两亲聚合物泡沫在多孔介质中的渗流及分流特性

2019-05-24 00:56张瑞香

实验室研究与探索 2019年4期

张瑞香，王杰，高军

(1.中国石油大学胜利学院油气工程学院, 山东东营 257061; 2.中石化胜利油田技术检测中心, 山东东营257061; 3.中石化中原油田技术监测中心计量监测站, 河南濮阳 457001)

0 引言

泡沫流体应用于油田开发国内外已有多年的历史。目前，油田常用的起泡剂为表面活性剂，常用的泡沫驱油技术主要包括传统油田泡沫驱、强化泡沫驱和泡沫复合驱。传统油田泡沫主要指气体直接分散在表面活性剂溶液中形成的分散体系，但传统泡沫驱在油田中的应用并不广泛，这主要是：①表面活性剂在地层中吸附滞留量较大，大大降低了其使用效率；②在原油存在情况下，由于泡沫稳定性降低使传统泡沫的封堵作用大大减弱；③泡沫不能进入油藏深处，起到深度调剖的作用。由于传统泡沫驱存在的种种问题，故研究人员提出了强化泡沫驱，强化泡沫驱是指在泡沫体系中加入聚合物，通过增加体相黏度的方法从而提高泡沫稳定性[1-5]。相对于传统泡沫，强化泡沫具有较高的稳定性，尤其是当强化泡沫与地层中的原油接触时，可相对较好地维持泡沫的稳定性[6-11]。此外，强化泡沫具有较高的黏度和极好的流度控制能力，聚合物加入大大降低了起泡剂对各种因素的敏感程度。强化泡沫中加入的聚合物主要包括普通聚合物和两亲聚合物两种，普通聚合物主要是通过增加体相黏度来增强泡沫稳定性，而两亲聚合物除了增加体相黏度外，还可与起泡剂分子相互作用从而进一步提高泡沫稳定性，但起泡剂分子与两亲聚合物分子相互作用时会在一定程度上降低起泡液的黏度，泡沫稳定性也会有所下降[12-16]。总的来说，目前所应用的泡沫基本上都含有表面活性剂，由于两亲聚合物本身具有较高的黏度，且具有良好的耐温、抗盐性，且两亲聚合物的结构里含有亲水基和疏水基，具有一定的表面活性，可以产生泡沫。本文以两亲聚合物作为起泡剂，研究了两亲聚合物泡沫在多孔介质中的渗流规律，主要包括气液比、渗透率、温度、注入流速、原油饱和度对两亲聚合物泡沫在多孔介质中的流动规律的影响及两亲聚合物泡沫的分流特性，为两亲聚合物泡沫在现场中的应用提供支撑依据。

1 实验部分

1.1 实验仪器及试剂

DHZ-50-180型化学驱动态模拟评价装置，填砂管直径25 mm，长度500 mm，南通华兴石油仪器有限公司制造。炼化Ⅰ型两亲聚合物(相对分子质量1 350×104，水解度24.95%，固含量89%)，大庆炼化一厂。

大庆油田模拟原油由大庆三厂脱水原油与航空煤油按13∶10的比例配制而成，45 ℃下模拟原油的黏度为9.8 mPa·s，密度为0.84 g/cm3。

1.2 实验方法

(1) 两亲聚合物泡沫渗流实验。① 用合适的石英砂填制填砂岩心模型，称取干重；② 将填砂岩心模型抽真空4 h后，饱和模拟地层水，称取湿重，计算孔隙度φ；③ 将饱和好的填砂岩心模型放置到恒温箱内，恒温12 h；④ 组装实验装置，改变气液比、渗透率、温度、注入流速、原油饱和度等参数进行两亲聚合物泡沫渗流实验，回压为1.3 MPa，其中阻力因子Fr的计算：Fr=Δp2/Δp1(Δp1为单纯注水时压差；Δp2为注泡沫时压差)。

(2) 两亲聚合物泡沫分流实验。①～③的方法与(1)中相同；④ 把两根填砂管模型进行并联，以4 mL/min的速度注入泡沫，分别测两根模型出口的产液量并计算产液速度。注入方式为气液交替注入，起泡液为0.15%的炼化Ⅰ型两亲聚合物溶液。

2 结果与讨论

2.1 气液比对两亲聚合物泡沫渗流规律的影响

图1为不同气液比下的炼化Ⅰ型两亲聚合物泡沫和炼化Ⅰ型两亲聚合物的渗流曲线。可以看出，炼化Ⅰ型两亲聚合物泡沫体系的驱替压差要大于单独的炼化Ⅰ型两亲聚合物驱，这主要是因为通入的气体与炼化Ⅰ型两亲聚合物体系形成了泡沫，炼化Ⅰ型两亲聚合物泡沫可以通过产生贾敏效应来提高渗流阻力，炼化Ⅰ型两亲聚合物泡沫的封堵能力较强。从图1中还可看出，当气液比从1∶3增加到2∶1时，随着气液比的增加，稳定后的流动压差变大，这主要是因为随着气体注入量的增加，在填砂管中产生的泡沫数量增多，被捕集的泡沫增多，泡沫的贾敏效应叠加增强，提高了泡沫的封堵能力，从而使得其驱替压差变大；由于产生泡沫数量的增多，所以随着气液比的增加，驱替达到相对稳定状态时所需注入泡沫的量相对较小。从图中还可以看出，在泡沫的注入过程中，压力曲线不是光滑的曲线，这是因为在岩心的多孔介质中泡沫的破裂或流动造成的；当气液比从2∶1增到3∶1时，稳定后的驱替压差变小，这主要是因为气体体积的增多导致泡沫质量变大，泡沫液膜强度降低，导致两亲聚合物泡沫的稳定性变差，泡沫的封堵能力变差。

图1 两亲聚合物泡沫和两亲聚合物的注入压差随注入体积的变化曲线

从图2可以看出，随着气液比的增加，两亲聚合物泡沫的阻力因子先增大后减小，呈现“几”字形，当气液比在1∶1～2∶1时，泡沫的阻力因子最大，考虑到高气液比时容易造成气窜，所以在后续实验中选择的气液比为1∶1。

图2 阻力因子随气液比变化曲线

2.2 渗透率对两亲聚合物泡沫渗流规律的影响

从图3可以看出，随着渗透率的增加，两亲聚合物泡沫在岩心中的阻力因子不断变大，这主要是由两方面引起[3-4]：首先，在流量条件相同的情况下，两亲聚合物泡沫在不同渗透率岩心中所受到的剪切速率不同，渗透率越高的岩心中泡沫所受的剪切速率越小，而泡沫具有剪切变稀性，所以泡沫在高渗透层中具有较高的表观黏度，使泡沫的渗流阻力变大，泡沫阻力因子升高；其次，在渗透率较大的岩心中具有较大的孔道，易于两亲聚合物泡沫的进入，泡沫数量的增多使其封堵效果变好，阻力因子变大。由于泡沫在高渗透层中有较大的渗流阻力，所以泡沫具有“堵大不堵小” 的性质，可以封堵高深层，动用低渗透层中的原油，这对非均质油藏的开发是十分有利的。

图3 两亲聚合物泡沫阻力因子随渗透率变化曲线

2.3 注入速度对两亲聚合物泡沫渗流规律的影响

从图4可以看出，随着注入速度的增加，两亲聚合物泡沫在多孔介质中的阻力因子逐渐增大，但增大的幅度逐渐变小。这主要是因为：泡沫本身的产生需要一定的能量，如果注入速度较小，提供的能量便较小，这时产生的泡沫数量较少，对岩心中的大孔道的封堵效果较差，从而使泡沫的阻力因子较小。随着注入速度的增大，产生泡沫的数量越来越多，当注入速度变大到一定程度后，产生足够多的泡沫，封堵效果较好，阻力因子变大，但高流速会对泡沫产生较大的剪切作用，由于泡沫具有剪切变稀性，从而使泡沫稳定性变差，导致阻力因子变小。所以在两者的共同作用下，随着注入速度的增大，泡沫的阻力因子增大的幅度并非是线性增大的，且在实际应用时，较高的注入速度容易导致气窜，使泡沫驱效果变差，所以应根据实际情况选择合适的注入速度。

图4 两亲聚合物泡沫阻力因子随注入速度变化曲线

2.4 原油对两亲聚合物泡沫渗流规律的影响

从图5可以看出，随着两亲聚合物泡沫注入体积的增加，岩心两端的压差逐渐升高，最终达到一个较为稳定的压差水平。这是由于随着泡沫注入量的增多，被捕集泡沫越来越多，且形成的泡沫比较稳定，泡沫的封堵效果较好，流动阻力逐渐增大，当泡沫的形成和破裂达到相对平衡时，最终的驱替压差就保持在一个相对稳定的状态。在两亲聚合物泡沫的注入过程中，饱和水岩心的压力上升比残余油岩心快，且饱和水岩心的稳定驱替压差要大于残余油岩心的。这主要是由两方面引起的[5]：一方面，在残余油岩心中，由于原油的存在，泡沫的稳定性变差，封堵能力变弱，驱替压差变小；另一方面，残余油岩心中部分空隙中总有一部分原油无法被驱出，泡沫无法进入其中，使得进入残余油岩心中总的泡沫数量相对较少，所以其封堵效果较差，稳定后驱替压差相对较小。当岩心中的残余油含量增多时，岩心两端的压差变小。这主要是因为高含油岩心中油含量比较高，形成稳定泡沫的能力变差，封堵效果相对较差，驱替过程中压差相对较小；当驱替压差稳定后，由于高残余油岩心有相对较多的剩余油没有被采出，所以其稳定压差要略小于低残余油岩心。

图5 原油对泡沫渗流特性的影响

2.5 温度对两亲聚合物泡沫渗流规律的影响

从图6可以看出，随着温度的升高，两亲聚合物泡沫的阻力因子逐渐变小，且变小的幅度逐渐变大。这主要是因为两亲聚合物泡沫在孔隙中的分布形态主要为气泡和未变成泡沫的液体。当温度升高时，两亲聚合物溶液的黏度降低，渗流阻力减小，从而导致阻力因子变小；同时，两亲聚合物溶液黏度的降低会使两亲聚合物泡沫的液膜排液速度变快，泡沫稳定性变差，封堵能力变差。另外，温度的升高会使泡沫液膜水分蒸发加剧使液膜变薄，排液速度增快，导致泡沫更容易破灭，使泡沫渗流阻力减小；温度较高时，气体的扩散作用增强，也会使泡沫稳定性变差，从而导致渗流阻力减小。在这两方面的影响下，随着温度的升高，两亲聚合物泡沫的阻力因子不断减小，且并非线性减小。

图6 两亲聚合物泡沫阻力因子随温度变化曲线

2.6 两亲聚合物泡沫分流特性

从图7可以看出，由于储层中存在渗透率级差，在水驱阶段，高渗填砂模型中的分流量约占总量的80%，而低渗填砂模型中的分流量约占20%，两者相差较大，这时驱替水主要在高渗填砂模型中窜流，低渗填砂模型中水的分流量很小。随着两亲聚合物泡沫的注入，高渗填砂模型中的分流量迅速降低，低渗填砂模型中的分流量则相应地变大，随着注入两亲聚合物泡沫量的不断增加，高、低渗填砂模型分流量差异越来越小，有时低渗填砂模型中的分流量超过了高渗。这说明了两亲聚合物泡沫驱可以有效调节高、低渗层的非均质性，使注入流体在不同渗透率的岩心内比较均匀推进。这主要是因为在高渗填砂模型中，两亲聚合物泡沫视黏度较高，流动阻力大[6]；而在低渗填砂模型中，泡沫视黏度相对较低，流动阻力较小，从而使泡沫流体在不同渗透率岩心中的分流量得到有效调整。

由于两亲聚合物泡沫的调剖作用使高、低渗填砂模型之间的渗透率差异变小，所以在后续水驱的初始阶段，两者之间的分流量差异较小；随着后续水驱的不断进行，低渗填砂模型中的分流量在不断降低，而高渗填砂模型中的分流量则逐渐升高。这主要是由两方面引起的，一方面是后续水对两亲聚合物泡沫的不断剪切导致泡沫黏度的降低，泡沫调剖能力下降；另一方面则是由于泡沫本身为不稳定体系，会随着时间的增加，泡沫逐渐破裂，封堵能力下降。在后续水驱的后半阶段，高、低渗填砂模型中的分流量都达到一个相对比较稳定的水平，且高渗分流量要大于低渗分流量，但相对于水驱阶段，高、低渗的分流量已经得到较好的改善。

Ⅰ-水驱；Ⅱ-两亲聚合物泡沫驱；Ⅲ-后续水驱

从图8可以看出，当储层渗透率级差变大时，水驱阶段，高、低渗填砂模型中的分流量相差很大，这时高渗填砂模型的分流量约占总量的90%，低渗管仅有10%。在两亲聚合物泡沫驱阶段，随着两亲聚合物泡沫的注入，高渗填砂模型的分流量迅速降低，相对应的低渗填砂模型分流量迅速上升，储层的非均质性得到较好的改善，说明两亲聚合物泡沫对不同渗透率级差的岩心具有良好的适应性。