渤海油田弱凝胶与泡沫复合调驱体系优化

张云宝，刘文辉，魏娴娴，赵洪娟，李若琳，林梅钦(.中海石油(中国)有限公司天津分公司渤海石油研究院，天津 0045；.中海油田服务股份有限公司油田生产事业部，天津 00450；.中国石油大学提高采收率研究院，北京 049)

渤海油田弱凝胶与泡沫复合调驱体系优化

张云宝1，刘文辉2，魏娴娴3，赵洪娟3，李若琳3，林梅钦3
(1.中海石油(中国)有限公司天津分公司渤海石油研究院，天津 300452；2.中海油田服务股份有限公司油田生产事业部，天津 300450；3.中国石油大学提高采收率研究院，北京 102249)

采用流变、常规量筒法、扫描电镜及显微镜，研究了优选出的3种弱凝胶与SD发泡剂的复配体系的起泡性能、黏度、稳定性以及微观结构。结果表明，起泡剂与弱凝胶复配之后，体系的各项性能得到明显改善。复配体系半衰期增大，泡沫黏度增大，稳定性增强，明显优于单一体系。在弱凝胶与泡沫复合调驱体系中，凝胶易在气泡表面形成吸附膜，将泡沫包裹在内部，增强了气液界面的黏度，使得泡沫不容易发生聚并破裂，从而增强了泡沫的稳定性以及黏度，使得其半衰期也增大。

弱凝胶；泡沫；黏度；起泡性能；稳定性

渤海油田是中国海洋石油总公司的主力油田，经过多年的开发，油田产量递减较快，亟需采用提高采收率新技术，以保持原油产量。目前，弱凝胶与泡沫复合调驱技术是一项富有创造性的提高采收率新方法[1-2]。交联聚合物弱凝胶是目前国内外应用最广泛的深部调剖改善水驱技术，凝胶体系交联后，黏度上升，可封堵裂缝及大孔道，降低水窜能力，调整吸水剖面[3-6]。同时泡沫体系可控制流度，降低注入流体流度，改善不利流度比，降低流体相对渗透率，延缓注入流体突破时间，封堵高渗层大孔道，改变液流方向，还能提高洗油效率[7-11]。将弱凝胶调剖和泡沫调驱这两个单项技术结合起来，能够综合弱凝胶和泡沫的双重优势，更好地封堵裂缝及大孔道，防止水窜，调整吸水剖面，是一种应用前景十分广泛的提高采收率新技术。

针对渤海油田油藏条件对弱凝胶与泡沫复合调驱技术进行了优化研究，以实现原油的稳产和增产。实验优选并评价了3种弱凝胶与SD发泡剂的复配体系的起泡性能、黏度以及稳定性，同时对该凝胶泡沫的微观结构进行了表征，为弱凝胶与泡沫复合调驱技术在渤海油田的矿场应用提供了理论基础和指导。

1 实验部分

1.1 实验试剂

氯化钠、氯化钙、氯化铵、硫酸钠、碳酸氢钠，分析纯，北京现代东方精细化学品有限公司；氯化镁，化学纯，北京现代东方精细化学品有限公司；碳酸钠，分析纯，北京化工厂。

实验所用的海水速溶聚合物为部分水解聚丙烯酰胺，相对分子质量2 000×104，水解度20%；交联剂有机铬溶液及SD型发泡剂均由渤海油田提供；实验用水为油田模拟水，其矿化度为9 500.54 mg/L。

1.2 实验方法

1.2.1 弱凝胶体系的配制 将聚合物配制成5 000 mg/L的母液，各自称取一定质量的聚合物和交联剂溶液，使聚合物和交联剂的质量浓度达到实验所需，使用美国Waring公司7012G型Waring-Blender搅拌器搅拌混合均匀后，置于65 ℃恒温烘箱中反应。

1.2.2 弱凝胶与泡沫复合体系的配制 将聚合物配制成5 000 mg/L的母液，然后稀释至目标质量浓度，加入起泡剂SD搅拌均匀后，再加入一定质量的有机铬溶液，使用美国Waring公司7012G型Waring-Blender搅拌器搅拌混合均匀后，置于65 ℃恒温烘箱中反应。

1.2.3 泡沫起泡能力与半衰期的测定 实验采用常规量筒法，将起泡剂SD与100 mL水生成的泡沫加入量筒，记录量筒底部析液50 mL时的时间，即为泡沫的半衰期；用泡沫所能达到的最大高度(泡沫体积)来评价泡沫的起泡能力。

1.2.4 流变性测定 采用美国Brookfield公司LVDV-II+P型布氏黏度计测量黏度，测量温度为(65.0±0.1)℃。采用德国HAAKE公司RS 600型流变仪测量弱凝胶的黏弹性，使用同轴圆筒转子测量系统(Z41° Ti)，振荡频率为0.10～5.00 Hz，剪切应力为1 Pa，测试温度控制在(65.0±0.1)℃。

1.2.5 微观结构表征 采用日本奥林巴斯公司可视光学显微镜和美国Phillips Electronscan公司FEI Quanta 200 F场发射环境扫描电子显微镜表征弱凝胶与泡沫复合体系的微观结构。

2 结果与讨论

2.1 弱凝胶的长期稳定性

为了评价弱凝胶体系的长期稳定性，测定了65 ℃下聚合物与有机铬质量比(简称聚铬质量比)均为90∶1，聚合物质量浓度分别为1 000、2 000、3 000 mg/L的弱凝胶体系的黏度随热老化时间的变化，结果见表1。由表1可见，随着老化时间的增加，不同聚合物质量浓度与交联剂反应所形成的弱凝胶体系黏度逐渐增大，说明体系慢慢成胶，由不成胶、小部分成胶、大部分成胶直至完全成胶，弱凝胶的强度也变大。同时聚合物质量浓度越大，弱凝胶的黏度越大，这是因为在聚铬质量比相同的条件下，聚合物质量浓度越大，体系交联程度越大，凝胶强度越大。当老化时间超过10 d，3种强度凝胶的黏度开始有所降低，低强度凝胶体系的黏度降低的最为明显，中、高强度凝胶体系的黏度只是略微降低。这表明实验所优选的3种强度的弱凝胶体系具有较好的耐温性能，可以在65 ℃下长期稳定存在。

表1 65 ℃下弱凝胶体系的黏度随热老化时间的变化Table 1 Viscosity of weak gels at different aging times at 65 ℃

2.2 弱凝胶的流变性

质量浓度分别为1 000、2 000、3 000 mg/L的聚合物与交联剂所形成的弱凝胶体系的黏弹性模量随老化时间的变化规律如图1所示。从图1中可以看出，质量浓度1 000 mg/L的聚合物所形成的弱凝胶体系的基液基本测不出弹性模量，而黏性模量随剪切频率的增大略有上升。当反应时间超过1 d，弱凝胶体系开始表现出较弱的弹性。随剪切频率的增大，弹性模量降低，而黏性模量整体呈波动上升趋势，甚至大于弹性模量，说明低强度弱凝胶体系主要表现为黏性流体。中强度(聚合物质量浓度为2 000 mg/L)的弱凝胶体系基液的弹性模量和黏性模量均很小。当反应时间超过1 d，弱凝胶体系开始表现出较大的弹性。当反应时间超过3 d，弹性模量接近或者大于黏性模量，此时中强度弱凝胶表现为弹性流体；当反应时间小于3 d或者大于10 d时，弹性模量接近甚至小于黏性模量，此时中强度凝胶表现为黏性流体。高强度(聚合物质量浓度为3 000 mg/L)的弱凝胶体系开始表现为黏性流体，当反应时间超过1 d，弹性模量大于黏性模量，此时该弱凝胶体系主要表现为弹性流体的特征。

对比这3种不同强度弱凝胶的黏弹性，可以发现随反应时间的增加，弱凝胶体系黏性模量、弹性模量均呈增大趋势，反应3 d和5 d的黏弹性相差不大，说明此时已基本完全成胶。但当反应时间超过5 d，弹性模量以及黏性模量随反应时间的增加而逐渐降低，分析是因为随老化时间的延长，完全成胶的弱凝胶开始老化，导致黏弹性模量降低。此外，随着聚合物浓度的增大，在相同反应时间相同振荡频率下，弱凝胶体系的黏性模量、弹性模量均增大，即凝胶的弹性增大，强度增大。各个曲线的变化幅度并不大，说明聚合物与交联剂反应成胶比较均匀，体系结构不易被破坏。

图1 凝胶体系在不同反应时间的弹性模量(G')和黏性模量(G'')

Fig.1Theelastic(G')andviscous(G'')modulusofgelsatdifferentreactiontime

2.3 起泡剂的起泡能力与半衰期

不同质量分数起泡剂SD的起泡能力与半衰期如表2所示。起泡剂的加入能够降低液体表面张力，增加液膜的强度和弹性，降低液膜的排液速率，增强泡沫稳定性，而起泡剂质量分数越大，这种作用力越强，液膜的强度和弹性越大。由表2可以看出，随起泡剂质量分数的增大，起泡能力增大，半衰期增大。当起泡剂质量分数达到0.7%时，泡沫起泡性能与质量分数0.5%的相差不大，考虑成本问题，优选起泡剂质量分数为0.5%。

表2 不同质量分数起泡剂的起泡能力与半衰期Table 2 Foaming ability and half-life of foamer with different mass fraction

2.4 起泡剂的老化性能

质量分数为0.5%的起泡剂SD在不同老化时间的起泡能力与半衰期结果如表3所示。由表3可以看出，随老化时间的增加，起泡剂的起泡能力几乎不变，但是半衰期减小，泡沫黏度下降，消泡变快，说明泡沫稳定性变差。

表3 65 ℃下0.5% SD溶液在不同老化时间的泡沫性能Table 3 The forming properties of 0.5% SD solution at 65 ℃

2.5 弱凝胶与泡沫复配体系的性能

聚铬质量比为90∶1，起泡剂SD质量分数为0.5%的泡沫-弱凝胶复合体系，其性能随老化时间的变化规律如表4所示。由表4可以很明显地看出，加入聚合物之后泡沫的起泡能力降低，半衰期增大，泡沫黏度增大。这是因为聚合物凝胶形成气泡表面的吸附膜，增大了溶液的表观黏度和气液界面黏度，降低了泡沫液膜间的排液速率以及气体在液膜中的溶解度，从而使泡沫液膜强度和半衰期增大，稳定性增加。

比较3种强度的泡沫-弱凝胶复合体系性能，由于聚合物凝胶形成气泡表面的吸附膜，所以凝胶强度越大，泡沫黏度越大，气泡表面的吸附膜强度越大，气泡在液膜间的排出速度越小，半衰期越大，稳定性越好；但由于溶液表观黏度和表面黏度的增大，降低了气体在液膜中的溶解度，而且液膜中起泡剂分子不能自由移动，使得起泡能力减弱，起泡体积有所减小[12-13]。

由表4还可以看出，随着反应时间的增加，泡沫-弱凝胶复合体系起泡能力降低，半衰期增大，泡沫黏度增大，起泡前黏度也增大。当反应时间超过10 d，泡沫-弱凝胶复合体系起泡能力增大，半衰期减小，泡沫黏度减小，起泡前黏度也减小。这可能是因为随反应时间增加，复配体系的弱凝胶由不完全成胶到完全成胶直至产生老化现象，弱凝胶强度先增大后减小，使得起泡后泡沫的液膜强度和稳定性先增加后减小。

对比表3中质量分数为0.5%起泡剂随老化时间的增加起泡性能降低的现象，说明弱凝胶与泡沫复配之后能够明显改善泡沫性能，使泡沫稳定性大大增加，延长了泡沫在孔隙中的作用时间，从而能有效改善其调剖堵水效果，提高原油采收率。

2.6 泡沫-弱凝胶复合体系的结构表征

3种不同强度的泡沫-弱凝胶复合体系中泡沫的形态如图2所示。从图2中可以很明显地观察到，泡沫呈规则圆球形，尺寸比较均匀，稳定性较好。而且随着聚合物质量浓度的增大，即复合体系的强度的增大，泡沫尺寸明显变小，这与外观上观察到的强度大的复合体系的泡沫很细腻、均匀相一致。泡沫尺寸越小，大小越均匀，所形成的泡沫也就越稳定。因此，强度大的泡沫-弱凝胶体系的稳定性也越好，这与表4中其半衰期最长也相一致。

表4 65 ℃下泡沫-弱凝胶复合体系性能随老化时间的变化规律Table 4 Properties of foam-weak gel composite systems at different aging time at 65 ℃

续表4

图2 泡沫-凝胶复合体系的显微镜图片(×1 000)

Fig.2Microscopeimagesoffoam-gelcompositesystems(×1 000)

ESEM 200F环境扫描电子显微镜可以用来进一步观察泡沫-弱凝胶复合体系的微观结构。在抽真空干燥初期，泡沫-凝胶复合体系的ESEM照片如图3所示。由图3(a)可以看出，泡沫-低强度弱凝胶复合体系的泡沫呈堆积状，由多个比较明显的大气泡组成，每个大气泡由很多的小气泡组成，可以很明显地看到泡沫中的气体被真空抽走后留下的孔洞结构。由图3(b)和图3(c)也可以看到，泡沫-中、高强度弱凝胶复合体系中，泡沫里的气体被真空抽走后留下的均匀的孔洞结构，而且气泡的尺寸比较小(24～42 μm)。由于泡沫是以凝胶为表层，从图3中可以看出，凝胶形成的膜，将泡沫包裹在内部，增强了气液界面的黏度，使得泡沫不容易发生聚并破裂，从而增强了泡沫的稳定性以及黏度，使得其半衰期也增大。

图3 泡沫-凝胶复合体系抽真空干燥初期的ESEM图片

Fig.3ESEMimagesoffoam-gelcompositesystemsattheinitialprocessofvacuumdrying

在抽真空干燥后期，高、中、低3种强度的泡沫-弱凝胶复合体系的ESEM照片如图4所示。此时，泡沫中的气体已经被完全抽走，泡沫以及形成气泡表面吸附膜的聚合物凝胶的水分也已经被完全干燥。泡沫破灭，留下泡沫破灭后的吸附膜呈现交错重叠的凝胶的网络结构，有很强的立体性，上层、中层、底层的孔洞清晰可见。从图4中可以清楚看出凝胶形成的膜，从而增强了泡沫的稳定性以及黏度，使得半衰期增大，这与文献[14-16]报道结果相一致。

图4 泡沫-凝胶复合体系抽真空干燥后期的ESEM图片

Fig.4ESEMimagesoffoam-gelcompositesystemsatlaterprocessofvacuumdrying

3 结论

(1)起泡剂与弱凝胶复配之后，体系的性能得到明显改善，半衰期增大，泡沫黏度增大，稳定性增大，明显优于单一体系，泡沫-弱凝胶复合调驱体系在提高采收率方面有很好的应用前景。

(2)弱凝胶与泡沫复合后，弱凝胶可以增强气液界面的黏度，使得泡沫不容易发生聚并破裂，从而增强了泡沫的稳定性以及黏度，使得其半衰期也增大。

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(编辑 宋官龙)

Optimization of Weak Gel-Foam Composite Systems for Bohai Oilfield

Zhang Yunbao1, Liu Wenhui2, Wei Xianxian3, Zhao Hongjuan3, Li Ruolin3, Lin Meiqin3
(1.BohaiOilfielldResearchInstituteofChinaNationalOffshoreOilfieldCorporationLimite-Tianjin,Tianjin300452;2.OilfieldProductionDivision,ChinaOilfieldServicesCo.,Ltd.,Tianjin300450,China;3.EnhancedOilRecoveryInstitute,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China)

The foaming ability, viscosity, stability and microstructure of the weak gel-SD foamer composite systems were studied by rheology, cylinder measurement, scanning electron microscopy (SEM)and microscopy.The results demonstrated that the properties of weak gel-SD foamer composite systems was improved obviously compared to the single flooding technology.When half-life period of the compounded system became longer, and the viscosity of foam increased, the foam stabilitywas enhanced.In the weak gel-foam composite system, an adsorption film of weak gel on the foam was formed easily, which meant that the foam was wrapped in the inside.The interfacial viscosity between gaseous and liquid phases was enhanced, preventing the foams to coalescence and breakup.Therefore, the viscosity and stability of foam were reinforced and the half-life period became longer.

Weak gel; Foam; Viscosity; Foaming ability; Stability

1006-396X(2014)06-0076-07

2014-07-12

:2014-09-10

中海石油总公司十二五重大专项“注水井深部调驱工艺优化研究”项目(C/KJF YF 009-2012)。

张云宝(1980-)，男，硕士，工程师，从事油气田开发技术及提高采收率研究；E-mail:zhangyb14@cosl.com.cn。

林梅钦(1965-)，男，硕士，副教授，从事提高石油采收率技术研究；E-mail:linmq@cup.edu.cn。

TE357.46

: A

10.3969/j.issn.1006-396X.2014.06.016