自生氮气泡沫复合调驱体系实验研究

张 强，张军辉，季 闻，胡 雪，赵 军，孔丽萍

（中海油能源发展工程技术公司钻采工程研究所，天津 300452）

自生气泡沫驱油技术是最近几年新发展的一种泡沫驱油技术，是指向地层中注入某种盐与起泡剂和稳泡剂的混合物，在地层温度压力下产生气体，生产泡沫体系，自生气体系一般采用氮气和二氧化碳作为气相[1-3]。由于泡沫具有遇油消泡、遇水稳定的特点，因此，自生泡沫体系驱油机理包括有驱替作用、抑制黏性指进和稳定驱替前缘、气阻效应、剥离油膜以及乳化、携带作用等，具有降低油水界面张力，扩大体积波及系数，降低原油黏度，控制油水流度比，能够显著提高原油采收率而受到越来越多的关注[4-10]。

渤海J油田位于渤海南部海域，介于黄河口凹陷与渤中凹陷之间，其砂二段油层孔隙度为15.3 %，渗透率为30 mD，该储层具有埋藏深、温度高、压力高的特点，属于异常高压、低渗油藏。长期注水开发，导致储层的非均质性加剧，造成生产井见水早，含水上升过快，甚至造成水淹，为了有效动用低渗断储层，需要新的调剖调驱技术。常规的泡沫驱技术因其所需注气设备过于庞大，受限于海上平台空间，而无法大规模应用，本文开展了自生氮气泡沫复合调驱体系研究，为渤海J油田稳油控水提高采收率提供相关工艺参数，同时为海上泡沫调驱技术研究提供有用参考。

1 实验部分

1.1 实验药剂与仪器

实验药剂：渤海J油田注入水、亚硝酸钠、氯化铵、起泡剂、抑制剂A、抑制剂B、催化剂、起泡剂若干。

实验仪器：FoamScan（法国泰克利斯公司），BSA电子天平（德国赛多利斯公司），多点磁力搅拌（美国Variomag公司），TW20恒温水浴、填砂管模型（38 mm×30 cm），恒温烘箱，ISCO注入泵、压力传感器、真空泵、中间容器及管阀件等。

1.2 实验方法

1.2.1 自生氮气配方体系评价

（1）根据实验条件，分别配制不同质量浓度的生气剂溶液、催化剂及抑制剂溶液；

（2）将实验浓度条件的催化剂体系置于反应容器中，待水浴达到实验温度后，将反应容器置于水浴中恒温30 min；利用分液漏斗按照指定的速度加入生气剂，开始实验。反应时间120 min，记录生成气体的体积。

1.2.2 泡沫体系评价

（1）根据实验条件分别配制不同浓度的起泡剂溶液，将配制好的起泡剂溶液置于恒温水浴中恒温30 min；

（2）采用泡沫扫描仪评价泡沫的性能，设定实验所需的参数，采用N2作为起泡介质，分别得到起泡体积、泡沫衰减曲线及泡沫液膜含液量，并计算泡沫体系的泡沫稳定指数FSI（Foam Stability Index）。

图1 泡沫稳定指数FSI计算方法示意图

如图1所示，计算得到泡沫稳定指数，计算公式如下：

式中：C0-切线处对应的电导率，μS/cm；ΔCt-t1与t2的电导率之差，μS/cm；Δt-t1与t2的时间之差，s。

1.2.3 自生氮气泡沫复合驱体系物理模拟评价

（1）封堵性评价：采用双管并联的方式开展实验研究：①将填砂管根据渤海J油田的平均渗透率充填，抽真空4 h，并饱和水；②将模型置于75 ℃烘箱中恒温12 h；③水驱至压力平稳，记录注入压力ΔP1；④段塞式注入0.2 PV的泡沫体系和0.2 PV的自生氮气体系，记录注入压力ΔP2；⑤后续水驱至压力稳定，记录压力ΔP3。

（2）驱油性能评价：①按（1）中描述准备填砂管并饱和水；②饱和油，并置于75 ℃烘箱中老化24 h；③以恒速水驱至产出液中瞬时含水98 %；④段塞式注入0.2 PV的泡沫体系和0.2 PV的自生氮气体系；⑤后续水驱，至产出液中瞬时含水98 %，并记录实验过程中的压力及产液等数据。

2 结果与讨论

2.1 自生氮气体系配方研究

根据实验条件，分别从生气剂配比、生气剂浓度、反应温度、催化剂浓度以及抑制剂浓度考察其对自生氮气体系生气量的影响。

图2 生气剂配比对体系生气量的影响

图3 主剂浓度对体系生气量的影响

2.1.1 生气剂配比对体系产气量的影响 从实验结果看出（见图2），当NH4Cl与NaNO2的配比为1.1：1.0时，体系具有最高的产气量。结合实验结果可以判断，由于NH4Cl与NaNO2二者在溶液中的电离平衡不同，当二者的质量比为1.1：1.0时，体系的电离达到平衡，若再提高NH4Cl的量则会使反应平衡向逆向移动，主剂电离出的反应物浓度降低，产气效率降低。

2.1.2 体系浓度对体系生产气量的影响 从实验结果（见图3）看出，反应初始阶段的反应速率以及最终的产气量随着反应浓度的升高而增加，结合该体系的动力学方程，可以判断，随着反应物浓度C的升高，反应不断向正向进行，反应产物不断增加。但受体系溶解度的影响，反应物的浓度不宜过高。

2.1.3 催化剂浓度对体系产气量的影响 不同催化剂浓度对体系产气量的影响（见图4），可以看出，随着催化剂浓度的升高，催化作用更明显，在反应的初期，催化剂浓度越高，反应速率越快，体系产气量较高；但催化剂浓度达到1.5 %后，增加催化剂的量，不会对体系的产气量、产气速率等产生明显的提升作用。可以判断，催化剂的加入有效的降低体系反应的活化能，促进反应的进行，体系反应启动后，反应自身产生活化因子促进反应的正向进行，此时催化剂的作用降低。但，催化剂的过量加入会使NO2-与H+结合形成HNO2，HNO2极不稳定，常温下会分解产生有毒气体NO和NO2。

2.2 泡沫体系配方优选

本文选取8种起泡剂，分别采用泡沫扫描仪（FoamScan）和TX-500C旋转滴界面张力测定仪分析泡沫的性能以及起泡剂体系的洗油能力。

不同起泡剂在不同浓度时的起泡体积（见图5），实验结果看出，整体上起泡体积相差不大，其中FP-2、FP-7的起泡体积较低。随着起泡剂浓度的增加起泡体积不断提高，当起泡剂浓度在0.5 %后，起泡体积的增加趋势变缓。当泡沫液膜表面的表面活性剂分子达到饱和状态后，再增加起泡剂的浓度，起泡体积不会大幅增加。

图4 催化剂浓度对体系产气量的影响

图5 起泡剂浓度对起泡体积的影响

对比分析了不同起泡剂的泡沫稳定系数（见图6）。从式（1）看出，泡沫稳定系数FSI是利用泡沫电导率和消泡时间计算得到的参数，用来表征泡沫的稳定性，稳定系数越高，稳定性越好。可以看出，此时FP-4、FP-1以及FP-5具有较高的FSI，稳定性较好。

图6 不同起泡剂的泡沫稳定系数对比图（0.5 wt.%）

图7 自生氮气泡沫体系封堵性能实验结果

图8 自生氮气泡沫体系驱油实验开采曲线

2.3 自生氮气泡沫复合体系调驱性能评价

2.3.1 复合体系封堵性能 复合体系的封堵性能实验结果（见图7），可以看出，在前期水驱中，高渗层的分流率稳定在98 %左右，后续开始注入复合驱体系，高渗层的分流率开始下降，低渗层分流率上升，并出现分流率反转，最终高渗层分流率保持在76 %，低渗层分流率24 %。从实验结果看出，由于化学反应在岩心中的持续反应，使得泡沫能够不断的生成，较常规的泡沫在地层中破裂重组不同，自生氮气泡沫体系产生的泡沫质量较高，稳定性更佳，因而对高渗层具有较好的封堵效果，具有较好的抑流转向的作用。

2.3.2 复合体系驱油性能 自生氮气泡沫体系驱油实验结果（见图8）。当水驱见水后，产出液含水率迅速上升，当含水率达到92 %后，含水率上升变缓，水驱采收率37.63 %；转注自生氮气泡沫体系后，在气体与泡沫体系共同作用下，含水率迅速下降，注入压力和采出程度显著上升，较水驱提高采收程度约21.86 %。表面活性剂以及自生氮气体系产生的热量、气体以及泡沫体系的协同作用，可以较好的发挥体系的增能驱油作用，使得采收率有了较大程度的提高。

3 结论

（1）不同的生气剂主剂配比对自生氮气产气量有一定的影响，主剂浓度越高，体系的生气量越大；催化剂可以有效的提高体系的产气效率，但当催化剂浓度达到2 %后，催化作用减弱，且过量的催化剂会产生有毒气体，需控制催化剂的用量；抑制剂可以有效控制主剂之间的反应。

（2）采用泡沫扫描仪从起泡体积、泡沫稳定系数、泡沫液膜含液量综合评价不同起泡剂的泡沫性能，得到性能较好的起泡剂FP-4。

（3）自生氮气泡沫体系具有较好的封堵作用，具有一定的抑流转向的作用；表面活性剂以及自生氮气体系可以更好的发挥增能及驱油的作用，使得采收率有了较大程度的提高。