高温高盐油藏泡沫凝胶复合封窜体系的制备与评价

赖南君，袁琳，杜朝峰，李文宏，唐雷，闻一平，张亚红

(1.西南石油大学，四川 成都 610500；2.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，陕西 西安 710018；3.中国石油长庆油田分公司勘探开发研究院，陕西 西安 710018)

我国日益增长的原油进口依存度使得解决原油的增产问题已迫在眉睫。目前，注水开发依然是各油田最主要的开发方式[1-4]。然而，由于天然的地质沉积[5]及人工开发[6](包括注水、酸化压裂等)致使储层出现裂缝，加之水相黏度低于油相黏度等因素存在，使得油井出现见水过早、采出液含水较高、水窜频发等问题，严重阻碍了各油田增产效果。

大量研究表明，通过注入封窜体系来改善注水增产效果是行之有效的。常见的封窜体系包括颗粒类[7-8]、凝胶类[9-13]、泡沫类[14-15]等。李志华等[16]研究了不同粒径范围内的硅酸盐颗粒的封堵情况并开展现场应用，结果表明硅酸盐颗粒堵剂能有效控制常规油井含水上升及改善产液剖面。王桂珠等[17]研制出一种新型复合凝胶堵剂，该新型堵剂封堵率可达97%以上。张杰[18]通过将栲胶与泡沫复配得到一种新型泡沫体系，并进行室内驱替实验及现场应用，结果表明该体系对改善剖面和封堵汽窜都有着较好效果。然而，由于国内开采力度持续增加，致使开发重点逐渐向高温高盐等地质条件恶劣的油藏延伸。针对上述油藏，本文提出采用泡沫凝胶复合封窜体系进行封堵。

泡沫体系是一种表观黏度很高的流体，具有优异的流度控制能力，并且由于泡沫“堵水不堵油”的特性，使其具有很好的洗油能力[19]；凝胶体系是通过聚合物与交联剂反应生成三维网络结构，从而对高渗透层进行有效封堵，促使后续驱替液转向更多未波及区域，提高原油采收率。泡沫凝胶体系则是结合泡沫与凝胶的新型封堵剂，具有泡沫与凝胶双重优势[20]。本文以起泡剂与凝胶为封窜主剂，通过评价起泡性能、成胶性能对体系进行优选，同时对泡沫凝胶体系进行微观表征及室内物模试验，为泡沫凝胶体系在高温高盐油藏的现场应用提供理论依据及指导。

1 实验部分

1.1 实验材料

AP-P3，相对分子质量为(1～1.5)×106，固含量88.0%，粉状，工业品，水不溶物含量为0.2%，四川光亚科技股份有限公司；酚醛交联剂，实验室自制；氯化钠(NaCl)、氯化钙(CaCl2)、氯化镁(MgCl2)、氯化钡(BaCl2)、碳酸氢钠(NaHCO3)、十二烷基硫酸钠(SDS)、十二烷基苯磺酸钠(SDBS)、α-烯烃磺酸钠(AOS)、脂肪酸甲酯磺酸盐(MES)、十六烷基三甲基氯化铵(CTAC)、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠(AES)、硫脲等均为分析纯，成都科龙化学试剂厂；填砂管模型(尺寸为φ30 cm×2.5 cm)。

实验所用原油取自新疆某油田(经脱气、脱水处理)，25 ℃平均密度为0.949 g/cm3，50 ℃地面脱气原油表观黏度为3 200 mPa·s；模拟地层水组成成分见表1；本文溶液均采用表1所示模拟地层水进行配制。

表1 模拟地层水组成

1.2 分析测试仪器

VSA2000B吴茵混调器调速器，北京探矿工程研究所；Brookfield DV-Ⅲ黏度计，美国Brookfield公司；FEI Quanta 450FEG扫描电镜，美国FEI公司；BS200-SS型显微镜，台湾博盛科研仪器公司；2PB-1040Ⅱ型平流泵(0.01～9.99 mL/min，Pmax=42 MPa)，北京卫星制造厂；D08-8C型数字化流量积算仪(量程0～5 mL/min)，北京七星华创流量计有限公司；活塞容器(Pmax=15 MPa)；SG83-1型双联自控恒温箱(Tmax=350 ℃)；压力传感器(0～10 MPa)；高压氮气。岩心流动实验流程图见图1。

图1 岩心驱替实验流程

1.3 凝胶体系性能的测试

聚合物用模拟地层水配制为5 000 mg/L的母液，稀释为不同浓度后加入交联剂配制成凝胶体系；用Brookfield DV-Ⅲ黏度计测定其初始黏度，然后放入150 ℃的烘箱中静置成胶，通过黏度法[21]确定凝胶体系的成胶时间及成胶强度。

1.4 泡沫体系性能的测试

本实验采用常规Waring-Blende法测试泡沫体系的起泡性能，先用模拟地层水配制不同浓度的起泡剂溶液，放入150 ℃烘箱中老化48 h；取出后采用Waring-Blende搅拌器以6 000 r/min搅拌1 min；将搅拌后产生的泡沫倒在具塞量筒里，读取泡沫的最大起泡体积V0，以及底部析出50 mL液体所用时间即析液半衰期t1/2，将两者乘积作为评价泡沫体系性能的主要参数，即综合泡沫评价指数FC[22]。

1.5 泡沫凝胶体系的配制

配制一定浓度聚合物溶液，并加入起泡剂与交联体系，搅拌均匀后置于Waring-Blende搅拌器中剪切成泡沫，倒入具塞量筒里，放入150 ℃烘箱里观察成胶情况。

1.6 泡沫凝胶体系微观形貌测试

本实验采用FEI Quanta 450FEG环境扫描电子显微镜观察泡沫体系和泡沫凝胶体系的微观形貌。采用Waring-Blende法产生泡沫，为尽可能保证泡沫的形貌，将产生的泡沫迅速用液氮冷冻干燥4 h后进行观察。

1.7 室内驱替实验

1.7.1 封堵实验

1)测量填砂管干重，设置注入流速为0.5 mL/min进行饱和模拟地层水至压力稳定，测量填砂管湿重，并计算孔隙体积、渗透率；2)设置氮气注入流速为0.7 mL/min，泡沫凝胶基液注入流速为0.3 mL/min，共注入0.5 PV泡沫凝胶体系；3)将填砂管置于150 ℃烘箱48 h后，以0.5 mL/min的注入流速进行后续水驱，计算封堵率。

1.7.2 剖面改善实验

1)并联两根高、低渗透填砂管，重复封堵实验前两步；2)将填砂管置于150 ℃烘箱48 h后，再以0.5 mL/min恒定流速进行后续水驱，并间隔相同时间记录高、低渗岩心的出液量，计算分流率。

1.7.3 驱油实验

1)重复封堵实验第一步；2)以恒定流速0.5 mL/min向填砂管饱和原油后，计算含油饱和度；3)以恒定流速0.5 mL/min对填砂管进行水驱至含水率98%，计算水驱采收率；4)再以恒定流速0.5 mL/min向填砂管中注入不同注入体积泡沫凝胶体系；5)以恒定流速0.5 mL/min进行后续水驱，直至出口端含水率98%，计算后续水驱采收率。

2 结果与讨论

2.1 凝胶体系与泡沫体系性能测试

2.1.1 凝胶体系成胶性能分析

不同浓度凝胶体系成胶情况见表2。随着聚合物AP-P3浓度的增加，凝胶体系的成胶时间逐步缩短，成胶强度则持续增加。凝胶体系交联主要是通过AP-P3提供的酰胺基与酚醛交联剂提供的多羟基间苯二酚发生交联反应，形成凝胶。当聚合物浓度增加时，酰胺基含量随之增加，说明提供反应的交联位点也在增加，因此凝胶体系成胶强度增加。同时，AP-P3与酚醛交联剂浓度的增加，使得酰胺基与多羟基间苯二酚接触的几率变大，致使成胶速率增加，成胶时间缩短。此外，当AP-P3浓度大于3 000 mg/L时，凝胶体系成胶强度已大于20 000 mPa·s，并且凝胶体系成胶强度增加幅度变缓。因此，综合凝胶体系成胶时间、成胶强度以及聚合物成本等各方面因素考虑，本实验选用AP-P3浓度为3 000 mg/L的凝胶体系进行下一步研究。

表2 不同浓度凝胶配方

2.1.2 泡沫体系起泡性能分析

不同起泡剂起泡性能如图2所示。起泡性能包括泡沫体系的起泡能力与稳泡能力，本实验中通过测量各起泡剂的起泡体积与析液半衰期，并以二者乘积所得值作为评价起泡剂起泡性能的宏观指标。由图2a可以看出，随着起泡剂浓度的增加，泡沫体系的起泡体积先急剧上升，后在某一浓度趋于平稳或略有下降。其中，MES起泡能力最差，其余5种则没有明显差距。由图2b可以看出，6种起泡剂的稳泡趋势与起泡趋势基本一致，都是先上升后趋于平稳。6种起泡剂稳泡能力分别是AOS>SDS>SDBS>MES>AES>CTAC。结合图2c可以看出，AOS综合泡沫评价指数最高。此外，在浓度大于2 000 mg/L时，起泡性能受浓度影响较小。因此，将2 000 mg/L的AOS作为泡沫凝胶体系的起泡剂进行下一步研究。

2.2 泡沫凝胶体系微观形貌分析

采用显微镜观察不同时间下泡沫体系和泡沫凝胶体系的形貌，实验结果见图3。对比泡沫体系与泡沫凝胶体系0 min时的图片(图3a、图3d)可知，泡沫体系均匀且密集，尺寸较小，而泡沫凝胶体系生成的泡沫不均匀，尺寸较大，由此可知，凝胶的引入对泡沫起泡能力产生了不利影响。众所周知，泡沫的形成主要是表面活性剂分子在气/液界面的吸附，而泡沫凝胶体系所用主剂AP-P3是疏水缔合聚合物，当两者混合时，AP-P3便会占据一部分气/液界面的吸附位点，从而导致泡沫凝胶体系的起泡能力下降。

泡沫的衰变过程主要包括泡沫的析液、粗化、聚并。对比泡沫体系30 min与泡沫凝胶体系2 h显微镜图片(图3c、图3f)可知，同一视野范围内，泡沫体系尺寸迅速变大，数量急剧减少，而泡沫凝胶体系则没有太大变化。并且泡沫体系气泡形状由最初的球形逐渐变为多面体型，在这种形状下泡沫液膜变得越来越薄，也越来越容易破裂。而泡沫凝胶体系则在经过2 h衰变后，气泡依然维持较好的球形，不易破裂。对比两种体系可知，泡沫体系的液相是水相，而泡沫凝胶体系的液相则变为凝胶相，极大地增加液相黏度，相较于一般聚合物泡沫可以更进一步降低泡沫的析液速率，使泡沫更加稳定。此外，通过拉普拉斯方程[23]可以知道(见式1)，小气泡内的压力要高于大气泡内的压力，形成的拉普拉斯压差是泡沫发生粗化的推动力，促使小气泡向大气泡扩散。从图中可以看出泡沫凝胶体系的液膜更厚，极大程度地阻碍了气泡间传质，控制泡沫的粗化速率，进而稳定泡沫液膜并维持在较大的厚度[24]。

(1)

图2 不同起泡剂的起泡性能

图3 泡沫体系与泡沫凝胶体系的显微镜图

ESEM环境扫描电子显微镜结果见图4，测试精度为100 μm，放大倍数1 000倍。其中，图4a是泡沫体系的微观形貌，可以看出，泡沫体系在经液氮冷冻干燥后依然可以观察到一部分泡沫未破裂，其结构与显微镜观察的泡沫结构基本一致，生成的泡沫皆是单层泡沫，且尺寸不均，形状多为多边形。此外，还可以看出泡沫间液膜非常薄，厚度基本维持在0.5～2.0 μm，平均液膜厚度在1.3 μm左右，多个气泡之间形成的主体骨架较为脆弱，导致泡沫稳定性较差；图4b是泡沫凝胶体系的微观形貌，可以看出，冷冻干燥后泡沫破裂留下多个孔洞结构，多个孔洞之间的主体骨架似撑开的薄膜，这是凝胶成胶后形成的三维网状结构组成的泡沫“保护膜”，泡沫凝胶体系液膜厚度基本维持在70～120 μm，平均液膜厚度在100 μm左右，多个气泡之间形成的骨架较为粗壮，更大程度地减缓泡沫析液速率。同时，泡沫凝胶体系形成的多层层状结构也阻碍泡沫的析液过程，使得泡沫的稳定性得以大幅提高。在多孔介质中运移时，泡沫凝胶体系黏度逐渐增加，形成黏弹性外壳，改善水在泡沫液膜上的流动性并降低泡沫析液速率，从而增强泡沫稳定性[25]。成胶后，交联反应形成的三维网状结构将气泡圈闭在内，形成高强度泡沫，能有效封堵高渗透储层。并且在气泡破裂后，释放出的气体能增加地层能量，同时剩余的凝胶依然具有较高的黏度，能确保较高的封堵能力。

图4 泡沫体系与泡沫凝胶体系的ESEM图

2.3 泡沫凝胶体系岩心流动实验

2.3.1 封堵能力研究

封堵率(式2)大小能够直接反映泡沫凝胶体系的封堵能力，是评价其性能好坏的重要指标之一。封堵率越大，则封堵能力越强，性能越好；封堵率越小，则封堵能力越弱，性能越差。

(2)

式中，K1为注入调堵剂前多孔介质的渗透率，10-3μm2；K2为注入调堵剂后多孔介质的渗透率，10-3μm2。

2.3.1.1 注入体积对封堵能力的影响

在保持泡沫凝胶体系注入速度不变的条件下，通过改变体系注入体积研究对封堵能力的影响，如表3所示。泡沫凝胶体系对岩心的封堵能力随注入体积增大而增大，且注入0.5 PV泡沫凝胶体系后封堵率可达97.35%。

表3 不同注入体积对泡沫凝胶体系封堵能力影响

2.3.1.2 渗透率对封堵能力的影响

通过改变渗透率研究泡沫凝胶体系对封堵能力的影响，如表4所示。当渗透率为3 000×10-3μm2时，封堵率可达90.21%；当渗透率为500×10-3μm2时，封堵率为98.43%，说明对于渗透率越低的地层，泡沫凝胶体系的封堵性能越好。

表4 不同岩心渗透率对泡沫凝胶体系封堵能力影响

2.3.2 剖面改善能力研究

实际油藏是由渗透率不同的油层组成的，而单岩心的封堵实验只能说明泡沫凝胶体系在单一地层中的封堵能力，为了说明泡沫凝胶体系对不同渗透率层状的分流作用，即在不同渗透率地层中的选择性封堵能力，可以用并联岩心调驱剂实验来模拟，并以剖面改善率(η)来定量描述：

(3)

式中，Qhb，Qlb为注入泡沫凝胶体系前高、低渗透层吸水量，mL；Qha，Qla为注入泡沫凝胶体系后高、低渗透层吸水量，mL。

泡沫凝胶体系对不同渗透率级差地层的分流曲线见图5。

表5 不同渗透率级差对泡沫凝胶体系剖面改善率的影响

表6 泡沫凝胶体系提高采收率能力

图5 泡沫凝胶体系在不同渗透率级差下的分流曲线

在注入泡沫凝胶体系后，高低渗透率岩心的吸水能力得到了很好的改善。当渗透率级差3时，剖面改善率为72.19%；当渗透率级差为7时，剖面改善率已大于90%，说明渗透率级差越大，泡沫凝胶体系剖面改善能力越强。这是由于岩心经过泡沫凝胶处理后，进入高渗透层的体系的量越多，渗透率下降幅度越大，从而使高渗层的吸水量得到改善。

2.3.3 提高采收率能力研究

通过改变泡沫凝胶体系注入体积研究对提高采收率能力的影响，实验结果见图6。当泡沫凝胶体系注入体积达0.3 PV时，可提高采收率13.68%，并且，随着注入体积的增加，泡沫凝胶体系提高采收率能力也呈上升趋势，当注入体积达0.7 PV时，提高采收率可达18.22%。

图6 泡沫凝胶体系在不同注入体积下提高采收率能力

3 结 论

a.通过实验最终确定泡沫凝胶体系的配方为：AP-P3浓度为3 000 mg/L、酚醛交联剂浓度为1 875 mg/L、硫脲的浓度为250 mg/L、AOS的浓度为2 000 mg/L。

b.对比泡沫体系与泡沫凝胶体系在显微镜下变化情况可知，泡沫体系生成的气泡尺寸小且均匀，稳定性较差；泡沫凝胶体系生成的气泡尺寸较大且不均匀，稳定性好。结合两种体系微观形貌可知，泡沫凝胶体系成胶后在气泡表面覆盖着一层凝胶，增加了液膜的厚度，同时增加了液相黏度，从而减缓了泡沫的析液速率，提高了泡沫的稳定性。

c.封堵实验表明泡沫凝胶体系在渗透率为500×10-3μm2左右及较高注入体积时具有较好的封堵能力，封堵率最高可达97.43%；剖面改善实验表明泡沫凝胶体系能够有效改善吸液剖面，封堵高渗、启动低渗，并且渗透率级差越大，剖面改善能力越好；驱油实验表明泡沫凝胶体系具有较好的提高采收率能力，当注入体积达0.5 PV时，提高采收率可达16%以上。