粉煤灰三相泡沫性能及驱油机理

刘子铭，葛际江，李隆杰，师小娟，陶正武，范家伟，黄 兰

（1．中国石油大学（华东）石油工程学院，山东 青岛 266580；2．中国石油塔里木油田公司勘探开发研究院，新疆库尔勒 841000）

引 言

常规氮气泡沫在高温高盐条件下的稳定性较差，无法有效提高波及面积［1-2］。固体颗粒能够吸附在气液界面形成壳状结构来提高泡沫稳定性［3-5］，粉煤灰是常用固体颗粒中来源广泛、成本低廉、可以商业化使用的一种，将其作为泡沫稳定剂可有效降低施工成本并减少污染物的排放［6-7］。目前已有一定的研究成果证明粉煤灰可有效提高泡沫体系的稳定性，Wang等［8］实验优选出 0．5%AOS＋4%悬浮剂＋8%粉煤灰的三相泡沫配方，该体系在70℃条件下的稳定时间长达7 d。Guan等［9］实验发现粉煤灰三相泡沫的稳定性明显高于两相泡沫，且通过岩心实验证明其阻力系数约为两相泡沫的2倍。本文深入研究了粉煤灰三相泡沫的性能及驱油机理，首先使用搅拌法评价了其耐温耐油性，明确了温度和含油量对三相泡沫性能的影响规律，通过光学显微镜对三相泡沫的耐油机理进行了深入研究，随后利用微观驱油实验对比了不同体系的驱替效果，明晰了三相泡沫体系的高效驱油机理，并通过岩心驱替实验验证了三相泡沫的提采效果。

1 材料与方法

1．1 药品及仪器

实验药品：S11表面活性剂，由月桂酰胺基丙基二甲铵基羟丙基磺酸钠、油酸酰胺基丙基二甲铵基羟丙基磺酸钠、芥酸酰胺基丙基二甲铵基羟丙基磺酸钠等碳链不同的羟磺基甜菜碱按照一定比例复配组成，有效质量分数为40%；粉煤灰，购置于河北京航矿产品有限公司，利用SEM对粉煤灰的微观形貌进行观察，发现其结构松散，以圆球状颗粒为主，同时存在少量不规则形状颗粒。粉煤灰粒径d10为3．1μm、d50为6．8μm、d90为15．2μm。实验用水为塔河油田模拟地层水，具体离子组成见表1。实验用油为原油与煤油质量比为8∶2的模拟油，25℃下该模拟油的黏度为 250 mPa·s，密度为 0．92 g／cm3。

表1 模拟地层水离子组成Tab．1 Ion com position of simulated formation water

实验仪器：MCR92流变仪，安东帕（上海）商贸有限公司；高清工业显微镜，深圳市西尼科光学仪器有限公司；高温岩心驱替装置，海安石油科研仪器厂。

1．2 实验方法

1．2．1 三相泡沫性能评价方法

前序研究发现，在30℃，25×104mg／L的条件下，随着粉煤灰添加量的增加，三相泡沫体系的发泡性能逐渐降低，消泡半衰期呈现出先增大后减小的趋势，在粉煤灰添加量达到1%时，体系消泡半衰期达到最大值257 min。因此本文以0．4%S11＋1%粉煤灰作为三相泡沫的最优配方进行研究。

按照配方将一定量的粉煤灰加入S11水溶液中搅拌30 min、超声处理30 min，随后将其倒入Waring搅拌器中，以4 000 r／min的速度搅拌1 min，将泡沫倒入量筒，并将量筒置于可视化恒温器内，以发泡率（初始起泡体积与起泡剂体积之比）和消泡半衰期（剩余泡沫体积降为初始起泡体积一半的时间）作为泡沫性能的评价指标。

1．2．2 泡沫遇油观察实验

将起泡剂搅拌生泡，使用滴管移取0．5 mL泡沫至载玻片上并盖放盖玻片。将制作好的泡沫标本置于光学显微镜下观察，并在盖玻片一侧滴加0．2 mL模拟油，全程观察泡沫遇油的变化过程。

1．2．3 微观模型驱油实验

为研究三相泡沫驱油机理，采用能够模拟岩石孔隙结构的玻璃刻蚀模型进行驱油实验，模型尺寸为40mm×40 mm，孔隙直径为300～500μm。泡沫发生器为100～150目的石英砂制成的填砂管模型，泡沫由起泡剂和氮气流经孔隙介质生成，氮气和起泡剂的注入速度分别用气体流量控制器和平流泵进行控制。具体实验流程如下：①用真空泵将玻璃模型抽至真空状态，饱和模拟地层水；②饱和原油，封堵两端后常温下老化12 h；③以0．02 mL／min的注入速度进行水驱、S11表面活性剂溶液驱、S11泡沫驱和三相泡沫驱，泡沫驱气液比控制为1∶1，驱油体系中表面活性剂质量分数均为0．4%。

1．2．4 岩心驱油实验

①将岩心抽真空后饱和模拟地层水，测定岩心渗透率和孔隙体积；②将岩心饱和油并计算初始含油饱和度；③水驱注入速度根据实际施工条件进行换算，设置为0．2 mL／min，为确保油藏在水驱阶段达到最大采出量，水驱阶段进行至产出液含水率达到98%；④注入0．5 PV驱油体系后转后续水驱至产出液含水率达到98%。

2 结果与讨论

2．1 粉煤灰分散性

粉煤灰在液相中具有一定的分散性是其在气液界面上良好展布的前提［10］，因此对粉煤灰在模拟地层水和S11起泡剂中的粒径进行测定，结果如图1所示。

图1 粉煤灰颗粒在不同溶液中的粒度分布Fig．1 Particle size distribution of fly ash particles in different solutions

由于粉煤灰颗粒表面电位较小，无法使其有效分散，将其加入模拟地层水中可以观察到明显的聚集沉降现象。由图1所示，S11水溶液中的粉煤灰颗粒粒径明显减小，说明原有聚集态的固体颗粒产生了分散现象，这是由于S11作为两性起泡剂，可有效吸附在粉煤灰表面，增强颗粒疏水性，提高其分散性，有利于粉煤灰作为稳泡剂提高泡沫稳定性。

2．2 三相泡沫性能

2．2．1 耐温性

对加入粉煤灰前后的起泡剂进行生泡实验，研究温度对泡沫性能的影响规律，结果如图2所示。

从图2可以看出，添加粉煤灰前后体系的发泡率随温度升高均表现出先增大后减小的趋势。在低温区内，温度升高使表面活性剂分子运动加剧，增大了其在液膜中的扩散速率；同时溶液黏度降低，生泡所需外部供给能量减少，起泡体积增加。但随着温度进一步升高，表面活性剂的亲水性增强，其解吸能大于吸附能，表面活性剂在界面上的吸附能力降低，表面张力升高，导致发泡率下降［11］。温度的升高导致分子运动加剧，一方面使液膜上表面活性剂分子的吸附量减小，单个分子独占的面积增大，马格尼效应减弱，液膜强度下降；另一方面，温度升高导致表面活性剂分子的吸附速率增加，泡沫聚并和歧化速率加快，稳定性下降［12］。但粉煤灰的加入有效提高了泡沫稳定性，在90℃下三相泡沫的消泡半衰期为166 min，而S11泡沫仅为135 min。这是因为粉煤灰在液膜上形成壳状结构，增大了液膜厚度，延缓了温度升高引起的气体快速扩散。

图2 温度对泡沫体系性能的影响（实心为发泡率，空心为消泡半衰期）Fig．2 Effect of tem perature on properties of foam system s

2．2．2 耐油性

泡沫的耐油性决定了其能否作为驱油剂应用于实际生产中。目前对于泡沫体系耐油性的评价存在两种方法，一是将起泡剂与油相充分混合后进行搅拌生泡，二是将起泡剂搅拌生成的泡沫倒入油相中进行评价。考虑到油藏中的实际驱油情况，选择将生成的泡沫倒入油相中进行性能评价的方法。固定实验温度为90℃，研究泡沫体系在不同含量模拟油存在情况下的稳定性，结果见表2。

表2 模拟油含量对泡沫稳定性的影响Tab．2 Effect of simulated oilmass fraction on foam stability

如表2所示，两种泡沫体系在接触到模拟油后均产生了消泡半衰期缩短的现象，说明油相对泡沫产生了破坏作用。但在模拟油含量相同的情况下，三相泡沫的稳泡时间保留率明显高于两相泡沫，例如模拟油含量为10%时，三相泡沫的消泡半衰期由166 min下降至114 min，保留率为68．2%；两相泡沫的消泡半衰期由135 min下降至72 min，保留率仅为53．3%。为深入研究模拟油对不同体系泡沫的破坏作用，使用光学显微镜观察油相与泡沫接触时所产生的变化，结果如图3所示。

图3 模拟油与不同体系泡沫接触时的显微图像Fig．3 Observation of contact between simulated oil and foam of different systems

由图3（a）可知，S11泡沫在接触到模拟油时就剧烈消泡，模拟油在破坏一定量的气泡后由连续相变为分散相，此时油相的破坏作用明显减弱，剩余气泡可稳定存在一定时间。这是由于滴加模拟油到S11泡沫的瞬间，油相迅速取代原有的液膜空间并与气液界面上的S11分子接触。由于油相的非极性远超空气，原有气液界面上的S11分子与油相结合，产生乳化现象，形成图3（a）中所观察到的油滴。油相的存在导致气液界面上的S11分子迅速减少，气泡表面张力升高，液膜强度下降，出现气泡破裂的现象。

由图3（b）所示，三相泡沫与模拟油接触时，未产生明显消泡现象，并且模拟油能够以液滴状通过液膜持续移动直至充满整个液膜空间。针对添加粉煤灰前后泡沫耐油性的变化，认为存在两点原因，一是三相泡沫与油相接触时，粉煤灰表面所吸附的S11分子与液膜表面的S11分子同时产生脱吸附现象，致使三相泡沫表面S11分子数量小幅度减少；同时，粉煤灰与S11分子形成的复合界面膜使得液膜的强度增加，提高了泡沫的稳定性，因此三相泡沫表现出更好的耐油性。二是泡沫柱底部气泡破裂时将对泡沫整体造成扰动影响，S11泡沫液膜强度较低，容易出现连锁消泡的现象。

2．2．3 流变性

使用流变仪对S11起泡剂溶液、三相泡沫起泡剂溶液、S11泡沫和三相泡沫的黏度进行测定。由于施工过程中泡沫存在“衰败—再生”的重复过程，根据施工注入速度及施工距离进行计算，控制测试时间为100 s，实验结果如图4所示。

图4 不同体系黏度随剪切速率的变化Fig．4 Variation of viscosity of different system s w ith shear rate

搅拌形成泡沫后，起泡剂内原有流动单元体积变大，体系内黏滞力增加；液膜与液膜之间的黏滞力远大于液相内部的黏滞力，宏观表现为泡沫黏度远大于起泡剂黏度［13］。由图4可知，添加粉煤灰后的起泡剂溶液黏度无明显变化，但三相泡沫黏度却明显高于S11泡沫。这是因为粉煤灰固体颗粒吸附于液膜上，将原有纯液态的膜变为固液混合态，显著提高了液膜的扩张黏弹性，增大了气泡之间挤压碰撞所产生的流动阻力，导致三相泡沫黏度增加。泡沫作为典型的假塑性流体，在地层中流动时会出现剪切稀释现象，三相泡沫在100 s-1剪切速率下的黏度为233 mPa·s，表现出较好的黏度保留率。

2．3 微观驱油实验

为研究不同体系对微观刻蚀模型内模拟油的驱替效果，进行了4组平行实验，分别为模拟地层水驱、S11表面活性剂驱、S11泡沫驱和三相泡沫驱。

2．3．1 水驱和表面活性剂驱

微观模型中注水驱油采集的图像信息见图5，其中模型左上角为注入端，右下角为流出端。

由图5（a）可知，注入水进入孔隙后优先沿主流线方向前进，驱替原油的同时在孔壁上留下一层油膜。注入0．5 PV后水驱突破，形成明显水流通道，继续注入至3．0 PV，水驱波及范围增大，但由于油水之间较大的黏度差和较高的界面张力，在驱替过程中产生了明显的指进现象（图5（b））。观察到大量残余油以膜状油、簇状油、末端油的形态分布于孔隙内，具体分布形态见图6。

图5 水驱后模型微观图像Fig．5 Images ofm icro model after water flooding

图6 水驱后残余油分布状态Fig．6 Residual oil distribution images after water flooding

由于微观模型孔隙存在局部亲油性，导致部分残余油紧贴一侧孔隙内壁分布，注入水通过时沿油膜外侧流动而未能进入油膜与孔隙介质之间，因此形成了膜状残余油（图6（a））。簇状剩余油（图6（b））的出现是因为孔隙周围形成了水流通道后，后续注入水将沿着已形成的优势通道流动而无法波及到内部残余油。在微观模型边缘区域存在较多的末端残余油（图6（c）），对比观察后发现，此类残余油所分布的孔隙末端一般具有进深长、孔隙开口小、开口方向与水流方向不一致的特点，注入水流经时受到毛管阻力和高黏度原油阻挡的影响无法进入孔隙内部形成有效驱替。后续注入5．0 PV模拟地层水后，发现上述3类残余油仍未被明显驱出，此时微观模型水驱采出程度仅为26．1%。使用S11表面活性剂驱油，研究表面活性剂驱后剩余油分布规律，结果如图7所示。

图7 S11表面活性剂驱后模型微观图像Fig．7 Images ofm icro model after S11 surfactant flooding

由图7可以看出，与水驱相比，表面活性剂驱提高了波及面积和洗油效率，注入3 PV后微观模型采出程度达到49．3%。对比水驱和表面活性剂驱3 PV时的模型内残余油分布情况可以看出，表面活性剂驱由于具有一定的降低界面张力的效果，削弱了指进现象，但其与原油之间仍具有明显黏度差，存在明显未波及到的区域。S11表面活性剂的加入增强了驱替液对膜状残余油的剥蚀能力，如图8（a）所示，表面活性剂使大部分膜状残余油变薄，并将剥离出的原油乳化为小油滴，降低了驱替阻力。由图8（b）、8（c）可知，表面活性剂驱对簇状油和末端油的驱替效果仍不理想，虽然表面活性剂溶液可以更贴近壁面流动，并将油从孔壁上去除，但由于黏度差的作用，驱替液仍倾向于沿着已形成的流线方向前进，因此孔隙进口方向与流线方向不同的孔隙内残余油仍无法被驱出。

图8 S11表面活性剂驱后残余油分布状态Fig．8 Residual oil distribution images after S11 surfactant flooding

2．3．2 S11泡沫驱和三相泡沫驱

水驱和表面活性剂驱过程中存在着大量低效驱油的现象，如注入液只能在一定区域内流动或在油和孔壁之间流动，导致波及面积小，驱油效率低。一旦出现这种现象，在不改变现有生产制度的条件下，无法对残余油进行有效开采。针对这种情况，进行了S11泡沫驱油和三相泡沫驱油实验，结果见图9。

图9 泡沫驱后模型微观图像Fig．9 Images ofm icroscopic model after foam flooding

S11泡沫驱和三相泡沫驱后的采出程度分别达到89．2%和95．4%，对比图9（a）和图9（b）可知，三相泡沫具有比纯S11泡沫驱更大的波及面积和更好的洗油效率。这是因为三相泡沫的黏度更高，且粉煤灰加入后形成的复合驱油效果对波及面积内的残余油具有更好的启动作用。由于两相泡沫的体相黏度较低并且泡沫稳定性较差，无法对模型边缘区域进行有效波及，导致图9（a）中的边缘区域存在大量残余油分布，而经过三相泡沫驱替后的边缘区域仅存在少量残余油。为进一步明确三相泡沫提高采收率的机理，对上述3种典型残余油的启动机理进行深入研究。

图10显示了三相泡沫对膜状残余油的驱动过程。如图10（a）所示，在三相泡沫驱初始阶段，形成了2条泡沫移动的优势通道（图中红色箭头所指示），而中间孔道内的剩余油由于未被波及到而形成了残余油，同时基质周围也可观察到紧贴壁面的油膜存在。如图10（b）、（c）所示，随着注入量的增加，三相泡沫开始进入中间孔道，孔道内大部分残余油被泡沫推出；同时膜状油厚度也逐渐变薄。在图10（d）中观察到类似于“凹岸侵蚀，凸岸堆积”的现象，图中所观察基质为半圆形结构，基质上部近似于直线型流道，而下部则为半圆形的弯曲流道；在泡沫驱过程中，直线型流道内紧贴基质的膜状油很容易被乳化带走，而下部弯曲流道内的膜状油则不易被分割剥离。这一现象形成的原因与进入这一孔道前三相泡沫移动的惯性方向有关，由于泡沫在模型中的移动速度较快，受惯性影响其进入中间孔道后首先与孔道的外侧边界相接触并形成优势通道；并且由于三相泡沫粒径较小，无法同时对孔道内外边界形成有效的刮除作用，最终导致弯曲孔道的内边界上仍存在残余油。

图10 三相泡沫对膜状残余油的驱动机理（红色箭头表示泡沫移动方向，黄色箭头表示膜状油移动方向）Fig．10 Driving mechanism of three-phase foam on membrane residual oil

图11 展示了弱波及区域内的簇状残余油的驱动过程，在图11（a）、（b）中，观察到泡沫首先由靠近主流线一侧的孔道进入，在流经多孔道交汇处时选择沿原有流动方向继续前进而未流入其他孔道，这说明泡沫在孔道内的高速流动确实受到惯性作用的影响。同时泡沫在孔道中的流动导致孔道内压强变小，相邻孔道内的原油受到吸引作用而流入该孔道内。从图11（c）可以看到，外侧孔道内的泡沫数量明显低于内侧孔道，说明在注入速度一定的情况下，三相泡沫驱具有一定的增大波及面积的效果但增幅有限，越远离主流线，其受波及强度越弱。针对所观察的簇状残余油，主要依靠泡沫对其的推动作用进行活化，因此需要泡沫具有较好的稳定性和较高的扩张黏弹模量。

图11 三相泡沫对簇状残余油的启动机理（红色箭头表示泡沫移动方向，黄色箭头表示簇状残余油移动方向）Fig．11 Driving mechanism of three-phase foam to cluster residual oil

微观模型中存在许多末端孔隙，其形状为一端开口一端封闭的洞状结构。通过上述实验可以看出，水驱无法将末端孔隙中原油驱出，表面活性剂驱也仅能剥离末端入口处的一部分原油，无法对内部原油进行作用，而三相泡沫驱对于这部分残余油具有很好的启动作用。

图12展示了末端残余油在三相泡沫作用下活化的过程，由图12（a）、（b）可知，在三相泡沫驱初始阶段，末端孔隙内残余油并未受到任何影响，流经的三相泡沫只是将末端孔隙入口两侧的膜状油进行剥离。注入一定量的泡沫后（图12（c）），末端孔隙入口处的泡沫受到注入端泡沫传递的压力而开始被挤入孔隙中，原来占据末端孔隙内主要空间的残余油受到气泡的排斥作用而部分流出。实验发现，进入末端孔隙的气泡不会再流出；随着驱替进行，气泡间气体不断扩散，末端孔隙内部气泡膨胀变大，迫使更多的残余油向外流动。如图12（d）中黄色箭头所示，乳化生成的油滴在泡沫挤压携带的作用下不断沿模型外侧流入孔隙中，原有末端孔隙内壁的残余油被活化启动。对比孔隙内和孔道内的泡沫液膜可以看出，孔隙内泡沫液膜包含明显的油滴，说明泡沫液膜为油滴的移动提供了通道，同时说明三相泡沫具有良好的遇油稳定性。

图12 三相泡沫对末端残余油的驱动机理（红色箭头表示泡沫移动方向，黄色箭头表示末端残余油移动方向）Fig．12 Driving mechanism of three-phase foam on term inal residual oil

2．4 岩心驱油实验

由于粉煤灰样品为微米级颗粒，在使用过程中可能对细小孔隙产生堵塞现象，因此采用目前使用最广泛的“1／3架桥”理论对其地层适用性进行分析。该理论认为孔径与粒径之比大于3时，颗粒可在多孔介质内无堵塞流动。通过Kozeny-Carman方程对地层渗透率进行反算，设定孔隙度为30%，则该粉煤灰样品在渗透率大于3μm2的岩心中具有较好的流通性。分别使用S11表面活性剂、S11泡沫和S11／粉煤灰三相泡沫作为驱油体系进行岩心驱油实验，实验结果如表3所示。

表3 不同驱油体系岩心驱油实验结果Tab．3 Core displacement experiment results of different oil displacement systems

由表3可知，当S11表面活性剂为驱油体系时，岩心采收率较低，主要原因是表面活性剂溶液虽然具有一定降低界面张力的作用，但其黏度较低，在注入过程中易沿高渗区域突进，导致波及面积较小；在后续水驱过程中也会被稀释而失去降低界面张力的作用。使用S11泡沫驱替时，由于泡沫黏度较高，同时在岩层中还能形成Jamin效应，从而使波及面积进一步扩大，所以它的提采效果优于表面活性剂驱。对比S11泡沫驱和三相泡沫驱可以发现，三相泡沫驱的驱替效果优于两相泡沫驱。分析存在以下两种机理：首先，S11泡沫耐油性较差，遇油消泡作用剧烈，降低了驱油效率；且在后续水驱过程中，由于S11泡沫扩张黏弹模量较小，无法起到有效的封堵。其次，由微观驱油实验结果可知，三相泡沫具有比S11泡沫更好的膜状油清除能力和末端残余油驱动能力。

3 结 论

（1）粉煤灰的加入提高了S11泡沫的耐温性和耐油性，使其更适用于高温高盐油藏。

（2）与S11表面活性剂驱相比，S11泡沫驱提高了一定的采收率，但由于其耐油性较差、液膜强度较低，进而导致波及面积较小、洗油效率较低。

（3）粉煤灰加入后明显提高了泡沫体系的黏度，扩大了波及面积；同时，由于其吸附在气泡表面，增加了表面粗糙度，提高了泡沫对孔道内壁附着油和末端残余油的活化能力。

（4）岩心驱替实验结果表明，三相泡沫的采出程度在S11泡沫驱的基础上提高了13．5%，总采出程度达到60．5%。