微纳米颗粒三相泡沫体系构筑及特性

收稿日期：2023-04-15

基金項目：中石油科技专项 （2016E-0207，2023ZZ17YJ02）

第一作者及通信作者：刘宏生（1979-），男，高级工程师，硕士，研究方向为化学驱油。E-mail：liuhs9902@163.com。

文章编号：1673-5005（2024）02-0135-07    doi：10.3969/j.issn.1673-5005.2024.02.015

摘要：为进一步提高聚驱后采收率，结合聚驱后油藏特征，构筑具有自适应堵调驱功能的微纳米颗粒三相泡沫体系，通过黏度、界面、泡沫和堵调驱性能试验，研究微纳米颗粒三相泡沫体系特性，应用归一化和权重系数方法，分析三相泡沫体系溶液特性与驱油效果的相关性。结果表明：软体微米颗粒三相泡沫体系的特性参数较好，具有超低界面张力，剖面改善率超过82%，聚驱后可提高采收率超过14%；硬质纳米颗粒三相泡沫体系的特性参数相对较差，但聚驱后仍可提高采收率超过10%；三相泡沫体系泡沫综合指数和运动黏度是驱油效果的主要影响因素，而剪切黏度和界面张力是次要影响因素。

关键词：微纳米颗粒； 三相泡沫体系； 聚驱后； 黏度； 剖面改善率

中图分类号：TE 357    文献标志码：A

引用格式：刘宏生.微纳米颗粒三相泡沫体系构筑及特性［J］.中国石油大学学报（自然科学版），2024，48（2）：135-141.

LIU Hongsheng. Construction and characteristics of three-phase foam system with micro and nano particles［J］.Journal of China University of Petroleum（Edition of Natural Science），2024，48（2）：135-141.

Construction and characteristics of three-phase foam

system with micro and nano particles

LIU Hongsheng1，2

（1.Exploration and Development Research Institute of Daqing Oilfield Company Limited， Daqing 163712， China;

2.Research and Development Center for the Sustainable Development of Continental Sandstone Mature Oilfield by National Energy Administration， Daqing 163712， China）

Abstract： In order to further improve the oil recovery after polymer flooding， a micro-nanoparticle three-phase foam system with self-adaptive plugging and flooding function was constructed considering the reservoir characteristics after polymer flooding. The characteristics of micro-nanoparticle three-phase foam system were studied by viscosity， interface， foam， and plugging and flooding performance experiment. The correlation between solution characteristics and oil displacement effect of three-phase foam system was analyzed by normalization method and weight coefficient method. The results show that the characteristic parameters of the three-phase foam system with soft micro particles are good and it has ultra-low interfacial tension. Its profile improvement rate is more than 82%， and it can enhance oil recovery by more than 14% after polymer flooding. The characteristic parameters of the hard nanoparticles three-phase foam system are relatively poor， but it can still enhance oil recovery by more than 10% after polymer flooding. The foam comprehensive index and kinematic viscosity of three-phase foam system are the main influencing factors of oil displacement effect， while the shear viscosity and interfacial tension are secondary influencing factors.

Keywords： micro and nano particles; three-phase foam system; after polymer flooding; viscosity; profile improvement rate

大庆油田聚驱逐渐进入后续水驱开发阶段，开采难度极大［1-2］。聚驱后油藏非均质更加严重，优势渗流通道发育，导致驱油剂低效、无效循环严重［3］；聚驱后剩余油饱和度低、激活聚并难度大［4］。三相泡沫体系能够有效封堵高渗层，提高中、低渗层的波及体积，同时可提高洗油效率［5-11］，适用于聚驱后提高采收率。驱油用颗粒泡沫体系主要有二氧化硅、粉煤灰等，水驱后取得较好的驱油效果［10-14］。膨润土、淀粉和凝胶颗粒三相泡沫体系的相关研究较少。笔者应用二氧化硅、膨润土、淀粉、凝胶微纳米颗粒与聚合物和表面活性剂构筑具有自适应堵调驱功能的三相泡沫体系，利用黏度性能、界面性能、泡沫性能和堵调驱性能试验，研究三相泡沫体系的溶液特性和驱油效果，分析三相泡沫体系溶液特性与驱油效果的相关性。

1  试验材料与方法

1.1  试验材料

部分水解聚丙烯酰胺，相对分子质量为1600万和2500万，大庆炼化公司；非离子表面活性剂（DWS），辽河誉达公司；预交联凝胶颗粒（DPCG、PPCG）粒径小于50 μm，大庆油田自制；膨润土颗粒（BNP）粒径为800～2000 nm，腾瑞矿产公司；二氧化硅颗粒（SNP）粒径为400～800 nm，玉米淀粉颗粒（ANP）径为500～1000 nm，上海阿拉丁生化公司；大庆脱水原油，大庆油田注入污水，氮气大庆雪龙气体公司；人造岩心厚度为2.0、4.5、1.8 cm，长度、宽度均为30、4.5 cm，对应渗透率为800×10-3、2000×10-3、4000×10-3 μm2；黏度计，美国BROOKFIELD公司；界面张力仪，美国彪为公司；泡沫扫描仪，法国TECLIS公司，毛细管黏度计和驱油装置，江苏华安石油仪器公司。

1.2  试验方法

（1）剪切黏度试验。在45 ℃条件下，采用黏度计测量三相泡沫体系液相的黏度。三相泡沫体系中聚合物相对分子质量为2500万，质量浓度为1000 mg/L，DWS质量分数为0.3%，选用不同颗粒和浓度用污水配制，以下试验三相泡沫体系中聚合物和DWS的组成相同。

（2）运动黏度试验。毛细管黏度计毛细管内径为0.5 mm，长度为20 m。在回压10 MPa、温度45 ℃条件下，向毛细管注入气液比1∶1的三相泡沫体系，试验过程中记录毛细管前后压差，应用泊肃叶公式计算运动黏度［16］。三相泡沫体系中DPCG或PPCG质量分数为0.06%，SNP、BNP或ANP质量分数为0.4%。

（3）界面性能试验。采用界面张力仪测量三相泡沫体系液相与原油的界面张力，试验温度45 ℃，转速6000 r/min。

（4）泡沫性能试验。在45 ℃条件下，采用泡沫扫描仪测量三相泡沫体系的起泡体积和携液量随时间变化，根据文献［15］提供的泡沫综合指数计算方法，计算泡沫综合指数。

（5）驱油效果试验。采用800、2000、4000均质岩心并联，岩心分别饱和水、饱和油，老化24 h。并联岩心水驱至含水95%；再注入0.6VP（VP为孔隙体积）聚合物（相对分子质量为1600万，质量浓度为1000 mg/L），后续水驱至含水98%；最后注入气液比1∶1的三相泡沫体系0.6VP，后续水驱至含水98%。计算不同阶段采收率。

（6）剖面改善效果试验。在驱油效果试验过程中，记录不同阶段每支岩心的产液量，根据岩心厚度和产液量计算分流率。通过改进文献［16］中的剖面改善率计算公式，得到3种渗透率剖面改善率计算公式：

FHPR-MLPR=［QHW/（QMW+QLW）-QHF/（QMF+QLF）］×100/［QHW/（QMW+QLW）］，（1）

FHMPR-LPR=［（QHW+QMW）/QLW-（QHF+QMF）/QLF］×100/［（QHW+QMW）/QLW］. （2）

式中，FHPR-MLPR为高渗层相对中低渗层剖面改善率；FHMPR-LPR为高中渗层相对低渗层剖面改善率；QHW、QMW、QLW分别为高、中、低渗层注水压力平稳时分流率；QHF、QMF、QLF分别为高、中、低渗层注三相泡沫体系后注水压力平稳时分流率。

2  结果分析

2.1  微纳米颗粒三相泡沫体系构筑

依据大庆油田聚驱后油藏特征，采用不同厚度和渗透率的岩心模型并联模拟聚驱后油藏。岩心模型水驱、聚驱和三相泡沫驱示意图见图1。可以看出，聚驱后油藏注水时，由于水的黏度较低，水主要沿著高渗透层流动，形成无效循环。注聚合物时，聚合物黏度明显大于水，聚合物进入高渗层可形成一定封堵，使其进入中低渗层，中渗层渗流阻力较大，进入的聚合物较少，而低渗层渗流阻力最大，进入的聚合物更少。因此聚驱后水驱或聚驱无法大幅提高采收率［2］。

聚驱后油藏要大幅提高采收率，需要同时具有堵调驱功能的驱油体系，泡沫具有堵大不堵小、堵水不堵油作用，适用于非均质油藏提高采收率［5-6］。但普通泡沫只适用于渗透率级差较小的油藏提高采收率［17-18］，为使泡沫适用于级差较大的聚驱后油藏提高采收率，本文中利用微纳米颗粒、聚合物和表面活性剂形成三相泡沫体系。聚合物和微纳米颗粒使泡沫液膜厚度大、排液速度慢、黏弹性大，具有超强泡沫性能；同时体系还具有颗粒、聚合物和表面活性剂3种特性及协同增效作用。

三相泡沫体系在聚驱后并联岩心模型中，先进入高渗层，高渗层含油饱和度低、孔吼大，泡沫可形成有效封堵，并稳定向前运移；吸附作用导致前缘泡沫破裂后，聚合物和微纳米颗粒还具有一定的堵调作用，有利于后续泡沫发挥更好的封堵作用。高渗层形成一定封堵后，泡沫进入中渗层，中渗层含油饱和度较高、孔吼较小，泡沫性能降低，经过孔喉剪切后泡沫变小，进入中渗层内部；在中渗层前缘主要以聚合物、颗粒、串流气体和少量泡沫形态存在，推动剩余油向前运移，次前缘泡沫逐渐增多，即泡沫在中渗层具有调驱作用。中高渗层均形成一定堵调后，泡沫进入低渗层，低渗层含油饱和度最高、孔吼最小，泡沫性能明显降低，且经过孔喉剪切后泡沫尺寸更小；低渗层前缘和次前缘主要以聚合物、颗粒和串流气体形态存在，推动剩余油向前运移，即泡沫均匀驱替低渗层（图1）。三相泡沫体系在聚驱后油藏具有自适应堵调驱作用，可大幅提高采收率。

2.2  微纳米颗粒三相泡沫体系溶液特性

2.2.1  三相泡沫体系液相剪切黏度

三相泡沫体系液相剪切黏度如图2所示。由图2（a）可知，随着颗粒质量浓度增加，DPCG三相泡沫体系液相的剪切黏度先快速增加，而后趋于平稳，而PPCG体系的剪切黏度仅略有增加。SNP、BNP或ANP对三相泡沫体系液相的剪切黏度影响较小。由图2（b）可知，随时间增加，不同三相泡沫体系液

相的剪切黏度先快速降低，而后趋于平稳。PPCG或PPCG三相泡沫體系液相剪切黏度保留率接近67%，SNP、BNP或ANP体系的保留率约为63%。

DPCG或PPCG溶于水后，吸水膨胀形成网格结构的软体内核，外部具有亲水支链，形成软体微米颗粒。DPCG或PPCG与DWS和聚合物通过静电、范德华力和缠绕作用，均匀分布在液相中。PPCG仅具有短亲水支链，使其三相泡沫体系液相剪切黏度略增加；而DPCG具有长亲水支链，使其三相泡沫体系液相剪切黏度明显增加。SNP、BNP或ANP为硬质纳米颗粒，对其三相泡沫体系液相剪切黏度不产生影响。随时间增加，软体微米颗粒溶胀更充分，对体系剪切黏度的贡献更大；而硬质纳米颗粒体系的剪切黏度主要为聚合物黏度的宏观体现。DPCG或PPCG体系的剪切黏度保留率高于SNP、BNP或ANP的。

2.2.2  三相泡沫体系运动黏度

三相泡沫体系运动黏度见图3。可以看出，不同三相泡沫体系运动黏度差别较大，DPCG体系的最大，PPCG、BNP、SNP和ANP体系的依次降低。放置30 d后DPCG或PPCG体系的运动黏度保留率接近77%，而BNP、SNP或ANP体系的保留率56%～65%。三相泡沫体系的运动黏度明显大于其液相的。不同三相泡沫体系液相的运动黏度差别较小，其中DPCG或PPCG体系的较大，SNP、BNP或ANP体系的较小。放置30 d后DPCG或PPCG体系液相的运动黏度保留率接近66%，而BNP、SNP或ANP的保留率56%～61%。

DPCG与DWS和聚合物具有较强的静电、范德华力和缠绕作用，使其三相泡沫体系具有较大的拉伸黏度、剪切黏度和黏弹性，导致DPCG三相泡沫体系运动黏度最大。而PPCG仅具有短支链，与DWS和聚合物的静电、范德华力和缠绕作用相对较弱，导致其运动黏度低于DPCG的。硬质纳米颗粒在溶液中与DWS和聚合物的静电、范德华力和缠绕作用较弱，因此其三相泡沫体系运动黏度较低。

放置后不同三相泡沫体系的液相剪切黏度和泡沫性能均降低，使其在毛细管中流动的流体内部拉伸黏度、与内壁剪切黏度和液膜黏弹性减弱，导致其运动黏度降低。由于软体微米颗粒三相泡沫体系的剪切黏度和泡沫综合指数保留率高于硬质纳米颗粒的，因此DPCG或PPCG体系的运动黏度保留率大于BNP、SNP或ANP体系的。

2.2.3  三相泡沫体系液相界面张力

三相泡沫体系液相界面张力见图4。由图4（a）可知，当颗粒质量分数低于0.4%时，SNP三相泡沫体系液相与原油可形成超低界面张力。随着质量分数增加，体系的界面张力增加，达不到超低。ANP体系的界面张力变化趋势与SNP的相似，但界面张力更高一些。BNP、DPCG或PPCG三相泡沫体系液相的界面张力随颗粒质量分数增加略有增加，仍保持超低界面张力。由图4（b）可知，随时间增加，不同三相泡沫体系液相的界面张力变化不大，ANP三相泡沫体系液相的界面张力仍无法达到超低，其余体系的界面张力保持超低。

DPPG、PPCG或BNP三相泡沫体系的油水界面紧密排列DWS，同时嵌入少量DPCG、PPCG或BNP片状结构，使界面张力略有升高。SNP质量分数较高时，油水界面排布DWS和SNP-DWS颗粒体系，使DWS排布紧密度降低，导致界面张力显著增加。同样，ANP降低了油水界面DWS排布紧密程度，导致界面张力升高。

2.2.4三相泡沫体系泡沫性能

三相泡沫体系泡沫综合指数见图5。由图5（a）可知，随颗粒质量分数增加，BNP、DPCG或PPCG三相泡沫体系的泡沫综合指数先增加后降低，而SNP或ANP体系的泡沫综合指数先快速增加，而后趋于平稳。DPCG三相泡沫体系的泡沫综合指数极大值最大，SNP、BNP或PPCG三相泡沫体系的泡沫综合指数低于DPCG的，而ANP的最小。由图5（b）可知，随时间增加，不同三相泡沫体系的泡沫综合指数先快速降低，而后趋于平稳。DPCG或PPCG三相泡沫体系的泡沫综合指数大于SNP、BNP或ANP体系的。DPCG或PPCG三相泡沫体系的泡沫综合指数保留率达84%，其余体系保留率为50%～72%。

不同三相泡沫体系的起泡体积基本一致，导致泡沫综合指数差异的原因是泡沫稳定性、携液量和携液稳定性不同。DPCG或PPCG三相泡沫体系气液表面排布的DWS中嵌入颗粒和聚合物；气泡间液膜内，颗粒与聚合物和DWS通过静电、范德华力和缠绕作用，使颗粒均匀分布在液膜内，使液膜的厚度增加、黏弹性增强，导致泡沫稳定性、携液量和携液稳定性提高，即泡沫综合指数显著增加。当颗粒质量分数过大时，颗粒吸附过多DWS和聚合物，悬浮性能变差，泡沫综合指数出现降低。DPCG具有长亲水支链，DPCG与DWS和聚合物作用强于PPCG，因此DPCG三相泡沫体系的泡沫综合指数大于PPCG的。

SNP三相泡沫体系气液表面排布有DWS、聚合物和SNP-DWS；气泡间液膜内，SNP与DWS亲水基团静电排斥作用，及聚合物增黏作用，使SNP悬浮在液膜内，液膜的厚度和黏弹性增加，导致泡沫稳定性、携液量和携液稳定性增加，泡沫综合指数显著增加。BNP三相泡沫体系气液表面排布的DWS中嵌入少量BNP片状结构和聚合物；气泡间液膜内，BNP片状结构与DWS和聚合物相互作用悬浮在液膜内，使液膜排液速度降低，泡沫歧化速度减缓，导致泡沫稳定性、携液量和携液稳定性增加，泡沫综合指数明显增加。而ANP与DWS和聚合物的作用相对较弱，其泡沫综合指数相对较差。

隨时间增加，软质微米颗粒吸水膨胀形成网格结构的软体内核，外部具有亲水支链，使其保持较好的悬浮性，而硬质纳米颗粒在三相泡沫体系中会出现少量沉淀。因此软质微米颗粒三相泡沫体系泡沫综合指数保留率大于硬质纳米颗粒的。由于亲水支链差异，DPCG悬浮性能好于PPCG的，导致DPCG体系保留率最好。

2.3  微纳米颗粒三相泡沫体系堵调驱特性

2.3.1  三相泡沫体系驱油效果

三相泡沫体系聚驱后驱油效果见图6。由图6可知，3支并联岩心水驱采收率约为38%，聚驱采收率约为17%，聚驱后DPCG三相泡沫体系注入压力和驱油效果最好，聚驱后采收率超过15%；PPCG体系次之，采收率超过14%。聚驱后SNP或BNP三相泡沫体系注入压力和驱油效果相对较差，聚驱后采收率约为13%。聚驱后ANP三相泡沫体系注入压力和驱油效果最差，但聚驱后采收率仍超过10%。

DPCG三相泡沫体系的黏度性能和泡沫性能最好，同时具有超低界面张力，导致其注入压力和驱油效果最好。而PPCG亲水支链较短，使其黏度性能和泡沫性能低于DPCG的，导致其注入压力和驱油效果略低于DPCG的。SNP、BNP或ANP三相泡沫体系黏度性能和泡沫性能均低于PPCG的，使其注入压力和驱油效果低于PPCG的。ANP三相泡沫体系不具超低界面张力，导致其注入压力和驱油效果最差。

2.3.2  三相泡沫体系剖面改善效果

三相泡沫体系聚驱后剖面改善效果见图7。由图7可知，不同三相泡沫体系在高渗与中低渗层的剖面改善率（FHPR-MLPR）高于63%，在高、中渗与低渗层的剖面改善率（FHMPR-LPR）高于68%，平均改善率大于65%。其中DPCG或PPCG三相泡沫体系的FHPR-MLPR和FHMPR-LPR最好（超82%），DPCG三相泡沫体系的FHMPR-LPR低于FHPR-MLPR。SNP、BNP或ANP三相泡沫体系的FHPR-MLPR和FHMPR-LPR相对较差，但其FHMPR-LPR好于FHPR-MLPR。

DPCG或PPCG三相泡沫体系的泡沫综合指数、运动黏度和剪切黏度最大，且含有软体微米颗粒和聚合物特性，对高中渗层具有自适应封堵和调驱作用，导致其FHPR-MLPR和FHMPR-LPR较高；但DPCG三相泡沫体系泡沫综合指数高，且含有长支链软体微米颗粒，导致其进入低渗层相对困难，因此其FHPR-MLPR略高于FHMPR-LPR。而SNP、BNP或ANP三相泡沫体系的泡沫综合指数、运动黏度和剪切黏度相对较差，同时含有硬质纳米颗粒和聚合物，对高中渗层有效封堵和调驱效果相对较差，使FHPR-MLPR和FHMPR-LPR相对较差；由于泡沫综合指数相对较小，且纳米颗粒粒径较小，使其易进入低渗层，导致其FHMPR-LPR好于FHPR-MLPR。

2.4  微纳米颗粒三相泡沫体系溶液特性与驱油效果相关性

应用归一化和权重系数方法，分析三相泡沫体系溶液特性与驱油效果的相关性。利用归一化方法处理三相泡沫体系的特性参数，对剪切黏度、运动黏度、界面张力和泡沫综合指数的归一化值采用权重系数方法拟合采收率或注入压力归一化值，拟合计算公式为

NEOR（或NIP）=αNSV+βNIT+γNFCI+δNKV.（3）

式中，NEOR和NIP分别为拟合采收率、拟合注入压力归一化值；NSV、NIT、NFCI和NKV分别为剪切黏度、运动黏度、界面张力、泡沫综合指数归一化值；α、β、γ和δ分别为相应归一化值的权重系数。

三相泡沫体系溶液特性和驱油效果的相关性见图8。可以看出，DPCG三相泡沫体系的剪切黏度、运动黏度、泡沫综合指数、采收率和注入压力归一化值最大，PPCG三相泡沫体系的界面张力归一化值最大，而ANP体系的归一化值最小。当权重系数α、β、γ、δ分别为0.1、0.2、0.4、0.3时，除BNP三相泡沫体系的采收率归一化值拟合较差外，其余均拟合较好。不同三相泡沫体系的采收率拟合归一化值与试验归一化值相关系数R2大于0.990。表明三相泡沫体系采收率的影响因素由大至小依次为泡沫综合指数、运动黏度、界面张力、剪切黏度。

当权重系数α、β、γ、δ分别为0.3、0.05、0.35、0.3时，除PPCG三相泡沫体系的注入压力归一化值拟合较差外，其余均拟合较好。不同三相泡沫体系的注入压力拟合归一化值与试验归一化值相关系数R2大于0.992。这表明泡沫综合指数是三相泡沫体系注入压力的主要影响因素，运动黏度和剪切黏度是次要影响因素，界面张力的影响较小。

综上分析，三相泡沫体系的泡沫综合指数和运动黏度是驱油效果的主要影响因素，而剪切黏度和界面张力是次要影响因素。这与三相泡沫体系在聚驱后油藏堵调驱机制相一致。即首先，需要强泡沫性能和高运动黏度性能封堵高渗层；其次，需要较高运动黏度和剪切黏度性能及低张力性能对中渗层调驱；最后，需要低张力性能驱替低渗层，实现大幅提高采收率。

3  结  论

（1）DPCG、PPCG软体微米颗粒三相泡沫体系的特性参数较好，具有超低界面张力，剖面改善率超过82%，聚驱后可提高采收率14%。SNP、BNP、ANP硬质纳米颗粒三相泡沫体系的特性参数相对较差，但聚驱后仍可提高采收率10%。

（2）三相泡沫体系泡沫综合指数和运动黏度是驱油效果的主要影响因素，而剪切黏度和界面张力是次要影响因素。

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（编辑  刘为清）