自生泡沫体系的研究与性能评价

李小刚，黄琴，李小凡，朱静怡，3，田继宏，谌光雄

(1.西南石油大学 油气藏地质与开发国家重点实验室，四川 成都 610500；2.中海石油(中国)有限公司 上海分公司，上海 200030；3.西南石油大学 化学化工学院，四川 成都 610500； 4.中海油能源发展股份有限公司 上海工程技术分公司，上海 200030)

泡沫流体属于非牛顿流体[1]，因其密度低、视黏度高、调剖能力强等特点在油气田开发领域中具有很大的应用前景[2-5]。徐国瑞等[6]研制了一种具有较强封堵性能的冻胶泡沫体系，但冻胶存在返排不彻底的问题，会对低渗地层造成大量伤害。尹晓煜等[7]筛选出性能良好的自生泡沫体系，但该体系不适用于酸化后的油气井。本文针对非均质性较强的低渗地层，提出了一种低伤害自生泡沫体系，并研究了温度、pH值、反应物浓度以及矿化度对该体系的性能影响，得到起泡性能优良、耐盐性较好的转向分流剂，减少地面起泡的施工工序，降低施工成本和风险，可为后续酸化增产提供关键材料。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

浓盐酸、十四烷基三甲基溴化铵(TTAB)、十二烷基苯磺酸钠(SDBS)、十二烷基磺酸钠(SDS)均为分析纯。

DZKW-4电子恒温水浴锅；ESJ200-4B电子天平；GJS-B12K双轴变频高速搅拌机；PH838电子pH计。

1.2 自生气体系筛选

1.2.1 实验原理 地层自生气是指向储层中注入一种或多种能自发产气的化学药剂，使其在油藏条件下发生化学反应、产生大量气体、释放热量。产生的气体在地层中可以降低原油黏度和降低界面张力；放出的热量会改变地层中流体的性质，减少流体的流动阻力[8-10]。油田常用的自生气体系有自生N2体系、自生CO2体系、自生ClO2体系及自生O2体系，而其中N2因其较低的可压缩性和水溶性而具有较好的增能效果，因而被广泛使用[11]。本文将分别研究两种自生N2体系(记为体系A和体系B)的生气效果，从而筛选出生气效果较好的体系。

1.2.2 实验方法 采用图1所示装置进行自生气的生气量测定，在实验过程中，针对这两种体系，使用相同浓度的反应物，设定反应的温度为60，70，80 ℃，pH值为1左右，反应时间为6 h(反应时间由实际工程需要确定)，最后得出生气效率。

图1 排水集气法测量自生N2体系产气量实验装置Fig.1 Experimental device for measuring gas production of self-generated N2 system by drainage gas collection method

1.3 起泡剂优选

采用Waring-blender法测定起泡剂的起泡高度和析水半衰期，搅拌时间为1 min，搅拌速度为 8 000 r/min。引入泡沫综合值对不同种类、不同浓度的起泡剂的起泡性能进行综合评价，其值定义为泡沫高度与析水半衰期的乘积，见式(1)所示：

Fc=h·T1/2

(1)

式中Fc——泡沫综合值，mm·s；

h——泡沫高度，mm；

T1/2——泡沫析水半衰期，s。

1.4 自生泡沫体系性能评价

在优选自生气体系和起泡剂的基础上，形成自生泡沫体系的基本配方，并研究温度、pH值、反应物浓度、矿化度对自生泡沫体系的起泡性能的影响。如图2所示，在常温下配制20 mL的自生泡沫体系基液，将其置于预先设定好温度的水浴锅中，观察并记录自生泡沫的体积以及半衰期。

图2 自生泡沫实验装置图Fig.2 Diagram of the experimental device for self-generated foam

2 结果与讨论

2.1 自生气体系筛选

图3是pH=1时，不同时间下的两种自生氮气体系的生气效率对比图。

图3 不同时间下体系A和体系B的生气效率Fig.3 Gas generation efficiency of system A and system B at different time

由图3可知，在相同条件下，体系B的生气效率明显高于体系A的生气效率。在pH=1的条件下，体系A的生气效率仍不理想，且在现场施工中酸性太强可能会腐蚀管柱，造成设备的损害，故不选用体系A。

图4是不同pH值条件下的体系B的生气量。

图4 不同pH值条件下体系B的生气量Fig.4 Gas production of system B at different pH

由图4可知，随着pH值的增大，体系B的生气量逐渐减小，但总的生气效率仍在60%以上，故选用体系B作为本文的自生氮气体系。

2.2 生气剂浓度优化

图5是不同反应物浓度条件下的自生N2体系B的生气量。

图5 不同反应物浓度下的生气情况Fig.5 The gas generation situation under different reactant concentrations

由图5可知，反应物浓度的大小对于自生气的生气情况影响十分明显，浓度越高，生气量越多。

表1是反应3 h后得到的不同反应物浓度下体系B的生气总量以及生气效率。

表1 不同反应物浓度下体系B的生气总量以及生气效率Table 1 Total gas generation and gas generation efficiency of system B under different reactant concentrations

由表1可知，反应物浓度越高，自生气量越大，但结合实际生产，2 mol/L浓度所产生的气量也能达到需求，且2 mol/L条件下的生气效率与3 mol/L条件下的生气效率相差不大，所以结合经济性的考虑，选择2 mol/L的反应物浓度为最佳生气剂浓度。

2.3 起泡剂优化

不同浓度下不同表面活性剂的泡沫综合值见图6。

图6 不同表面活性剂起泡的泡沫综合值对比Fig.6 Comparison of foam comprehensive value of different surfactants

由图6可知，低浓度下，TTAB的起泡性能最好，且泡沫析水半衰期也较长，表明形成的泡沫质量较好。从经济性角度出发，选择0.2%的TTAB作为起泡剂，既节约成本，又能起到很好的效果。

2.4 自生泡沫体系性能评价

2.4.1 起泡性

2.4.1.1 pH值的影响 不同pH值条件下的自生泡沫体积见图7。

图7 不同pH值下自生气起泡的泡沫体积Fig.7 The foam volume at different pH

由图7可知，pH值越接近强酸性条件，泡沫体积越大，反应到后期，反应物被不断消耗，pH值越来越接近中性，泡沫体积变化越来越小。

反应进行3 h后泡沫的体积最大值以及泡沫的体积半衰期见表2。

表2 自生气起泡实验进行3 h后的泡沫情况Table 2 Foam situation after 3 h of self-generated gas foaming experiment

由表2可知，pH值越接近强酸性，生成的泡沫体积越大，泡沫的体积半衰期越长，表明泡沫质量越好。

2.4.1.2 反应物浓度的影响 图8是不同反应物浓度下的自生泡沫体积。

图8 不同反应物浓度下自生泡沫体积Fig.8 The foam volume under different reactant concentrations

由图8可知，反应物浓度越大，泡沫体积也越大，一开始反应物浓度最高，反应进行得十分迅速，反应后期反应物被不断消耗，反应速率也逐渐降低。

反应进行3 h后的泡沫的体积最大值以及泡沫的体积半衰期见表3。

表3 自生气起泡实验进行3 h后的泡沫情况Table 3 The foam situation after 3 h of self-generated gas foaming experiment

由表3中的数据可知，在只改变反应物浓度的条件下，泡沫体积随着反应物浓度的增大而明显增大，半衰期也逐渐变长，表明泡沫质量也越好。

2.4.1.3 温度的影响 不同温度下的自生泡沫体积见图9。

图9 不同温度下自生气体系的起泡情况Fig.9 Foaming situation of self-generated gas system at different temperatures

由图9可知，随着温度的升高，泡沫起泡速率越大，起泡体积越大，而泡沫半衰期越短。泡沫在起到转向分流的作用后，则希望其在一定时间后破灭，以利于返排，泡沫在地层孔隙中又是不断破灭与再生的，因此起泡体积相对于半衰期来说要更重要一些。因此该体系也适用于高温低渗储层的转向分流。

2.4.2 稳泡性 泡沫衰变的机理是析水、聚并、破裂，这三个过程同时发生，且相互影响。气泡的聚并现象是指两个气泡相互靠近接触，形成液膜，然后液膜持续排液减薄直至破裂，两气泡合二为一的过程。而气泡的尺寸与形状是影响气泡聚并的主要因素，气泡尺寸越小，气泡越容易聚并，且当气泡半径小于0.71 mm时，聚并总会发生。因此，大小均匀的气泡可以延缓泡沫发生聚并，提高泡沫的半衰期。而在泡沫的分流暂堵中，如果气泡体积过大，会导致重力分异作用增强，使得流通空间上层易形成气体流窜通道，致使泡沫半衰期缩短；而气泡体积过小，则会导致高渗层的“贾敏效应”减弱，从而降低层间分流暂堵的效果。图10是电子显微镜下的泡沫微观结构示意图。

图10 自生泡沫的微观结构图Fig.10 Microstructure of self-generated foam

由图10可知，该自生泡沫体系产生的气泡大小和分布都十分均匀，且气泡层层堆叠，结构致密，使得泡沫更加稳定。

2.4.3 耐盐性 按照实验要求配制矿化度为 5 000，10 000，20 000，40 000 mg/L的盐水，得到不同矿化度下的自生泡沫体积，见图11。

图11 不同矿化度下自生泡沫体积Fig.11 The foam volume under different salinity

由图11可知，用蒸馏水配制的反应溶液所产生的泡沫体积更高，用不同矿化度的盐水配制的反应溶液所产生的泡沫体积有所下降，但二者差别不大，且泡沫在一定时间内能保持稳定，表明该体系有较好的耐盐性。

3 结论

(1)通过大量实验筛选出生气效果较好的自生N2体系，并筛选出起泡性能较好的十四烷基三甲基溴化铵作为起泡剂，从而得到效果较好的自生泡沫体系。该自生泡沫体系不添加大分子材料，可用于低渗透油气藏的转向分流，且泡沫稳定一段时间后即可消泡，不存在返排不彻底损害地层的问题。

(2)该自生泡沫体系在强酸条件下有较好的起泡效果，可用于油井酸化后的调剖堵水。反应物浓度与起泡效果呈正相关的趋势，基于成本的考量，2 mol/L 的反应物浓度既有很好的起泡效果，又节约成本。在高温下，自生泡沫体系生成的泡沫体积更大，半衰期更短，但是该自生泡沫体系用于储层的分流暂堵，则希望其能在封堵一段时间后自动消泡，有利于返排，因此泡沫体积比泡沫半衰期更重要。

(3)反应基液的矿化度对该自生泡沫体系的起泡性能有略微影响。随着矿化度的增加，泡沫体积和半衰期有所下降，但在一定时间内能保持稳定，表明本文的自生泡沫体系有较好的耐盐性。

(4)与常规泡沫相比，本文研究的自生泡沫具有很大的优越性。首先该自生泡沫体系可自发产气，不需要专门的地面供气设备和注气设备，施工工艺简便，成本低；其次该自生泡沫体系在地面和井筒中是液相，进入地层后就地起泡，避免贾敏效应的影响，可以选择性地进入层间，实现分流暂堵或者调剖堵水；最后，该自生泡沫体系在强酸条件下有较好的起泡效果，可以用于非均质储层的分流酸化，提高储层改造效果。