温度压力对CO2泡沫相态和性能影响研究

杨昌华

1.西安石油大学石油工程学院,2.西部低渗-特低渗油藏开发与治理教育部工程研究中心：西安 710065

CO2驱由于一方面驱油效率高，另一方面还起到碳减排和埋存目地，越来越受到油田的青睐，但在其驱替过程中，如何抑制气窜，怎么扩大CO2驱波及范围是影响其提高采收率的重要因素[1]。CO2具有气态、液态和超临界3种不同相态，不同相态CO2产生的泡沫外观和稳定性差异较大，泡沫是控制气体流度的重要手段[2]。CO2易溶于水，是一种酸性气体，在油藏条件下处于超临界状态，CO2泡沫受温度压力的影响大，在不同温度压力下能否形成泡沫，泡沫状态如何，不同状态泡沫封堵能力研究显得十分必要。泡沫表征方法有体积法、电导率法及压力法，常用的为Ross-Miles法[3]，但这些评价方法温度压力均受限制，不能模拟CO2在不同相态下的发泡情况。因此，笔者通过高温高压可视化泡沫仪对存在相态变化的CO2泡沫特性进行研究。

1 实验

1.1 高温高压可视化泡沫仪和试验方法

高温高压泡沫仪由起泡装置、加热系统、测压系统、增压系统和光源等组成。试验装置主要特点：耐高温高压，耐温150 ℃、耐压20 MPa，可实现不同相态CO2泡沫稳定性评价；可实现高温高压条件下高速搅拌起泡，最高转速1 000 r/min，起泡速度快；具有可视观察窗，可观察高温高压条件下泡沫的起泡及稳泡状态；测温点在设备内部，可准确测量泡沫实际温度。

试验方法：在高温高压可视化泡沫仪内加入配制好的泡沫剂溶液，并升温至试验温度；充入CO2至试验压力，待压力稳定后，以恒定转速(1 000 r/min)搅拌一定时间；记录泡沫高度、半衰期等。

1.2 原料及试验条件

实验用水，濮城沙一下区块注入水，矿化度24×104mg/L，Cl-1浓度16×104mg/L，水型为CaCl2；CO2，纯度99.9%；起泡剂，甜菜碱类复配而成[4]，泡沫液浓度5 g/L。

濮城沙一下区块温度82.5 ℃，压力20 MPa，在该条件下CO2是超临界状态(CO2超临界点温度为31.1 ℃，压力7.38 MPa)。

2 不同相态CO2泡沫特征

CO2在不同温度和压力条件下存在不同相态，产生的CO2泡沫外观和稳定性差异较大。在气态、液态和超临界条件下，考察CO2与泡沫剂混合后的起泡特征，结果见图1。

a)2.0 MPa/20 ℃ b)6.0 MPa/20 ℃ c)7.5 MPa/45 ℃

图1不同相态条件下CO2泡沫形态

从图1看出，(a)为气态CO2泡沫，在高温高压可视化泡沫仪视窗中可看到明显泡沫，其形态与空气、N2等泡沫外观相近。(b)为液态泡沫，从视窗中不能观察到明显的泡沫，外观近似于乳状液状态，呈均匀相。(c)为超临界态泡沫，可看到该泡沫介于气态和液态之间，泡沫更细小、致密。从起泡所需时间看，气态泡沫需搅拌更长时间，需60 s，发泡速率较慢；超临界态与液态能快速发泡，仅需10 s。

3 温度、压力对CO2泡沫性能影响

温度和压力是CO2相态变化的重要原因，针对不同相态(气态、液态及超临界态)CO2形成的泡沫分别考察了温度和压力对泡沫剂性能的影响。

3.1 温度

固定压力为8 MPa(超临界压力之上)，考察温度对CO2泡沫液性能的影响，结果见表1。

表1 温度对CO2泡沫起泡能力的影响

由表1看出，在相同压力下，随着温度升高，CO2泡沫起泡体积降低，但降低幅度有限；泡沫半衰期明显降低，泡沫与温度变化关系与文献[5-6]报道的规律一致。虽然随着温度升高，泡沫气泡体积和半衰期均降低，但整体表现出泡沫性能良好，在100 ℃下半衰期为87 min。

3.2 压力

固定温度82.5 ℃，考察压力对CO2泡沫性能的影响，结果见表2。

表2 压力对CO2泡沫起泡能力的影响

由表2看出，随着压力增加，CO2泡沫起泡能力和稳泡能力均增加，压力对泡沫体积和半衰期影响明显。尤其是在超临界条件下，CO2形成泡沫的起泡能力和稳泡能力均明显增强，说明超临界条件下，CO2泡沫性能明显高于常规的气态泡沫。这与在高温高压可视化泡沫仪观察到超临界CO2不仅能形成泡沫，且泡沫更细小致密结论一致。

4 泡沫封堵能力

为考察不同相态下(气态、液态及超临界态)CO2泡沫体系封堵能力，应用物模实验考察不同相态下CO2泡沫的封堵能力。物模渗透率均为313×10-3μm2，注水稳定后，采用发泡剂和CO2混合注入，气液比为1∶1，总注入量为1 PV，记录各阶段模型两端压差，结果见表3。

表3 不同相态CO2泡沫封堵能力

由表3看出，气态CO2泡沫封堵能力最差，液态CO2泡沫居中，封堵性能最好的是超临界CO2泡沫，这主要是由于气态泡沫最不稳定；液态CO2跟发泡剂形成的是乳状液，乳状液本身具有一定的封堵能力；而超临界态CO2与发泡剂形成的泡沫致密细小，具有更长的半衰期和更好的发泡能力，这与静态评价结果一致。

5 结论

1)由高温高压可视化泡沫仪研究结果可知，CO2在不同相态下均可形成泡沫，液态形成的泡沫呈均匀相，外观形态近似于乳状液状态，超临界CO2形成的泡沫介于气态和液态之间，泡沫更细小、致密。

2)温度和压力对泡沫的形成均有一定影响，其中压力的影响明显，高压情况下能显著提高泡沫稳定性。在油藏条件下，CO2处于超临界状态，在该条件下泡沫的起泡速度和半衰期均高于气态CO2泡沫，有利于泡沫在油藏内的形成和封堵。

3)物模实验进一步验证了超临界CO2形成的泡沫体系封堵效果优于气态、液态CO2泡沫。

[1] 李景梅.注CO2开发油藏气窜特征及影响因素研究[J].石油天然气学报,2012,34(3):153-156.

[2] 周国华,宋新旺,王其伟,等.泡沫复合驱在胜利油田的应用[J].石油勘探与开发,2006,33(3):369-373.

[3] 周风山.使用新旧准标Ross-Miles仪评价发泡剂发泡能力的比较[J].油田化学,1990,7(2):194-197.

[4] 杨昌华,王庆,董俊艳,等.高温高盐油藏CO2驱泡沫封窜体系研究与应用[J].石油钻采工艺,2012,34(5):95-101.

[5] 刘向斌.控制二氧化碳气窜泡沫配方体系的研制与应用—以宋芳屯油田芳48断块为例[J].油气地质与采收率,2011,18(5): 51-53.

[6] 赵仁保,岳湘安,柯文奇,等.氮气泡沫体系稳定性的影响因素研究[J].石油学报,2009,30(1):84-87.