添加纳米SiO2颗粒的泡沫表面性质及调剖性能

孙 乾, 李兆敏, 李松岩, 李宾飞

(中国石油大学石油工程学院,山东青岛 266580)

添加纳米SiO2颗粒的泡沫表面性质及调剖性能

孙 乾, 李兆敏, 李松岩, 李宾飞

(中国石油大学石油工程学院,山东青岛 266580)

泡沫驱在三次采油中取得了很好的开采效果,但是泡沫的稳定性制约其应用,在表面活性剂中加入纳米SiO2以提高泡沫的稳定性。利用Tracker全自动界面流变仪测量复配体系的表面张力和界面扩张黏弹模量;利用微观驱油试验模型分析添加纳米SiO2泡沫体系的驱油机制并与普通泡沫体系进行对比;利用岩心试验研究纳米SiO2含量对泡沫体系驱油效果的影响。结果表明:随着纳米颗粒质量分数的增加,泡沫的稳定性和界面扩张黏弹模量均增加;泡沫稳定性的增强可以有效避免气液分离现象,使气泡更好地圈闭气体,提高泡沫的封堵效率,增加波及体积;界面扩张黏弹模量增强可以加强对孔道壁面油的挤压和携带作用;随着纳米SiO2质量分数的增加,含油岩心的采收率及压差均上升,与普通泡沫驱比采收率可提高25%以上。

纳米SiO2; 界面流变性; 微观模型; 波及体积; 采收率

泡沫由于具有极高的视黏度和选择性封堵等能力,在三次采油中取得了较好的开发效果[1]。但泡沫是热力学不稳定体系,泡沫破裂后易造成气液分离,不能有效封堵水窜流通道,降低了泡沫的调剖效果,因此增强泡沫的稳定性对其提高采收率具有重要作用。近年来随着纳米技术的发展,纳米颗粒稳定泡沫技术在食品、消防灭火等方面逐渐显露出其优势。Garrett等[2]系统地研究了纳米颗粒对表面活性剂溶液泡沫稳定性的影响;Binks等[3]则认为只有纳米颗粒和表面活性剂的质量分数比在一定范围内时,才能产生稳定的泡沫,质量分数比过高或过低均不利于泡沫的稳定性;Tang等[4]研究认为疏水型纳米颗粒与SDS (十二烷基硫酸钠)之间的配伍性最优。在油田应用方面,Espinosa等[5]创新性地提出将纳米颗粒稳定的泡沫应用在油气田开发中,但是其并没有研究该泡沫体系在提高采收率方面的潜力;Yu等[6]研究了纳米颗粒在砂岩、石灰岩和白云石中的吸附和渗流情况,试验结果表明纳米颗粒在岩心中的滞留量很低;Zhang等[7]认为由于纳米颗粒的粒径小,即使颗粒从泡壁脱落下来,后续驱替可以直接从地层中排出;利用CT扫描技术,Aminzadehd等[8]发现,与普通泡沫体系相比,纳米颗粒稳定的泡沫可以提高岩心的波及面积。虽然前人对纳米颗粒稳定泡沫体系的机制及应用做了很多研究,但关于该泡沫体系气液界面性质以及提高采收率方面的研究较少。笔者利用界面流变仪探索纳米颗粒对泡沫界面性质的影响,研究纳米颗粒与表面活性剂之间的协同稳泡效果,利用微观驱油试验和岩心驱替试验探究该体系在提高采收率方面的作用机制,为纳米颗粒稳泡体系在油田应用提供理论支持。

1 试 验

1.1 试验药品

试验用水为蒸馏水(表面张力为72.2 mN/m,25 ℃);纳米颗粒为SiO2,白色粉末状(20 nm,纯度大于99.8%);试验用油来自于胜利油田某区块,在40 ℃条件下,测量原油的黏度为280 mPa·s,密度为0.85 g/cm3;试验中使用0.5%NaCl溶液模拟地层水;为了排除不纯净表面活性剂对纳米颗粒的影响,在试验中采用纯度大于99%的阴离子表面活性剂(SDS,十二烷基硫酸钠)。

1.2 泡沫稳定性能评价

本试验中选用Waring Blender方法对泡沫性能进行评价。将100 mL起泡剂溶液倒入搅拌器中,以8 000 r/min的速度搅拌3 min,将产生的泡沫倒入量筒中,读取泡沫体积记为起泡体积。之后将量筒静置,记录泡沫中析出50 mL液体的时间,作为析液半衰期。试验温度设定为40 ℃。

温度对泡沫稳定性影响主要通过泡沫扫描仪(FoamScan,TECLIS,法国)测定。该设备主要通过图像分析软件和泡沫中电导率的变化评价起泡性能和泡沫的稳定性能,关于该设备的详细原理可见参考文献[9]。在试验过程中,首先将一定体积的起泡剂溶液倒入直径5 cm的圆柱形玻璃管中。N2以一定的速度通过孔隙直径为0.2～0.4 μm的多孔毛玻璃片进入起泡剂溶液中,即可在玻璃管中产生一定体积的均匀泡沫。当泡沫达到一定的体积后,停止注入N2。同时玻璃管外的CCD照相机每隔20 s以照片的形式记录玻璃管内部泡沫的变化情况。

1.3 泡沫界面性质评价

泡沫界面性质主要由Tracker全自动界面流变仪(Tracker-H,TECLIS,法国)测定。试验过程中调节装有水相的注射器形成悬滴,悬滴剖面通过高清摄像头传输到电脑上,通过液滴体积控制器使悬滴产生正弦振荡,同步记录悬滴的表面面积,然后计算机软件通过半对称法计算表面张力,最后通过对获得的数据进行Fourier变换得到界面扩张黏弹模量,从微观角度评价泡沫的界面性质。界面扩张黏弹模量定义为

ε=dγ/(dA/A)=dγ/dlnA.

(1)

式中,γ为气/液界面张力,mN/m;A为气泡表面积,mm2;界面扩张黏弹模量越高,膜的机械强度越大,其自修复能力越强[11-14]。

对于黏弹性界面,扩张模量还可以用复数形式表示:

(2)

式中,实部εd为界面扩张弹性模量,表示界面在形变过程中储存的能量,mN/m;虚部εη=ωηd,其中ηd为界面扩张黏性模量,表示界面在形变过程中损耗的能量,mN·s/m;ω为界面面积正弦变化的角频率,s-1。

1.4 微观驱替试验

试验中所用刻蚀玻璃模型中基质尺寸为40mm×40mm,孔道直径为50～80μm,出、入口呈对角线分布。玻璃模型首先用乙醇清洗,之后用蒸馏水清洗,最后进行如下操作:①将微观模型抽真空,之后饱和地层水;②用原油驱地层水,使模型饱和油;③以0.005mL/min的速度向玻璃模型中注入2.0VP(VP为孔隙体积)的地层水驱替原油;④向微观模型中注入0.5VP泡沫,之后继续注入4.0VP地层水。试验过程中若驱替液为泡沫,则驱替速度为0.005mL/min,气液比设定为1∶1,回压设置为2.0MPa。

1.5 岩心驱替试验

将岩心接入到驱替试验装置,测定岩心的渗透率和孔隙体积;将岩心饱和油,并计算岩心初始含油饱和度;以1.0mL/min的驱替速度向模型中注入地层水,至岩心出口端含水率超过98%后,注入0.8VP泡沫,继续以1.0mL/min的速度注入地层水直至产出液含水率再次达到98%,记录试验中岩心两端压差、原油采收率等随时间的变化情况[10]。试验过程中,泡沫注入速度为1.0mL/min,其中气液比为1∶1,回压设置为2.0MPa。为了提高泡沫的驱替效率,在所有的驱替试验中,泡沫在注入岩心前,先将起泡剂溶液和气体同时注入到泡沫发生器中,经过充分的混合接触产生均匀的泡沫后再注入到岩心中。

2 结果讨论

2.1 纳米SiO2质量分数对起泡性能的影响

纳米颗粒加入到表面活性剂溶液中可以增大泡沫稳定性,其稳泡机制主要有延长泡沫液膜排液时间[11]、延缓气泡间歧化速度[12]和降低内部泡沫破裂速度[13]。试验中SDS质量分数为0.5%,这主要是因为在此质量分数下SDS的起泡效果最优[14]。不同纳米颗粒质量分数对复配体系泡沫性能的影响如图1所示。从图1中可以看出,随着纳米颗粒质量分数的增加,起泡体积逐渐降低,但泡沫析液半衰期逐渐增加,泡沫的稳定性增强。在纳米颗粒质量分数为1.5%时,虽然复配泡沫体系较SDS泡沫体系的起泡体积降低了35%,但是其泡沫稳定性却增加了6倍以上。

图1 纳米SiO2质量分数对复配体系泡沫性能的影响Fig.1 Effect of nano-SiO2 mass fraction on foam properties

在地层条件下,温度对泡沫稳定性有较大影响,利用FoamScan研究不同温度下SiO2+SDS泡沫(w(SiO2)=1.5%,w(SDS)=0.5%)和SDS泡沫(w(SDS)=0.5%)的稳定性能,其中温度分别设定为20、40和60 ℃。试验过程中,起泡剂的初始体积为60 mL,N2注入速度为200 mL/min,当泡沫体积增长到150 mL后停止注气,观察泡沫在不同温度下的变化情况,试验结果如图2所示。对于SDS泡沫体系,在同一温度条件下,随着时间的增加气泡直径逐渐变大。根据Young-Laplace公式可知,小气泡中的气体压力大于大气泡中的压力,因此小气泡中的气体可以冲破液膜扩散到大气泡中,导致气泡聚并,形成“大泡吃小泡”现象。由于SDS泡沫表面仅有表面活性剂分子吸附,泡沫液膜的强度较弱,聚并现象严重,最终导致气泡直径越来越大。对比图2(a)、(c)和(e)可以看出,随着温度的升高SDS泡沫稳定性逐渐变差,尤其是在60 ℃条件下经过500 s后(图2(e)),气泡已经完全破裂,导致气液分离,形成气窜,不利于泡沫的封堵和调剖效果发挥。

图2 泡沫在不同温度条件下随时间的变化情况Fig.2 Development of foams at different temperature as function of time

对于SiO2+SDS泡沫,虽然随着时间的延长气泡的直径逐渐增大,但是其增长幅度低于SDS泡沫,这说明SiO2+SDS泡沫能够有效降低泡沫的聚并速度。这主要是由于纳米颗粒吸附在气泡表面后形成一层致密的“壳状”结构,将气泡包裹起来,增加液膜的厚度和刚性强度,增加小气泡中的气体向较大的气泡扩散的阻力,不易出现“大泡吃小泡”现象。另外,泡沫的聚并速度除了与液膜厚度有关外,还与气体与液膜的接触面积有关[12]。颗粒吸附在气液界面后,也可以有效降低气体与液膜之间的接触面积。在气泡中气、液由于重力分异作用,导致液膜排液,泡沫稳定性降低。纳米颗粒交错分布于泡沫壁上,堵塞液体的排液通道,增加液相的流动阻力,延缓液膜变薄的速度,使泡沫稳定性增强。即使在60 ℃的条件下,经过500 s后仍然有大量的泡沫存在,有效地抑制了气液分离现象。从图2(b)、(d)、(f)中可以看出,随着温度的升高,SiO2+SDS泡沫的稳定性也逐渐变差。一方面由于温度的升高使气体分子的热运动加剧,气泡内部的压力增加,聚并速度加快;另一方面温度升高使液膜的水分蒸发加快,液膜变薄的速度也加快。但是相对于SDS泡沫,SiO2+SDS具有更好的耐温性能。这主要是由于纳米颗粒在液膜上吸附后形成的泡沫外壳可以部分阻隔外部热量向气泡内部传递,同时表层泡沫破裂后形成的固、液、气三相骨架仍然存在,也可以减缓内部泡沫液膜水分蒸发速度,提高泡沫在高温下的稳定性[13]。

2.2 泡沫体系气液界面性质

界面扩张流变学是研究外力作用下表面膜形变和流动的科学,是近年发展起来的研究气液和液液界面动态性质的重要方法[10]。在泡沫体系中,通过测量界面扩张流变性可获得泡沫表面层的信息,评价泡沫体系的稳定性。试验中SDS的质量分数固定为0.5%。

2.2.1 表面张力

图3 纳米SiO2质量分数对泡沫体系表面张力的影响Fig.3 Effect of nano-SiO2 mass fraction on surface tension

纳米SiO2质量分数对泡沫体系表面张力的影响如图3所示。从图3中可以看出,随着纳米颗粒质量分数的增加,体系的表面张力逐渐增加。当泡沫体系中仅有SDS时,其表面张力约为37.8 mN/m,而当纳米SiO2质量分数达到2.0%时,其表面张力增至48.7 mN/m。这主要由部分SDS分子在纳米颗粒的吸附所致。随着纳米SiO2质量分数的增加,在颗粒表面吸附的SDS分子逐渐增多,降低了溶液中自由的SDS分子质量分数,体系的表面张力逐渐增加。这也解释了随着纳米颗粒质量分数的增加泡沫体积逐渐降低的原因。泡沫产生的过程是一个液体表面积增加、泡沫体系总表面能增大的过程,较低的表面张力可以降低产生泡沫所做的功,容易形成泡沫。但当加入纳米颗粒后,由于表面活性剂的吸附作用导致溶液的表面张力逐渐增加,产生同样体积的泡沫所做的功就增加,表现为体系起泡体积较差,因此泡沫体积逐渐降低。

2.2.2 界面流变性

在三次采油中,泡沫在地层下不断流动。对气泡进行一定程度的扰动,模拟其在地层中流动过程中的界面性质的变化。图4为不同纳米颗粒质量分数下气液界面扩张流变性的变化,其中振荡频率为0.1 Hz,振幅为1 μm3。

从图4中可以看出,随着纳米颗粒质量分数的增加,复配体系的界面扩张黏弹模量和扩张弹性模量逐渐增加。纳米颗粒质量分数对体系界面扩张黏性模量影响较小,说明纳米颗粒的加入主要影响体系的界面扩张弹性模量,进而使界面扩张黏弹模量增加。当颗粒表面吸附了相当量的SDS分子后,其颗粒的表面性质也会发生相应的变化。Tang[4]和Hunter等[15]通过试验发现,疏水纳米颗粒与表面活性剂对泡沫的稳定性具有协同作用。SDS吸附到纳米颗粒表面后,可以增强颗粒的表面活性,使颗粒更加倾向于吸附在气液界面上,在气液界面形成一层包含纳米颗粒的复合膜。当泡沫体系中纳米颗粒含量较低时,吸附到纳米颗粒的SDS分子较少,此时气液界面上除了吸附的纳米颗粒外,还存在部分自由的SDS分子,使纳米颗粒和SDS分子在气液界面上形成竞争式吸附。但随着纳米颗粒质量分数的增加,对纳米颗粒和SDS分子在界面上的吸附有两方面的影响:①更多的SDS吸附在颗粒表面,使溶液中自由的SDS分子数量降低;②更多的纳米颗粒吸附在气液界面上。上述两种影响均导致纳米颗粒在气液界面上的吸附越来越致密,形成强度更大的复合膜结构。对比图4(b)和(c)可以看出,随着颗粒质量分数的增大,体系扩张黏弹模量的增加主要起因于扩张弹性模量的增加。界面扩张弹性模量又称为储能模量,其来源是界面膜因扰动偏离平衡状态产生的能量变化,与表面活性剂分子(或者颗粒)在界面上的吸附强度有关,表征了界面膜抵抗扩张形变的能力,扩张弹性模量越大,液膜抵抗形变的能力越强,泡沫越稳定。纳米颗粒吸附在气液界面上后,由于Gibbs吸附能的存在,一旦固体颗粒吸附在了气液界面,就很难从界面上脱附[16],这点与表面活性剂分子存在很大不同,因此复配体系的界面扩张弹性模量高于SDS溶液。随着纳米颗粒质量分数的增加,其在气液界面上的质量分数增加,界面扩张弹性模量之增大。从图4(d)中可以看出,泡沫的析液半衰期随着界面扩张黏弹模量和弹性模量的增大而增大,这主要是因为决定泡沫稳定性的关键因素是液膜强度[17]。对于复配体系,液膜的强度主要取决于纳米颗粒在液膜上的排列密度和吸附强度,这与弹性模量的决定因素一致。纳米颗粒的排列密度越大,吸附强度越强,液膜抵抗外界扰动的能力越大,相应的弹性模量也越大,泡沫的稳定性越强,因此扩张弹性模量与析液半衰期具有很好的线性关系。这一结果与Fruhner等[18]的研究结果相吻合。

图4 纳米SiO2质量分数对气液界面扩张性质的影响Fig.4 Effect of nano-SiO2 mass fraction on interface dilatational properties

2.3 不同泡沫体系驱油试验

2.3.1 水驱油微观驱替试验

原油水驱在不同时刻的微观图像如图5所示。从图5中可以看出,刚开始注入地层水时,注入水主要沿孔隙壁面上的水膜层流动,出现注入水沿基质壁面窜进的现象,图5(a)和(b);随着注入水量的增加,注入水开始沿玻璃刻蚀模型的对角线方向指进,图5(c)和(d);当注入水即将突破时,由于已经形成水流通道,在微观模型对角线两侧存在大量的剩余油未被波及,图5(e);在后续水驱过程中,注入水主要沿初期形成的水流通道流出,图5(f)。由于水油流度比较高,使水驱油时指进现象明显,导致大量的原油未被波及。从图5(f)中可以看到,水驱后剩余油主要存在形式[19]为:①由于水油流度比差异较大,在注入水流过的区域形成绕流使部分剩余油残存于基质壁面上(1区域);②由于毛管力作用,原油残存在基质交叉的喉道中(2区域);③由于水的窜流,原油残存在模型对角线两侧大片未被注入水波及的区域(3、4区域)。提高采收率的关键是针对以上剩余油的存在形式,增强驱替液的波及面积,同时要加强驱替液对壁面油的有效驱替。

图5 原油水驱在不同时刻的微观图像Fig.5 Microscopic images of water flooding at different stage

2.3.2 泡沫驱油微观驱替试验

为了提高水驱后原油的采收率,进行两组泡沫驱替试验。第一组试验采用SDS泡沫(w(SDS)=0.5%)驱替体系;第二组试验采用SiO2+SDS泡沫(w(SiO2)=1.5%,w(SDS)=0.5%)驱替体系。在两组试验中,微观模型均先进行2Vp的水驱,后进行泡沫驱以及后续水驱。

在SDS泡沫驱的初期,仅有少许泡沫形成,部分气液相互分离,图6(a);随着SDS泡沫注入量的逐渐增加,模型中泡沫的数量也在逐渐增加,图6(b)和(c);当1.0Vp后续地层水注入到微观模型后,在模型中又形成了水的窜流通道,图6(d)。与SDS泡沫驱不同,在SiO2+SDS泡沫驱过程的初期就有大量的泡沫形成,图6(e);模型中泡沫的数量也随着SiO2+SDS泡沫注入量的增加而增加,图6(f)和(g);当1.0Vp后续地层水注入到微观模型后,在含水饱和度较高的区域泡沫仍然具有很好的封堵能力,图6(h),迫使后续地层水驱替微观模型中的剩余油。在SDS泡沫注入初期,由于仅有SDS分子吸附在泡沫表面,泡沫稳定性较差,易形成气液分离的状态。对于SiO2+SDS泡沫,由于纳米颗粒吸附在气泡表面,泡沫的稳定性增强。即使在SiO2+SDS泡沫注入初期,也可以有效抑制气液分离。在后续地层水驱过程中,由于SDS泡沫在微观模型中容易聚并和破裂,地层水占据了泡沫的位置,此时微观模型中又重新出现了水的窜流通道。但是对于SiO2+SDS泡沫,由于纳米颗粒吸附在液膜上抑制了泡沫的聚并和破裂,有效地封堵了高含水区域,体现出较好的抗水冲刷能力。

图6 SDS泡沫和SiO2+SDS泡沫在不同驱替时刻的微观图片Fig.6 Microscopic images for SDS foam flooding and SiO2+SDS foam flooding at different time

图7 SDS泡沫((a)～(h))和SiO2/SDS泡沫((i)～(l))在微观模型中的不同流动形态Fig.7 Different flow behaviors for SDS foam ((a)-(h)) and SiO2+SDS foam ((i)-(l)) in micromodel

在SDS泡沫驱过程中,泡沫在多孔介质中不稳定,泡沫的聚并现象比较常见,图7(a)～(d),易形成气液分离状态,降低了泡沫的封堵和驱油能力。并且当SDS泡沫与壁面油相接触时,泡沫会因壁面油而变形从油滴一侧绕流,不能有效驱替出基质壁面处的剩余油,图7(e)～(h)。但对SiO2+SDS泡沫,在泡沫驱过程中泡沫聚并现象并不常见。在流动过程中,SiO2+SDS泡沫对基质有一个侧向的压力,迫使壁面油变形并流动。这主要与气泡的界面黏弹性有关,界面黏弹性越大,变形时对壁面油的侧向压力越大[20]。在无外界挤压时气泡更趋向于保持球形,当气泡遇到油滴时会发生变形。由于气泡界面黏弹性的存在,受到挤压的气泡有恢复到球形的趋势,导致其对壁面油有一个微小的力,使油滴发生变形、流动并被驱替出,图7(i)～(l)。

图8为两种不同的泡沫体系对壁面油的驱替原理示意图。SDS泡沫对壁面油施加的力非常小,气泡更趋向于变形绕流过油滴,因此不能使油滴流动,图8(a);对于SiO2+SDS泡沫,纳米颗粒可以增加泡沫的界面黏弹性,迫使油滴流动被驱替出,图8(b)。

图8 SDS泡沫和SiO2+SDS泡沫对壁面油的驱替原理示意图Fig.8 Displacement differences for oil droplet on pore wall by SDS foam and SiO2+SDS foam

当两组驱替试验结束时,通过剩余油分布可以看出,SiO2+SDS泡沫驱能够将模型中的剩余油更多的驱替出(图9)。经过图像处理软件可以得出SDS泡沫驱后模型中仍有约28.3%的剩余油存在,而SiO2+SDS泡沫驱后模型中仅有约8.2%的剩余油,增油效果明显。纳米颗粒吸附在液膜后,泡沫的稳定性增强,降低了气体的流度,增加了波及面积。另外,泡沫界面黏弹性的提高对驱替壁面油也有一定的作用。

图9 不同驱替方式下剩余油的分布Fig.9 Distribution of remaining oil with different displacement method

2.3.3 岩心驱替物理模拟试验

在岩心驱替试验中,固定SDS质量分数为0.5%,纳米颗粒质量分数分别为0、0.5%、0.8%、1.0%、1.2%、1.5%、1.8%和2.0%,配制不同的泡沫体系,进行8次岩心驱替试验,驱替结果如图10所示。岩心尺寸为Φ2.54 cm×30.00 cm,渗透率为0.84～0.86 μm2,初始含油饱和度为86%～89%。

图10 纳米SiO2质量分数与采收率及注入压差关系曲线Fig.10 Oil recovery efficiency and pressure drop with different nano-SiO2 mass fraction

3 结 论

(1)随着纳米颗粒质量分数的增加,SiO2+SDS泡沫体系的稳定性逐渐增强;同时体系的表面张力和界面扩张黏弹模量也均随着纳米颗粒质量分数的增加而增加。

(2)SDS泡沫驱后模型中仍有约28.3%的剩余油存在,而SiO2+SDS泡沫能较大幅度地提高原油采收率,仅约有8.2%的剩余油滞留在模型中,这主要与泡沫稳定性和气液界面黏弹性有关。

(3)在SiO2+SDS泡沫驱过程中,随着纳米颗粒含量上升,采收率和压差均升高,岩心采收率最高可达75.4%,增油效果明显,可为颗粒稳泡体系在现场应用提供指导作用。

[1] 张思富,廖广志,张彦庆,等.大庆油田泡沫复合驱油先导性矿场试验[J].石油学报,2001,22(1):49-53. ZHANG Sifu, LIAO Guangzhi, ZHANG Yanqing, et al. ASP-foam pilot test of Daqing Oilfield [J]. Acta Petrolei Sinica, 2001,22(1):49-53.

[2] GARRETT P R, WICKS S P, FOWLES E. The effect of high volume fractions of latex particles on foaming and antifoam action in surfactant solutions [J]. Collodids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 2006,282:307-328.

[3] BINKS B P, KIRKLAND M, RODRIGUES J A. Origin of stabilisation of aqueous foams in nanoparticle—surfactant mixtures [J]. Soft Matter, 2008,4(12):2373-2382.

[4] TANG F Q, XIAO Z, TANG J A, et al. The effect of SiO2particles upon stabilization of foam [J]. Journal of Colloid and Interface Science, 1989, 131(2):498-502.

[5] ESPINOSA D, CALDELAS F, JOHNSTON K, et al. Nanoparticle-stabilized supercritical CO2foams for potential mobility control applications [R]. SPE 129925, 2010.

[6] YU J J, AN C H, MO D, et al. Study of adsorption and transportation behavior of nanoparticles in three different porous media [R]. SPE 153337, 2012.

[7] ZHANG T T, ESPINOSA E A, YOON K Y, et al. Engineered nanoparticles as harsh-condition emulsion and foam stabilizers and as novel sensors[R]. OTC 21212, 2011.

[8] AMINZADEH B, DICARLO D A, CHUNG D H, et al. Effect of nanoparticles on flow alteration during CO2injection [R]. SPE 160052, 2012.

[9] BOOS J, DRENCKHAN W, STUBENRAUCH C. Protocol for studying aqueous foams stabilized by surfactant mixtures [J]. Journal of Surfactants and Detergents, 2013,16(1):1-12.

[10] 孙乾,李兆敏,李松岩,等.纳米SiO2颗粒与SDS的协同稳泡性及驱油实验研究[J].石油化工高等学校学报,2014,27(6):36-41. SUN Qian, LI Zhaomin, LI Songyan, et al. Synergetic effect on foam stabilized by nano-SiO2/SDS system and oil displacement experiment [J]. Journal of Petrochemical Universities, 2014,27(6):36-41.

[11] ZHANG S Y, LAN Q, LIU Q, et al. Aqueous foams stabilized by Laponite and CTAB [J]. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 2008,317(1):406-413.

[12] STEVENSON P. Inter-bubble gas diffusion in liquid foam[J]. Current Opinion in Colloid & Interface Science, 2010,15(5):374-381.[13] 秦海波,王德明,陈建华.高性能防灭火三相泡沫的实验研究[J].中国矿业大学学报,2006,34(1):11-15. QIN Haibo, WANG Deming, CHEN Jianhua. Experimental investigation of high-performance three-phase foam for mine fire control [J]. Journal of China University of Mining & Technology, 2006,34(1):11-15.

[14] 孙乾,李兆敏,李松岩,等.SiO2纳米颗粒稳定泡沫体系驱油性能研究[J].中国石油大学学报(自然科学版),2014,38(4):124-131. SUN Qian, LI Zhaomin, LI Songyan, et al. Oil displacement performance of stabilized foam system by SiO2nanoparticles [J]. Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science), 2014,38(4):124-131.

[15] HUNTER, T N, PUGH R J, FRANKS G V, et al. The role of particles in stabilising foams and emulsions [J]. Advances in Colloid and Interface Science, 2008,137(2):57-81.

[16] BINKS B P, HOROZOV T S. Aqueous foams stabilized solely by silica nanoparticles [J]. Angewandte Chemie, 2005,117(24):3788-3791.

[17] 蒋平,郑玉飞,陈文征,等.十二烷基硫酸钠-长链醇体系泡沫性能与表面参数关系研究[J].中国石油大学学报(自然科学版),2014,38(1):143-147. JIANG Ping, ZHENG Yufei, CHEN Wenzheng, et al. Investigation of relationship between foam performance and surface dilatational rheology of sodium dodecyl sulfate/alcohol system [J]. Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science), 2014,38(1):143-147.

[18] FRUHNER H, WANTKE K D, LUNKENHEIMER K. Relationship between surface dilational properties and foam stability [J]. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 2000,162(1):193-202.

[19] 裴海华,张贵才,葛际江,等.稠油碱驱中液滴流提高采收率机理[J].石油学报,2012,33(4):663-669. PEI Haihua, ZHANG Guicai, GE Jijiang, et al. Mechanism of "droplet flow" in alkaline flooding for enhancing heavey-oil recovery [J]. Acta Petrolei Sinica, 2012,33(4):663-669.

[20] LU T, LI Z M, LI S Y, et al. Performances of different recovery methods for Orinoco Belt heavy oil after solution gas drive [J]. Energy & Fuels, 2013,27(6):3499-3507.

[21] MA K, LIONTAS R, CONN C A, et al. Visualization of improved sweep with foam in heterogeneous porous media using microfluidics [J]. Soft Matter, 2012,8(41):10669-10675.

(编辑 李志芬)

Experimental study on interface properties and oil displacement efficiency of foams stabilized by SiO2nanoparticles

SUN Qian, LI Zhaomin, LI Songyan, LI Binfei

(SchoolofPetroleumEngineeringinChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580,China)

Foam flooding is proven to be an effective technique for improved oil recovery, but the stability of foam has limited its application. Nano-SiO2is therefore added into surfactant solutions to increase the foams stability. In this study, the surface tension and surface dilatational properties of a combined foam system SiO2+SDS were measured by a Tracker Interfacial Rheometer, and the mechanism of the foam flooding was investigated using a microscopic model in comparison with the SDS foam flooding. The effect of the nano-SiO2agent on oil displacement was also studied via core flooding experiments. The experimental results show that the stability of the foam and the surface dilatational viscoelasticity modules increase with the increase of mass fraction of SiO2nanoparticles. The enhanced foam stability can effectively prevent separation of gas and liquid, and increase the efficiency of foam plugging and sweeping. The enhanced surface dilatational viscoelasticity modules can increase oil displacement efficiency as demonstrated in the microscopic model experiments. The core flooding results show that both the oil recovery and the pressure drop increase with the increase of nano-SiO2mass fraction, and the oil recovery efficiency is 25% higher than that of the SDS foam flooding.

nano-SiO2; interfacial rheological properties; microscopic model; sweeping volume; oil recovery efficiency

2015-12-20

国家自然科学基金项目(51274228,U1262102);山东省自然科学基金项目(2012ZRE28014);高等学校博士学科点专项科研基金项目(20120133110008);中央高校基本科研业务费专项 (13CX06026A，13CX06027A);中国石油大学(华东)优秀博士学位论文培育计划(LW130201A)

孙乾(1984-)，男，博士，研究方向为泡沫流体提高油气开采效率理论与技术。E-mail:sq339@126.com。

李兆敏(1965-)，男，教授，博士，博士生导师，研究方向为油气田开发。E-mail: lizhm@upc.edu.cn。

1673-5005(2016)06-0101-08

10.3969/j.issn.1673-5005.2016.06.013

TE 357

A

孙乾,李兆敏,李松岩,等. 添加纳米SiO2颗粒的泡沫表面性质及调剖性能[J].中国石油大学学报(自然科学版),2016,40(6):101-108.

SUN Qian, LI Zhaomin, LI Songyan, et al. Experimental study on interface properties and oil displacement efficiency of foams stabilized by SiO2nanoparticles[J].Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2016,40(6):101-108.