驱油用CO2泡沫体系粒径对其性能影响研究

刘双星，彭 勃，刘 琦，李兴春，薛 明

（1.中国石油大学（北京），北京102249；2.中国石油集团安全环保技术研究院有限公司，北京102206）

1 研究背景

CO2泡沫驱油技术兼具CO2气体和泡沫流体的特点，具有功能性强、适用性广、可调性好等特点，被认为是最具发展潜力的三次采油技术之一；同时，将CO2应用于原油开采，亦能够为我国的CO2减排提供帮助。在实际应用中，需要根据实际情况对泡沫体系的性能进行针对性的优化。而在诸多驱油用CO2泡沫体系性能的优化方法中，粒径控制能够对泡沫体系的黏度、流动性、通过性等性能进行较大程度的改变[1-2]。对粒径对泡沫体系性能的影响进行研究，有助于更好地通过粒径控制方法优化泡沫性能。

由于泡沫体系中类球形气泡的存在，使泡沫流体具有不同于常规气液两相流体的两个特性：

1）泡沫体系的能量更高[3-4]。泡沫体系的过剩能量由两部分组成，一是气-液界面面积增大导致的表面吉布斯自由能增量[5-6]，这部分能量与气液间的界面张力有关[7-8]；二是弯曲液面产生的附加压力（图1），其大小由气液界面张力和气泡粒径共同决定，可由Young-Laplace 公式计算，如公式1 所示，对于相同组成的泡沫体系，气泡粒径越小，体系能量越大。更高的能量使得泡沫体系在驱油过程中能够向地层中注入更多的能量，但也会导致泡沫体系趋于降低体系能量（亦即泡沫破灭）。

图1 附加压力Fig.1 Additional pressure

式中：P为附加压力，Pa；σ为液膜的界面张力，mN/m；r为气泡的曲率半径，m。

此外，粒径的均匀程度亦会对泡沫体系的稳定性产生影响：两个粒径不同的气泡相互靠近时，由于附加压力的大小差异，会产生由小气泡指向大气泡的压力差，导致小气泡聚并至大气泡内，如图2 所示。因此，泡沫的粒径均匀程度提高，能够减少气泡聚并的发生，有利于体系稳定性的提高。

图2 气泡粒径差导致气泡聚并Fig.2 Coalescence caused by difference of bubbles’sizes

2）气泡成为体系中的独立流动单元[9-10]。驱油用泡沫体系中通常含有表面活性剂、聚合物等化学添加剂，因此其气泡液膜具有一定的强度，气泡可以随体系流动并维持形貌，亦可产生一定形变。这一特性使气泡在多孔介质能够产生通过、受阻通过和封堵（贾敏效应）三种现象，发生何种现象由气泡粒径和孔隙内水化层内直径的大小关系决定。

由于上述两种特性，泡沫体系中气泡的粒径大小会对体系的稳定性和渗流特征产生影响。目前的研究普遍认为，泡沫体系粒径的减小，能够使泡沫体系具有更强的通过性、液膜占比更高、表面zeta 电位更高、受外力作用小和受浮力作用小等有利于泡沫稳定性提高、原油驱替能力增强的特性[11-17]。同时，相比于调整体系的化学组成，调整泡沫体系的粒径能够更直接地改变体系的物理性能，成本更低，对地层的伤害更小[18-21]。

随着对泡沫流体、多相流等内容研究的深入和检测手段的进步，泡沫驱的机理、适用条件、影响因素、性能优化方式等被逐渐发现，但目前有关驱油用泡沫体系的性能优化仍集中在调整体系的化学组成，通过调整泡沫粒径进行性能优化的研究相对较少。鉴于粒径对泡沫体系性能影响的重要程度，通过机械方式调整体系粒径，以优化体系性能，使其适用于不同油藏条件，不失为一种泡沫驱优化的新方法、新方向。同时，相比于改变化学添加剂组成，制备设备的改造成本更低，能够提高泡沫驱的经济适宜性。本研究通过实验方法，对泡沫粒径对体系性能的影响进行了系统全面的考察，总结归纳出了泡沫粒径对泡沫体系稳定性、气泡衰变和渗流性能的影响方式及规律，能够为泡沫体系性能优化提供新思路。

2 实验准备

2.1 实验材料及方法

使用本实验室自主设计的立式泡沫发生器进行泡沫制备（图3），通过改变筛板目数控制气泡粒径。筛板目数分别为50目、80目、140目、200目、325目和400 目，常压、常温，气液比为2.5∶1，总注入速度为2.1 mL/s，CO2注入速度为1.5 mL/s，液体注入速度为0.6 mL/s，筛板间距2 mm，注入时间3 min，使用NaCl-KCl 型模拟地层水配制，总矿化度9 862 mg/L，粒径（d），μm。测量使用奥林巴斯BX-61 型光学显微镜（Olympus Microscope BX-61，最大放大倍数250x），，由上海麦克林生化科技有限公司生产每次测量100个气泡，结果取平均值±方差。所用化学剂如表1所示，所用无机盐如表2 所示；模拟地层水的矿化度为9 862 mg/L，离子组成如表3所示。所用气体为CO2，纯度99.5%，北京京高气体有限公司生产。渗流实验所用人造岩心为实验室自制，尺寸为长6 cm，直径2.5 cm，体积29.45 cm3，岩心参数及实验分组如表4所示；所用实验平台为实验室自建的无油渗流性能评价装置，装置示意图如图4所示。

表1 实验所用化学剂Table 1 Chemicals used in this study

图3 立式泡沫发生器及其结构Fig.3 Vertical foam generator and its structure

表2 实验所用无机盐Table 2 Inorganic salt used in this study

表3 模拟地层水的离子组成Table 3 Ion composition of formation water

表4 渗流性能测试分组及所用人造岩心参数Table 4 Grouping and parameters of cores used in percolation testing experiment

图4 渗流性能评价装置Fig.4 Equipment for evaluation of percolation performance

2.2 实验内容

1）泡沫稳定性实验

通过考察泡沫体系体积衰减和液体析出的情况，以得到气泡粒径对泡沫体系稳定性的影响规律。在泡沫制备后将其置于封闭容器内静置，考察泡沫体积及余液体积随时间的变化，以泡沫半衰期（泡沫体积衰减至初始体积一半所用的时间，记为t1/2，s）和析液半衰期（泡沫内液体析出一半的时间，记为tD，s）为考察指标。

2）粒径变化实验

考察了不同粒径的泡沫体系其粒径及粒径均匀程度随时间的变化情况，以考察不同体系中气泡聚并的发生情况。选择0 min（制备完成后立即测量）、1 h、泡沫半衰期时间和24 h作为测量点，取样测量气泡的粒径大小并计算方差，每次测量100 个气泡，气泡粒径结果取平均值，粒径均匀程度结果取方差。

3）渗流实验

通过无油泡沫体系渗流实验，考察了50 目、140 目和325 目筛板条件下制备出的泡沫体系在1×10-3μm2渗透率和100×10-3μm2渗透率的多孔介质（人造岩心）中的渗流性能，以阻力因子（泡沫注入时岩心两端压差与注水时岩心两端压差的比值，记为Rf）和残余阻力因子（注入泡沫之前与之后注水时岩心两端压差的比值，记为Rff）为考察指标，其中，阻力因子用于考察泡沫体系的封堵能力，残余阻力因子则能够反映泡沫体系的暂堵程度。

3 实验结果与讨论

3.1 泡沫稳定性实验

气泡粒径对体系稳定性的影响结果如表5所示。

由结果可知，目数越大的筛板制备出的泡沫粒径越小、粒径均匀程度越高、泡沫体系的泡沫半衰期和析液半衰期越长。气泡的形成过程，是液体形成液膜并对气团进行包裹的过程，此过程中通过的气体量、液膜能够承受的附加压力和液膜包裹的速率共同影响气泡的粒径。由于筛板目数不影响筛板的总空隙面积，因此对气体量影响较小，且在一定范围内筛板目数对于液相形成液膜的能力、速率也没有明显影响；而目数较大的筛板具有更小的孔隙，能够对更大粒径范围内的气泡进行切分。因此，筛板目数越大，气液两相的分散越充分、越均匀，导致了泡沫粒径减小、粒径均匀程度提高[22]。同时，结合本实验结果与前文研究的结论，粒径更小的体系液膜更不易因排液而变薄，使得泡沫粒径的减小有利于体系稳定性的增加。粒径均匀程度的提升，使体系中的气泡间粒径差变小，进而使得气泡间附加压力差变小，体系稳定性提高。

表5 粒径对泡沫性能的影响Table 5 Impact of particle size on foam properties

3.2.粒径变化实验

不同初始粒径的泡沫体系其粒径随时间变化如图5所示，粒径均匀程度随时间的变化如图6所示。

图5 粒径随时间的变化Fig.5 Change of particle size with time

图6 粒径均匀程度随时间的变化Fig.6 Uniformity of particle size varies with time

由图5、图6可知，初始粒径更小的泡沫体系，其气泡粒径随时间延长的增量更小；初始粒径均匀程度更高的体系，其粒径均匀程度随时间延长的衰减更小。结合前文内容，粒径越小的气泡其液膜外表面zeta电位越高[16,21-22]，气泡间的斥力越大，气泡更不容易相互接触，能够减少聚并的发生；粒径更小的气泡其液膜紧密程度更高，液膜更厚，内部气体更不易渗透和扩张。同时，小粒径的气泡具有收缩特性[16,23]，能够延缓单个气泡体积增大。在粒径均匀程度更高的体系中，气泡间的粒径差越小，导致气泡间的附加压力差越小，同样能够较少气泡相互接触，减少聚并现象的发生，减少大粒径气泡的形成。

3.3 渗流实验

渗流性能评价实验的结果如图7、图8所示。

由渗流性能评价实验结果可知：

图7 1×10-3 μm2岩心中泡沫的渗流特征Fig.7 Percolation characteristics of foam in with permeabity of cores

图8 100×10-3 μm2岩心中泡沫的渗流特征Fig.8 Percolation characteristics of foam in with permeabity of cores

1）小粒径泡沫体系的阻力因子和残余阻力因子在渗透率1×10-3μm2的岩心中较高，在100×10-3μm2的岩心中较低。有关泡沫体系流动性能、封堵作用的研究中，普遍认为泡沫体系的封堵效果随渗透率升高而提高[24-25]，与本实验结果有所差异。分析认为，小粒径的泡沫体系粒径[26-28]，由于其泡沫粒径小，在大直径孔隙更多的高渗透率环境下难以匹配能够发生贾敏效应的孔隙，使其在高渗透率条件下两项考察指标的提升程度较低；而在低渗透率环境下，小直径孔隙更多，气泡更易进入孔隙直径小于其粒径的窄小孔道，使贾敏效应发生更加频繁，在宏观上表现为两项考察指标提升程度较高。

2）在相同渗透率条件下，气泡粒径越小，封堵效果越好。小粒径的泡沫在岩心中的波及体积更大，能够进入更多的孔隙中；大直径的孔隙则由泡沫破裂所产生的游离气团进行封堵：根据液膜的产生机理，大团游离气体在通过孔喉进、出孔隙时，可被看作是一个粒径较大的气泡，其同样能够产生贾敏效应。

3）在两种渗透率条件下，残余阻力因子均明显小于阻力因子。这是由于泡沫和模拟地层水的黏度、流动性差别很大，两者有各自的流动通道，导致了后段注水时岩心前后压差减小。同时，注泡沫后注水会对处于暂时性封堵状态的气泡产生干扰，容易导致其破灭或是发生移动，解除暂时性封堵，这也会使岩心前后压差减小。根据实验结果，粒径较大的泡沫体系暂堵现象占据的比例更大。

4 结论

本研究通过实验，考察了气泡粒径对驱油用泡沫体系的稳定性、粒径变化和在多孔介质中渗流特征的影响，根据实验结果，得出主要如下结论：

1）对组成相同的泡沫体系而言，粒径更小、粒径均匀程度更高的体系具有更强的稳定性，体系中的气泡更不易破裂、消失，并且气泡粒径随时间的增幅更小，气泡间的聚并更不易发生。

2）在渗透率不同时，大、小粒径的泡沫体系均在低渗透率条件下表现出了更好的封堵效果；而在相同渗透率条件下，粒径较小、均匀程度更高的泡沫体系表现出了更好的封堵效果。