三相泡沫调驱体系提高蒸汽驱采收率*

郑家桢，张贵才，裴海华，单景玲，蒋 平，吴 晗

（1.中国石油大学（华东）石油工程学院，山东青岛 266580；2.非常规油气开发教育部重点实验室（中国石油大学（华东）），山东青岛 266580）

我国稠油资源丰富，蒸汽驱是目前开采稠油的有效方式之一。但是地层的非均质性、蒸汽密度及黏度均很低，容易导致蒸汽超覆、蒸汽窜进甚至指进现象的发生，使蒸汽的波及系数降低，严重影响蒸汽驱的最终采收率［1-3］。在蒸汽热采中引入高温调驱剂可以抑制蒸汽窜进，提高蒸汽的波及体积，是改善蒸汽驱开发效果的有效手段［4-5］。高温泡沫调驱剂既可抑制蒸汽的超覆又可降低蒸汽的流度，同时泡沫还具有“堵大不堵小，堵水不堵油”的选择性封堵特点。但是常规起泡剂和稳泡剂在高温下难以保持良好的效果，目前常通过对现有表面活性剂的复配提升起泡剂的性能［6-8］。稳泡剂逐渐由有机材料转向无机材料，新型稳泡剂如改性纳米二氧化硅的应用，很大程度上提高了泡沫在高温环境中的稳定性［9］。本文将磺酸盐表面活性剂ZAS、聚醚磺酸盐表面活性剂ZCP-1 和改性纳米硅颗粒NS 复配研制了耐温300 ℃的三相泡沫调驱体系，并通过实验评价该体系的泡沫性能、耐温性能、封堵性能和驱油性能。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

磺酸盐表面活性剂ZAS，含量95%，山东达维化学剂公司；改性纳米硅颗粒NS，粒径范围分布在50～100 nm，含量99%，山东达维化学剂公司；聚醚磺酸盐表面活性剂ZCP-1、ZCP-2、ZCP-3、ZCP-4，聚氧乙烯（EO）数分别为4、6、8、10，含量98%，山东达维化学剂公司；实验用油为脱气脱水稠油，黏度921 mPa·s（50 ℃），密度0.9785 g/cm3；实验用水为模拟地层水，矿化度9358 mg/L，主要离子质量浓度（单位mg/L）为：Na+2612、K+164、Mg2+157、Ca2+144、Cl-3323、SO42-417、HCO3-2465、CO32-77；填砂管，长度30 cm、直径2.5 cm，海安石油科研仪器厂。

LB20ES型Waring Blender 搅拌机，美国斯伯明公司；整套高温驱油装置，实验室定制，海安县石油科研仪器厂；5800E Series型气体流量计，美国Parker Hannifin公司。

1.2 实验方法

1.2.1 起泡性能测试

采用Waring Blender法，以起泡体积、析液半衰期和泡沫半衰期为指标，确定最优泡沫体系配方，并评价其泡沫性能。具体实验步骤如下：先用模拟地层水配制200 mL 的泡沫体系溶液，再取100 mL待测溶液倒入搅拌器中，在常温下，以3000 r/min的转速搅拌60 s 后形成均匀稳定的泡沫，然后将泡沫迅速倒入1000 毫升的量筒中，记录泡沫体积、析液量一半和泡沫体积衰减一半时需要的时间。

1.2.2 耐温性能评价

以热老化后泡沫体系的起泡体积、析液半衰期和泡沫半衰期为指标，评价泡沫体系的耐温性能。具体实验步骤如下：将泡沫体系溶液注入安瓿瓶，封口后置入300 ℃的恒温箱中老化24 h，采用Waring Blender 法测定老化后待测液的起泡体积、析液半衰期和泡沫半衰期。

1.2.3 封堵性能测试

采用长度30 cm、直径2.5 cm 的一维耐高温填砂管模型进行泡沫封堵性能测试，实验装置图见1。按照中国石油天然气行业标准SY/T 5672—93《注蒸汽用高温起泡剂评定方法》，在300 ℃、10 MPa、气液比1∶1 条件下测定泡沫体系的阻力因子（泡沫驱压差与气水混注压差之比），以阻力因子为指标评价泡沫体系在多孔介质中的封堵性能。

1.2.4 岩心驱油实验

图1 泡沫驱阻力因子测定实验装置流程图

采用两根长度30 cm、直径2.5 cm 的耐高温填砂管模型进行双管驱油实验，实验装置流程图见图2。具体实验步骤如下：首先采用湿法填砂方法填制渗透率级差为1∶2（渗透率762×10-3/1537×10-3μm2）的岩心；将人造岩心饱和模拟地层水后，饱和油后老化24 h，计算含油饱和度；以2 mL/min 的注入速率注入蒸汽（蒸汽干度为0.85），当产液的含水率大于98%时以气液比1∶1注入泡沫，总注入速率为2 mL/min，注入量达到设计值时停止注入；进行后续蒸汽驱，当产液的含水率大于98%时停止驱替；计量产出液，计算采收率。

图2 岩心驱油实验装置流程图

2 结果与讨论

2.1 三相泡沫体系构建和性能评价

2.1.1 泡沫体系的筛选和评价

磺酸盐表面活性剂具有良好的起泡性能和耐温性能，为了适应蒸汽驱高温的特点，选用磺酸盐表面活性剂ZAS 与聚醚磺酸盐表面活性剂ZCP-1（或ZCP-2、ZCP-3、ZCP-4）复配，复配泡沫体系的泡沫性能见表1，总质量分数为0.5%，ZAS、ZCP-1（或ZCP-2、ZCP-3、ZCP-4）复配比分别为2∶1、3∶1和4∶1。由表1可知，对比单一ZAS体系的泡沫性能，复配体系的起泡体积均有所提高，析液半衰期和泡沫半衰期受不同类型和比例聚醚磺酸盐表面活性剂的影响效果不同，ZAS 和ZCP-4 以2∶1 复配时的析液半衰期和泡沫半衰期均大幅度缩短，而ZAS 和ZCP-1以3∶1复配时析液半衰期和泡沫半衰期均得到大幅度延长。聚醚磺酸盐表面活性剂对起泡剂ZAS 具有增泡效果，是因为两者复配能达到更低的表面张力，在形成稳定液膜的条件下生成更多的泡沫；特定的聚醚磺酸盐表面活性剂如ZCP-1 能提高ZAS生成泡沫的稳定性，是因为加入ZCP-1 后泡沫的静电斥力增大，薄膜的稳定性增强，阻止泡沫的聚并作用。磺酸盐表面活性剂ZAS 和聚醚磺酸盐表面活性剂ZCP-1 以3∶1 复配时泡沫性能最佳，起泡体积达到730 mL，析液半衰期和泡沫半衰期分别稳定在7.53 min和201 min，因此确定最佳的泡沫体系配方为0.5%的ZAS/ZCP-1（复配比为3∶1）。

表1 泡沫体系复配实验结果

2.1.2 纳米颗粒的稳泡效果

在ZAS/ZCP-1 泡沫体系（总质量分数0.5%，复配比3∶1）中加入不同质量分数的改性纳米硅颗粒NS，NS加量对泡沫体系泡沫性能的影响见图3。由图3 可知，随NS 加量的增大，所形成泡沫体系的泡沫体积逐渐减小，析液半衰期和泡沫半衰期先增加后减小。当NS 加量为1.0%时，三相泡沫体系的起泡体积达到680 mL，析液半衰期达26.67 min，泡沫半衰期达12 h，故确定三相泡沫体系配方为：0.5%ZAS/ZCP-1（复配比3∶1）+1.0%NS。

图3 不同NS加量下三相泡沫体系的泡沫性能

泡沫是热力学不稳定体系，会自发产生排液、歧化和聚并现象来降低自由能，最终破灭。泡沫的稳定性主要取决于液膜的稳定性，受表面黏度、液相黏度、Marangoni效应、液膜表面电荷等因素的影响。稳泡剂主要通过提高泡沫表面或液相黏度、吸附在泡沫液膜表面、提供静电斥力或增大空间位阻等方式来提高泡沫的稳定性［12-14］。纳米颗粒NS 吸附在气液界面上，可以增加液膜的黏弹性，起到阻止泡沫聚并、稳定泡沫的效果，同时高浓度的NS可以形成三维网状结构，增加液相黏度，延缓泡沫的排液进程和气相的扩散作用，进一步稳定泡沫。随NS 加量的增大，其阻止液膜变薄的能力增强，但增长到一定程度后会影响泡沫的Marangoni 效应，导致泡沫的稳定性降低，表现为析液半衰期和泡沫半衰期缩短。

2.1.3 三相泡沫体系的耐温性能

将不同NS 加量的三相泡沫体系置于300 ℃高温环境下热老化处理24 h，热老化处理后三相泡沫体系的泡沫性能见图4。由图4可知，300 ℃热老化处理24 h后，该三相泡沫体系仍然具有良好的泡沫性能，当NS 加量为1.0%时，起泡体积为600 mL、析液半衰期为18.67 min、泡沫半衰期为10.75 h，与热老化处理前的泡沫性能（泡沫体积680 mL、析液半衰期26.67 min、泡沫半衰期12 h）相比有一定损失，但是仍能生成稳定性良好的高体积泡沫。所构建的三相泡沫体系具有良好的耐温性能，理论上能应用于蒸汽驱高温环境中。

图4 热老化后不同NS加量下三相泡沫体系的泡沫性能

2.2 三相泡沫体系的封堵性能

以阻力因子为指标，评价三相泡沫体系的封堵调驱性能。在温度300 ℃、气液比1∶1条件下，三相泡沫体系在不同渗透率填砂管中的阻力因子见图5。由图5可知，该三相泡沫体系在实验条件下对不同渗透率填砂管模型的阻力因子随填砂管模型渗透率增大而逐渐上升，且均大于30，具有优秀的封堵调驱能力，符合泡沫型堵剂“堵大不堵小”特点。这是因为泡沫在低渗孔隙介质中运移时，由于低渗层孔喉半径小，产生的毛细管力大，液膜受到较大压力而易于破裂，因而封堵能力下降；在高渗孔隙介质运移时，能产生稳定的泡沫，大量的泡沫堵塞孔道形成叠加的贾敏效应，为后续流体注入提供更大的阻力，迫使后续流体进入泡沫未封堵的区域。注蒸汽封堵后的蒸汽驱过程中，蒸汽在高渗透孔隙介质中通过孔隙时必须给予足够的压差使喉道处泡沫产生变形和破裂，形成的高强度的泡沫液膜使气相的流动能力急剧降低，从而使压力升高，泡沫的流动阻力高于其在低渗透多孔介质中的流动阻力。起泡剂在地层孔道中产生的泡沫占据孔隙空间，高强度的泡沫液膜形成巨大的段塞阻力，迫使以后注入的蒸汽转向未波及带，调整吸汽剖面，起到封堵调驱作用。

图5 三相泡沫不同渗透率条件下的阻力因子

2.3 三相泡沫体系的驱油性能

为评价上述三相泡沫体系在非均质地层条件下提高采收率的能力，采用渗透率级差为2 的双管模型在温度为300 ℃、气液比为1∶1 下进行物理模拟驱油实验，实验基础参数和采收率见表2，采收率曲线见图6，分流量曲线见图7。

图6 采收率随注入体积的变化

图7 分流量随注入体积的变化曲线

表2 双管模型驱油实验结果

蒸汽驱初期，高渗管和低渗管出液口同时出液，但高渗管出液速率明显快于低渗管的，随蒸汽注入量的增加，高渗管采出液由原油变为原油和乳状液的混合物，低渗管出液量逐渐降低直至不出液。转注泡沫后，低渗管恢复出液，驱替一段时间后采出液也变为原油和乳状液的混合物，此时低渗管出液量快于高渗管。由图6 和表2 可以看出，当在渗透率级差为2的非均质地层条件下进行蒸汽驱时，注入2.62 PV蒸汽后采出液含水率大于98%，此时高渗管采收率达54.34%，而低渗管采收率只有35.63%，综合采收率45.44%。注入0.5 PV的泡沫后继续注入4.51 PV 蒸汽后停止，最终综合采收率可达63.37%，较注入泡沫前提高了17.93%。

由图7 可以看出，蒸汽驱初期高渗管分流量约70%，低渗管出液量约30%；随注入量的增大，高渗管分流量越来越大，而低渗管分流量逐渐降低至0；注入泡沫后，高渗管分流量逐渐减少，而低渗管分流量逐渐上升，最后低渗管分流量稳定在60%左右，高渗管分流量稳定在40%左右。这说明泡沫选择性地进入高渗管并形成了有效封堵，调整了吸汽剖面，使得后续注入蒸汽大部分进入低渗管，从而大幅提高了低渗管采收率。泡沫只封堵了高渗管中蒸汽冲刷形成的高渗透带，叠加贾敏效应形成很大的渗流阻力，迫使蒸汽进入未被封堵的小孔隙，将剩余油驱替出来，提高了高渗管的采收率。由上述实验结果可知，该三相泡沫调驱体系具有良好的提高采收率的能力。

3 结论

以磺酸盐表面活性剂ZAS、聚醚磺酸盐表面活性剂ZCP-1 和改性纳米硅颗粒NS 复配构建了耐温300 ℃三相泡沫调驱体系，配方为0.5%ZAS/ZCP-1（复配比3∶1）+1.0%NS。该三相泡沫体系性能优异，常温下泡沫体积为680 mL、析液半衰期为26.67 min、泡沫半衰期为12 h，300℃热老化处理后性能稳定，起泡体积为600 mL、析液半衰期为18.67 min、泡沫半衰期为10.75 h，可以满足蒸汽驱开发需求。

该三相泡沫调驱体系在300 ℃高温条件下可以稳定存在且具有较好的封堵性能，能选择性封堵高渗透层，对不同渗透率（1000×10-3～4000×10-3μm2）填砂管的阻力因子均大于30，阻力因子随着岩心渗透率的增加而增大。

该三相泡沫调驱体系在渗透率级差为1∶2的非均质地层条件下能提高采收率17.93%。该体系可以调整吸汽剖面，使蒸汽转向进入低渗区域，提高蒸汽波及体积，改善非均质地层蒸汽驱的开发效果，具备良好的矿场应用潜力。