耐溫耐鹽CO2泡沫體系性能評價(jià)

汪萬飛,李富榮,張治海,劉 超,付 紅

(1.中國石油長慶油田分公司 第九采油廠,寧夏 銀川 750006; 2.玉門油田分公司 工程技術(shù)研究院,甘肅 酒泉 735000; 3.玉門油田分公司 乍得有限責(zé)任公司,甘肅 酒泉 735000; 4.中國石油長慶油田分公司 第三采油廠,寧夏 銀川 750006)

引 言

CO2泡沫驅(qū)油技術(shù)是在CO2驅(qū)油技術(shù)廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)上得以推廣[1-3]。目前針對高溫油藏的CO2泡沫驅(qū)油體系研究已較為成熟,但耐鹽性CO2泡沫體系研究尚不完善。大量研究表明,納米顆粒能夠有效提高泡沫的穩(wěn)定性[4-7],納米顆粒可在氣泡液膜上形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[8],增強(qiáng)液膜強(qiáng)度和排水阻力[9],從而延緩泡沫破滅,提高泡沫的穩(wěn)定性[10-11]。泡沫體系中加入納米顆粒穩(wěn)定劑可以起到減少重力超覆,擴(kuò)大波及體積,提高驅(qū)油效率的作用。十二烷基硫酸鈉(SDS)是常用的陰離子表面活性劑,有著價(jià)格低廉、易溶于水,具有良好的起泡性和耐硬水等優(yōu)點(diǎn)[12],同時(shí)SDS與納米顆粒會(huì)產(chǎn)生協(xié)同作用,使得泡沫穩(wěn)定性增強(qiáng)[4,13]。十二烷基四甘醇醚(C12E4)是非離子表面活性劑,具有較好的起泡性和耐鹽能力,與納米顆粒會(huì)產(chǎn)生協(xié)同作用,提高泡沫穩(wěn)定性[14]。

筆者以長慶油田H區(qū)塊高溫高鹽油藏作為研究對象,針對其高溫高鹽(溫度84 ℃,礦化度46 348.18mg/L)的特性,選用SDS、C12E4和納米顆粒穩(wěn)泡劑(改性SiO2)開展了CO2泡沫體系的優(yōu)選、耐溫耐鹽性以及老化穩(wěn)定性評價(jià),同時(shí)進(jìn)行了耐溫耐鹽CO2泡沫體系流變性和吸附性的評價(jià),以期得到性能優(yōu)異的CO2泡沫體系,同時(shí)為高溫高鹽油藏氣竄控制技術(shù)的現(xiàn)場應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

1.1.1 實(shí)驗(yàn)材料

長慶油田H區(qū)塊地層原油,84 ℃下黏度0.95 mPa·s;CO2氣體,純度99.9%;模擬地層水礦化度46 348.18 mg/L,地層水離子組成見表1;巖心(Φ 2.5 cm×6 cm),油田提供。

表1 H區(qū)塊模擬地層水離子組成Tab.1 Ionic composition of simulated formation water in block H

試劑:十二烷基硫酸鈉(SDS)、氯化鈉、氯化鉀、氯化鎂、氯化鈣、硫酸鈉、碳酸氫鈉,分析純,成都科隆化學(xué)品有限公司;十二烷基四甘醇醚(C12E4),純度≥98%,Sigma;納米顆粒穩(wěn)泡劑(N1),干顆粒粒徑范圍為10～30 nm,北京盛和昊源科技有限公司。

1.1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

HAAKE MARS Ⅲ流變儀,德國HAAKE公司;吳茵攪拌器,北京瑞億斯科技有限公司;高溫高壓泡沫評價(jià)裝置,Φ2.5×60 cm填砂管、驅(qū)替裝置,海安石油科研石油有限公司;氣體增壓系統(tǒng),蘇州力特海增壓科技有限公司;分析天平、恒溫干燥箱、磁力加熱攪拌器,上海力辰邦西儀器科技有限公司;燒杯、量筒等,蜀牛玻璃儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 泡沫性能評價(jià)

使用清水或模擬地層水配制100 mL的起泡劑溶液,在不同測試條件下,利用高溫高壓泡沫評價(jià)裝置在84 ℃、19.7 MPa下攪拌發(fā)泡,待充分發(fā)泡后,開始計(jì)時(shí),并記錄最大發(fā)泡體積Vmax(單位:mL);待泡沫體積下降至最大發(fā)泡體積的一半時(shí)記錄所需的時(shí)間,即泡沫半衰期t1/2(單位:min);通過式

FCI=0.75Vmaxt1/2

(1)

計(jì)算泡沫綜合指數(shù)FCI[15-16]。

1.2.2流變性能評價(jià)

使用清水和模擬地層水配制起泡劑溶液,老化后通入CO2氣體攪拌發(fā)泡,將泡沫倒入HAAKE流變儀中,設(shè)置振蕩頻率50 Hz,測試泡沫體系的黏彈性;設(shè)置剪切速率為0.001～300 s-1,測定泡沫體系的剪切稀釋性。

1.2.3 吸附性評價(jià)

將配制好的起泡劑溶液在84 ℃下老化72 h;將巖心洗凈烘干、稱重、抽真空、飽和水和巖心驅(qū)替等操作測量巖心的長度、干重、濕重、孔隙度和滲透率等物性參數(shù)。設(shè)置注入速度0.1 mL/min,將起泡劑溶液通過驅(qū)替裝置注入巖心中,并在巖心出口端收集采出液。由于巖心完全飽和水,待驅(qū)替1 PV后的采出液才能用于發(fā)泡實(shí)驗(yàn);然后將收集到的100 mL采出液進(jìn)行發(fā)泡實(shí)驗(yàn),與吸附前的泡沫性能變化進(jìn)行對比,探究吸附對泡沫性能的影響。

1.2.4 封堵性能評價(jià)

用石英砂填制不同滲透率的填砂管,以1 mL/min的注入速度進(jìn)行飽和水并測其水測滲透率。在84 ℃條件下,以1 mL/min的注入速度交替注入0.3 PV泡沫段塞(0.05 PV泡沫體系溶液+0.05 PV CO2),泡沫體系注入后開始進(jìn)行后續(xù)水驅(qū),記錄填砂管兩端壓差Δp。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 泡沫體系優(yōu)選

對兩種表面活性劑進(jìn)行復(fù)配,考慮其使用成本,兩種表面活性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)總和不大于0.6%,配制了15種不同組合的起泡劑溶液,老化72 h后利用高溫高壓泡沫評價(jià)裝置進(jìn)行測試泡沫性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 復(fù)配泡沫體系的泡沫性能Tab.2 Foam performance of compound foam system

由表2可知,在84 ℃、19.7 MPa條件下,0.2%SDS+0.3%C12E4和0.3%SDS+0.3%C12E4兩種復(fù)配體系泡沫體積和半衰期表現(xiàn)最好,泡沫體積分別達(dá)到570 mL和610 mL,泡沫半衰期分別為56.7 min和60.4 min,綜合指數(shù)分別為24 239.25 mL·min和27 633 mL·min。由于兩個(gè)體系性能表現(xiàn)差距較小,出于經(jīng)濟(jì)因素考慮,選擇0.2%SDS+0.3%C12E4作為本次優(yōu)選的泡沫體系。

圖1展示了穩(wěn)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對泡沫性能的影響,通過添加穩(wěn)泡劑,泡沫半衰期明顯增大,但泡沫體積并未增加,說明納米分散穩(wěn)泡劑可以增強(qiáng)泡沫性能。SDS是陰離子表面活性劑,SDS和納米粒子具有協(xié)同作用,可以協(xié)同穩(wěn)定泡沫,使得泡沫穩(wěn)定性增強(qiáng)[17-18]。C12E4是一種非離子表面活性劑,能夠與納米粒子協(xié)同穩(wěn)泡[16]。同時(shí)納米顆?？梢酝菽w系中的連續(xù)相與非連續(xù)相形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),降低泡沫的排液速度,從而進(jìn)一步增強(qiáng)泡沫的穩(wěn)定性[8-11]。綜上所述,SDS、C12E4及納米粒子穩(wěn)泡劑N1協(xié)同作用,增強(qiáng)泡沫的穩(wěn)定性。最終確定泡沫體系為0.2%SDS+0.3%C12E4+0.05%N1。

圖1 穩(wěn)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對泡沫性能的影響Fig.1 Effect of mass fraction of foam stabilizer on foam properties

2.2 耐溫性及老化穩(wěn)定性評價(jià)

將優(yōu)選的泡沫體系(0.2%SDS+0.3%C12E4+0.05%N1)配制成溶液,分別放置在25 ℃、35 ℃、45 ℃、55 ℃、65 ℃、75 ℃、85 ℃和95 ℃條件下老化72 h,在19.7 MPa和相應(yīng)溫度下,通過高溫高壓泡沫評價(jià)裝置攪拌起泡,測量其泡沫性能和穩(wěn)定性。其結(jié)果如圖2所示。

圖2 溫度對泡沫性能的影響Fig.2 Effect of temperature on foam properties

從圖2可以看出,隨著溫度的上升,泡沫體系的泡沫體積變化不大,但半衰期有所下降,說明溫度對泡沫穩(wěn)定性的影響較大。這一現(xiàn)象可能是由于納米顆粒與表面活性劑分子之間具有良好的協(xié)同穩(wěn)定能力,納米粒子在液膜上的穩(wěn)定吸附提高了液膜的黏彈性模量,在高溫條件下能夠抑制一部分液體的蒸發(fā),從而阻礙液體的排出,保證了液膜的穩(wěn)定性[19]。溫度升高加劇了CO2的擴(kuò)散過程,促進(jìn)納米顆粒與表面活性劑分子間的熱運(yùn)動(dòng),但對液膜穩(wěn)定性影響較小,但隨著溫度升高,液體蒸發(fā)加劇,導(dǎo)致氣泡破裂更快[20],從而體系半衰期逐漸降低。在19.7 MPa下,從25 ℃上升到95 ℃,泡沫半衰期和析液半衰期的保持率分別為 48.6%和 52.4%,在85 ℃(地層溫度附近)時(shí)的泡沫體積為570 mL,泡沫半衰期為88.3 min,析液半衰期為18.3 min,泡沫綜合指數(shù)為37 748.3 mL·min,仍保持了較好的起泡性和穩(wěn)定性。

泡沫體系經(jīng)過一段時(shí)間的高溫老化后泡沫性能可能會(huì)發(fā)生變化,表面活性劑分子可能會(huì)發(fā)生分子鏈的斷裂和水解導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,從而泡沫性能和穩(wěn)定性會(huì)有所減弱。為獲得性能良好的耐溫耐鹽CO2泡沫體系滿足現(xiàn)場施工要求,對其熱穩(wěn)定性進(jìn)行了評價(jià)。其評價(jià)結(jié)果如圖3所示。

圖3 老化時(shí)間對泡沫性能的影響Fig.3 Effect of aging time on foam properties

如圖3所示,隨著老化時(shí)間的增加,泡沫體系的泡沫體積和半衰期均逐漸降低。老化90 d后,該泡沫體系起泡體積為410 mL,泡沫半衰期為43.6 min,析液半衰期為6.3 min,泡沫綜合指數(shù)可達(dá)13 407 mL·min,泡沫體積保持率為69.5%,泡沫半衰期和析液半衰期保持率分別為 47.1%和30.6%,仍具有較好的泡沫性能,能夠滿足在地層條件下長時(shí)間作用的需求。

2.3 耐鹽性評價(jià)

從地層水離子組成表中可以看出,Na+和Ca2+含量最大,無機(jī)鹽對泡沫體系的泡沫性能有著巨大影響,所以分別研究了Na+和Ca2+質(zhì)量分?jǐn)?shù)對泡沫性能的影響,其結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)對泡沫性能的影響Fig.4 Effect of NaCl mass fraction on foam properties

圖5 CaCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)對泡沫性能的影響Fig.5 Effect of CaCl2 mass fraction on foam properties

從圖4中可以看出,當(dāng)NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0%升高到6.0%,泡沫體積減少了35.8%,泡沫半衰期和析液半衰期保持率分別為48.4%和38.5%,可見對其穩(wěn)定性影響較大。當(dāng)NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%(礦化度為50 000 mg/L),此時(shí)泡沫體積為560 mL,泡沫半衰期75.7 min,析液半衰期14.8 min,泡沫綜合指數(shù)為31 794 mL·min,泡沫發(fā)泡性能和穩(wěn)定性都受到一定影響。但在儲(chǔ)層礦化度條件下,NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為2.78%(礦化度為27 842.02 mg/L),Na+對該體系泡沫性能影響較小,抗鹽性能較好。

通過圖4與圖5對比發(fā)現(xiàn),Ca2+對泡沫穩(wěn)定性的影響遠(yuǎn)大于Na+,隨著 CaCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大,泡沫體積和半衰期逐漸降低。當(dāng)CaCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.0%(礦化度約50 000 mg/L)時(shí),泡沫體積為550 mL,泡沫半衰期為50.6 min,析液半衰期為8.3 min,綜合指數(shù)為20 872.5 mL·min,Ca2+對泡沫穩(wěn)定性影響較大。但在儲(chǔ)層礦化度條件下,CaCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為1.4%(礦化度為14 155.22 mg/L),Ca2+對發(fā)泡性能影響較小,泡沫體系仍具有較好的起泡性和一定的穩(wěn)定性。

綜上所述,當(dāng)?shù)V化度增大時(shí),在Na+、Ca2+和Cl-共同作用下,表面活性劑的界面活性受到一定的抑制,從而使得泡沫體積減小,并且降低了表面活性劑和納米顆粒在液膜表面的吸附,使得液膜強(qiáng)度降低,從而穩(wěn)定性降低。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,儲(chǔ)層礦化度下,泡沫體系表現(xiàn)出良好的抗鹽能力,該泡沫體系(0.2%SDS+0.3%C12E4+0.05%N1)能夠在儲(chǔ)層礦化度下進(jìn)行充分發(fā)泡,并具有較好的穩(wěn)定性。

2.4 耐油性評價(jià)

驅(qū)油用的泡沫體系要具備一定的耐油性,才能夠在油藏高滲層中形成相對穩(wěn)定的驅(qū)替前緣,達(dá)到提高波及效率的驅(qū)油效果。向配制好并老化72 h后的泡沫體系溶液中分別加入體積分?jǐn)?shù)為10%、20%、30%、40%和50%的原油,得到100 mL的混合溶液,并在84 ℃和19.7 MPa條件下通過高溫高壓評價(jià)裝置攪拌起泡,測量泡沫體系在不同含油量條件下的泡沫性能和穩(wěn)定性,分析含油量對泡沫性能的影響,結(jié)果見圖6。

圖6 含原油體積分?jǐn)?shù)對泡沫性能的影響Fig.6 Effect of oil volume fraction on foam properties

從圖6中可以看出,隨著含油量增大,泡沫體積和半衰期都降低,說明原油含量對泡沫體系起泡能力影響較大,同時(shí)使得泡沫與油接觸后穩(wěn)定性變差,極易破滅。當(dāng)含油量小于10%時(shí),泡沫體積大于460 mL,泡沫半衰期60.4 min,析液半衰期7.2 min,綜合指數(shù)為20 838 mL·min,此時(shí)還能表現(xiàn)出較好的性能;而當(dāng)含油量大于20%,泡沫性能降低,表現(xiàn)出明顯的“遇油消泡”特性。低含油量下能表現(xiàn)出較為可觀的起泡性和穩(wěn)定性,高含油下“遇油消泡”明顯,起泡性和穩(wěn)定性都大幅度降低。從整體上看該體系耐油性較差,在非均質(zhì)儲(chǔ)層中,由于高滲層為水驅(qū)優(yōu)勢通道,其含油飽和度低,能夠產(chǎn)生大量的泡沫對其高滲層產(chǎn)生良好的封堵作用,在低滲層中含油飽和度高,發(fā)泡困難甚至不發(fā)泡,并且泡沫穩(wěn)定性差,使得低滲層中剩余油更容易被驅(qū)出。同時(shí)也體現(xiàn)了該泡沫體系通過提高波及效率來提高原油采收率的優(yōu)勢。

2.5 流變性評價(jià)

在清水和模擬地層水中測試泡沫體系的流變性能,將清水和模擬地層水配制的表面活性劑溶液放置在84 ℃恒溫箱中老化72 h,攪拌起泡后,用HAAKE流變儀測定泡沫體系的黏性模量(G″)、彈性模量(G′)和剪切稀釋性,結(jié)果見圖7和圖8。

圖7 泡沫體系黏彈性曲線Fig.7 Viscoelasticity curve of foam system

圖8 泡沫體系剪切稀釋性曲線Fig.8 Shear thinning curve of foam system

圖7中顯示了泡沫體系的黏彈曲線,從圖中可以看出泡沫體系的黏性模量高于彈性模量,說明泡沫體系黏性大于其彈性,黏性較大能增強(qiáng)泡沫體系的穩(wěn)定性。彈性模量增大使得泡沫變形能力增強(qiáng),可以增強(qiáng)氣泡在孔喉處的Jamin效應(yīng),提高其封堵壓力,泡沫可以變形分裂形式通過狹窄喉道,同時(shí)提高了泡沫在喉道-孔隙處的再生能力,泡沫的穩(wěn)定性增強(qiáng)。泡沫黏彈性模量均隨頻率增大而增大,當(dāng)頻率增加到2 Hz時(shí),曲線增長速率變緩,頻率繼續(xù)增大,彈性模量向黏性模量逼近,說明泡沫體系的黏性隨振蕩頻率增加而減弱。模擬地層水的泡沫體系黏性模量和彈性模量均略小于清水的泡沫體系。從黏彈性評價(jià)也可以看出,該泡沫體系耐鹽性良好,有較廣的礦化度適用范圍。

圖8中反映了泡沫體系隨剪切速率增加黏度的變化規(guī)律,泡沫體系黏度隨剪切速率增大而降低。說明在剪切速率高的近井區(qū)域,泡沫體系黏度較低,易于流動(dòng),能夠有效地進(jìn)入地層中,擴(kuò)大波及體積,當(dāng)泡沫在油層中部遠(yuǎn)井區(qū)域低速滲流時(shí),由于其剪切速率低,導(dǎo)致形成的泡沫黏度增大,從而有利于高滲層的封堵,達(dá)到有效的深部調(diào)驅(qū)效果。模擬地層水組比清水組的泡沫黏度更低,說明在近井區(qū)域流動(dòng)性更強(qiáng),更有利于進(jìn)入地層,在低剪切速率的油層中部,模擬地層水組的泡沫黏度依然較高,能發(fā)揮有效的封堵高滲層的作用。同時(shí)該體系表現(xiàn)出優(yōu)異的耐鹽性能。

2.6 吸附性評價(jià)

考慮到表面活性劑分子在巖石孔隙壁面的吸附作用,吸附會(huì)影響泡沫體系的發(fā)泡性能,對此開展了泡沫體系的吸附性研究。實(shí)驗(yàn)所用巖心參數(shù)見表3,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。

表3 吸附性實(shí)驗(yàn)巖心參數(shù)Tab.3 Parameters of cores for adsorption experiment

表4 吸附前后發(fā)泡性能Tab.4 Foaming performance of foam system before and after adsorption

通過三組物性相近的巖心進(jìn)行實(shí)驗(yàn),吸附前后發(fā)泡實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4,泡沫體系在巖心孔隙中的吸附會(huì)影響泡沫性能。發(fā)生吸附后,泡沫性能均降低,吸附后平均泡沫體積為吸附前泡沫體積的73.8%,平均泡沫半衰期降低了18.4%,平均泡沫析液半衰期降低了13.6%,泡沫綜合指數(shù)降低了19.6%。雖然吸附導(dǎo)致泡沫性能有所降低,但泡沫體積仍能達(dá)到410 mL以上,泡沫半衰期大于70 min。吸附后的泡沫性能仍表現(xiàn)良好的穩(wěn)定性。

2.7 泡沫體系封堵性能評價(jià)

填制3支不同滲透率的填砂管,滲透率分別為378.3×10-3μm2、917.7×10-3μm2及1 753.1×10-3μm2,研究泡沫體系在不同滲透率條件下的封堵效果。結(jié)果如圖9所示。

圖9 泡沫體系在不同滲透率下的封堵效果Fig.9 Plugging effect of foam system under different core permeability

圖9中展示了三組填砂管在注入泡沫體系前后的壓力變化曲線,當(dāng)開始注入泡沫體系后,填砂管兩端壓差開始上升,注入結(jié)束后進(jìn)入后續(xù)水驅(qū)階段,壓差繼續(xù)增大,然后在0.5 PV時(shí)達(dá)到最大,隨著水驅(qū)進(jìn)行,壓力逐漸下降,然后趨于穩(wěn)定。平衡時(shí)的壓差是轉(zhuǎn)注前壓差的3倍左右,可見該泡沫體系封堵效果良好。

3 結(jié) 論

(1)表面活性劑復(fù)配和納米粒子穩(wěn)泡劑優(yōu)選得到泡沫體系為0.2%SDS+0.3%C12E4+0.05%N1。

(2)在84 ℃和19.7 MPa條件下,其泡沫體積能達(dá)到570 mL,泡沫半衰期為88.6 min,析液半衰期為18.3 min,泡沫綜合指數(shù)為37 876.5 mL·min。老化90 d后,該泡沫體系起泡體積為410 mL,泡沫半衰期為43.6 min,析液半衰期為6.3 min,泡沫綜合指數(shù)可達(dá)13 407.0 mL·min,泡沫體積保持率為69.5%,泡沫半衰期和析液半衰期保持率分別為 47.1%和30.6%,泡沫體系表現(xiàn)出良好的耐溫性和抗老化性。

(3)該體系在儲(chǔ)層礦化度條件下表現(xiàn)出較好的抗鹽性能,表面活性劑和納米顆粒在液膜表面的吸附以及表面活性劑的界面活性僅受到較小的影響,具有良好的泡沫性能和穩(wěn)定性。

(4)泡沫體系的黏性模量大于彈性模量,整體表現(xiàn)為黏性,能夠提升泡沫體系的穩(wěn)定性,在近井區(qū)域泡沫黏度低,注入性好且有利于擴(kuò)大波及效率,遠(yuǎn)井區(qū)域泡沫黏度大,從而有利于高滲層的封堵,達(dá)到有效的深部調(diào)驅(qū)效果。礦化度對流變性影響不大,泡沫體系均有一定的耐鹽性。

(5)吸附性評價(jià)表明,吸附后平均泡沫體積大于410 mL,保留率為73.8%,吸附后的泡沫性能仍表現(xiàn)良好的穩(wěn)定性。

(6)封堵后的平衡壓差是轉(zhuǎn)注前壓差的3倍左右,封堵效果良好。