不同泡沫体系在多孔介质中的形成与运移特征

郭程飞，石 彬，康胜松，高 峰，王 崟

（陕西延长石油（集团）有限责任公司研究院，陕西西安 710065）

泡沫为假塑性流体，具有独特的渗流特征，能够选择性封堵高渗透层，扩大波及体积而大幅度提高采收率[1-3]。在高温、高盐油藏条件下泡沫驱的应用效果受到影响[4，5]，改善泡沫性能一方面使用耐温、抗盐型表面活性剂单剂或复配体系作为发泡剂（如两性离子表面活性剂、阴非离子表面活性剂等），另一方面外加稳泡剂（如聚合物、纳米颗粒等）进一步增强泡沫稳定性[6-8]。但是部分学者研究表明，添加聚合物稳泡剂在提高泡沫稳定性的同时，降低了发泡性[9-11]。因此，有必要针对不同泡沫体系在多孔介质中的形成过程开展研究，认识不同泡沫体系的运移特征，为改善泡沫驱现场应用效果提供依据。

1 实验材料

1.1 材料与仪器

实验所用泡沫体系分别为原体系、复配体系和强化体系三种，构成如下。

原体系：0.15wt.% CHSB。

复配体系：0.105wt.% CHSB+0.045wt.% AES+150 mg/L 十四醇。

强化体系：0.105wt.% CHSB+0.045wt.% AES+150 mg/L 十四醇+1 200 mg/L PAAO-1。

其中，发泡剂为椰油酰胺丙基羟磺基甜菜碱（CHSB）、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠（AES），临沂市兰山区绿森化工有限公司，助剂为十四醇，成都市科隆化学品有限公司；聚合物为实验室合成的耐温抗盐疏水缔合聚合物（PAAO-1），由丙烯酰胺亲水单体、丙烯酸正辛酯疏水单体、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸耐温抗盐结构单体共聚合成，相对分子质量618×104Dalton。

实验用水均为模拟地层水，矿化度160 599 mg/L，离子浓度为：Na++K+53 090 mg/L、Ca2+7 416 mg/L、Mg2+1 204 mg/L、Cl-97 400 mg/L、SO42-1 224 mg/L、HCO3-265 mg/L，成都市科隆化学品有限公司。实验用气为压缩空气，成都天源气体制造有限公司。

仪器设备包括恒温箱、中间容器、发泡装置、填砂管、压力表、压力变送器、六通阀、管线及阀门、回压阀、真空泵、平流泵、气体质量流量计及手摇泵等驱替设备（江苏海安石油科研仪器厂定制），分析天平（JA1003N，上海佑科仪器仪表有限公司），光学显微镜（N-10E，南京江南永新光学有限公司），高压气瓶等。

1.2 实验方法

1.2.1 不同泡沫体系泡径分布实验 使用泡径为指标考察三种泡沫体系形成过程。应用驱替方法在泡沫发生器中发泡，形成泡沫后，制成薄片并移至显微镜下拍摄照片，统计泡沫个数，测量泡径（见图1），每组样品重复测量三次，要求统计的泡沫数量大于120 个[12]，测量结果取平均值。实验条件为常温（25 ℃）、常压（101.325 kPa），气/液比为4:1，设计高、低两种驱替速度，控制总驱替速度分别为0.5 mL/min 和3.0 mL/min。

图1 泡径测量实验流程图

1.2.2 不同泡沫体系运移特征实验 使用的物理模型为Φ5.2×100 cm 填砂管，填砂管上带两个测压点，与入口端和出口端的测压点，将填砂管分为三段，按驱替方向分为前段、中段及后段。石英砂填制岩心。填砂管抽真空饱和模拟地层水，测量孔隙体积；填砂管接入实验流程中，以0.5 mL/min 水驱岩心测渗透率。然后分别开展三种泡沫体系的岩心运移特征及规律实验，记录每个测点的压力变化情况。实验温度为80 ℃、回压为6 MPa，实验参数：驱替速度为0.5 mL/min、气/液比为1:1、无油及气液共注。岩心参数（见表1）、实验流程（见图2）。

表1 泡沫运移特征实验岩心参数

图2 多测压点岩心驱替实验装置流程图

式中：k-渗透率，μm2；L-岩心长度，cm；A-岩心截面积，cm2；Δp-驱替压差，MPa；Q-驱替速度，cm3/s；μ-泡沫黏度，mPa·s。

2 结果与讨论

2.1 泡沫形成特征

根据观察结果（见图3），原体系和复配体系形成的泡沫更细腻，而强化体系形成的泡径大、分布范围广，说明强化体系形成泡沫能力相对较差，验证了强化体系由于溶液黏度高，不利于液膜回流发生卡断形成泡沫的观点[11，13]。但随着驱替速度的增加，引入系统的能量提高，强化体系形成的泡沫细腻和均匀。由于复配体系较原体系具有更低的表面张力，复配体系的泡径较小、分布集中，并且泡径随驱替速度增加的变化幅度小，表明复配体系在较低驱替速度下即可产生细腻、均匀的泡沫，其形成泡沫的能力在三种体系中最强。

图3 不同体系泡径图像

2.2 泡径大小及分布

不同驱替速度条件下，三种泡沫体系的泡径分布（见图4）。当驱替速度为0.5 mL/min，复配体系泡径分布较集中，峰值为150 μm，占40.3%；原体系泡径分布相对较宽、峰值较低，主要分布在100～200 μm，占69.4%；强化体系泡径分布范围最广，最大泡径达到500 μm，分布曲线平缓。提高驱替速度至3.0 mL/min时，原体系和复配体系的泡径分布形态和峰值小幅变化，平均泡径分别由175 μm、152 μm 降低至149 μm、136 μm，泡径更集中在150 μm 左右；强化体系的泡径分布变化较大，分布范围变窄，平均泡径由218 μm 降低至181 μm。

图4 不同驱替速度下的泡径分布

2.3 泡沫封堵压力

三种泡沫体系各测点压力随注入体积的变化规律（见图5，图7，图9）。随着泡沫的注入，填砂管的入口压力先迅速增加，然后逐渐变缓，最后趋于稳定。其他位置处的压力变化规律与入口相似，但压力升高的时间相对滞后。根据注入压力变化，各体系封堵能力强弱顺序为强化体系、复配体系、原体系。

图5 原体系测点压力曲线

图6 原体系各段压差曲线

图7 复配体系测点压力曲线

图8 复配体系各段压差曲线

图9 强化体系测点压力曲线

三种泡沫体系各测点前后的压差随注入体积的变化（见图6，图8，图10），反映了泡沫在岩心中不同位置的封堵强度和运移特征。当泡沫注入量较少时，由于泡沫尚未运移至岩心的中后段，因此，压差较大的位置集中在岩心前段。而随着泡沫注入量增加，中段压差增加并大于前段。在稳定阶段，中段压差最大。

图8 复配体系各段压差曲线

图10 强化体系各段压差曲线

使用相对稳定的注入压差计算泡沫黏度。原体系、复配体系以及强化体系的泡沫黏度分别为181 mPa·s、298 mPa·s 及397 mPa·s（见图11），表明采用表面活性剂/助剂的复配，能够提高泡沫的封堵能力；外加疏水缔合聚合物则进一步提高了封堵能力。而原体系较两种改善体系，产生的泡沫液膜强度小、泡沫黏度低。

图11 不同体系泡沫黏度

可见，通过表面活性剂/助剂的复配，能够提高泡沫封堵性能。一方面复配体系提高了发泡性，使泡沫在岩心中更容易产生，泡沫数量增多，贾敏效应显著；另一方面，复配提高了泡沫液膜的表面扩张模量，泡沫在通过岩心发生变形的时候，抵抗外界变形的能力增加。强化体系则同时大幅提高了体相黏度和液膜强度，使得泡沫的黏度最高，封堵能力最强。

2.4 泡沫运移特征

使用每段压差与总压差相除得到压差百分比，研究泡沫在岩心中的分布及运移规律（见图12）。三种泡沫体系在岩心前段的压差百分比最小，原体系为26%、复配体系为28%以及强化体系为22%。这是由于泡沫是由气液两相在岩心中混合剪切发泡，需消耗一部分岩心长度而产生。此外，强化体系在岩心前段的压差占比最小，说明强化体系发泡相对困难，消耗的岩心长度更大。

图12 不同位置压差占总压差百分比

各泡沫体系在岩心中段的压差百分数较高，主要是在岩心前段充分发泡后，泡沫在中段的贾敏效应显著。对于强化体系，在岩心中段的压差百分数达到45%，说明强化体系形成的泡沫主要集中在岩心中段，向远处传播、运移能力较差，泡沫分布不均匀。原体系和复配体系中段压力百分比分别达到40%和37%，但与后段的百分比差值小，特别是复配体系在岩心中段与后段压差百分比基本相当。

由此可知，强化体系具备良好的封堵能力，能够有效封堵高渗透层，但在岩心中的发泡能力和长距离传播、运移能力较差，在油层深部破灭后的再生能力较差，不利于深部调驱；而不含聚合物的泡沫体系具备良好的传播、运移能力。

3 结论

（1）原体系和复配体系在多孔介质中形成的泡沫更细腻，强化体系受溶液黏度影响，形成的泡径大、分布范围广，泡沫形成能力相对较差。

（2）原体系和复配体系的泡径主要分布在100～200 μm，平均值分别为175 μm、152 μm；强化体系受驱替速度影响大，提高驱替增加后，泡径减小、分布集中，平均泡径由218 μm 降低至181 μm。

（3）强化体系对岩心的封堵能力最强，其次是复配体系，最弱的是原体系。原体系、复配体系以及强化体系的泡沫黏度分别为181 mPa·s、298 mPa·s、397 mPa·s，强化体系适合封堵高渗透层。

（4）强化体系的压力分布主要集中在岩心的中段（占45%的压差）；泡沫形成能力和长距离传播、运移能力较差，不利于深部调驱；复配体系的压力在岩心中分布均匀，具备良好的传播、运移能力。