冻胶泡沫体系选择性控水技术研究与应用

李兆敏，张 东，刘崴挂，李松岩，张 超

(1.中国石油大学，山东 青岛 266580;2.中石化胜利油田分公司，山东 东营 257000)

冻胶泡沫体系选择性控水技术研究与应用

李兆敏1，张 东1，刘崴挂2，李松岩1，张 超1

(1.中国石油大学，山东 青岛 266580;2.中石化胜利油田分公司，山东 东营 257000)

冻胶泡沫体系在水驱开发油田的调剖堵水方面具有较好的应用前景。在调研国内外冻胶泡沫选择性控水技术的基础上，综述了目前冻胶泡沫体系的常规及微观实验研究，包括体系配方、体系影响因素、多孔介质中的微观流动状态等方面。冻胶泡沫体系在油田上的应用日益广泛，通过文献调研，总结了冻胶泡沫体系防砂、防气窜、控制边底水等方面的应用情况，分析了冻胶泡沫体系在油田堵水调剖方面的优势。同时探讨了目前该技术的不足之处，明确了以后的研究方向。

冻胶泡沫;稳定性;流动特征;封堵能力;影响因素

引言

中国油藏大部分是陆相湖盆沉积，地层条件错综复杂，油层非均质性严重，层间和层内渗透率差异较大。随着油田开发的进行，大部分油田进入开发后期，改善水驱状况，调整注水井吸水剖面，均衡产液剖面，减缓层间矛盾成为进一步提高开采效果的关键因素。

泡沫流体在油气田开发方面的应用始于20世纪50～60年代，泡沫流体因具有较高的视黏度，遇油消泡，遇水稳定，在含水饱和度较高的部位具有较高的渗流阻力等特殊性质，近年来在油田控水增油技术方面得到了越来越多的应用，并取得了较好的应用效果［1］。泡沫的分类有多种方式，按照化学组成成分分类［2］，主要有以下4种类型:表面活性剂稳定型水基泡沫、聚合物强化泡沫、冻胶泡沫和多相泡沫。表面活性剂稳定型水基泡沫是最普通的一类，是液相(基液)与气相的混合物;聚合物强化泡沫由于聚合物的加入增加了液相的黏度，降低了液相的流动性，同时阻止了气泡间的气体扩散，从而增加了泡沫的稳定性;冻胶泡沫体系是由水、气、起泡剂(表面活性剂)、稳泡剂(聚合物)和交联剂组成的，它是以冻胶为外相的泡沫，比以水为外相的普通泡沫稳定性好，残余封堵能力较强，可延长堵水有效期;多相泡沫体系是由泡沫和聚合物凝胶微球2种分散体型调剖剂形成1种新的调驱体系，由气、液、固3相组成，近年来常作为油藏深部调剖堵剂［3］。

冻胶泡沫体系是由聚合物溶液、起泡剂与交联剂所构成的1种复配体系，通入气体后能使该溶液发泡形成泡沫。该体系在成冻之前具有水基泡沫的特点，在成冻之后又具有弹性冻胶的特点，成冻后的冻胶泡沫稳定性高，从而使得冻胶泡沫堵水可延长堵水有效期。

冻胶泡沫是1种选择性调堵剂，调堵机理主要体现在以下几个方面。

(1)成胶前，冻胶泡沫起到水基堵剂的作用，将优先进入含水饱和度高的地层即出水层，并在水层稳定存在，通过贾敏效应对水起封堵作用。

(2)注入的泡沫起到选择性调堵的作用。泡沫在含水饱和度高的地层能够稳定存在。在含油饱和度高的地层则会消泡。因在含油饱和度高的地层，表面活性剂优先吸附在油水界面上，气泡液膜上的表面活性剂流失导致气液界面张力变大，导致泡沫破坏。

(3)冻胶泡沫注入地层后，该泡沫体系在一定

时间内成胶，以冻胶为外相的泡沫，极大地促进了泡沫体系的稳定性，从而更有效地封堵高渗层。

1 冻胶泡沫体系实验研究

1.1 冻胶泡沫体系常规实验研究

1.1.1 体系配方方面的研究

在体系研究方面，赵伶俐等人在进行凝胶泡沫调剖技术室内实验研究时认识到凝胶泡沫适用于封堵中、低渗透率层位［4］，其优点是泡沫液黏度小(3 mPa·s)，发泡后体积大，施工中用量少(比常规堵剂少60%～80%);其缺点是凝胶强度比普通凝胶类堵剂低，较易被突破，不利于高渗地层使用。

徐晨碧等研究了一种自生泡沫凝胶复合堵剂体系［5］，该技术是向地层中注入反应液，在地层中发生反应放出大量气体，在反应液中起泡剂的作用下，气体被水玻璃凝胶分散，形成泡沫凝胶体系。自选体系放出气体的化学反应为:NaNO2+NH4Cl→N2↑+NaCl+H2O(H+)，确定最终配方为: 3.0%硅酸钠+2.0%胶凝剂QX+2.5%NH4Cl+ 2.0%NaNO2+0.5%ABS，胶凝后，该体系对于含水岩心具有一定的封堵能力，但对于含油岩心封堵效果较差，是1种较好的选择性堵剂。

在凝胶发泡体系研究方面，王冰等针对普通泡沫半衰期较短、对已形成窜流通道的高渗透层封堵效果较差的实际问题［6］，开展了凝胶泡沫体系的研究，并对体系的耐温性、抗盐性、抗剪切性等性能进行了评价。

戴彩丽等研究了冻胶泡沫在火烧山裂缝性油藏油井中的应用情况［7］，通过室内物理实验，得出了1种冻胶泡沫体系:起泡剂为YG240，用量为0.3%;稳泡剂为HPAM，用量为0.2%～0.4%;交联剂为0.09%重铬酸钠+0.16%亚硫酸钠;气体为氮气。在室内实验的基础上，于2005年在火烧山裂缝性油田H1304井进行了冻胶泡沫体系油井堵水的现场试验，该体系堵水后产液量不减，含水率大幅度下降，取得了较好的封堵效果。

1.1.2 流变性研究

泡沫凝胶体系通过交联聚合物增强泡沫的稳定性，可起到较好的调剖堵水作用。代清等研究了泡沫凝胶调剖体系的流变性和黏弹性，确定了该体系具有非牛顿流体的特性，具有假塑性的特征［8］，泡沫凝胶调剖体系呈现剪切稀释性，表观黏度随剪切速率的增加而降低。泡沫凝胶的表面具有凝胶的膜，使得弹性增加，气液两相体系使其表观黏度增加，从而使泡沫凝胶调剖体系表现出良好的黏弹性。

1.1.3 影响因素研究

陈启斌等用发泡剂、PAM和交联剂制得了泡沫凝胶体系，研究了聚合物(聚丙烯酰胺)浓度和气体流量对泡沫质量和气泡尺寸的影响［9］。结果表明:泡沫凝胶的泡沫质量值随PAM的浓度和气体流量的增加而增大;泡沫质量大于0.86时，其气泡仍接近球形;泡沫凝胶的气泡平均尺寸随PAM浓度的增大而增加，且浓度越大增加的趋势越明显;泡沫凝胶的气泡平均尺寸随气体流量的增加而增加。另外，还研究了泡沫凝胶体系的稳定性随温度的变化以及存放时间对气泡尺寸的影响。结果表明，在30℃以下，泡沫凝胶的稳定性较好，高于35℃时，其稳定性变差;存放时间对泡沫凝胶的气泡尺寸影响非常明显。

尚志国等研究出了1种高分子物质PAM为主剂，并加以起泡剂、交联剂等制成的泡沫凝胶堵水剂，实验评价了影响该体系成胶的因素［10］。其中，随着PAM浓度的增加，泡沫凝胶基液的黏度随之增大，但气体对基液的穿透能力变差，泡沫质量呈下降趋势;随着交联剂浓度的增加，泡沫凝胶的液膜稳定性变差，泡沫质量下降。该堵水体系在现场取得成功应用，经济效益增加显著。

1.2 冻胶泡沫体系微观实验研究

图1 冻胶泡沫微观实验装置

冻胶泡沫体系微观实验研究是利用孔隙网络微观模型对冻胶泡沫的运移和捕获进行孔隙尺度的可视化研究。通过实验装置可以观察到冻胶泡沫体系注入微观模型过程及冻胶泡沫成冻过程(图1)。冻胶泡沫体系注入后，模型关闭，成冻过程中，在微观模型的不用部分拍下一系列图片。实验过程中的图片是用高倍显微镜拍摄的，如JVC GR－DVL520视频数字相机。可利用相关图片分析软件对拍摄后的图片进行分析。

冻胶泡沫体系微观实验研究可视化模型主要分为刻蚀玻璃可视化微观模型和玻璃平板可视化微观模型2种。

1.2.1 刻蚀玻璃可视化微观模型——描述多孔介质中冻胶泡沫的微观流动状态

(1)多孔介质中流体流过泡沫冻胶的微观流动状态［11］。第1种状态如图2所示，液体穿过凝胶薄膜时，并未驱替走被封闭的气泡，在破裂前期，液流穿过凝胶透镜体，并沿着孔隙体内气/凝胶界面流动。由于冻胶本身的渗透率低，液体的流动非常少。第2种状态如图3所示，形成了大部分液体的通道。随着实际压力的增加，流体被迫穿过泡沫冻胶，透镜体变形，透镜体将压力再传递到泡沫冻胶阻挡层的内部，从而使内部的透镜体也变形。当施加的压力达到泡沫冻胶网络的最低强度时，透镜体将破裂，形成如图所示的通道。第3种状态为破裂后状态，如图4所示。当达到破裂状态时，大多数的透镜体都已破裂而形成了高导流能力的通道。通过这一通道液流驱替了泡沫冻胶内的大部分气体，但是仍有部分残余冻胶位于孔隙喉道处，未破裂的透镜体对液流仍具有阻碍作用。

图2 破裂前状态

图3 通道形成阶段

图4 破裂后状态

(2)多孔介质中的冻胶泡沫——流度控制作用。成冻前，与普通泡沫性质类似，冻胶泡沫作为1种流度控制剂，如图5所示;成冻后，冻胶泡沫可以有效封堵水流或气流的高渗通道［2］。大量的事实证明泡沫驱可以提高采收率，因为其运移可以抵消使原油残留在地层的毛管力和黏性力。此外，在油藏中泡沫的分流能力及流体转向能力(流度控制能力)可以提高驱替效率，增加驱替效率。

图5 冻胶泡沫调剖效果

驱替前，冻胶位于孔隙喉道处，所形成的透镜体将气体封堵在孔隙体中;驱替后，水驱并未驱替掉孔隙中所有的冻胶，即使冻胶泡沫破裂，高渗区可以观察到冻胶残留在孔隙壁面和喉道壁面处。这说明，存在于孔隙中的聚合物冻胶，能够有效改变多孔介质的渗透率，提高泡沫的残余封堵能力(图6)。

图6 冻胶泡沫残余封堵能力示意图

(3)多孔介质润湿性影响。Laura Romero等人采用2D刻蚀玻璃微观模型表征不同的非均质多孔介质，观察了不同阶段的泡沫流动情况及泡沫驱油过程，凝胶泡沫有效流度可以使残余油有效地从多孔介质中驱替出来［12］。通过对刻蚀玻璃微观模型的润湿性处理，与亲水性的多孔介质相比，冻胶泡沫在亲油性的多孔介质中具有更强的封堵能力。在油湿的多孔介质中，冻胶泡沫体系中的表面活性剂在固液界面间的吸附量少，因此冻胶泡沫的液膜稳定性越高，封堵能力越强。实验观察到，驱替过程中部分多孔介质出现润湿反转的现象，大部分仍然是亲油性质的。图7是强亲油性质的多孔介质中出现了亲水性的区域。

图7 冻胶泡沫驱后润湿反转现象(亲油性的多孔介质)

(4)多孔介质的几何形状对冻胶泡沫封堵能力的影响。泡沫在多孔介质中可以再生，泡沫的生成和破灭机理与孔隙体的孔喉比相关［13］。而且冻胶泡沫的流度控制和封堵能力受到多孔介质的几何形状的影响。实验证明，冻胶泡沫在低孔喉比的条件下具有较高的封堵能力。因为孔喉比较小，说明孔隙体积和孔隙喉道具有较好的连通性。因此，冻胶泡沫在高导流能力的通道中有较好的封堵效果。

1.2.2 玻璃平板可视化微观模型——描述成冻过程中冻胶泡沫的微观变化过程

玻璃平板一般为矩形，长宽大约为110 mm× 70 mm，厚度约为0.8 mm，四周用垫圈密封。冻胶泡沫体系注入到可视化玻璃平板模型后，模型关闭，成冻过程中，在微观模型的不用部分拍下一系列图片。拍摄后的图片可利用相关图片分析软件进行分析。通过该模型可以直观观察到泡沫尺寸的变化过程，并通过软件计算出不同时刻泡沫的平均直径，从而分析冻胶泡沫的稳定性。通过局部观察，可以追踪到一定区域冻胶泡沫膜的变化过程。冻胶泡沫的平均尺寸随着成冻时间的增加而变大，冻胶泡沫中液膜的弯曲表示相邻气泡之间有压力差，而这种压力差使得气体从一个气泡向另一个气泡扩散，最终使得体系达到平衡状态［14］。

需要说明的是，刻蚀玻璃微观模型与玻璃平板可视化模型的实验结果有较大差距，后者冻胶泡沫的变化过程相对较快，分析原因可能是由于没有多孔介质的几何限制，泡沫更容易迅速恶化。

2 冻胶泡沫体系在油田上的应用

(1)防砂方面的应用。水侵势必造成气井出砂量增加，要防砂就必须减少水侵。对于在气藏开发早期和中期，部分气井见水时实施堵水较为有利。若采用排水采气，会促使水侵活动加剧，使气和水的相渗透率发生变化，造成水封闭气;另外，处理大量排水也是一个大问题。防砂机理:①低黏度的液体，很容易进入井壁周围的亏空处，填满亏空和大孔道;②在发泡过程中，当气体压力大于地层压力后，气体便会自动向地层里窜动，因此得到的多孔固体泡沫的孔道连通性好，保证了良好的渗透率，不会堵死油井。

冻胶泡沫可适应特高含水油藏的防砂和堵水，董宪彬等针对油田开发中后期油井出砂日益严重的现状，研制开发了井下发泡多孔防砂剂［15］。该技术是将未起泡的冻胶泡沫体系注入到井筒附近的出砂或者亏空的地层中，在地层条件下发生交联反应和起泡反应，形成多孔的可渗透性的人工井壁，从而起到防砂和堵水作用。该体系是由1种低黏度液体，由聚氨酯预聚体、发泡剂、增强剂、催化剂、交联剂和稀释剂组成。该技术防砂强度大、渗透率可调，防砂后井筒残留物可冲洗，能够适应特高含水油藏的油水井防砂堵水及套变井防砂。该技术现场施工工艺安全、简单，作业占井时间短，防砂成功率高，防砂堵水增油效果好，同时套变井防砂问题的解决可完善井网注采关系。

针对胜利油气区浅层气藏在开发过程气井易出水、出砂的情况，谭绍泉研制了泡沫凝胶堵水剂，该堵剂具有重力超覆现象及选择性堵水效果［16］。气井泡沫凝胶堵水体系对于厚度较大且尚未投产的气水同层，气水界面稳定，可采用在水线上方注入泡沫冻胶选择性堵剂，依靠氮气的重力超覆，在冻胶的气水界面处打一高强度隔板，隔板上层仍然留有气流通道，从而达到堵水不堵气的目的。根据上述要求研究泡沫凝胶堵剂。通过过量氮气顶替，将凝胶搁置在水气界面处，有机冻胶类堵剂在地层温度条件下、一定时间后发生反应生成高强度的冻胶，有效封堵底水。针对不同气藏出水类型，建立了适用于气井的堵水体系，配套形成了相应的堵水剂和现场施工工艺。泡沫凝胶堵水防砂配套技术的研究推广应用，可以经济有效地利用气藏能量，避免气藏开采过程中的出水以及因出水而导致的出砂问题，有效地改善出水出砂气藏的开发效果，延长气井的无水开采期，提高气藏最终采收率。

(2)防气窜方面的应用。为防止驱油过程中CO2气体气窜，刘伟等开展了聚合物冻胶+泡沫复合防窜体系在CO2气驱中的研究［17］。针对苏北溱潼凹陷草舍油田Et油藏埋深大、地温高、低渗、局部发育高渗透带和水敏性较严重的特点，研究了适合该油田地质条件的聚合物调剖体系和表面活性剂泡沫调剖体系。聚合物调剖体系成胶反应快、时间短、强度高、热稳定性好、封堵效率高，能够满足注气前先期调剖防窜的要求。

(3)控制边低水锥进方面的应用。在控制边底水锥进方面，田维研究了N2+凝胶堵水技术在水平井堵水方面的应用［18］。N2+凝胶复合控制边底水锥进技术利用了氮气和化学凝胶堵剂在抑制油藏底水锥进方面的优点，综合了各自的优点，控制边底水锥进的作用更有效，持续时间长，经济效益更好。注氮气不仅控制水锥而且还能起到提高采收率的作用，主要表现在以下4个方面:①氮气的封堵作用，向多孔介质中注入氮气，氮气利用地层含油的表面活性剂发泡，产生贾敏效应，堵塞大孔道，调整产液剖面;②氮气的非混相驱替作用，注入氮气能降低水相相对渗透率，降低界面张力;③氮气的重力分异驱替作用，在向油层注入氮气后，由于重力分异，注入的氮气就会进入微构造高部位形成次生小气顶，驱替顶部原油向下移动;④氮气不溶于水，较少溶于油，且具有良好的膨胀性，有利于保持地层压力，阻碍底水锥进。所用的凝胶为水基型，注入顶层后优先进入高含水层位封堵，具有选择性。该技术在含水较高的锦45－平1CH与庙26－23CP1 2口井进行现场应用，实施N2+凝胶复合压底水措施后，平均日产油由原来的1.3 t/d上升到7 t/d，含水率趋于下降，达到了堵水消锥的目的。

(4)压裂方面的应用。压裂液应用方面，张汝生等研究了一种FA－200/AC－12冻胶压裂液体系［19］。该压裂液具有一定的耐温耐剪切性能，可满足压裂施工造缝和携砂要求，且体系压裂液的破胶剂为过硫酸铵，破胶后残渣量很少。该体系的pH值为4～6，与高浓度二氧化碳泡沫压裂液体系的pH值一致。0.35%FA－200+0.5%AC－12+ 0.4%DL－12(助排剂)压裂液中加入0.75%FL－100(起泡剂)，充入CO2气体产生泡沫，起泡效率为248%，泡沫半衰期为145 min。形成的泡沫质量高、稳定性好，可用于CO2泡沫压裂施工。

3 冻胶泡沫的优势

F.R.Wassmuth等人评价了聚合物强化泡沫和冻胶泡沫在砂岩岩心中的注入性能和对气体的封堵性能［20］，实验得出冻胶泡沫对气体的封堵能力要远远超过聚合物强化泡沫的封堵能力。

冻胶泡沫在成冻之前具有水基泡沫的特点，在成冻之后又具有弹性冻胶的特点，其双重特性具有以下优势。

(1)与常规聚合物调驱相比，由于气体的存在，冻胶泡沫调驱减少了聚合物的用量。

(2)冻胶泡沫具有一般泡沫的封堵特征，泡沫在高渗透层形成的贾敏效应增加了流动阻力，从而阻止了泡沫冻胶在高渗地层的运移，且泡沫遇油消泡遇水稳定的特性，使得冻胶泡沫体系具有选择封堵性。

(3)注入地层中的冻胶泡沫成胶后，泡沫的机械稳定性增强，泡沫不容易消泡，可以延长冻胶泡沫封堵地层的有效期。

(4)冻胶泡沫的残余封堵能力远远强于常规泡沫，冻胶泡沫破灭后，留下的吸附膜呈现交错重叠的网络结构，有利于阻碍高渗带的液流通道。

(5)泡沫凝胶调剖体系具有假塑性流体的特征，具有良好的黏弹性。这主要是因为冻胶泡沫的表面具有冻胶的膜，使得弹性增加，气液两相体系使其表观黏度增加，从而使冻胶泡沫调剖体系表现出良好的黏弹性。

4 结束语

综合以上冻胶泡沫体系的研究现状，可以发现冻胶泡沫选择性控水技术日益成熟，应用日益广泛，可应用在防砂、防气窜、控制边底水及压裂方面等。该体系在成冻之前具有水基泡沫的特点，在成冻之后又具有弹性冻胶的特点，既很好地封堵了高渗通道，又不致于堵死低渗层，与泡沫调驱相比，冻胶成冻后泡沫体系稳定，封堵强度高且封堵有效期长。因此，在水驱开发油田的调剖堵水方面，冻胶泡沫具有较好的应用前景。

在微观实验研究方面，尽管国外对冻胶泡沫进行了大量的微观实验研究，但都是在2D基础上进行的，而冻胶泡沫在多孔介质中的运移比较复杂，因此仍然需要大量的关于3D多孔介质可视化模型的实验研究。在对冻胶泡沫体系成冻过程的机理研究方面，关于泡沫液膜由于交联作用引起的硬化是否有助于泡沫的稳定性的问题，尚未形成合理的理论解释。在冻胶泡沫体系研究方面，针对海上油田，尚未形成具体的堵水体系，并且在理论分析方面还存在很多问题，如冻胶成冻过程中泡沫的稳定性机理、各种因素对冻胶泡沫选择性控水的影响规律等。因此针对以上问题，还需要对冻胶泡沫作进一步的深入研究。

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编辑 刘兆芝

TE357

A

1006－6535(2012)04－0001－06

10.3969/j.issn.1006－6535.2012.04.001

20111209;改回日期:20120416

国家科技重大专项“油田开采后期提高采收率技术”(2011ZX05009－004);国家自然科学基金“泡沫酸在多孔介质中流动规律研究及过程模拟”(50876115);青岛市成果转化项目“氮气泡沫增产理论及应用研究”(09－2－3－20－chg)

李兆敏(1965－)，男，教授，1988年毕业于山东大学热流体力学专业，获硕士学位，1995年毕业于石油大学(北京)油气井工程专业，获博士学位，现为中国石油大学(华东)博士生导师，从事油气田开发的科研与教学工作。