多孔介质中多相泡沫微观流动规律研究

张红杰，杜沛阳，刘丰钢

(1.中联煤层气有限责任公司，山西吕梁 033200；2.中海石油能源发展股份有限公司；3.中海石油油田服务股份有限公司油田生产研究院)

多孔介质中多相泡沫微观流动规律研究

张红杰1，杜沛阳2，刘丰钢3

(1.中联煤层气有限责任公司，山西吕梁 033200；2.中海石油能源发展股份有限公司；3.中海石油油田服务股份有限公司油田生产研究院)

通过微观刻蚀模型对泡沫、微球和多相泡沫体系在多孔介质中的微观渗流特征进行研究，结果表明：泡沫主要以变形、分割的方式通过多孔介质，且小气泡的运移速度要快于大气泡，其封堵具有叠加性；微球在多孔介质中以串状、长条状或团状聚集体存在，通过直接或变形的方式通过孔喉，以吸附、喉道处架桥和孔喉连接处堆积来形成封堵，但稳定性不强；多相泡沫体系中，微球吸附甚至包围在泡沫液膜表面，泡沫在微球的包围簇拥下向前运移，稳定性增强，对深部调剖封堵效果更好。

多相泡沫；弹性微球；多孔介质；微观渗流

多相泡沫体系强化采油技术是在常规气液两相泡沫体系中加入聚合物微球而形成的一种新型泡沫体系。该体系结合了强化泡沫驱与聚合物微球深部调剖两种技术，泡沫对非均质地层具有较好的适应性和良好的选择性，聚合物微球可有效封堵大孔道进行逐级深部调剖，因而该体系对特高含水期油田提高封堵强度、挖潜剩余油及提高采收率等方面有着很好的应用前景[1-2]。该驱油体系能否具有更强的油藏适应性和矿场增油效果，前提是准确合理地认识和描述驱油体系在多孔介质中渗流机制和驱油机理。然而，多相泡沫体系在多孔介质中的渗流是一个十分复杂的过程，涉及到泡沫在多孔介质中生成、运移、破灭、再生机理[3-6]，以及油藏条件下聚合物微球在多孔介质中的运移、吸附、捕集等，还涉及到与原油和岩石间相互作用关系[7-12]，因此，深入地研究多相泡沫体系的渗流机理具有重要的现实意义。鉴于此，本文通过微观可视化仪器对多相泡沫在多孔介质中的微观渗流规律进行研究。

1 实验方法及材料

1.1 实验方法

利用微观仿真模型模拟多相泡沫在多孔介质中的渗流过程，通过图像采集系统将泡沫、微球以及多相泡沫在多孔介质中渗流过程的图像转化为计算机的数字信号。实验流程见图1。

1.2 实验材料

(1)孔隙介质材料为微观仿真光刻玻璃模型，尺寸为40 mm×40 mm，孔道直径50～800 μm。

图1 实验流程示意图

(2)起泡剂：HY-2(山东恒业石油新技术应用有限公司生产)，复配产品，阴离子型，实验中使用质量分数为0.5%；

(3)聚合物微球：T-6720 (现河采油厂)，实验中采用浓度为5 000 mg/L；

(4)聚合物：HPAM(分子量2000 万)，实验中采用浓度为500 mg/L；

(5)气体：氮气(青岛天源气体制造有限公司生产)，纯度99.99%；

(6)蒸馏水。

1.3 实验设备

数字显微摄像系统1套，双柱塞计量泵2台(用于驱替气体和液体，型号分别为100 DX和260 D)，围压泵1台(型号为2 PD00Z)。

1.4 实验条件

实验温度设定在20 ℃，围压设定为4 MPa，驱替回压1 MPa，驱替速度0.01 mL/min。

受传统文化的影响，多年来中国农村的性别秩序一直践行着“男主外、女主内”的性别分工。在家庭领域，女性负责洗衣、做饭等家务劳动，男性负责外出挣钱。在这种性别分工的影响下，家庭中妻子一直承担照顾丈夫的饮食、起居的角色，成家的男性显示出婚姻生活的优越性。在这种模式下，老年男性丧偶之后，由于婚姻的解体，子女忙于生计，丧偶老年男性比丧偶老年女性显示出老年生活的凄凉。出于对生活照顾的需求，农村的丧偶老年男性比丧偶老年女性显示出更多的对再婚的需求。

2 实验结果与分析

2.1 多孔介质中泡沫的流动特征

泡沫体系中，液相是连续的，气相则既有连续部分又有不连续部分。在多孔介质中，泡沫的流动是气液分开的流动，不连续气体的流动是借助于泡沫的破裂-再生实现的，主要体现为液膜分断和气泡聚集这两种形式。气液接触产生大量的液膜，液相就是在液膜网和小孔隙中流动，气体则是通过液膜在孔隙吼喉处变形破裂，并在过了吼喉后重新以这种方式通过多孔介质。由微观实验可观察到，泡沫主要是以气泡的变形和分割方式通过多孔介质的，如图2所示。

泡沫流体在多孔介质中运移时，由于粘滞力的作用，泡沫将优先进入大孔道，而液体则优先进入管壁和膜内边界之间的滑动层，从而使气泡拉伸变形，由于孔隙的不规则性而产生的贾敏效应，大气泡变形大，流动阻力也大，运移速度小于小气泡，最终对大孔道形成封堵，起液流转向作用，这与文献调研结果一致[11]。

在实验过程中，还可以通过控制气液比(泡沫质量)来控制泡沫中单个气泡的大小。随着气液比降低，泡沫中液体组分增多，气泡的平均直径减小。

2.2 多孔介质中微球的渗流特征

在放大倍数为60倍的实验条件下，溶胀1天后的聚合物微球在多孔介质中并非均匀分散，而是多个微球颗粒以电性吸附的方式相互聚集在一起，形成串状、团状或长条状的微球聚集体，这是由于带正电荷的微球内层在水中溶胀速度快于带负电荷的外层，因此当微球体积膨胀达到一定程度时，内层正电荷会裸露，颗粒之间就会发生电性吸附而聚并。

聚合物微球具有“变形虫”的特性，在多孔介质中主要通过封堵-变形-运移-再封堵，迫使注入流体转向，扩大注入流体的波及体积，从而实现逐级深部调剖的。

由微观实验可以观察到，微球对孔喉的封堵主要表现为以下几种形式：

(1)吸附封堵。由于微球溶胀后带有正电荷，因此可以在多孔介质壁面吸附，形成封堵，减小孔喉尺寸，并可形成环状液流通道

(2)架桥封堵。微球由于电性吸附作用，虽然微球尺寸小于孔喉直径，但两个或更多微球可通过架桥的方式对孔喉形成封堵，如图4所示。以这种方式产生的封堵主要发生在小孔喉处。

(3)堆积封堵。当微球尺寸大于孔喉尺寸时，在孔喉连接处等大的孔喉部位，微球主要以堆积排列的方式进行直接封堵。只有当注入压力达到微球的突变压力时，封堵才会失去效力。相比而言，该方式形成的封堵变形突破的压力比较大。

2.3 多孔介质中多相泡沫的渗流特征

在多相泡沫体系中，由于聚合物微球的加入，泡沫在多孔介质中的稳定性提高，变形能力增强，主要是由于加入的弹性微球可以吸附在泡沫的液膜处、甚至将泡沫完全包围，增加了液膜及整个体系的粘度，提高了液膜强度，阻止了气体通过液膜的扩散以及液膜排液作用的进行，从而提高泡沫的稳定性。此外，聚合物微球表面带电荷，其在泡沫表面吸附后，使泡沫液膜也带同种电荷，在电性相斥的作用下，也减少了泡沫的聚并。

图3 聚合物微球在孔道中运移示意图

图4 微球架桥封堵示意图

相比单一体系而言，多相泡沫体系的封堵能力更高。究其原因，由于微球聚集体在泡沫液膜表面吸附甚至聚集包围，一方面可使孔喉尺寸进一步降低，增加了多相泡沫流体的注入压差，启动了低渗透层(小孔道)，从而迫使泡沫和液流转向渗透率较低的孔道，扩大注入的多相流体的波及体积；另一方面，泡沫中的气体具有一定的压缩性，可以对体系压力波动产生一定的抵抗力，该力与微球的变形突破压力相叠加，可增强体系抵抗注入压力波动的能力，因此，复合体系的封堵能力更高。只有当注入压力升高到足以克服体系叠加的突破压力时，微球和泡沫形成的体系才会失去封堵效力，在多孔介质中产生运移。

泡沫和微球在多孔介质中运移时，微球簇拥着泡沫向前运移，在微球封堵效应和泡沫贾敏效应的协同作用下，当体系通过较小的孔喉时由于泡沫具有较强的变形能力，可以通过变形甚至自身分割为两个或更多的小气泡的方式通过孔喉，而微球较泡沫变形能力则较差，在压力波动足以使其发生剪切、挤压或破碎时才发生移动，因此，封堵能力和封堵时效而言，微球主要起封堵作用，泡沫则起暂堵作用。

3 结论

(1)泡沫在多孔介质中是气液分开的流动，主要通过变形和分割的方式通过孔喉。较小气泡的运移速度要快于较大的气泡，可以通过控制气液比(泡沫质量)来控制泡沫中单个气泡的大小，随着气液比降低，泡沫中液体组分增多，泡沫中气泡的平均直径减小。

(2)微球在多孔介质中以串状、长条状或团状聚集体存在，其在多孔介质中的运移、堵塞主要表现为直接顺利通过、变形后通过和形成堵塞无法通过三种模式，封堵方式则有吸附封堵、喉道处架桥封堵以及孔喉连接处堆积封堵三种形式，但稳定性不强。

(3)多相泡沫体系中，微球在泡沫液膜表面吸附甚至包围整个气泡，可进一步降低孔喉尺寸，提高封堵能力，增加了多相泡沫体系的注入压差，启动低渗透层(小孔道)，从而迫使泡沫和液流转向渗透率较低的孔道，扩大注入的多相流体的波及体积。在多孔介质中运移时，微球和泡沫运移的主要形式为：微球包围并簇拥着泡沫向前运移。由于微球对气泡的包围，泡沫的稳定性增加，封堵能力大大提高。

[1] 李宾飞，李兆敏，刘祖鹏，等．多相泡沫体系调驱试验[J].中国石油大学学报(自然科学版)，2010，34(4)：93-98.

[2] 刘祖鹏，李兆敏，李宾飞，等．多相泡沫体系调驱提高原油采收率试验研究[J].石油与天然气化工，2010，39(3)：242-245，261.

[3] 陈国，廖广志，牛金刚．多孔介质中泡沫流动等效数学模型[J].大庆石油地质与开发，2001，20(2)：72-75.

[4] 叶仲斌，魏发林，罗平亚，等．泡沫增效三元复合驱油体系渗流行为研究[J].西南石油学院学报，2002，24(4)：49-52.

[5] 徐晖，秦积舜，姜汉桥．多元泡沫复合驱宏观渗流机理的三维物理模拟研究[J].大庆石油地质与开发，2008，27(1)：110-113.

[6] 孙焕泉，王涛，肖建洪，等．新型聚合物逐级深部调剖技术[J].油气地质与采收率，2006，13(4)：77-79.

[7] 王涛，肖建洪，孙焕泉，等．聚合物微球的粒径影响因素及封堵特性[J].油气地质与采收率，2006，13(4)：80-82.

[8] 王代流，肖建洪．交联聚合物微球深部调驱技术及其应用[J].油气地质与采收率，2008，15(2)：86-88.

[9] 王聪，辛爱渊，张代森，等．交联聚合物微球深部调驱体系的评价与应用[J].精细石油化工进展，2008，9(6)：23-25.

[10] 张增丽，雷光伦，刘兆年，等．聚合物微球调驱研究[J].新疆石油地质，2007，28(6)：749-751.

[11] 李雅华，李明远，林梅钦，等．交联聚合物微球分散体系的流变性[J].油气地质与采收率，2008，15(3)：93-95.

[12] 黄晋，孙其诚．液态泡沫渗流的机理研究进展[J].力学进展，2007，37(2)：269-278.

编辑：李金华

1673-8217(2015)05-0090-04

2015-04-27

张红杰，工程师，1981年生，2004年毕业于石油大学(华东)石油工程专业，现从事非常规油气钻完井技术管理工作。

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