常溫下配制20 mL的自生泡沫體系基液，將其置于預先設定好溫度的水浴鍋中，觀察并記錄自生泡沫的體積以及半衰期。

圖2 自生泡沫實驗裝置圖Fig.2 Diagram of the experimental device for self-generated foam

2 結果與討論

2.1 自生氣體系篩選

圖3是pH=1時，不同時間下的兩種自生氮氣體系的生氣效率對比圖。

圖3 不同時間下體系A和體系B的生氣效率Fig.3 Gas generation efficiency of system A and system B at different time

由圖3可知，在相同條件下，體系B的生氣效率明顯高于體系A的生氣效率。在pH=1的條件下，體系A的生氣效率仍不理想，且在現場施工中酸性太強可能會腐蝕管柱，造成設備的損害，故不選用體系A。

圖4是不同pH值條件下的體系B的生氣量。

圖4 不同pH值條件下體系B的生氣量Fig.4 Gas production of system B at different pH

由圖4可知，隨著pH值的增大，體系B的生氣量逐漸減小，但總的生氣效率仍在60%以上，故選用體系B作為本文的自生氮氣體系。

2.2 生氣劑濃度優化

圖5是不同反應物濃度條件下的自生N2體系B的生氣量。

圖5 不同反應物濃度下的生氣情況Fig.5 The gas generation situation under different reactant concentrations

由圖5可知，反應物濃度的大小對于自生氣的生氣情況影響十分明顯，濃度越高，生氣量越多。

表1是反應3 h后得到的不同反應物濃度下體系B的生氣總量以及生氣效率。

表1 不同反應物濃度下體系B的生氣總量以及生氣效率Table 1 Total gas generation and gas generation efficiency of system B under different reactant concentrations

由表1可知，反應物濃度越高，自生氣量越大，但結合實際生產，2 mol/L濃度所產生的氣量也能達到需求，且2 mol/L條件下的生氣效率與3 mol/L條件下的生氣效率相差不大，所以結合經濟性的考慮，選擇2 mol/L的反應物濃度為最佳生氣劑濃度。

2.3 起泡劑優化

不同濃度下不同表面活性劑的泡沫綜合值見圖6。

圖6 不同表面活性劑起泡的泡沫綜合值對比Fig.6 Comparison of foam comprehensive value of different surfactants

由圖6可知，低濃度下，TTAB的起泡性能最好，且泡沫析水半衰期也較長，表明形成的泡沫質量較好。從經濟性角度出發，選擇0.2%的TTAB作為起泡劑，既節約成本，又能起到很好的效果。

2.4 自生泡沫體系性能評價

2.4.1 起泡性

2.4.1.1 pH值的影響 不同pH值條件下的自生泡沫體積見圖7。

圖7 不同pH值下自生氣起泡的泡沫體積Fig.7 The foam volume at different pH

由圖7可知，pH值越接近強酸性條件，泡沫體積越大，反應到后期，反應物被不斷消耗，pH值越來越接近中性，泡沫體積變化越來越小。

反應進行3 h后泡沫的體積最大值以及泡沫的體積半衰期見表2。

表2 自生氣起泡實驗進行3 h后的泡沫情況Table 2 Foam situation after 3 h of self-generated gas foaming experiment

由表2可知，pH值越接近強酸性，生成的泡沫體積越大，泡沫的體積半衰期越長，表明泡沫質量越好。

2.4.1.2 反應物濃度的影響 圖8是不同反應物濃度下的自生泡沫體積。

圖8 不同反應物濃度下自生泡沫體積Fig.8 The foam volume under different reactant concentrations

由圖8可知，反應物濃度越大，泡沫體積也越大，一開始反應物濃度最高，反應進行得十分迅速，反應后期反應物被不斷消耗，反應速率也逐漸降低。

反應進行3 h后的泡沫的體積最大值以及泡沫的體積半衰期見表3。

表3 自生氣起泡實驗進行3 h后的泡沫情況Table 3 The foam situation after 3 h of self-generated gas foaming experiment

由表3中的數據可知，在只改變反應物濃度的條件下，泡沫體積隨著反應物濃度的增大而明顯增大，半衰期也逐漸變長，表明泡沫質量也越好。

2.4.1.3 溫度的影響 不同溫度下的自生泡沫體積見圖9。

圖9 不同溫度下自生氣體系的起泡情況Fig.9 Foaming situation of self-generated gas system at different temperatures

由圖9可知，隨著溫度的升高，泡沫起泡速率越大，起泡體積越大，而泡沫半衰期越短。泡沫在起到轉向分流的作用后，則希望其在一定時間后破滅，以利于返排，泡沫在地層孔隙中又是不斷破滅與再生的，因此起泡體積相對于半衰期來說要更重要一些。因此該體系也適用于高溫低滲儲層的轉向分流。

2.4.2 穩泡性 泡沫衰變的機理是析水、聚并、破裂，這三個過程同時發生，且相互影響。氣泡的聚并現象是指兩個氣泡相互靠近接觸，形成液膜，然后液膜持續排液減薄直至破裂，兩氣泡合二為一的過程。而氣泡的尺寸與形狀是影響氣泡聚并的主要因素，氣泡尺寸越小，氣泡越容易聚并，且當氣泡半徑小于0.71 mm時，聚并總會發生。因此，大小均勻的氣泡可以延緩泡沫發生聚并，提高泡沫的半衰期。而在泡沫的分流暫堵中，如果氣泡體積過大，會導致重力分異作用增強，使得流通空間上層易形成氣體流竄通道，致使泡沫半衰期縮短；而氣泡體積過小，則會導致高滲層的“賈敏效應”減弱，從而降低層間分流暫堵的效果。圖10是電子顯微鏡下的泡沫微觀結構示意圖。

圖10 自生泡沫的微觀結構圖Fig.10 Microstructure of self-generated foam

由圖10可知，該自生泡沫體系產生的氣泡大小和分布都十分均勻，且氣泡層層堆疊，結構致密，使得泡沫更加穩定。

2.4.3 耐鹽性 按照實驗要求配制礦化度為 5 000，10 000，20 000，40 000 mg/L的鹽水，得到不同礦化度下的自生泡沫體積，見圖11。

圖11 不同礦化度下自生泡沫體積Fig.11 The foam volume under different salinity

由圖11可知，用蒸餾水配制的反應溶液所產生的泡沫體積更高，用不同礦化度的鹽水配制的反應溶液所產生的泡沫體積有所下降，但二者差別不大，且泡沫在一定時間內能保持穩定，表明該體系有較好的耐鹽性。

3 結論

(1)通過大量實驗篩選出生氣效果較好的自生N2體系，并篩選出起泡性能較好的十四烷基三甲基溴化銨作為起泡劑，從而得到效果較好的自生泡沫體系。該自生泡沫體系不添加大分子材料，可用于低滲透油氣藏的轉向分流，且泡沫穩定一段時間后即可消泡，不存在返排不徹底損害地層的問題。

(2)該自生泡沫體系在強酸條件下有較好的起泡效果，可用于油井酸化后的調剖堵水。反應物濃度與起泡效果呈正相關的趨勢，基于成本的考量，2 mol/L 的反應物濃度既有很好的起泡效果，又節約成本。在高溫下，自生泡沫體系生成的泡沫體積更大，半衰期更短，但是該自生泡沫體系用于儲層的分流暫堵，則希望其能在封堵一段時間后自動消泡，有利于返排，因此泡沫體積比泡沫半衰期更重要。

(3)反應基液的礦化度對該自生泡沫體系的起泡性能有略微影響。隨著礦化度的增加，泡沫體積和半衰期有所下降，但在一定時間內能保持穩定，表明本文的自生泡沫體系有較好的耐鹽性。

(4)與常規泡沫相比，本文研究的自生泡沫具有很大的優越性。首先該自生泡沫體系可自發產氣，不需要專門的地面供氣設備和注氣設備，施工工藝簡便，成本低；其次該自生泡沫體系在地面和井筒中是液相，進入地層后就地起泡，避免賈敏效應的影響，可以選擇性地進入層間，實現分流暫堵或者調剖堵水；最后，該自生泡沫體系在強酸條件下有較好的起泡效果，可以用于非均質儲層的分流酸化，提高儲層改造效果。