二氧化碳黏彈性泡沫驅體系的優化*

董 越，周 明，高振東，郭 肖，董海波，李林凱，王振宇

（1.延長油田股份有限公司，陜西延安 716000；2.油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，西南石油大學，四川成都 610500；3.西南石油大學新能源與材料學院，四川成都 610500）

0 前言

低滲透油藏普遍具有“低孔、低滲、低產”的特征，常規的注水、注氣方法能改善低滲透油藏的開發效果，但是在開發中后期易出現“注不進”、水竄或氣竄、注入流體波及效率低等現象，導致低滲透油藏動用程度低，采收率低［1-2］。泡沫驅通過改善流度比、降低油水界面張力提高洗油效率和增加地層能量，同時降低啟動壓力和注水壓力，提高混合流體的滲流能力，從而提高低滲透油藏的采收率。泡沫具有調剖、驅油作用的主要原因在于泡沫在多孔介質內的滲流特性，即泡沫堵大不堵小及堵水不堵油，因而泡沫可在高、低滲透率巖心中均勻推進。同時，泡沫還具有一定的降低界面張力的作用，因而泡沫具有提高采收率的作用［3］。延長特低滲油藏的普通水驅效果不佳，而聚合物可能會由于孔徑過小而無法注進，故考慮采用泡沫驅［4-11］。

近年來，由于氮氣來源廣泛且制備方法趨于成熟，氮氣泡沫驅被成功應用并取得良好效果［12-13］。空氣泡沫驅在中高滲透油田的實施技術已相對成熟，但是空氣中氧氣的存在會誘發許多風險因素，如爆炸、燃燒、腐蝕等，可能會造成巨大的經濟損失和油井事故［14］。隨著能源需求的增長和全球變暖加劇，二氧化碳驅提高采收率技術越來越受關注，二氧化碳泡沫驅將地質二氧化碳的儲存和提高采收率結合起來［15］。在驅油過程中，二氧化碳泡沫破滅后，其氣相能與原油多次接觸達到混相，降低原油黏度，提高采收率［16］。泡沫的穩定性對于提高最終采收率至關重要，但原油與泡沫之間的相互作用使泡沫不穩定，降低了泡沫的驅油效率。通常通過添加聚合物來提高泡沫穩定性，但二氧化碳泡沫溶于水呈酸性，會導致聚合物溶液黏度下降。本文針對低滲透油藏水、氣驅效果不理想，聚合物較難注進的問題，在無聚合物、無堿條件下，通過篩選起泡劑、助起泡劑、穩定劑和絡合劑，制備了一種具有良好耐鹽性的含有蠕蟲狀膠束的二氧化碳黏彈性泡沫驅體系，研究了其在高礦化度下的起泡性能以及形成蠕蟲狀膠束情況。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

月桂酰胺基丙基甜菜堿（UCAB），有效含量30%，深圳星業科技有限公司；十二烷基硫酸鈉（SDS，有效含量≥85%）、三乙醇胺（有效含量≥99%）、乙二胺四乙酸（EDTA，有效含量≥99%），成都市科龍化工試劑廠。實驗用水為模擬地層水，礦化度為60 546 mg/L，主要離子質量濃度（單位mg/L）：Na+11 286、K+5 226、Ca2+4 207、Mg2+3 276、Cl-35 307，HCO3-1 244；CO2氣體，成都市新都金能達氣體有限公司。

FCM-5000W 型金相顯微鏡，濟南五星測試儀器有限公司；Brookfield II 黏度計，美國博勒飛有限公司；RS600型流變儀，德國Haake公司。

1.2 實驗方法

（1）泡沫溶液的制備

將模擬地層水加入裝有攪拌器的500 mL 的燒杯中，然后邊攪拌邊緩慢加入一定量的穩定劑和絡合劑，待分散均勻后加入一定量的助起泡劑和主起泡劑，在穩定劑、絡合劑和起泡劑完全溶解后停止攪拌，即得泡沫溶液。

（2）泡沫性能的測定

在設定溫度下，將200 mL的泡沫溶液加入恒速攪拌器中，然后通入CO21 min，在6000 r/min的轉速下攪拌1 min，即得泡沫。將得到的白色泡沫快速倒入1000 mL 的量筒中，記錄最初的泡沫體積（Vmax）；當泡沫體積減少至初始泡沫體積的一半時，記錄半衰期t1/2。

泡沫的綜合指數（IFC）可反映一般泡沫的發泡能力和泡沫穩定性，但還不能表達黏彈性二氧化碳泡沫的性能。為簡單起見，將來的原IFC計算公式進行改進，增加了泡沫視黏度ν，確定了一個改進的泡沫復合指數（IFCV）計算公式：

（3）泡沫微觀形貌觀察

采用礦化度為65 541 mg/L 的模擬地層水配制0.25% UCAB+0.20% SDS+0.09%三乙醇胺+0.08%EDTA 的泡沫溶液，在45 ℃下通入CO21 min，在6000 r/min 的轉速下攪拌1 min，形成泡沫。在金相顯微鏡下觀察所制備黏彈性二氧化碳泡沫的微觀形貌。

（4）黏彈性的測試

采用RS600 型流變儀測定所制備泡沫體系的黏彈性。測試系統為雙筒，使用轉子為DG41Ti。應力掃描范圍0.001～1.0 Pa，應力掃描時固定頻率為1 Hz。頻率掃描范圍為0.01～1Hz，在應力恒定為0.1 Pa下進行。數據記錄由計算機自動控制。

2 結果與討論

2.1 黏彈性二氧化碳泡沫體系性能的影響因素

采用表面活性劑復配，能夠自組裝形成蠕蟲狀膠束溶液，帶有一定黏彈性。在以往的研究中，多采用陽離子表面活性劑與反離子作用生成蠕蟲狀膠束溶液。在充分考慮起泡性和耐鹽性的基礎上，在模擬地層水礦化度（60 546 mg/L）、油藏溫度（45 ℃）條件下，選用兩性表面活性劑UCAB 為主表面活性劑，陰離子表面活性劑SDS 為助起泡劑，加入穩定劑和絡合劑制備黏彈性泡沫溶液。在綜合考慮改進泡沫復合指數IFCV和黏度的基礎上優化了各組泡沫體系。

2.1.1 起泡劑用量的影響

固定SDS 用量為0.15%，不同UCAB 用量下泡沫溶液的黏度以及泡沫的起泡體積、半衰期及改進的泡沫復合指數IFCV計算結果見表1。從表1 可知，隨著UCAB 用量的增大，泡沫溶液黏度逐漸增大，起泡體積逐漸降低，半衰期逐漸增加，而泡沫復合指數IFCV先增大后減小。其原因是表面活性劑自組裝形成蠕蟲狀膠束，使溶液黏度增加，泡沫液膜變厚變強，延長了泡沫破滅的時間，因此半衰期增加，泡沫復合指數IFCV增大；泡沫溶液黏度增加到一定程度時，起泡體積過低，因此泡沫復合指數減小。當UCAB用量達到0.25%時，泡沫復合指數IFCV達到最大，為172 515 mL·min·mPa·s，故主劑UCAB用量確定為0.25%。

表1 UCAB用量對泡沫性能的影響（45 ℃，SDS用量0.15%）

2.1.2 助起泡劑用量對泡沫性能的影響

固定UCAB 用量為0.25%，不同助起泡劑SDS用量下泡沫溶液的黏度以及泡沫的起泡體積、半衰期及改進的泡沫復合指數IFCV計算結果見表2。從表2可知，隨著助起泡劑SDS用量的增大，泡沫溶液的黏度增加，起泡體積減小，半衰期先增長后縮短，而泡沫的IFCV先增大后減小。其原因是表面活性劑自組裝形成蠕蟲狀膠束，使溶液黏度增加，泡沫液膜變厚變強，延長了泡沫破滅的時間，因此半衰期增加，IFCV增大。溶液黏度增加到一定程度時，起泡體積過低，因此泡沫復合指數開始減小。當助起泡劑SDS 用量為0.2%時，IFCV達到最大，故助起泡劑SDS 用量確定為0.2%。在此條件下所產生的泡沫細膩、均勻、穩定。

表2 SDS用量對泡沫性能的影響（45 ℃，0.25%UCAB）

2.1.3 穩泡劑用量對泡沫性能的影響

向0.25% UCAB+0.20% SDS 的泡沫溶液中加入一定量的穩泡劑三乙醇胺，不同三乙醇胺用量下泡沫溶液的黏度以及泡沫的起泡體積、半衰期及改進的泡沫復合指數IFCV計算結果見表3。

表3 泡沫穩定劑三乙醇胺濃度的確定

隨著三乙醇胺用量的增大，泡沫溶液黏度增大，起泡體積略微降低，半衰期延長，IFCV增大；當三乙醇胺用量為0.09%時，IFCV最大，繼續增大三乙醇胺用量時，IFCV略有降低。泡沫破裂主要是由液膜排液和氣泡內氣體擴散共同作用的結果。泡沫在表面張力較低時更容易生成，而液膜的表面電荷、表面張力與表面黏度會影響液膜的強度。而泡沫穩定性關鍵取決于液膜的表面黏度。提高液膜的表面黏度，液膜就不會因為受到外界干擾而輕易破裂，這樣液膜的排液速率就會減小，氣泡內的氣體穿透液膜的能力也會降低，最終增加了體系的穩定性。三乙醇胺是一種黏稠性液體，能夠一定程度提高液膜的表面黏度，延遲了破壞液膜的時間，延長半衰期，使IFCV值增大。當泡沫溶液中三乙醇胺用量高于0.09%后，IFCV減小，主要是液膜厚度增加程度有限。泡沫溶液中三乙醇胺用量為0.09%時，穩泡性能最佳。

2.1.4 絡合劑EDTA濃度對泡沫性能的影響

在0.25%UCAB+0.2%SDS+0.09%三乙醇胺的泡沫液體系中加入一定量的絡合劑EDTA，不同EDTA 用量下泡沫溶液的黏度以及泡沫的起泡體積、半衰期及改進的泡沫復合指數IFCV計算結果見表4。從表4 可以看出，隨著EDTA 用量的增加，泡沫溶液黏度略有增加，泡沫的起泡體積先增后減，半衰期增大；當EDTA 用量為0.08%時，IFCV達到最大，為370 272 mL·min·mPa·s。絡合劑EDTA 能絡合模擬地層水中的鈣鎂離子，而鈣鎂離子會影響泡沫的性能。隨著EDTA 用量的增大，絡合的鈣鎂離子增多，從而鈣鎂離子對泡沫性能的影響減小，故泡沫復合指數增大。當EDTA 用量為0.08%時，已經將鈣鎂離子絡合完了，自身反而會對泡沫產生影響，IFCV會降低。

表4 EDTA用量對泡沫性能的影響

2.2 泡沫的微觀形貌

黏彈性二氧化碳泡沫的微觀形貌如圖1 所示。從圖1可知，分散相由流體（二氧化碳）成核組成，連續相由液膜組成，液膜中除水之外，還有表面活性劑和少量三乙醇胺和EDTA。三乙醇胺作為黏稠性液體存在于連續相液膜中，增強液膜的表面黏度；EDTA 絡合了水相中的鈣鎂離子，也存在于液膜當中，EDTA 有利地屏蔽了鈣鎂離子對表面活性劑的作用。SDS 和UCAB 作為表面活性劑，處于連續相和分散相之間的界面上，其親水基指向連續相液膜，而疏水基指向分散相氣泡內部，即氣相。二氧化碳氣體作為分散相由連續相的液體包圍形成氣泡，大量的氣泡匯聚最終形成泡沫。泡沫成不規則的六邊形或五邊形等多邊形，表明黏彈性二氧化碳泡沫具有一般泡沫特征。另外，該泡沫還具有較高的視黏度，具有較強的界面膜，即具有聚合物基泡沫的特征。SDS 的硫酸根基團不僅可與UCAB 的季銨鹽發生靜電作用，而且可與反離子金屬陽離子發生靜電作用，同時UCAB的羧酸根陰離子也可與反離子金屬陽離子靜電作用。三重靜電作用導致兩表面活性劑自組裝交替排列，形成蠕蟲狀膠束，如圖2所示。加入過量的SDS、無機鹽和升高溫度，都會使蠕蟲狀膠束支化變短，膠束之間的纏結程度減弱，黏彈性下降。

圖1 黏彈性二氧化碳泡沫的微觀形貌

圖2 表面活性劑自組裝形成蠕蟲狀膠束過程

2.3 泡沫的黏彈性

在溫度45 ℃下，用礦化度為65 541 mg/L的模擬地層水配制的配方為0.25%UCAB+0.20%SDS+0.09%三乙醇胺+0.08%EDTA 的泡沫溶液，通入二氧化碳形成的二氧化碳泡沫的彈性模量（G'）及黏性模量（G''）與剪切頻率（ω）的變化如圖3所示。從圖3 可以看出，所形成的二氧化碳泡沫具有一定的黏彈性，說明自組裝形成了蠕蟲狀膠束。隨著剪切頻率的增加，G'和G''均呈上升趨勢。當ω＜0.066 rad/s時，G'＜G''；當ω＞0.066 rad/s 時，G'＞G''。這是因為兩性表面活性劑的陽離子基團及陰離子表面活性劑的陰離子基團與反離子之間達到靜電平衡，自組裝形成蠕蟲狀膠束。在低頻區膠束之間發生纏結，形成“網絡結構”，此時G'＜G''；而在高頻區，膠束之間“網絡結構”發生解纏結，導致黏度下降，并且彈性模量大于黏性模量。

圖3 CO2泡沫的彈性模量（G'）及黏性模量（G''）與剪切頻率（ω）的關系

3 結論

在無聚合物、無堿條件下所篩選的最佳配方為0.25% UCAB+0.20% SDS +0.09% 三乙醇胺+0.08%EDTA的泡沫體系具有良好的起泡性和穩定性，其泡沫復合指數IFCV為370 272 mL·min·mPa·s。所形成的黏彈性CO2泡沫呈不規則的五邊形或六邊形等，具有一般泡沫特征。

小分子自組裝形成了蠕蟲狀膠束的結構，該結構相互纏結和締合，體現了聚合物的黏彈性。二氧化碳溶于水呈酸性，會使穩泡劑作用減弱，而兩性表面活性劑受酸性影響較小，且在特殊鹽溶液中能夠自組裝形成蠕蟲狀膠束，具有良好的黏彈性，一方面使泡沫液膜增強，延長液膜破滅時間，另一方面降低液膜排液速率，提高了泡沫體系的穩定性。