α－烯烃磺酸钠与聚合物二元泡沫复合驱实验研究

刘宏生，姜冬阳，杨 莉，赵法军

(1.中油大庆油田有限责任公司，黑龙江 大庆 163712;2.提高油气采收率教育部重点实验室东北石油大学，黑龙江 大庆 163318)

引 言

泡沫是1种气体分散在液体中的分散体系，其中气体是分散相，液体是分散介质［1］。泡沫具有非常好的黏弹性［2］，具有比聚合物更大的渗流阻力，因此泡沫驱油是1种很有潜力的提高采收率技术。自从Bond和Holbrook提出用泡沫作为流度控制剂的思想以来［3］，美国和加拿大等对泡沫驱油技术进行了30多年的研究，其室内研究和矿场应用的发泡剂主要是α－烯烃磺酸钠(AOS)［4－5］，AOS具有良好的起泡性、抗硬水性、生物降解性、低毒性及配伍性等特点。目前报道的至少有40多个矿场试验，大部分试验都取得了技术上或经济上的成功［5－7］。但国外有关泡沫的研究主要是针对二氧化碳和蒸汽驱中气体的流动控制，泡沫体系中没 有 HPAM［4－7］。国 内 大 庆 油 田［8－11］、胜 利 油田［12－13］、辽河油田［14］等关于泡沫的研究主要是针对水驱油田应用的泡沫体系，泡沫体系中含有HPAM。大庆油田应用的泡沫体系是以强碱三元体系为发泡剂［8］，胜利油田研究的发泡剂主要是DP－4 类［9－10］。而关于 AOS与 HPAM 二元泡沫体系驱油性能的研究没有详细报道，为考察AOS与聚合物二元泡沫复合驱在大庆油田应用的可行性，在大庆油田油水条件下，研究了不同AOS浓度、HPAM浓度、气液比及发泡剂体系注入量对二元泡沫复合驱效果的影响，为泡沫复合驱方案制订提供了重要参数。

1 实验研究

1.1 实验准备

实验材料主要包括:α－烯烃磺酸钠(AOS，三佳化工公司，有效含量为35%)，聚合物(HPAM，大庆炼化公司，水解度为23%，分子质量为1600×104)，污水(大庆油田注入污水)，模拟油(大庆脱水原油和煤油按一定比例混合)，氮气(大庆雪龙气体公司)，3层非均质人造岩心(大庆石油学院，尺寸为4.5 cm×4.5 cm×30.0 cm，气测渗透率约为1.1 μm，变异系数为0.72)。仪器主要包括泡沫扫描仪(法国TECLIS)和泡沫驱油装置(江苏华安石油仪器公司)。

1.2 实验方法

1.2.1 泡沫性能测量方法

全自动泡沫扫描仪主要由样品池、气体控制计量装置、电极及自动控制软件等组成，泡沫扫描仪采用鼓气方式产生泡沫，在鼓气结束测量泡沫的最大体积，即泡沫的起泡体积。泡沫体积衰减1/2，所用的时间记为泡沫半衰期。泡沫扫描仪自动控制气体流速、流量及进气时间，自动监测表面活性剂溶液的起泡体积和泡沫半衰期，泡沫扫描仪具有准确性高、重复性好和全自动控制等特性。本实验在45℃样品池中注入50 mL发泡剂，预热20 min后，通入0.1 MPa氮气，气体流速为30 mL/min，进气时间为5 min。测定待测液的起泡体积和泡沫半衰期。

1.2.2 泡沫驱油实验方法

岩心驱替实验:①恒温箱恒温45℃，岩心抽空2 h，饱和污水，放置12 h;②测量岩心水测渗透率，饱和模拟油，计算含油饱和度，老化12 h以上;③以0.6 mL/min的速度用污水驱至含水98%;④改变发泡剂浓度、聚合物浓度、发泡剂体系注入量及气液比等条件，以提前发泡形式进行泡沫复合驱油实验。

2 结果与讨论

2.1 AOS与HPAM二元体系的泡沫性能

不同AOS浓度二元体系的泡沫性能见图1。二元体系中含有400 mg/L的HPAM。由图1可知，AOS浓度超过一定值后，起泡体积趋于平稳。这是由于AOS浓度较低时，表面张力较大，泡沫稳定性较差，产生的泡沫不稳定，部分泡沫迅速破裂，宏观上表现为起泡体积较小，当浓度达到或大于临界胶束浓度时，溶液表面张力达到最低，并趋于平稳，产生的泡沫瞬时稳定性较好，因此，起泡体积逐渐趋于平稳。同样由图1可知，随着AOS浓度的增加，泡沫的稳定性增加，但是当浓度达到一定值时，泡沫的半衰期开始随着浓度的增加而减小。泡沫半衰期出现极大值是由于泡沫携液量和排液速度随AOS浓度的增大而增大，前者对泡沫的稳定性起增强的作用，后者起减弱的作用，在这二者的共同作用下，必然会出现稳定性的最高点。

图1 发泡剂体系中AOS浓度与泡沫性能的关系

不同HPAM浓度二元体系的泡沫性能见图2，二元体系中含有0.2%的AOS。由图2可知，二元体系的起泡体积随体系中HPAM浓度增加而降低，体系中HPAM浓度为1000 mg/L时，起泡体积降低最明显。发泡剂体系中加入HPAM后体系黏度增加，泡沫扫描仪起泡机理是注入一定压力及体积的气体通过发泡剂产生泡沫，对发泡剂体系不存在剪切作用。因此，发泡剂体系黏度越大，起泡性越差。同样由图2可知，随体系中HPAM浓度增加，二元体系的泡沫半衰期先增加后降低，当体系中HPAM浓度为400 mg/L时，泡沫稳定性最佳。发泡剂中HPAM浓度增加，即体系中HPAM分子增多，AOS与HPAM分子间作用力及缠绕作用增强，这些作用导致泡沫液膜更加稳定，因此，泡沫的半衰期随HPAM浓度增加而增加。但当HPAM浓度达到400 mg/L时，体系黏度过高，阻碍AOS分子在气液界面分布，导致泡沫半衰期降低。

图2 发泡剂体系中HPAM浓度与泡沫性能的关系

2.2 AOS与HPAM二元泡沫体系驱油效果

2.2.1 发泡剂体系中AOS浓度对采收率的影响发泡剂体系中AOS浓度与泡沫复合驱采收率的关系见表1，发泡剂体系中含有400 mg/L的HPAM。AOS浓度为0时，不注气，为单纯聚合物驱实验结果。以下除特殊说明气液比均为标况下1∶1，注入量为0.5 PV。由表1可知，在HPAM分子质量、浓度和用量相同的条件下，泡沫复合驱的效果明显好于单纯聚合物驱的效果。泡沫复合驱采收率随着AOS浓度的增加而增加;当AOS浓度大于0.2%后，泡沫复合驱采收率趋于稳定。在泡沫复合驱过程中，注泡沫阶段采收率的变化趋势与泡沫复合驱相一致。

表1 发泡剂体系中AOS浓度与采收率的关系

泡沫在岩心中能有效封堵住高渗透水流通道，扩大了波及体积，使其在岩心高、中、低渗透层中均匀推进，进而驱动岩心中的中、低渗透层的剩余油;同时剩余油乳化成小油珠进入泡沫液膜中，泡沫挟带这些油珠向前运动一定距离后破裂，释放出所含油珠;后续的泡沫液膜将驱扫这些油珠，再挟带向前移动一定距离。因此，泡沫驱可比聚驱提高采收率约20个百分点。当AOS浓度高于0.2%时，泡沫在岩心中的破裂和再生基本平衡，泡沫的流度控制能力达到最佳，泡沫携带油珠的能力较强，使泡沫采收率提高值达到最佳，继续增加AOS浓度，泡沫驱采收率没有明显提高。

2.2.2 发泡剂体系中HPAM浓度对采收率的影响

发泡剂体系中HPAM浓度对泡沫复合驱采收率的影响见表 2，发泡剂体系中 AOS浓度为0.2%。HPAM浓度为0时，为单纯AOS泡沫驱实验结果。由表2可知，在AOS浓度和用量相同的条件下，二元泡沫复合驱的效果明显好于单纯AOS泡沫驱的效果。在HPAM浓度较低时，泡沫复合驱采收率增加较明显;当HPAM浓度大于400 mg/L后，泡沫复合驱采收率缓慢增加。在泡沫复合驱过程中，当HPAM浓度大于600 mg/L后，注泡沫阶段采收率缓慢增加，而后续水驱阶段采收率缓慢降低，泡沫复合驱总采收率缓慢增加，这表明过多HPAM加入后泡沫复合驱见效加快，而对泡沫复合驱采收率提高贡献不大。

表2 发泡剂体系中HPAM浓度与采收率的关系

单纯AOS泡沫在含油岩心中与油接触，泡沫的液膜受到油的影响而不稳定，容易破灭形成气窜，不能形成有效的封堵。而加入一定量HPAM的泡沫体系中，HPAM与AOS具有协同增效作用，使得泡沫的液膜增厚，耐油性及稳定性增强，在多孔介质中运移时，形成假塑性流体，具有很大的表观黏度及良好的油水选择性，可以较大幅度地提高注采压差，提高注入流体的波及系数。同时HPAM可以减少AOS在油藏中的吸附损耗。从而提高了泡沫复合驱采收率。

2.2.3 发泡剂体系注入量对采收率的影响

发泡剂体系注入量对泡沫复合驱采收率的影响见表3，发泡剂体系中AOS浓度为0.2%，HPAM浓度为400 mg/L。由表3可知，发泡剂体系注入量越大，二元泡沫复合驱提高采收率幅度越大，但注入量大于0.3 PV后，泡沫复合驱提高采收率增加缓慢。泡沫复合驱过程中，注泡沫驱阶段采收率随注入量增加而明显增加，由0.96%逐渐增加到28.81%;而后续水驱阶段采收率在0.2 PV出现极大值，而后逐渐降低。结合泡沫复合驱油效果，同时考虑到经济成本，发泡剂体系的最佳注入量为0.3 PV。

泡沫注入量较低时，由于岩心的吸附和捕集作用，饱和水及后续水驱的水稀释作用，使得泡沫复合驱效果较差。随着注入量的增加，发泡剂体系中有足够的发泡剂用来弥补由于以上作用产生的损失，使得发泡剂体系在岩心中能形成稳定的泡沫，产生较好的流度控制作用。在注入量超过0.3 PV后，泡沫在岩心中可以形成有效的封堵作用，使得泡沫复合驱效果较好。而注泡沫阶段采收率一直增加，主要是泡沫注入量增加所致。

表3 发泡剂体系注入量与采收率的关系

2.2.4 气液比对采收率的影响

气液比对泡沫复合驱采收率的影响见表4，发泡剂体系中AOS浓度为0.2%，HPAM浓度为400 mg/L。由表4可知，随着气液比增加泡沫复合驱采收率先增加后减小，在气液比为2∶1时，泡沫复合驱采收率达到极大值。实验结果显示，当气液比为3∶1时，泡沫体系注入0.4 PV左右，注入压力达到最大值，然后快速降低，表明此时气体含量过多，在岩心中发生了气窜，使泡沫复合驱采收率降低。

表4 气液比与采收率的关系

在气液比低于1∶1时，气体含量较少，产生的泡沫流度控制能力较弱，泡沫复合驱效果较差。在气液比为1∶1～2∶1时，泡沫膜的弹性增强，泡沫的黏度较大，使泡沫对高渗透层起到有效封堵作用，驱替流体更多地分流进入中、低渗透层，此时泡沫的流度控制能力强，泡沫复合驱效果较好;当气液比大于2∶1时，气体易在孔道中汇集，而在气体占据的孔道发泡剂含量较少，气体不能形成有效泡沫，形成连续气柱，易发生气窜。因此，适当增加气液比有利于提高泡沫复合驱油效果，但过大的气液比会导致气窜。

3 结论

(1)二元体系泡沫稳定性，随着 AOS或HPAM浓度的增加而增加;但是当AOS或HPAM浓度达到一定值时，泡沫稳定性随着浓度的增加而减小。

(2)二元泡沫复合驱采收率随着AOS或HPAM浓度的增加而增加。在AOS浓度大于0.2%时，二元泡沫复合驱采收率趋于平稳。在HPAM浓度大于400 mg/L时，二元泡沫复合驱采收率增加缓慢。在相同浓度和用量的条件下，二元泡沫复合驱效果好于单纯AOS泡沫驱或单纯聚合物驱的效果。

(3)增加注入量有利于提高二元泡沫复合驱的效果，注入量大于0.3 PV时，采收率增加值趋于缓和。增加气液比有利于提高二元泡沫复合驱的效果，但过大的气液比会出现气窜。在气液比为2∶1时，二元泡沫复合驱采收率达到最佳。

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