二氧化碳黏彈性泡沫驅(qū)體系的優(yōu)化*

董 越，周 明，高振東，郭 肖，董海波，李林凱，王振宇

（1.延長(zhǎng)油田股份有限公司，陜西延安 716000；2.油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西南石油大學(xué)，四川成都 610500；3.西南石油大學(xué)新能源與材料學(xué)院，四川成都 610500）

0 前言

低滲透油藏普遍具有“低孔、低滲、低產(chǎn)”的特征，常規(guī)的注水、注氣方法能改善低滲透油藏的開(kāi)發(fā)效果，但是在開(kāi)發(fā)中后期易出現(xiàn)“注不進(jìn)”、水竄或氣竄、注入流體波及效率低等現(xiàn)象，導(dǎo)致低滲透油藏動(dòng)用程度低，采收率低［1-2］。泡沫驅(qū)通過(guò)改善流度比、降低油水界面張力提高洗油效率和增加地層能量，同時(shí)降低啟動(dòng)壓力和注水壓力，提高混合流體的滲流能力，從而提高低滲透油藏的采收率。泡沫具有調(diào)剖、驅(qū)油作用的主要原因在于泡沫在多孔介質(zhì)內(nèi)的滲流特性，即泡沫堵大不堵小及堵水不堵油，因而泡沫可在高、低滲透率巖心中均勻推進(jìn)。同時(shí)，泡沫還具有一定的降低界面張力的作用，因而泡沫具有提高采收率的作用［3］。延長(zhǎng)特低滲油藏的普通水驅(qū)效果不佳，而聚合物可能會(huì)由于孔徑過(guò)小而無(wú)法注進(jìn)，故考慮采用泡沫驅(qū)［4-11］。

近年來(lái)，由于氮?dú)鈦?lái)源廣泛且制備方法趨于成熟，氮?dú)馀菽?qū)被成功應(yīng)用并取得良好效果［12-13］?？諝馀菽?qū)在中高滲透油田的實(shí)施技術(shù)已相對(duì)成熟，但是空氣中氧氣的存在會(huì)誘發(fā)許多風(fēng)險(xiǎn)因素，如爆炸、燃燒、腐蝕等，可能會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和油井事故［14］。隨著能源需求的增長(zhǎng)和全球變暖加劇，二氧化碳驅(qū)提高采收率技術(shù)越來(lái)越受關(guān)注，二氧化碳泡沫驅(qū)將地質(zhì)二氧化碳的儲(chǔ)存和提高采收率結(jié)合起來(lái)［15］。在驅(qū)油過(guò)程中，二氧化碳泡沫破滅后，其氣相能與原油多次接觸達(dá)到混相，降低原油黏度，提高采收率［16］。泡沫的穩(wěn)定性對(duì)于提高最終采收率至關(guān)重要，但原油與泡沫之間的相互作用使泡沫不穩(wěn)定，降低了泡沫的驅(qū)油效率。通常通過(guò)添加聚合物來(lái)提高泡沫穩(wěn)定性，但二氧化碳泡沫溶于水呈酸性，會(huì)導(dǎo)致聚合物溶液黏度下降。本文針對(duì)低滲透油藏水、氣驅(qū)效果不理想，聚合物較難注進(jìn)的問(wèn)題，在無(wú)聚合物、無(wú)堿條件下，通過(guò)篩選起泡劑、助起泡劑、穩(wěn)定劑和絡(luò)合劑，制備了一種具有良好耐鹽性的含有蠕蟲(chóng)狀膠束的二氧化碳黏彈性泡沫驅(qū)體系，研究了其在高礦化度下的起泡性能以及形成蠕蟲(chóng)狀膠束情況。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

月桂酰胺基丙基甜菜堿（UCAB），有效含量30%，深圳星業(yè)科技有限公司；十二烷基硫酸鈉（SDS，有效含量≥85%）、三乙醇胺（有效含量≥99%）、乙二胺四乙酸（EDTA，有效含量≥99%），成都市科龍化工試劑廠。實(shí)驗(yàn)用水為模擬地層水，礦化度為60 546 mg/L，主要離子質(zhì)量濃度（單位mg/L）：Na+11 286、K+5 226、Ca2+4 207、Mg2+3 276、Cl-35 307，HCO3-1 244；CO2氣體，成都市新都金能達(dá)氣體有限公司。

FCM-5000W 型金相顯微鏡，濟(jì)南五星測(cè)試儀器有限公司；Brookfield II 黏度計(jì)，美國(guó)博勒飛有限公司；RS600型流變儀，德國(guó)Haake公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

（1）泡沫溶液的制備

將模擬地層水加入裝有攪拌器的500 mL 的燒杯中，然后邊攪拌邊緩慢加入一定量的穩(wěn)定劑和絡(luò)合劑，待分散均勻后加入一定量的助起泡劑和主起泡劑，在穩(wěn)定劑、絡(luò)合劑和起泡劑完全溶解后停止攪拌，即得泡沫溶液。

（2）泡沫性能的測(cè)定

在設(shè)定溫度下，將200 mL的泡沫溶液加入恒速攪拌器中，然后通入CO21 min，在6000 r/min的轉(zhuǎn)速下攪拌1 min，即得泡沫。將得到的白色泡沫快速倒入1000 mL 的量筒中，記錄最初的泡沫體積（Vmax）；當(dāng)泡沫體積減少至初始泡沫體積的一半時(shí)，記錄半衰期t1/2。

泡沫的綜合指數(shù)（IFC）可反映一般泡沫的發(fā)泡能力和泡沫穩(wěn)定性，但還不能表達(dá)黏彈性二氧化碳泡沫的性能。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，將來(lái)的原IFC計(jì)算公式進(jìn)行改進(jìn)，增加了泡沫視黏度ν，確定了一個(gè)改進(jìn)的泡沫復(fù)合指數(shù)（IFCV）計(jì)算公式：

（3）泡沫微觀形貌觀察

采用礦化度為65 541 mg/L 的模擬地層水配制0.25% UCAB+0.20% SDS+0.09%三乙醇胺+0.08%EDTA 的泡沫溶液，在45 ℃下通入CO21 min，在6000 r/min 的轉(zhuǎn)速下攪拌1 min，形成泡沫。在金相顯微鏡下觀察所制備黏彈性二氧化碳泡沫的微觀形貌。

（4）黏彈性的測(cè)試

采用RS600 型流變儀測(cè)定所制備泡沫體系的黏彈性。測(cè)試系統(tǒng)為雙筒，使用轉(zhuǎn)子為DG41Ti。應(yīng)力掃描范圍0.001～1.0 Pa，應(yīng)力掃描時(shí)固定頻率為1 Hz。頻率掃描范圍為0.01～1Hz，在應(yīng)力恒定為0.1 Pa下進(jìn)行。數(shù)據(jù)記錄由計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制。

2 結(jié)果與討論

2.1 黏彈性二氧化碳泡沫體系性能的影響因素

采用表面活性劑復(fù)配，能夠自組裝形成蠕蟲(chóng)狀膠束溶液，帶有一定黏彈性。在以往的研究中，多采用陽(yáng)離子表面活性劑與反離子作用生成蠕蟲(chóng)狀膠束溶液。在充分考慮起泡性和耐鹽性的基礎(chǔ)上，在模擬地層水礦化度（60 546 mg/L）、油藏溫度（45 ℃）條件下，選用兩性表面活性劑UCAB 為主表面活性劑，陰離子表面活性劑SDS 為助起泡劑，加入穩(wěn)定劑和絡(luò)合劑制備黏彈性泡沫溶液。在綜合考慮改進(jìn)泡沫復(fù)合指數(shù)IFCV和黏度的基礎(chǔ)上優(yōu)化了各組泡沫體系。

2.1.1 起泡劑用量的影響

固定SDS 用量為0.15%，不同UCAB 用量下泡沫溶液的黏度以及泡沫的起泡體積、半衰期及改進(jìn)的泡沫復(fù)合指數(shù)IFCV計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。從表1 可知，隨著UCAB 用量的增大，泡沫溶液黏度逐漸增大，起泡體積逐漸降低，半衰期逐漸增加，而泡沫復(fù)合指數(shù)IFCV先增大后減小。其原因是表面活性劑自組裝形成蠕蟲(chóng)狀膠束，使溶液黏度增加，泡沫液膜變厚變強(qiáng)，延長(zhǎng)了泡沫破滅的時(shí)間，因此半衰期增加，泡沫復(fù)合指數(shù)IFCV增大；泡沫溶液黏度增加到一定程度時(shí)，起泡體積過(guò)低，因此泡沫復(fù)合指數(shù)減小。當(dāng)UCAB用量達(dá)到0.25%時(shí)，泡沫復(fù)合指數(shù)IFCV達(dá)到最大，為172 515 mL·min·mPa·s，故主劑UCAB用量確定為0.25%。

表1 UCAB用量對(duì)泡沫性能的影響（45 ℃，SDS用量0.15%）

2.1.2 助起泡劑用量對(duì)泡沫性能的影響

固定UCAB 用量為0.25%，不同助起泡劑SDS用量下泡沫溶液的黏度以及泡沫的起泡體積、半衰期及改進(jìn)的泡沫復(fù)合指數(shù)IFCV計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。從表2可知，隨著助起泡劑SDS用量的增大，泡沫溶液的黏度增加，起泡體積減小，半衰期先增長(zhǎng)后縮短，而泡沫的IFCV先增大后減小。其原因是表面活性劑自組裝形成蠕蟲(chóng)狀膠束，使溶液黏度增加，泡沫液膜變厚變強(qiáng)，延長(zhǎng)了泡沫破滅的時(shí)間，因此半衰期增加，IFCV增大。溶液黏度增加到一定程度時(shí)，起泡體積過(guò)低，因此泡沫復(fù)合指數(shù)開(kāi)始減小。當(dāng)助起泡劑SDS 用量為0.2%時(shí)，IFCV達(dá)到最大，故助起泡劑SDS 用量確定為0.2%。在此條件下所產(chǎn)生的泡沫細(xì)膩、均勻、穩(wěn)定。

表2 SDS用量對(duì)泡沫性能的影響（45 ℃，0.25%UCAB）

2.1.3 穩(wěn)泡劑用量對(duì)泡沫性能的影響

向0.25% UCAB+0.20% SDS 的泡沫溶液中加入一定量的穩(wěn)泡劑三乙醇胺，不同三乙醇胺用量下泡沫溶液的黏度以及泡沫的起泡體積、半衰期及改進(jìn)的泡沫復(fù)合指數(shù)IFCV計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 泡沫穩(wěn)定劑三乙醇胺濃度的確定

隨著三乙醇胺用量的增大，泡沫溶液黏度增大，起泡體積略微降低，半衰期延長(zhǎng)，IFCV增大；當(dāng)三乙醇胺用量為0.09%時(shí)，IFCV最大，繼續(xù)增大三乙醇胺用量時(shí)，IFCV略有降低。泡沫破裂主要是由液膜排液和氣泡內(nèi)氣體擴(kuò)散共同作用的結(jié)果。泡沫在表面張力較低時(shí)更容易生成，而液膜的表面電荷、表面張力與表面黏度會(huì)影響液膜的強(qiáng)度。而泡沫穩(wěn)定性關(guān)鍵取決于液膜的表面黏度。提高液膜的表面黏度，液膜就不會(huì)因?yàn)槭艿酵饨绺蓴_而輕易破裂，這樣液膜的排液速率就會(huì)減小，氣泡內(nèi)的氣體穿透液膜的能力也會(huì)降低，最終增加了體系的穩(wěn)定性。三乙醇胺是一種黏稠性液體，能夠一定程度提高液膜的表面黏度，延遲了破壞液膜的時(shí)間，延長(zhǎng)半衰期，使IFCV值增大。當(dāng)泡沫溶液中三乙醇胺用量高于0.09%后，IFCV減小，主要是液膜厚度增加程度有限。泡沫溶液中三乙醇胺用量為0.09%時(shí)，穩(wěn)泡性能最佳。

2.1.4 絡(luò)合劑EDTA濃度對(duì)泡沫性能的影響

在0.25%UCAB+0.2%SDS+0.09%三乙醇胺的泡沫液體系中加入一定量的絡(luò)合劑EDTA，不同EDTA 用量下泡沫溶液的黏度以及泡沫的起泡體積、半衰期及改進(jìn)的泡沫復(fù)合指數(shù)IFCV計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。從表4 可以看出，隨著EDTA 用量的增加，泡沫溶液黏度略有增加，泡沫的起泡體積先增后減，半衰期增大；當(dāng)EDTA 用量為0.08%時(shí)，IFCV達(dá)到最大，為370 272 mL·min·mPa·s。絡(luò)合劑EDTA 能絡(luò)合模擬地層水中的鈣鎂離子，而鈣鎂離子會(huì)影響泡沫的性能。隨著EDTA 用量的增大，絡(luò)合的鈣鎂離子增多，從而鈣鎂離子對(duì)泡沫性能的影響減小，故泡沫復(fù)合指數(shù)增大。當(dāng)EDTA 用量為0.08%時(shí)，已經(jīng)將鈣鎂離子絡(luò)合完了，自身反而會(huì)對(duì)泡沫產(chǎn)生影響，IFCV會(huì)降低。

表4 EDTA用量對(duì)泡沫性能的影響

2.2 泡沫的微觀形貌

黏彈性二氧化碳泡沫的微觀形貌如圖1 所示。從圖1可知，分散相由流體（二氧化碳）成核組成，連續(xù)相由液膜組成，液膜中除水之外，還有表面活性劑和少量三乙醇胺和EDTA。三乙醇胺作為黏稠性液體存在于連續(xù)相液膜中，增強(qiáng)液膜的表面黏度；EDTA 絡(luò)合了水相中的鈣鎂離子，也存在于液膜當(dāng)中，EDTA 有利地屏蔽了鈣鎂離子對(duì)表面活性劑的作用。SDS 和UCAB 作為表面活性劑，處于連續(xù)相和分散相之間的界面上，其親水基指向連續(xù)相液膜，而疏水基指向分散相氣泡內(nèi)部，即氣相。二氧化碳?xì)怏w作為分散相由連續(xù)相的液體包圍形成氣泡，大量的氣泡匯聚最終形成泡沫。泡沫成不規(guī)則的六邊形或五邊形等多邊形，表明黏彈性二氧化碳泡沫具有一般泡沫特征。另外，該泡沫還具有較高的視黏度，具有較強(qiáng)的界面膜，即具有聚合物基泡沫的特征。SDS 的硫酸根基團(tuán)不僅可與UCAB 的季銨鹽發(fā)生靜電作用，而且可與反離子金屬陽(yáng)離子發(fā)生靜電作用，同時(shí)UCAB的羧酸根陰離子也可與反離子金屬陽(yáng)離子靜電作用。三重靜電作用導(dǎo)致兩表面活性劑自組裝交替排列，形成蠕蟲(chóng)狀膠束，如圖2所示。加入過(guò)量的SDS、無(wú)機(jī)鹽和升高溫度，都會(huì)使蠕蟲(chóng)狀膠束支化變短，膠束之間的纏結(jié)程度減弱，黏彈性下降。

圖1 黏彈性二氧化碳泡沫的微觀形貌

圖2 表面活性劑自組裝形成蠕蟲(chóng)狀膠束過(guò)程

2.3 泡沫的黏彈性

在溫度45 ℃下，用礦化度為65 541 mg/L的模擬地層水配制的配方為0.25%UCAB+0.20%SDS+0.09%三乙醇胺+0.08%EDTA 的泡沫溶液，通入二氧化碳形成的二氧化碳泡沫的彈性模量（G'）及黏性模量（G''）與剪切頻率（ω）的變化如圖3所示。從圖3 可以看出，所形成的二氧化碳泡沫具有一定的黏彈性，說(shuō)明自組裝形成了蠕蟲(chóng)狀膠束。隨著剪切頻率的增加，G'和G''均呈上升趨勢(shì)。當(dāng)ω＜0.066 rad/s時(shí)，G'＜G''；當(dāng)ω＞0.066 rad/s 時(shí)，G'＞G''。這是因?yàn)閮尚员砻婊钚詣┑年?yáng)離子基團(tuán)及陰離子表面活性劑的陰離子基團(tuán)與反離子之間達(dá)到靜電平衡，自組裝形成蠕蟲(chóng)狀膠束。在低頻區(qū)膠束之間發(fā)生纏結(jié)，形成“網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)”，此時(shí)G'＜G''；而在高頻區(qū)，膠束之間“網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)”發(fā)生解纏結(jié)，導(dǎo)致黏度下降，并且彈性模量大于黏性模量。

圖3 CO2泡沫的彈性模量（G'）及黏性模量（G''）與剪切頻率（ω）的關(guān)系

3 結(jié)論

在無(wú)聚合物、無(wú)堿條件下所篩選的最佳配方為0.25% UCAB+0.20% SDS +0.09% 三乙醇胺+0.08%EDTA的泡沫體系具有良好的起泡性和穩(wěn)定性，其泡沫復(fù)合指數(shù)IFCV為370 272 mL·min·mPa·s。所形成的黏彈性CO2泡沫呈不規(guī)則的五邊形或六邊形等，具有一般泡沫特征。

小分子自組裝形成了蠕蟲(chóng)狀膠束的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)相互纏結(jié)和締合，體現(xiàn)了聚合物的黏彈性。二氧化碳溶于水呈酸性，會(huì)使穩(wěn)泡劑作用減弱，而兩性表面活性劑受酸性影響較小，且在特殊鹽溶液中能夠自組裝形成蠕蟲(chóng)狀膠束，具有良好的黏彈性，一方面使泡沫液膜增強(qiáng)，延長(zhǎng)液膜破滅時(shí)間，另一方面降低液膜排液速率，提高了泡沫體系的穩(wěn)定性。