抗剪切型黄原胶强化泡沫体系的性能

孙 琳，魏 鹏，蒲万芬，甘 露，曾 丹

(1.西南石油大学 石油与天然气工程学院，四川 成都 610500；2. 金堂县栖贤学校，四川 成都 610400)



抗剪切型黄原胶强化泡沫体系的性能

孙 琳1，魏 鹏1，蒲万芬1，甘 露1，曾 丹2

(1.西南石油大学 石油与天然气工程学院，四川 成都 610500；2. 金堂县栖贤学校，四川 成都 610400)

模拟天津大港官15-2油藏条件，利用官15-2油田地层水、黄原胶、甜菜碱和阴离子磺酸盐配制成黄原胶强化泡沫体系，采用SEM对其微观结构进行了表征。筛选了黄原胶的种类并利用泡沫性能测试和岩心驱替实验对黄原胶强化泡沫体系的抗剪切性能进行了评价。表征结果显示，黄原胶吸附在泡沫上形成高厚度且完整致密的液膜。实验结果表明，黄原胶溶液在低剪切速率下呈明显的剪切稀释性，在高剪切速率下具有良好的剪切稳定性；性能最佳的黄原胶为XG4黄原胶，6次高速剪切后，90 ℃时XG4黄原胶强化泡沫体系的析液半衰期保留率大于80%、原液黏度保留率大于95%；适宜的转速为4 000 r/min。在含油水的非均质多孔介质中，当注速为3 m/d时，XG4黄原胶强化泡沫体系具有很好的流度控制能力。

抗剪切；黄原胶；强化泡沫驱；流度

强化泡沫驱因具有高稳定高效的流度控制作用，是目前降低油田含水率的有效措施之一[1-5]。在现场运用时，溶解、分散和泵送等环节均对泡沫存在机械剪切作用，特别是流经井底泡眼时产生的高速剪切对泡沫中的聚合物会产生一定的机械剪切降解作用[6-7]，从而影响泡沫驱的整体经济效果。且在泡沫驱的实际运用中，由于泡沫在地层中一直受剪切作用，其性质也会发生一些变化。因此研究开发强化泡沫体系具有重要意义。

黄原胶是重要的生物高聚物，其相对分子质量在(2～50)×106范围内[8]。黄原胶分子为D-葡萄糖、D-甘露糖、D-葡萄糖醛酸、乙酰基和丙酮酸组成的“五糖重复单元”的结构聚合体[9]。由于其分子结构特殊且含大量的刚性基团，黄原胶具有很好的抗剪切稳定性，在用于油田开发时较聚丙烯酰胺、羧甲基纤维素和植物多糖有明显的技术优势[10]。

本工作模拟天津大港官15-2油藏条件，利用官15-2油田地层水、黄原胶、甜菜碱(G5)和阴离子磺酸盐(PS9)配制成黄原胶强化泡沫体系；采用SEM方法对其微观结构进行了表征；筛选了黄原胶的种类并利用泡沫性能测试和岩心驱替实验对黄原胶强化泡沫体系的抗剪切性能进行了评价。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

LVDV-Ⅲ型流变仪：Brookfielo公司；Quanta 450型扫描电子显微镜：FEI公司；多功能岩心驱替装置：成都岩心科技公司；Waring Blender型恒速搅拌器：沈阳石油仪器研究所。

PS9和G5：分析纯，成都科隆化工试剂；XG1黄原胶：郑州三和生物科技有限公司；XG4黄原胶：分析纯，阿拉丁试剂有限公司；XG5黄原胶：分析纯，郑州弘旺化工科技有限公司；XG6黄原胶：分析纯，嘉祥县大海化工；XG11黄原胶：分析纯，深圳恒生生物科技有限公司；官15-2油田地层水：天津大港油田，总矿化度21 452 mg/L、钙离子281 mg/L、镁离子52 mg/L。实验用人造岩心的参数见表1。

表1 实验用人造岩心的参数

1.2 实验方法

1.2.1 强化泡沫体系的配制

取100 mL官15-2油田地层水，添加0.1%(w) PS9、0.05%(w) G5和0.1%(w)黄原胶，预热至90 ℃，以4 000 r/min转速搅拌1 min，配制成黄原胶强化泡沫体系。

将黄原胶强化泡沫体系装入90 ℃恒温的1 L量筒中，记录其起泡体积和析液半衰期。泡沫的析液半衰期越长，稳定性越好。

1.2.2 流变性能的测试

以去离子水配制0.1%(w)黄原胶溶液，室温条件下，利用流变仪18#转子测定不同剪切速率(4.5～100 s-1)下黄原胶溶液的黏度。90 ℃下测定重复剪切的黄原胶强化泡沫体系的黏度。

1.2.3 微观结构的表征

黄原胶溶液和黄原胶强化泡沫体系的微观结构用扫描电子显微镜观察：液氮将体系快速固化，然后在冷冻真空干燥仪中使水分子升华，尽量保持原有结构和形貌。

1.2.4 岩心驱替实验

岩心驱替实验系统见图1。将人造岩心装入夹持器中，用官15-2油田地层水进行饱和并除尽岩心内的空气，然后使用天津大港油田的原油饱和岩心。模拟官15-2油藏环境进行驱油实验，在90 ℃、14 MPa下，使用官15-2油田地层水水驱至经济极限(含水率98%(w))，然后同时注入黄原胶强化泡沫体系和空气(注入量1 PV(PV：注入地下的泡沫体系和空气的体积占地下总孔隙体积的倍数)、气液速率比1:1)，记录岩心两端压力。后续水驱至经济极限，同时记录岩心两端压力。更换岩心，调节气液流体注入速率，重复前面步骤。

2 结果与讨论

2.1 黄原胶的筛选

黄原胶溶液的黏度随剪切速率的变化见图1。由图1可知，随剪切速率的增大，黏度逐渐降低但降幅逐渐减小。这是因为，黄原胶分子中的极性基团在水溶液中发生分子间缔合和分子链间缠绕作用，故黏度较大；随剪切速率的增大，分子链发生变形，缔合结构逐渐被破坏，导致黏度降低，呈明显的剪切稀释性；但当剪切速率继续增大时，黄原胶主链会形成一定取向作用，促使分子间重新缔合，因此黏度降幅减小，说明黄原胶具有良好的抗剪切性。由于不同厂家的黄原胶因发酵和提纯工艺不同，抗剪切性能差异较大。从图1可看出，XG4，XG5，XG6黄原胶的抗剪切性较好。

图1 岩心驱替实验系统

图2 黄原胶溶液的黏度随剪切速率的变化

不同黄原胶强化泡沫体系的性能见表2。

表2 不同黄原胶强化泡沫体系的性能

从表2可看出，各黄原胶强化泡沫体系的稳定性均相对较好，且泡沫半衰期均在900 s以上。这是由于黄原胶的加入能提高体系黏度，减缓泡沫的排液速率，从而提高泡沫的稳定性。同时，黄原胶分子的体积较大且含刚性基团，它被吸附在泡沫上后可形成完整致密的复合结构，从而提高泡沫强度、降低气体的透过性、增强泡沫的稳定性。其中，XG4黄原胶强化泡沫(简称XG4F)体系的性能最优，起泡体积为425 mL，半衰期为1 117 s，故选择XG4F体系较适宜。

2.2 SEM的表征结果

黄原胶在水溶液中完全溶解后，其分子中带负电荷的侧链绕主链骨架反向缠绕，通过氢键和静电力等作用形成较稳定的棒状螺旋结构[11]，通过共价键结合，还可形成非常规整的螺旋共聚体网状结构。XG4黄原胶及XG4F体系的微观结构见图3。

从图3可看出，黄原胶在水溶液中呈细杆状相互交错连接，形成了致密的枝状空间网状结构。XG4F体系的气泡大小均匀，液相中的物质缔合形成有序、致密的层状结构聚集在泡沫壁中，呈空间重叠状态。完整致密的多层次网络结构可改善泡沫的流体动力学、增加泡沫液膜的机械强度、抑制泡沫内气体的扩散速率，同时均匀的气泡可降低泡沫液膜的排液速率、提高泡沫稳定性。从图3c～d还可看出，在枝链状网络结构的表面附着了凸起的盐类晶体，这是由黄原胶分子与表面活性剂分子缔合作用[12]形成的稳定复合结构[13]。黄原胶分子链上的亲水基团(—COO—和—OH等)分别通过与盐的络合作用和水的溶剂化作用，将含盐自由水变为束缚水，使泡沫壁保持一定的流体力学体积，增加了泡沫的黏弹性和稳定性。表征结果显示，黄原胶吸附在泡沫上形成了高厚度且完整致密的液膜。

图3 XG4黄原胶及XG4F体系的微观结构

2.3 抗剪切性能

2.3.1 剪切次数的影响

高速剪切次数对XG4F体系性能的影响见图4。

图4 高速剪切次数对XG4F体系性能的影响

从图4可看出，随高速剪切次数的增加，XG4F体系的原液黏度稍降、析液半衰期缩短、起泡体积增大；经6次高速剪切后，XG4F体系的析液半衰期保留率大于80%、原液黏度保留率大于95%。

由于黄原胶分子在水溶液中缔合形成网状结构，因此具有较大的流体力学体积，可缓冲和分散剪切应力；同时，黄原胶分子中含大量的刚性六元环和极性基团，故其机械剪切降解率较低，且可在极短时间内恢复构象。高速剪切导致部分黄原胶分子断裂、侧链官能团丢失，影响黄原胶分子与表面活性剂分子间的键合，降低了泡沫液膜的黏度和强度，故泡沫的析液半衰期降幅较大，但黄原胶溶液的黏滞效应被削弱反而使其起泡能力逐渐增强。

2.3.2 转速的影响

转速对XG4F体系性能的影响见图5。从图5可看出，随转速的增大，XG4F体系的析液半衰期和起泡体积均呈先增大后减小的趋势。当转速为4 000 r/min时，析液半衰期接近1 125 s，稳定性最高；当转速为5 000 r/min后，起泡体积达最大。这是由于黄原胶溶液在较低转速下，起泡不充分、气液比较低、泡沫壁厚度较大，不利于泡沫稳定性。但转速过高时，一方面，形成的泡沫大小不均匀；另一方面，黄原胶易断链，泡沫壁中的液相黏度降低，泡沫液膜的排液速率加快，泡沫稳定性降低。实验结果表明，XG4F体系的抗高转速剪切性能强，可降低现场施工的不利影响，其适宜的转速为4 000 r/min。

图5 转速对XG4F体系性能影响

2.4 泡沫在不同注速下的流度控制能力

在含油水的非均质多孔介质中，不同注速下XG4F体系的阻力系数见图6。

图6 不同注速下XG4F体系的阻力系数

由图6可知，注入的泡沫在岩心中形成良好的封堵，阻力系数开始增大。当泡沫注速为3 m/d时，随泡沫注入体积的增大，阻力系数呈急剧增大趋势，且中间无降低的情况出现，当泡沫停止注入时，阻力系数仍继续增大，最后趋于稳定，说明该注速下的泡沫具有很好的流度控制能力。而在其余注速下，随泡沫注入体积的增大，虽然阻力系数总体呈增大趋势，但会出现阻力系数突降的现象，说明流动控制能力较弱。这是因为，黄原胶强化泡沫体系起泡时的高黏滞阻力大，当注速较低时，不足以克服其发泡所需能量，泡沫在低渗岩心中的滞后分离、颈缩突变和薄膜分断机理作用强度较低[14-15]，不能形成足够多且丰富细密的泡沫，泡沫的阻力系数和残余阻力系数均相对较低，故流度控制能力较弱。而当注速过高时，泡沫稳定性变差且剪切稀释性增强，使气体易突破，阻力系数会出现突降现象，残余阻力系数波动较大。因此，适宜的注速为3 m/d。

3 结论

1)黄原胶溶液在低剪切速率下呈明显的剪切稀释性，在高剪切速率下具有良好的剪切稳定性。

2)黄原胶强化泡沫体系可形成高厚度且完整致密的液膜，具有良好的锁水结构，从而增加泡沫壁的强度，提高泡沫稳定性。

3)黄原胶泡沫体系具有良好的抗剪切降解能力，6次高速剪切后，90 ℃时XG4F体系的析液半衰期保留率大于80%、原液黏度保留率大于95%，其适宜的转速为4 000 r/min。

4)在含油水的非均质多孔介质中，当注速为3 m/d时，黄原胶强化泡沫具有很好的流度控制能力。

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(编辑 邓晓音)

Performances of Shear Resistant Xanthan Enhanced Foam System

SunLin1，WeiPeng1，PuWanfen1，GanLu1，ZengDan2

(1. School of Petroleum and Gas Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu Sichuan 610500，China；2. School of Qixian in Jintang, Chengdu Sichuan 610400，China)

The xanthan enhanced foam systems were prepared from Guan15-2 field formation water, xanthan, betaine and anionic sulfonate based on the reservoir formation conditions of Guan15-2 oil field in Dagang Tianjin, and were characterized by means of SEM. Several xanthans were screened out and their performances in the enhanced foam flooding were investigated. The shear resistance of the xanthan enhanced foam systems was evaluated through oil displacement experiments. The results showed that the xanthans formed dense and thick films on the foam. The xanthan solutions were obvious shear thinning under low shear rate and showed favorable shear stability under high shear rate. The XG4 enhanced foam showed the best foam properties and significant shear resistance. After the XG4 enhanced foam was sheared 6 times under high speed, its viscosity retention rate and half-life retention rate were more than 95% and more than 80%, respectively, and the appropriate rotation rate was 4 000 r/min. The XG4 enhanced foam system in heterogeneous porous media containing oil-water had good properties for controlling mobility when the injection rate was 3 m/d.

shear resistance; xanthan; enhanced foam flooding; fluidity

2014-09-28；[修改稿日期]2015-01-12。

孙琳(1982—)，女，四川省南充市人，博士，讲师，电话 13880745866，电邮 ice5000wp@163.com。联系人: 蒲万芬，电话 18683113702，电邮 shibadin@qq.com。

国家科技重大专项项目(2011ZX05049-04-04)。

1000-8144(2015)04-0494-06

TE 357.46

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