聚合物在泡沫驱中的应用

雷小洋，唐善法，廖 辉，王晓杰

(长江大学石油工程学院，武汉 430100)

泡沫驱是一种应用前景广泛的三次采油技术，其显著特点是随着渗透率的增大，泡沫的黏度增大，流动阻力增大，当阻力大于低渗透层中的毛管压力时，泡沫便进入低渗透层，使流体在高低渗透层同时推进，进而提高波及效率。泡沫作为一种可压缩的非牛顿流体，具有剪切变稀的特征。泡沫为热力学非稳定状态，流体变稀后，泡沫在多孔介质中的流动变得更不稳定，严重影响泡沫驱油的效果。部分聚合物因其结构特点，加入泡沫流体后可以提高流体黏度，改变液膜的物性，从而使泡沫的稳定性增强［1］。

1 聚合物对泡沫的稳定机理

泡沫是气体与液体形成的分散体系，气相是分散相，液相是分散介质，为连续相，它们相互接触的边界称为Plateau边界［2］，泡沫的气液界面图见图1。

图1 泡沫的气液界面图

泡沫具有较大的气液界面面积和较高的表面自由能，自由能具有自发减小的趋势，所以液体中的气泡会自发地聚集合并，小气泡变为大气泡，大气泡液膜变薄，最终破灭。目前普遍认为泡沫的衰变机理为液膜的排液和气体透过液膜的扩散。

由Laplace方程知图1中A处的压力小于B处，液相会自发地从B处向A处聚集，使B处液膜变薄，最终导致液膜聚并，泡沫破灭。聚合物的絮状和网状结构使液相的黏度增加，既能使泡沫内的液体不易流失，减缓液膜变薄的速度，又能使气体在液膜中的溶解度降低，从而使稳定性增强。

由Laplace方程知小气泡内的压强大于大气泡内的压强，小气泡内的气体会自发向大气泡内扩散，造成小气泡变小、大气泡变大，最终小气泡消失、大气泡破灭。这一过程的发生主要取决于气体透过液膜的能力。聚合物的加入使液膜表面的黏度增大，造成液膜表面所吸附的分子排列得更紧密，气体透过液膜的难度加大。当液体中存在聚合物时Marangoni效应增强，聚合物在液膜表面的吸附使液膜表面黏度增高，表面膜弹性增强，膜的自我修复能力加强，泡沫稳定性大幅提高。小气泡消失、大气泡破裂的泡沫照片［3］见图2。

此外，在泡沫流体中加入疏水缔合聚合物不仅有增黏效果，还可以适用于高盐环境。水溶液极性增强，疏水基团通过进一步增强分子间疏水合作用，使与水的接触体积减小，相应地大分子聚合物线团物理交联点增多，分子间缔合能力增强，流体力学体积增大，宏观表现为溶液黏度上升，起到高盐增黏作用，使泡沫更加稳定［4］。

图2 泡沫的聚并破灭过程

2 泡沫驱用聚合物类型

1)增黏型。主要是通过提高基液的黏度来减缓泡沫的排液速率，延长泡沫半衰期，从而提高泡沫的稳定性，这类物质有羧甲基纤维素(CMC)、聚丙烯酰胺(PAM)、羧甲基淀粉(CMS)、壳聚糖类、改性淀粉等。

2)提高膜黏弹性型。主要是提高泡沫膜的黏弹性和膜强度，减小泡沫的透气性，从而提高泡沫的稳定性。这类聚合物增黏性较小，如聚乙烯醇(PVA)、羟乙基纤维素(HEC)、高级脂肪醇类。

3)高盐增黏型。主要用于高盐、高温环境，如新型抗盐聚合物PS－3、新型疏水缔合聚合物聚丙烯酰胺、两亲类聚合物 HPOC －I［6］、生物聚合物(HXYP)和黄原胶(XC)等。

3 聚合物在泡沫驱中的应用

在常规泡沫驱中，常用的聚合物为聚丙烯酰胺类、羧甲基纤维素类、可溶性淀粉类及聚醇类。这几类聚合物增黏效果显著，价格适宜，适合油田大规模泡沫驱。王其伟等［7］研究了CMC、聚合物722及聚醇类对泡沫剂稳定性的影响，指出这几类聚合物对泡沫有显著的稳定效果，能够使泡沫剂脂肪醇聚氧乙烯醚(AEO)和十二烷基苯磺酸(ABS)的稳定性提高50%以上。万里平等［8］研究了聚合物KV－CMC对ABS和二甘醇琥珀酸酯(DGES)的稳定性，发现当KV－CMC的含量为0.6% ～0.8%时，泡沫综合指数最大，当 KVCMC含量＞0.8%时，发泡能力随其含量的增大而降低。KV－CMC的加入使基液黏度增大，一方面使气泡间液膜不易流失，另一方面降低了气体穿透液膜的能力;但KV－CMC含量过高时，发泡剂分子不易流动，液膜受损部位不能迅速弥合，气泡容易破裂。王克亮等［9］研究了羧甲基纤维素钠和瓜尔胶在高温下对发泡剂HY－3的稳泡性能，发现羧甲基纤维素钠的抗高温性能优于瓜尔胶，高温下羧甲基纤维素钠的加入使泡沫的发泡高度略有降低，但半衰期明显增加，泡沫综合指数增加。王登庆等［10］研究了N－(2－羟基－3－磺酸基)丙基壳聚糖对非离子起泡剂AEO－9的稳泡性能，发现壳聚糖取代度越低，相同浓度下在水中的黏度越大，其对非离子表面活性剂形成的泡沫的稳泡能力优于常用的高分子稳泡剂(PVA，CMS，PAM)。江建林等［11］为了研究聚合物在聚合物－泡沫复合调驱技术中对泡沫的稳定性和泡沫再生能力的影响，针对海上油田聚合物－泡沫复合体系ES－70/O12，对体相泡沫中聚合物的稳泡作用进行了实验研究。结果表明在57℃下加入1000 mg/L聚合物SNF3640，泡沫半衰期从12.5 min 增至58.0 min。

在高温高盐油田中，一般的聚合物易受高温影响发生降解，增黏能力下降;另一方面在高矿化度下，聚合物离子基团上的电荷被屏蔽，离子间的静电排斥作用减弱，聚合物长链卷曲，分子内缔合作用占主导地位，宏观上表现为溶液黏度下降。针对这些问题，近年来研制出了一些新型的耐盐耐高温聚合物，主要有疏水缔合聚合物、两亲性聚合物及改性类聚合物。刁素等［12－13］研制出复配稳泡剂泡沫体系HXYP+YPA，研究了80℃下高盐对泡沫体系的稳定性和表观黏度的影响，实验结果表明，无盐和矿化度为7.08×104mg/L的泡沫的吸附膜整体性较好，且吸附膜较薄;高矿化度(20.30×104mg/L)下泡沫的吸附膜整体性不如无盐的好，但是膜面上吸附着致密的晶状物质，增加了薄膜的厚度，并且未见单独的盐结晶析出。分析聚合物结构发现HXYP分子为刚性分子，盐浓度的改变不会使分子结构发生变化，分子的作用力和缠绕力基本不变，而YPA为梳型疏水缔合聚合物，分子侧链同时含有亲水和亲油集团，使得分子内和分子间的卷曲缠绕减少，分子结构规整，抗盐能力强。杨燕等［14］研究了 CMC、HPAM、疏水缔合聚合聚丙烯酰胺及XC这4种稳泡剂，考察了在温度升高和盐度增大时泡沫体系黏度的变化情况。实验结果表明，添加了疏水缔合聚合聚丙烯酰胺和XC的起泡液，在较高温度和矿化度下起泡能力较强，且泡沫半衰期较长。

4 泡沫驱的发展趋势

1)研制新型表面活性剂起泡剂和稳泡剂。要克服泡沫体系稳定性差的缺点，并考虑起泡剂和稳泡剂分子结构的复配协同效应。目前开发的油田都为高盐低渗类油田，提高泡沫对温度、矿化度和pH的稳定性是泡沫驱成败的关键。

2)采用空气泡沫体系。目前泡沫驱的气相主要为N2、CO2、蒸汽以及天然气，其中CO2在我国资源不足，而N2和天然气价格相对较高。空气作为一种丰富、廉价的气源，现场施工工艺简单，具有很大的经济优势。应解决好以空气为气源的安全性问题，为空气泡沫驱的推广应用提供保证。

3)完善泡沫流动特性理论和泡沫稳定理论。关于泡沫的流变性已形成系统的研究成果，多集中于光滑管道中的泡沫流动，对泡沫钻井、固井等施工工艺有重要的指导作用。应加强高温高压条件下非均质多孔介质中的流变性研究，完善泡沫微观驱油机理。应加强新技术在泡沫稳定形态观测方面的应用，从分子微观结构入手，探究不同情形下分子结构的变化，为寻找和研制新的起泡剂及稳泡剂提供理论依据。

［1］王志军.耐温抗盐超低界面张力泡沫体系的研究［J］.精细石油化工进展，2008，9(6):11 －15.

［2］周静，谭永生.稳定泡沫流体的机理研究［J］.钻采工艺，1999，22(6):75 －78.

［3］周雅文，宋佳，韩富，等.烷基糖苷的泡沫扫描研究［J］.精细化工，2011，28(7):663 －667.

［4］李林辉，郭拥军，周薇，等.疏水改性水溶性聚合物对表面活性剂泡沫性能的影响［J］.钻井液与完井液，2002，19(4):18－20.

［5］袁新强，王克亮，陈金凤，等.复合热泡沫体系驱油效果研究［J］.石油学报，2010，31(1):87 －90.

［6］康万利，王杰，吴晓燕，等.两亲聚合物泡沫稳定性及影响因素研究［J］.油田化学，2012，29(1):48 －51.

［7］王其伟，周国华，李向良，等.泡沫稳定性改进剂研究［J］.大庆石油地质与开发，2003，22(3):80－84.

［8］万里平，孟英峰，赵晓东.泡沫流体稳定性机理研究［J］.新疆石油学院学报，2003，15(1):70 －73.

［9］王克亮，杜珊.稳泡剂对泡沫性能影响室内研究［J］.内蒙古石油化工，2008，(22):4 －6.

［10］王登庆，李兆敏，麻金海，等.N－(2－羟基3－磺酸基)丙基壳聚糖的制备及稳泡性能［J］.油田化学，2008，25(3):284－286.

［11］江建林，岳湘安，高震.聚合物在泡沫复合调驱中的作用［J］.石油钻采工艺，2011，33(1):61 －64.

［12］刁素，朱礼平，黄禹忠，等.复配稳泡剂泡沫体系高盐增效性及粘弹性研究［J］.西南石油大学学报，2008，30(6):149－152.

［13］刁素，任山，林波，等.高温高盐油藏泡沫驱稳泡剂抗盐性评价［J］.石油地质与工程，2007，21(2):90 －93.

［14］杨燕，蒲万芬，周明.驱油泡沫稳定剂的性能研究［J］.西南石油学院学报，2002，24(4):60 －62.